发布时间 : 星期三 文章[光纤通信]西电第二版课后习题答案更新完毕开始阅读c0e9031b6edb6f1aff001fe1
记Gth???值条件。
12Lln1r1r2，是谐振腔的总损耗，只有增益G?Gth时，才能产生激光，故把Gth叫激光器的阈
《光纤通信》第4章课后习题及答案
1．光纤的连接损耗有哪些？如何降低连接损耗？
答：光纤连接器引入的损耗有插入损耗（insertion loss）和回波损耗（return loss）。插入损耗是由光纤端接缺陷造成的光信号损失，插入损耗越小越好。回波损耗是由于光波在光纤端接的界面处产生菲涅耳反射，反射波对光源造成干扰，故回波损耗越大越好。ITU建议回波损耗值不小于38dB。
由径向偏移产生的损耗比纵向偏移大得多，因而首先要保证光纤轴心对准、靠紧。
2．试用2×2耦合器构成一个8×8空分开关阵列，画出连接图和输入、输出端口信号间的流向，计算所需要开关数。
解：由M?N2log2N，得到M?82log28?12
3．讨论图4.19所示平面阵列波导光栅的设计思想和方法。
答：集成阵列波导光栅由输入／输出波导、星型波导和阵列波导三部分组成。输入、星型波导与阵列波导组成一个相位控制器，使得到达衍射光栅的光波相位与光的输入端口和光波长有关。与阵列波导输出端面相连的星型波导的输入端面充当衍射光栅的作用。每个阵列中的波导正对中心的输入／输出波导，端面展开以减小耦合损耗，阵列波导数要保证所有衍射光能被收集。这样从输入波导进来的光就能被无畸变(或畸变小)传输到输出波导。波导阵列中相邻波导间的长度差为常数，对入射光的相位周期性地调制。 4．简述光耦合器和WDM分波器有什么不同？
答：光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件，一般用于把一个输入光信号分配给多个输出，或把多个输入光信号组合成一个输入。耦合器大多与波长无关，与波长相关的耦合器专称为波分复用器/解复用器。
5．光滤波器有哪些种类？滤波器应用在什么场合？
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答：光滤波器种类有：1.F-P腔型光滤波器：光纤型F-P腔滤波器，铁电液晶光滤波器，微机械F-P滤波器；2.马赫-曾德干涉型光滤波器：3.基于光栅的滤波器：声光可调滤波器，电光可调滤波器，光栅滤波器，光纤布拉格光栅滤波器；4.介质膜滤波器；5.有源滤波器；6.原子共振滤波器。光滤波器主要应用于DWDM系统中。
6．光开关有哪些性能参数？在光纤通信中有什么作用？
答：光开关的性能参数有：开关速度，通断消光比，插入损耗，串扰，偏振依赖损耗。光开关是空分光交换（SDOS）的核心器件，它通过机械、电或光的作用进行控制，能使输入端任一信道按照要求与输出端任一信道相连，完成信道在空间位置上的交换。 7．简述F-P腔可调谐滤波器的工作原理。
答：F-P腔可调谐滤波器的种类：光纤型F—P腔滤波器、铁电液晶光滤波器以及MEMS滤波器。这里就以光纤型F—P腔(FFP)滤波器为例说说它的工作原理。光纤型F—P腔(FFP)滤波器如图所示。图中两根光纤相对的端面镀膜以增强反射率，形成F—P光学谐振腔。在光纤型F—P腔滤波器中利用了压电陶瓷的压电效应，通过改变外加电压的大小改变压电陶瓷的长度，从而改变了由光纤构成的F—P谐振腔的腔长，造成谐振波长改变，实现了用电信号来选通光波长。 8．讨论光纤光栅在光通信中的应用？
答：光纤激光器、WDM合波/分波器、超高速系统的色散补偿器、EDFA增益均衡器等。 9．如果滤波器的中心波长为??1300nm,?n?0.07，根据式（4.15），则光栅周期?为多少？ 解：由公式?????n得到???/?n?1300/0.07?18571nm。 10．NLOM是否可作光开关？
答：可以。当传输光纤有行进的光波时，在耦合器中耦合进光纤环，并绕环行进一周后又返回耦合器，绕环后的光波与来自传输光纤的光波之间将产生相移，相移的大小由环的长度和光波的波长决定。因此，这两个光波之间将产生相长或相消干涉，利用这个原理，可以用非线性光纤环镜来选择所需的信号：对于不需要的波长信号，让其相移为180°；对于需要的波长信号，让其相移为360°。
1．光放大器包括哪些种类？简述它们的原理和特点。EDFA有哪些优点？
答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器
它是根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器。将半导体激光器两端的反射腔去除，就成为没有反馈的半导体行波放大器。它能适合不同波长的光放大，缺点是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
2）光纤放大器
（1）非线性光纤放大器
强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就是利用这些非线性效应制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里渊放大器（SBA）两种。
（2）掺杂光纤放大器（常见的有掺铒和掺镨光纤放大器）
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在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。 EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好是在光纤的最低损耗窗口等。
2．EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？
答：EDFA的三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦：信号光和泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光和泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤的两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。这是因为在输出端的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这是因为双向泵浦的泵功率也提高了3dB。其次，从噪声特性来看，由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因此在未饱和区，同向泵浦式EDFA 的噪声系数最小，但在饱和区，情况将发生变化。不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦的噪声系数均较小。最后，考虑三种泵浦方式的饱和输出特性。同向 EDFA 的饱和输出最小。双向泵浦 EDFA 的输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
3．一个EDFA功率放大器，波长为1542nm的输入信号功率为2dBm，得到的输出功率为Pout?27dBm，求放大器的增益。
解：G= 10log10（Pout/Pin）= 10log10Pout -10log10Pin=27-2=25dB
4．简述FBA与FRA间的区别。为什么在FBA中信号与泵浦光必须反向传输？ 答：FBA与FRA间的区别：
1、FRA是同向泵浦，FBA是反向泵浦；
2、FRA产生的是光学声子，FBR产生的是声学声子， 3、FRA比FBA的阈值功率大； 4、FRA比FBA的增益带宽大。
在SBA中，泵浦光在光纤的布里渊散射下，产生低频的斯托克斯光，方向与泵浦光传播方向相反。如果这个斯托克斯光与信号光同频、同相，那么信号光得到加强。故要使信号光得到放大，信号光应与泵浦光方向相反。
5．一个长250μm的半导体激光器用做F-P放大器，有源区折射率为4，则放大器通带带宽是多少？
此题可能有误，半导体光放大器的通带带宽目前还没找到公式计算。 6．EDFA在光纤通信系统中的应用形式有哪些？
答：（1）作为光中继器，用EDFA可代替半导体光放大器，对线路中的光信号直接进行放大，使得全光通信技术得以实现。（2）作为前置放大器，由于EDFA具有低噪声特点，因而如将它置于光接收机的前面，放大非常微弱的光信号，则可以大大提高接收机灵敏度。（3）作为后置放大器，将EDFA置于光发射机的输出端，则可用来提高发射光功率，增加入纤功率，延长传输距离。 7．EDFA的主要性能指标有哪些？说明其含义？
答：（1）增益，是指输出功率与输入功率之比G=Pout/Pin，如果用分贝作单位定义为G=10log10（Pout/Pin）； （2）噪声系数，是指输入信号的信噪比与输出信号的信噪比Fn＝（SNR）in/（SNR）out 。
8．分别叙述光放大器在四种应用场合时各自的要求是什么？
答：（1）在线放大器：当光纤色散和放大器自发辐射噪声的累积，尚未使系统性能恶化到不能工作时，用在线放大器代替光电光混合中继器是完全可以的。特别是对多信道光波系统，节约大量设备投资。（2）后置放大器：将光放大器接在光发送机后，以提高光发送机的发送功率，增加通信距离。（3）前置放大器：将光放大器接在光接收机前，以提高接收机功率和信噪比，增加通信距离。（4）功率补偿放大器：功率补偿放大器的运用场合：A.用于补偿局域网中的分配损耗，以增大网络节点数；B.将光放大器用于光子交换系统等多种场合。
9．叙述SOA-XGM波长变换的原理。
答：探测波?s和泵浦波?p经耦合注入到SOA中，SOA对入射光功率存在增益饱和特性：当入射光强增加时，增益变小；当入射光强减小时，增益变大。因此，当受过调制的泵浦波注入SOA时，泵浦波将调制
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SOA的增益，这个增益又影响探测波的强度变化，使得探测波的强度按泵浦波的强度变化，用带通滤波器取出变换后的?s信号，即可实现从?p到?s的全光波长变换。
1．光接收机中有哪些噪声？
答：热噪声、散粒噪声和自发辐射噪声。 2．RZ码和NRZ码有什么特点？
答：NRZ（非归零码）：编码1对应有光脉冲，且持续时间为整个比特周期，0对应无光脉冲。RZ（归零码）：编码1对应有光脉冲，且持续时间为整个比特周期的一半，0对应无光脉冲。NRZ码的优点是占据频宽窄，只是RZ码的一半；缺点是当出现长连“1”或“0”时，光脉冲没有交替变换，接收时对比特时钟的提取是不利的。RZ码解决了长连“1”的问题，但长连“0”的问题没解决。 3．通信中常用的线路码型有哪些？
答：扰码、mBnB码、插入码和多电平码。
4．光源的外调制都有哪些类型？内调制和外调制各有什么优缺点？
答：光源的外调制类型有：电折射调制、电吸收MQW调制、M-Z型调制。内调制器简单且廉价，这种调制会引起输出光载波的频率啁啾；外调制器可以有更高的速率工作，并且有较小的信号畸变。
5．假定接收机工作于1550nm，带宽为3GHz，前置放大器噪声系数为4dB，接收机负载为RL?100?，温度T?300K，量子效率??1，R?1.55/1.24?1.25A/W，Gm?1，设计BER?10?12，即??7，试计算接收机的灵敏度。
解：接收机工作于1550nm，则电离系数比为kA?0.7，Gm?1，则散粒噪声系数为
FA(Gm)?kAGm?(1?kA)(2?1Gm)?0.87
热噪声电流方差为
?re?24kBTRLFnBe（带数据自己计算）
接收机灵敏度为
PR????re??eBeFA?Gm????R?Gm?（带数据自己计算）
x6．在考虑热噪声和散粒噪声的情况下，设APD的FA(Gm)?Gm，x?(0,1)，推导APD的Gm的最佳值Gopt，
此时APD接收机的SNR最大。
解：光接收机输出端的信噪比定义为：
SNR?光电流信号功率/（光检测器噪声功率+放大器噪声功率）
光检测器的噪声功率表示为
?散粒?4eGmFA(Gm)RPRBe
22其中FA(Gm)是APD的散粒噪声系数，下标A表示APD的意思，Gm是APD的倍增因子（系数），R是相应度，PR是灵敏度，Be是接收机电带宽。
假设放大器的输入阻抗远大于负载电阻RL，所以放大器电路的热噪声远小于RL的热噪声，那么光检测器负载电阻的均方热噪声电流为
?RE?24kBTRLFnBe
其中Fn是放大器的噪声因子（系数），kB是波尔兹曼常数，T是温度。
放大器输入端的信号功率为
ipGm，其中ip222是信号功率，ip是用PIN检测到的信号电流。或把输入
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