{dy}部分    习题

一、  填空题：

1、相位常数是                                  。

2.强度调制直接检波光纤数字通信系统是由             、             、

             、             、             、             构成的。

3.目前，实用光纤的三个低损耗窗口在             、            、          附近,色散位移单模光纤是在                处，实现              和            .

4.光波在均匀介质里，是以                传播，当光射线遇到两种介质交界面时，将产生            或                 。

5.均匀光纤的导光原理为              ，它的数值孔径表示了                ，定义式为                     ，也可表示为                    。

6. 光纤中光路的长度是随着                     的变化而变化，从而不同光线经过光纤的        不同，从而引起                  。

7. 采用非均匀光纤的目的是为了                    ，这样会在光纤中近似产生

       现象，这需要纤芯折射率服从                  分布。

8. 在非均匀光纤中，              处的折射率{zd0}，因而此处的            

达到{zd0}值，即表示该点捕捉光线的能力最              。 

    9.单模光纤的色散包括              色散和             色散，此外，系统所使用的光源与光纤色散相互作用，给系统引进了的干扰和噪声主要有三种，即                     、                    和                   。

10.一般光纤分为单模光纤和多模光纤，单模光纤的芯径为                 ，存在

             色散和                色散，传输的基模是               。

    11.多模光纤的芯径为            ，存在              色散、               色散和               色散。

    12．按照纤芯折射率分布的不同，光纤可分为               、               ，按照传输模式的多少来分，可分为                、                。

13． 光纤的数值孔径是                        的物理量。

14.  在非均匀光纤中，其集光能力是用       数值孔径表示，定义式为                                        。

15．所谓线极化波是指                                                    ，

以               表示。

16．在弱波导光纤中，光射线几乎与             平行，因此，弱波导光纤中的 和 分布是一种                  。

17．导波的径向归一化相位常数U是表明                                  ，而波导的径向归一化衰减常数W是表明                                           。

18．渐变型光纤中，纤芯折射率是                 ，包层折射率是            。

19.多纵模激光器在高速调制下的输出谱线呈               谱线，各谱线功率总合              ，但每根谱线的功率           ，即各谱线的            。

20.在采用多纵模激光器的光纤通信系统中，激光器的谱线特性和              

相互作用，产生了一种叫             的现象，它限制了            和             。

21.在研究光和物质相互作用时,爱因斯坦指出存在三种不同的基本过程:            、                、                 。

22．在热平衡条件下，一个电子占据一个能级的几率为                

23．xx物质是指                                                 。

24.谐振腔的谐振条件是                                                   。

25.发送机的消光比是                                                .

26.检测器在光纤通信系统中的作用是              ，常采用的半导体光电检测器为                、               。

27.接收灵敏度的定义是                                                。

28.暗电流是指                                                    。

29.检测器引入的噪声有            、             、             。

30.响应度R₀和η之间的关系式为              。

31.APD管是在二极管P-N结上加             。

32.判决器和时钟恢复电路和起来构成                   。

33.监控系统是指           、         、           的总称。

34.网络节点接口是指                                。

35.STM-N正结构分为三个区域：           、            和               。

36.光波分复用是指                                                      。

37.光纤数字传输系统的误码性能用                                 来描述，

定义为                                                                 。

38.光纤数字传输系统的抖动定义是                                      ，抖动的程度目前大多用                           来表示，其符号为              。

39.掺饵光纤放大器的工作波长范围在               ，与光纤的        窗口一致。

40.现有接入MSTP平台的多业务包括           、           和以太网业务。

二、单项选择题：[在备选答案中只有一个是正确的，将其选出并把它的标号写在题前面的括号内]

（  ）1、变化的电场和变化的磁场的相互激发，从而形成              的传播。

     （a）  色散     （b）误码           (c) 时延          (d)电波

（  ）2、                         是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

（a）  光纤通信     （b）数字通信      (c) 模拟通信    (d)波分复用

（  ）3、反射定律表明了             和                之间的关系。

（a）  入射波、反射波     （b）反射波、入射波      

       (c) 折射波、反射波          (d)入射波、折射波

（  ）4、全反射条件是                                           。

（a）        （b）         

 (c)   n1>n2,      (d)

（  ）5、光纤中光射线主要有                   和斜射线。

（a）  极化线 （b）折射线       (c) 子午线       (d)入射线

（  ）6、光纤中产生衰减的主要原因是                      和                    。    

（a）  吸收损耗、散射损耗     （b）自发辐射损耗、散射损耗

 (c)   吸收损耗、色散代价       (d) 菲涅尔散射损耗、本特征吸收损耗

（  ）7、              是指描述光纤横截面上，基模场强分布的物理量。

（a）  截止波长     （b）色散系数       (c) 模场直径       (d)数值孔径

（  ）8、非零色散光纤的零色散点               1.55μm.，而且色散值较          。

（a）  等于、大     （b）不等于、小      (c)  趋于、大        (d)等于 、小

（  ）9、平方律型折射指数分布光纤中总的模数量等于                          。

（a）       （b）         (c)           (d) 

（  ）10、极化是指电场或磁场的空间方位随                  的变化关系。

（a）相位       （b）空间           (c)频率          (d)时间

（  ）11、双折射可分为线双折射、圆双折射和                      双折射。

（a）  椭圆     （b）圆锥           (c) 正方形          (d)斜射

（  ）12不同频率的光子具有不同的                      。

（a）  色散     （b）能量           (c) 时延          (d)衰减

（  ）13、                是反映电子在各能级中分布情况的一个参数。

（a）  色散系数   （b）菲涅尔反射系数          (c) 费米能级     (d)吸收系数

（  ）14、 当物质中处于高能级上的粒子数大于处于低能级上的粒子数时，则物质处于

                       状态。

（a）  全反射     （b）粒子数反转           (c) 受激吸收        (d)自发辐射

（  ）15、半导体激光器是有               的器件。

（a）  色散     （b）电谐振腔           (c) 相位差          (d)阈值

（  ）16、光电检测器是利用材料的                    来实现光电转换的。

（a）  光电效应     （b）能量           (c) 时延          。(d)衰减

（  ）17、APD中的电场分为两部分，其中                  发生在高电场区。

（a）  光电效应     （b）粒子数反转     (c) 雪崩倍增效应   (d)光生载流子加速

（  ）18、EDFA的工作范围与光纤                窗口一致。

（a）  基模     （b）最小色散           (c) 最小损耗         (d)零色散点

（  ）19、EDFA中使用的光滤波器的作用是滤除光放大器中的              。

（a）  色散     （b）能量           (c) 时延          (d)噪声

（  ）20、EDFA的功率增益与               和                等因素有关。

（a）  光纤色散、光滤波器带宽     （b）泵浦光功率、光纤长度 

 (c)    光纤时延、隔离器带宽        (d)  光纤衰减、工作频率

（  ）21、能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件被称为                 。

（a）  波长转换器      （b）光放大器       (c)波分复用器     (d)光电检测器

（  ）22、在一根光纤中能够同时传输多种波长的光信号的技术就是                  。

（a）  频分复用     （b）码分复用         (c) 时分复用     (d)波分复用

（  ）23、根据调制信号的性质不同，内调制又分为            和               调制。

（a）时域、频域     （b）间接、直接    (c) 模拟、数字   (d)强度、外

（  ）24、激光器的P-I曲线随温度的变化而变化，从而导致                  的变化。

（a）  波长     （b）输出光功率           (c) 谱宽          (d)频率啁啾

（  ）25、前置放大器是指与                 紧紧相连接的器件。

（a）光谐振腔     （b）激光器         (c) 光放大器        (d)光电检测器

（  ）26、光接收机的动态范围是指在保证系统的误码率指标要求下，光接收机的{zd0}输入光功率和                    之比。

（a） 幅频特性 （b）{zd0}输出光功率  (c) 最小输入光功率   (d){zd0}增益

（  ）27、监控系统是监视、监测和               系统的简称。

（a）  控制     （b）操作           (c) 放大          (d)传输

（  ）28、传输距离与码速率、                  以光源的谱宽成反比。

（a）  光纤的带宽    （b）光纤的色散系数     (c) 光纤的时延    (d)光纤的衰减

（  ）29、传输网主要由                 和                    构成的。

（a）       传输设备、网络节点 （b）交换设备、路由器

 (c)网关、节点设备          (d)信令设备、节点

（  ）30、在SDH帧结构中，               是用于传送网络运行、管理和维护的附加字节。

（a） 容器     （b）支路单元           (c) 信息净负荷          (d)段开销

（  ）31、STM-4的码速率等于                       。

（a） 2.048Mbit/s     （b）155.520Mbit/s  (c) 622 .08Mbit/s     (d)139.264Mbit/s

（  ）32、           是指复用器与中继器之间、中继器与中继器之间传输线路。

（a） 通道     （b）再生段           (c) 复用段          (d)耗尽层

（  ）33、不同波长的光信号都能在单独一根光纤中沿同一方向进行传输的系统结构方式就是                WDM传输系统。

（a） 重构结构（b）广播方式          (c) 单向结构        (d)双向结构

（  ）34、                 是影响WDM系统性能的主要因素之一。

（a） 通道     （b）码型           (c) 时间        (d)串扰

（  ）35、ASE噪声的产生是因为在系统中引入了                    。

（a） 光放大器     （b）波长转换器          (c) 前置放大器        (d)衰减器

（  ）36、光网络是由                、城域网和光接入网构成。

（  ）37、在MSTP中利用以太网             功能可将多个以太网业务复用到同一以太网传输链路中。

（a）透传    （b）链路容量调整           (c) 二层交换       (d)生成树

（  ）38、宽带城域网分为核心层、汇聚层和              。

（a） 通道层     （b）接入层           (c) 复用段层          (d)应用层

（  ）39、将几个C-n的容器组合起来，构成一个大的容器的过程就是            。

（a） 指针调整    （b）映射           (c) 级联          (d)复用

（  ）40、在OA和OTU的支持下，                                可实现任意波长的上下操作，同时对波长中所承载的信息速率、格式和协议无任何限制。

（a） 可编程的OADM     （b）EDFA           (c) RPR          (d)MSTP

三、画图题：

1.画出光纤通信系统组成方框图。

2．请画出激光器输出特性曲线，并标明激光区。

3．请画出用LD管进行数字信号内调制原理图。

4．画出采用直接调制的数字光纤通信光发射端机的方框图。

5．画出数字光纤通信光接收端机的方框图。

6. 画出数字光纤通信光中继器的方框图。

7. 画出光接收机中时钟恢复电路原理方框图。

8. 画出STM-N的帧结构图。

9．画出WDM系统总体结构示意图。

10．画出基于SDH的多业务传送节点基本功能模型。

四、问答题：

*1．什么是弱导波光纤？为什么标量近似解法只适用于弱导波光纤？

2. 请简述阶跃型折射率分布光纤和梯度型折射率分布光纤的不同导光原理。  

    3. 光纤色散有哪几种？它们分别与哪些因素有关？

    4.为什么说采用渐变型光纤可以减少光纤中的模式色散？

    5.如何解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散？

    6.光与物质间的作用有哪三种基本过程？说明各具有什么特点？

7.什么是激光器的阈值条件？

8.简述半导体的光电效应？

    9.什么是模分配噪声？它是如何产生的？

    10.请写出误码率的三种性能分类及定义。

    11.什么是接收灵敏度和动态范围，它们之间的表示式是什么？

    12.什么是码间干扰？其产生的原因是什么？

13.抖动容限的指标有几种？并说明其含义？

14.简述EDFA的工作原理。

15.光波分复用通信技术的特点及工作原理有哪些？

五、计算题

1．弱导波阶跃型光纤芯子和包层的折射指数分别为n₁=1.5, n₂=1.48, 试计算：光纤的数值孔径。

2．上题中，若纤芯半径a=6μm, λ₀=1μm, 试计算光纤中传输的模数量。

3．阶跃型光纤，若n₁=1.5, λ₀=1μm, 若Δ=0.018， 当保证单模传输时，光纤芯径取多大？

4.已知阶跃光纤的n₁=1.62，n₂=1.52, 试计算：

（1）相对折射率Δ （2）数值孔径      

5.已知阶跃型光纤的n₁=1.5，Δ=0.01，芯子半径a=10μm，波长λ₀=1.5μm, 试计算：

   （1）数值孔径NA   （2）归一化频率   （3）入射光线的激励角范围

6. 已知均匀光纤的n₁=1.51，Δ=0.01，工作波长λ₀=0.85μm, 当纤芯半径a=25μm，此光纤中传输的导模数是多少？若要实现单模传输，纤芯半径应为多少？

7. 已知阶跃型光纤的n₁=1.5，Δ=0.5%，λ₀=1.3μm, 若光纤中的导模数量N=2，试问至少纤芯半径为多大？

8．已知光功率为2.4mw，光波频率为10¹⁵Hz,求单位时间传播的光子数。

9．某光纤通信系统，其发送光功率为-4dBm，光接收机灵敏度为-40dBm，设备富余度为6 dB，光缆富余度为0.1dB/km，光纤接头损耗为0.2dB/km，且不考虑色散的影响，求当无光缆配线架时，如果希望最长中继距离为60 km，此时的光缆的衰减系数为多大？

10．有622Mbit/s速率的单模光缆传输系统，应用InGaAs-LD，其I_t<50mA，标称波长为1310nm，光谱宽度为2nm，发送光功率为-2.3dBm, 接收灵敏度为-38dBm, 动态范围≥20dB。采用的光缆其固有损耗为0.3dB/km, 接头损耗为0.1dB/km，光连接器衰减为1dB，光纤色散系数≤2.0ps/nm·km, 光纤富余度为0.1dB/km。若考虑1dB色散代价（ε取0.115），5dB设备富余度，试计算在系统设计时，{zd0}中继距离为多少？

11、若一个2.5Gbit/s单模光缆通信系统，其系统总体要求如下：

       系统中采用的激光器为单纵摸激光器，其阈值电流小于50mA，激光器工作于1550nm.光脉冲谱线宽度Δλ_max≤1.8nm。发送光功率P_T=2.3dBm。如用高性能的光接收组件，可在BER=1×10^-10条件下得到接收灵敏度P_R=-35dBm，动态范围D≥20dB。试计算系统中所允许的{zd0}中继距离。

        注：考虑光通道功率代价P_P =1dB，光连接器衰减A_C=1dB（发送和接收端各一个），光纤接头损耗A_S=0.1dB/km，光纤固有损耗α=0.22dB/km，光纤色散系数D≤2ps/(km·nm)取M_E=3dB M_C=0.1dB/km，频率啁啾系数为3。

     12．某激光器的输出光功率为500mw, 问此功率可折合为多少dBm?

     第二部分   答案

一、填空题：

1.均匀平面波在无限大介质中传播单位距离所产生的相位变化

2.电、光发射端机，光中继器，光、电接收端机，光纤，监控系统，备用系统

     3．0.85μm、1.31μm、1.55μm、1.55μm、{zd1}损耗、{zd1}色散

     4．直线、全反射、部分反射

     5. 全反射原理，光纤收集光线的能力。NA=n_oSinφ_Max, NA=n₁ 。

     6.光线在光纤端面上的入射角 ，时间，模式色散。

     7.减少光纤的模式色散，自聚焦，平方律型折射指数分布。

     8.r=0,本地数值孔径，强    

     9.材料、波导、码间干扰、模分配噪声、啁啾声

     10.4～10μm，材料，波导，LP₀₁，

     11.50μm, 模式，材料，波导

     12.阶跃型光纤（均匀光纤）、渐变型光纤（非均匀光纤）、单模光纤、多摸光纤

     13.光纤捕捉光射线能力

     14.本地，

     15.波的电场矢量空间取向不变，即合成矢量的端点的轨迹为一直线的波，LP

     16.光纤轴线，近似的TEM波

     17.在纤芯中，导波沿径向场的分布规律，在纤芯包层中，场的衰减规律

     18.渐变的，常数     

     19.多纵模，是一定的，是随机的，能量随机分配

     20.光纤色散，模分配噪声，通信距离，容量

     21.自发辐射、受激吸收、受激辐射

     22.  

     23.可以处于粒子数反转分布状态的物质

     24.

     25.全“0”码时的平均输出光功率与全“1”码时的输出光功率之比、

     26.光电变换、PIN、APD

     27.在保证接收机达到给定的误码率或信噪比指标条件下，光接收机所需要的{zd1}的输入平均光功率Pmin。

     28.在无光功率照射时，光电检测器仍有的输出电流

     29.散粒噪声、暗电流噪声、雪崩倍增噪声

     30.

     31.高反向电压

     32.码形成电路

33.监视、监测、控制

34．表示网络结点之间的接口

35．段开销区、净负荷区和管理单元指针

36．将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号，在发射端经复用器汇合，并将其耦合到同一跟光纤中进行传输，在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离，然后由光接收机做进一步的处理，使原信号复原。

     37.误码率，BER=在某段时间内

     38.数字信号的有效瞬间，与其理想时间位置的短时间偏离，数字周期，UI

     39. 1．53～1.56μm,最小衰减

     40.  ATM和TDM业务

二、答案1、d   2、a,   3、b，4、c,  5、c，6、a, 7、c, 8、b, 9、d, 10、d，11、a、

12、b,13、c, 14、b，15、d, 16、      a, 17、c, 18、c，19、d, 20、b，21、a，22、d, 23、c，24、b,25、d, 26、c, 27、a, 28、b, 29、a,，30、d，31、c, 32、b, 33、c, 34、d, 35、a，36、a，

37、c, 38、b，39、c, 40、a。

三、画图题：

1.见教材P₂ 图1-3

2. 见教材P₇₀ 图3-16

3.见教材P₉₈ 图4-1（c）

4.见教材P₁₀₀ 图4-2（a），

5.见教材P₁₀₂ 图4-7

6.见教材P₁₀₉ 图4-23

7.见教材P₁₀₅ 图4-13

8.见教材P₁₂₅ 图5-2

9.见教材P₁₃₉ 图5-14

10.见教材P₂₀₅ 图7-1

四、问答题：

1.当光纤中纤芯折射率n₁略高于包层折射率n₂，它们的差别极小时，这种光纤为弱导波光纤。

在弱导波光纤中，由于 ，在光纤中形成导波时，光射线的入射角θ₁应满足的全反射条件为90°>θ₁>θ_C=Sin ,由此可得θ₁→90°，亦即在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。从波动理论讲，导波是均匀平面波，即 和 与传播方向（光射线指向）垂直，故弱导波光纤中的 和 分布是近似TEM波。其横向场的极化方向不变。由于 （或 ）近似在横截面上，且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的 （或 ）变为沿传输方向其方向不变的标量 （或 ），它将满足标量的亥姆霍兹方程，进而求出弱导波光纤的近似解，这种方法称为标量近似解法。

2.阶跃光纤中入射光线在纤芯和包层分界面上发生全反射，从而在纤芯中沿之字形的曲折路径前进，实现光的传输。

非均匀光纤中入射光线按折射定律在纤芯中传输到某一点时发生全反射，折向光纤轴线，从而以曲线形式在光纤中传输。

     3.光纤的色散有材料色散、波导色散和模式色散。

       材料色散由光纤材料的折射率随频率的变化而变化引起的。

       波导色散由模式本身的群速度随频率的变化而变化引起的。

       模式色散由光纤中的各模式之间的群速度不同而引起的。

     4.渐变型光纤纤芯折射率随 r的增加按一定规律减小，即n₁(r),则就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，产生自聚焦现象，从而减小光纤中的模式色散。

     5.材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成份的群速不同引起的色散。

       波导色散是对于光纤某一模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。

       模式色散是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数β不同，因此群速不同而引起的色散。

6.自发辐射、受激辐射、受激吸收

       自发辐射：可自发光，是非相干光，不受外界影响。

       受激辐射：吸收外来光子能量，发相干光，产生全同光子，产生光放大。

       受激吸收：吸收外来光子能量，不发光。

     7.为了补偿激光器内光学谐振腔存在的损耗，使激光器维持稳定的激光输出需要满足的振幅平衡条件，就是阈值条件。

     8.光照射到半导体的P-N结上，使半导体材料中价带电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，总称光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的共同作用下，在外电路中出现光电流，这就实现了输出电信号随输入光信号变化的光电转换作用。

9.高速率的激光器，其谱线呈现多纵模谱线特性，而且各谱线的能量呈现随机分配。因而单模光纤具有色散，所以激光器的各谱线（各频率分量）经光纤传输之后，发生不同的延时，在接收端造成脉冲展宽。又因为各谱线的功率呈现随机分布，因此当它们经过上述光纤传输后，在接收端取样点得到取样信号就会有强度起伏，至此引入了附加噪声，这种噪声就称为模分配噪声，这也是模分配噪声产生的原因。

10误块秒比：当某1秒具有1个或多个误块时，则称该秒为误块秒，那么在规定观察时间间隔内出现的误块秒数与总的可用时间之比，称为误块秒比。

严重误块秒：当某1秒有不少于30% 的误块，则称该秒为严重误块秒，那么在规定观察时间间隔内出现的严重误块秒数与总的可用时间之比，称为严重误块秒比。

背景误块比：扣除不可用时和严重误码秒期间出现的误块后所剩下的误块，称为背景误块。背景误块与扣除不可用时和严重误码秒期间出现所有误块数之比，称为背景误块比。

11.所谓接收灵敏度是指满足给定误码率（BER）的条件下，光端机光接口R的最小平均光功率电平值。

所谓动态范围是指在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器R点能够接收的{zd0}功率电平值 与最小功率电平值 （即接收灵敏度）之差。

12. 由于激光器发出的光波是由许多根线谱构成，而每根谱线的传播速度不同，因而前后错开，使合成的波形的宽度展宽，出现拖尾，造成相邻两光脉冲之间的相互干扰，这种现象称为码间干扰。这也是码间干扰产生的原因。

13. 抖动容限的指标分为输入抖动容限和无输入抖动时的{zd0}输出抖动容限。

    输入抖动容限是指光纤通信系统（或设备）允许输入脉冲存在抖动的范围。

    无输入抖动时的{zd0}输出抖动容限是指输入信号无抖动的情况下，光纤通信系统（或设备）输出信号的抖动范围。

14．饵离子有三个工作能级：E1、E2和E3。其中E1为基态，E2为亚稳态，E3能级{zg}，为激发态。

当饵离子未受到光的照射时，饵离子处于基态。当泵浦光源的激光射入掺饵光纤时，使处于基态的粒子获得动能而跃迁到高能级。即由E1跃迁到E3，由于粒子在E3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态E2上。在该能级上，粒子相对来将有较长的存活寿命。由于泵浦光源不断地激发，则E2能级上的粒子数就不断增加，而E1能级上的粒子数就减少，这样在这段掺饵光纤中就处于粒子数反转分布状态，当受到外来光子的作用时，则具有放大功能。

15. ①光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高

②提高光纤的频带利用率

    ③降低对器件的速率要求

    ④提供透明的传送通道

    ⑤可以灵活地进行光纤通信组网

    ⑥存在插入损耗和串光问题

五、计算题：

 1．

     2．  

        故 ≈41

     3．单模传输条件：0<V<2.4048

        0< <2.4048

        0< <2.4048

        0<a<1.34μm

     4. (1）

        (2)

     5.（1）

       （2）

       （3）

     6.

         若要实现单模传输，需0<V<2.40483

           ( )

      7.V>2.40483

    >2.40483

    a>3.3     光纤半径至少为3.3

      8. 个

      9．

           =

     10．

         {zd0}中继距离为46.2km。

11、衰减的影响：

          = 74.52km

         色散的影响：        

          =  = 792.5km

         {zd0}中继距离为74.52km

     12、 26.99dBm