光纤通信简明教程参考答案 - 图文

光纤通信简明教程参考答案

第一章习题

1-1 什么是光纤通信? 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤,它是工作在电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少?

光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。

1-2 试画出光纤通信系统组成的方框图。

一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。

1-3 通信系统的容量用BL积表示，B和L分别是什么含义?

系统的通信容量用比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。

1-4 光纤通信的主要优点是什么?

光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。

(1) 通信容量大 (2) 中继距离远

(3) 抗电磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻

(5) 资源丰富，节约有色金属和能源。

光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显著。

1-5 请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。

略

1

第二章习题

2-1 一个频率为6?10Hz的光源，其发射功率为10W，它一秒内发射多少个光子? 解：

14P?10W,??6?1014Hz P1019N???2.52?10?3414h?6.626?10?6?10

2-2 如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播? （1） 对于石英光纤，纤芯的折射率n1?1.48，包层的折射率n2?1.46。 （2） 对于塑料光纤，纤芯的折射率n1?1.495，包层的折射率n2?1.402。 解：由 sin?c?n2 得 n1?c?sin?1（1）?c?sin?1n2 n11.46?80.57? 1.48?11.402（2）?c?sin?73.94? 1.495

2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。油的折射率为1.3，玻璃的折射率为1.5 ，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到500nm与700nm这两个波长的单色光在反射中消失，求油膜的厚度。

解：由于空气的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为2 n2e；由于薄油膜的上、下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。

所以总的光程差为 ??2n2e

当反射光因干涉而减弱，则有 ??2n2e?(k?1/2)?

由上式得(k1?1/2)?1?(k2?1/2)?2 k1 ，k2=1，2，3… … 所以k1 =4，k2=3

把n2=1.3代入得到油膜的厚度为干涉加强的光波波长为：

e=673.08nm

2

2-4 一波长为λ=600nm的单色平行光垂直照射一个光栅上，光栅常数为d=6μm，问第二级明纹所对应的衍射角φ为多少? 解：光衍射角φ满足光栅方程时：

(a?b)sin???k? k=0,1,2… …

式中d=a+b，k=2 得

??sin?12??11.54? a?b

2-5 一束线偏振光入射到偏振片上，光矢量方向与偏振化方向分别成30°角和60°角，问透过偏振片的光强之比是多少?

2解：利用马吕斯定律：I?I0cos?

I1cos230? ??3:1 2I2cos60?

2-6 光从空气中入射到玻璃会发生光的反射和折射，已知玻璃的折射率n=1.48，空气的折射率近似为1，试求反射光为线偏振光时所对应的入射角。 解：由布儒斯特定律tani0?n2?n21可得 n1i0?tan?1

n?55.95? n02-7 有一介质，吸收系数为??0.32cm，透射光强分别为入射光强的10%、50%及80%时，介质的厚度各多少?

解：光束穿过厚度为z的介质后强度为

?1I?I0e??z

可得： z??1?lnI I0当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为7.196cm； 当透射光强分别为入射光强的50%时，介质的厚度为2.166cm； 当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为0.607cm；

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2-8 构成激光器的三个基本条件是什么?

构成一个激光器需要如下三个要素如图所示：

（1） 激光工作物质 （2） 激励

（3） 光学谐振腔

142-9 He—Ne激光器的中心频率?0?4.74?10 Hz，自发辐射谱线宽度为

???6?108 Hz，若想获得单模输出，腔长应为多少?

解：纵模个数N为 N??? ??m8当单模输出时N=1，即??m?6?10 Hz

由?q?qc得 2nLL?

2n??m?4m c第三章习题

3-1 填空题

(1) 通信用的光纤绝大多数用 材料制成。

折射率高的中心部分叫 ，折射率稍低的外层称为 。 (2) 表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为 ，用 表示。 (3) 在阶跃型光纤中， 模是最低工作模式， 是第一高阶模。 (4) 阶跃型光纤的单模传输条件是 。

(5) 渐变型光纤中不同射线具有相同轴向速度的现象称为 。

答案： （1）石英，纤芯，包层

（2）数值孔径，NA （3）LP01，LP11

（4）0＜V＜2.405

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（5）光纤的自聚焦现象

3-2 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。

阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图3-1-3所示。

图3-1-3 阶跃折射率光纤的导光原理

按照光的全反射理论，如果光线满足θ1大于临界角由式（3-1-3）确定的θC ，将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。

采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图3-1-4所示。 图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况，与轴线夹角大的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。

图3-1-4 渐变型折射率光纤的导光原理

3-3 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，试计算光纤的数值孔径? 解：由NA?2n12?n2?n12?得

NA?1.482?1.462?0.24

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3-4 什么是光纤的归一化频率?写出表达式。

光纤的归一化频率V是由U和W得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。

V?k0n1a2?

3-5 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，在工作波长为1.31μm条件下，要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。 由V?k0n1a2?可知

a?V?02?n12??V?02?n?n2122?2.405?1.312?3.14?1.48?1.4622?2.09?m

纤芯半径应小于2.09μm

3-6 什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。

从渐变型光纤的导光原理可知：只要n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。利用渐变型光纤n随r变化的特点，可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。

折射指数选取平方律型分布形式

rn(r)?n(0)[1?2?()2]1/2 （3-3-1）

an2(0)?n2(a)式中： ?? 22n(0)n(0)——光纤轴线处（r=0）的折射率 a——纤芯半径

3-7 写出光纤的衰减系数表达式。衰减系数的单位是什么？

衰减常数α用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为

???10P(L)lg LP(0)单位为dB/km。

3-8 对于NA=0.275，n1=1.487的多模阶跃型光纤，一个光脉冲传输了8km，求光脉冲展宽了多少？ 解：??SI

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Ln1L(NA)28?103?0.2752?????678.08ns 8cc2n13?10?2?1.4873-9 对于N1=1.487，Δ=1.71%的多模渐变型光纤，一个光脉冲传输了2km，求光脉冲展宽了多少？ 解：??GILN1?22?103?1.487?(1.71%)2???0.36ns

8c8?3?108

3-10 材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D的关系是什么？色散系数D工程通常采用什么单位？

材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D成正比，色散系数D工程上单位采用ps/(nm·km)。

3-11 普通单模光纤的零色散波长大约为多少？色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成

的？

图3-6-3普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线，总色散在1.31μm附近为零，这个波长称为零色散波长。而在1.55μm附近色散系数D=15～18ps/(km·nm)。

在1.55μm附近的损耗最低，如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55μm附近，这样1.55μm附近色散也最小，利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。

图3-6-3 普通单模光纤的DM、Dw和D随波长的变化曲线

3-12 查阅资料，论述单模光纤的最新进展。

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第四章习题

4-1 填空题

(1) 根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为 、 ，不能被子占据的状态为 。

(2) 在半导体材料中掺杂其他原子，如果在半导体材料中掺杂负电荷的载体以产生大量的电

子，这种半导体称为 型半导体；掺杂的是正电荷的载体以产生大量的空穴，则称为 型半导体。

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(3) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为 ，这个电流称为 电流。

(4) 半导体材料只有波长为λ＜λC的光入射时，才能使材料产生光子，所以λC称为 波长

(5) 由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了 ，又限制了 ，故它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低 答案：（1）价带 导带 禁带

（2）N P （3）激光 阈值 （4）截止

（5）光波 载流子

4-2 LED的光谱有什么特点，可以用于何种光纤系统？

发光二级管又称LED，广泛应用在各类电子设备中，也是光纤通信中经常使用的光源。它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。但它也具有发光亮度低，光谱宽等缺陷，故发光二极管(LED)通常使用在低速、短距离光通信系统。

4-3 试画出LED的光输出功率P与注入电流I的关系曲线，即P-I曲线。

LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功率近似的线性增加。通常使用使用光输出功率P与注入电流I的关系，即P-I曲线，来描述LED的输出光功率特性，如图4-2-5所示。

图4-2-5 LED的P-I特性曲线

4-4 光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求？

半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统的基本要求有以下几点：

（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85μm、1.31μm或1.55μm。 （2）光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。 （3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。 （4）与光纤耦合效率高，30%～50%。

（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。

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4-5 半导体激光器也由三个部分构成，试分别加以说明。

半导体激光器由如下三个部分组成：

产生激光的工作物质（激活物质） 能够产生激光的工作物质，也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。

能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源） 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。

有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。 激活物质只能使光放大，只有把激活物置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。

4-6 试画出InGaAsP双异质结条型激光器剖面图。

目前，光纤通信用的激光器大多采用如图4-3-2所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条型激光器。由剖面图中可以看出，它由5层半导体材料构成。其中N—InGaAsP是发光的作用区，作用区的上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层N—InP是衬底，顶层P+—InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条型电极。

图4-3-2 InGaAsP双异质结条型激光器剖面图

4-7 法布里－珀罗腔GaAlAs-GaAs半导体激光器在高速调制情况下的输出光谱，与在直流或低码速调制情况下的输出光谱有什么不同？

法布里－珀罗腔半导体激光器(FP-LD)输出的激光在低码速情况下一般具有良好的单纵模性，然而在高码速情况下，其光谱呈多纵模性，光谱线较宽。在光纤长距离、大容量的传输过程中，多纵模的存在将使光纤中的色度色散增加。

4-8 画出DFB-LD结构示意图。DFB-LD单模光谱与LD多模光谱有何不同？

分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图4-3-4所示。

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图4-3-4 分布反馈半导体激光器结构示意图

LD多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模LD中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。

4-9 半导体激光器的温度变化对阈值电流有什么影响?

温度对激光器阈值电流影响很大，阈值电流随温度升高而加大。所以为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。

4-10 光源的外部调制是如何实现的？

光源的间接调制通常称为光源的外部调制，它是由恒定光源输出激光后，外加光调制器对光进行调制来实现的。目前可以使用的外部调制方式有电光调制、声光调制和磁光调制。电光调制最容易实现，在光纤通信系统广泛使用。

4-11 试说明LD的电光延迟和张驰振荡的产生原因。

电光延迟就是在电信号到来时，光信号相对于电信号的时间延迟，用延迟时间t d来表示，电光延迟的原因是由于载流子浓度达到激光阈值需要一定的时间(约0.5～2.5ns)。

当注入电流从零快速增大到阈值以上时，经电光延迟后产生激光输出，并在脉冲顶部出现阻尼振荡，经过几个周期后达到平衡值，这种特性称为张驰振荡特性。

当电子密度增加到阈值时，激光器开始发射，但光子密度的增加也有一定的过程，只要光子密度还没有达到它的稳态值，电子密度将继续增加。光子密度迅速上升同时使电子密度开始下降，持续一段时间，使电子密度继续下降到n th之下，从而引起光子密度也开始迅速下降。当电子密度下降到最低点时，发射可能停止或减弱，于是重新开始上述过程。

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输140Mb/s以下码速率时，必须将HDB3解码，变为单极性的“0”，“1”码。但是HDB3解码后，这种码型所具有的上述误码监测等功能都将失去。以上是需要重新编码的一个原因。另一方面，在光纤线路中，除了需要传输主信号外，还需增加一些其他的功能，如传输监控信号、区间通信信号、公务通信信号、数据通信信号，当然也仍需要有不间断进行误码监测功能等。为此，需要在原来码速率基础上，提高一点码速率，以增加一些信息余量(冗余度)从而实现上述目的。具体作法是在原有码流中插入脉冲，这也需要重新编码。

6-4 在PDH光纤通信系统和SDH光纤通信系统分别采用什么线路码型？

在PDH光纤通信系统中，常用的码型有分组码和插入比特码；在SDH光纤通信系统中广泛使用加扰NRZ码。

6-5 什么是分组码?经过分组编码，线路上的速率提高了多少?

分组码常用mBnB表示，它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特(n＞m)输出。分组码有1B2B，2B3B，3B4B，5B6B，5B7B，6B8B等。

线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了（n-m）/m

6-6 什么是插入码，插入码的类型有几种?

插入比特码是将信码流中每m比特划为一组，然后在这一组的末尾一位之后插入一个比特码输出，根据插入码的类型分为：mB1P码，mB1C码，mB1H码。

6-7 有一个光纤通信系统，其码速率为622.080Mb/s，平均发送光功率PT的最大值0dBm，活动连接器ACT和ACR为0.4dB，设备富余度ME为3dB，光纤衰减系数Af取值1550nm取0.2dB/km，平均熔接接头损耗AS/Lf为0.05dB/km，线路富余度MC为0.06dB/km。接收机灵敏度PR为-31.2dBm，试估算最大中继距离。 解：

L?PT?PR?ACT?ACR?Pd?ME0?(?31.2)?2?0.4?1?3??85.16km

0.2?0.05?0.06Af?As/Lf?MC

6-8 SLM光源的Δλ3dB为0.388nm，系统所用常规光纤，在1310nm工作波长范围内的最大色散系数Dmax=3.5ps/nm·km，估计STM-1、STM-4、STM-16系统的最大色散受限距离。 解：

0.3154?106由L?得

Dmax??3dBfbSTM-1系统L=1493.40 STM-4系统L=373.35 STM-16系统L=93.34

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第七章习题

7-1 PDH的主要有哪些缺点，试画图说明PDH是如何实现从低次群信号复接成高次群信号，又是如何实现从高次群信号到低次群信号的分接的？

PDH的主要缺点有： (1) PDH有两大体系种系列，即以2.048Mb/s为基群及以1.544Mb/s为基群的体系，相互间难以互通和兼容。

(2) 由于没有统一规范的光接口，不同厂家的设备在光路上不能互通，必须转换成标准电接口才能互通，限制了联网应用。

(3) PDH高次群信号中的低次群信号位置没有指示，因此要从中取出/插入一个低次群信号(俗称上/下电路)很不方便，必须逐级分接、复接才能实现，需要设备多，上下业务费用高，如图7-1-1所示。

图7-1-1 PDH和SDH中分插信号流图的比较

(4) PDH各等级的帧结构中预留的插入比特(开销)很少，网络结构缺乏灵活性，同时PDH主要是为话音业务设计，使网络无法适应不断演变的管理要求，更难以支持新一代的网络。 为此，CCITT根据世界各国间通信联网的需要，制定了同步数字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)的建议。使之成为不仅适合光纤通信，也适合微波和卫星通信的数字体系。从而揭开了现代信息传输崭新的一页，得到了空前的应用和发展。

7-2 试说明SDH网具有哪些主要特点？

SDH网具有同步复用、标准光接口和强大的网络管理能力。有如下主要特点： (1) 使24路制和30路制两种PDH数字系列在STM-1等级上实现了统一，使之成为数字传输体制上的世界标准；

(2) 由于采用了同步复用和映射方法，各种不同等级的码流在帧结构净负荷内的排列是有规律的，而净负荷与网络同步。因此可以方便地从高速信号中一次分出低速支路信号，省去PDH中全套背靠背的数字复用/去复用设备，及相应的多次码速调整与变换，这不仅使上下业务变得非常容易，而且便于业务的管理及改善网络的业务透明性；

(3) 在帧结构中安排了丰富的开销比特，因而使网络的运行、管理和维护(OAM)能力大大加强，而且便于将部分网络管理能力分配到网络单元，实现分布式管理以及实现高可靠性的自愈环网结构；

(4) 确定了世界统一的光纤网络接口，可以在光路上实现横向兼容，便于网络的组织和调度，使网络投资成本节约10%～20%以上；

(5) SDH网具有信息净负荷和定时的透明性。所谓信息净负荷的透明性指的是网络可以

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传送各种净负荷及其它们的组合，而与信息的具体结构无关； (6) SDH网具有后向和前向兼容性。它与传统的PDH网完全兼容。另外它还能容纳新的业务信号，如B-ISDN中的ATM信元、高速局域网的光纤分布式数据接口(FDDI)信号和分布排队双总线(DQDB)信号等。

7-3 STM-N的速率分别是多少？它们是如何得出来的？

STM-1 155.520Mbit/s STM-4 622.080Mbit/s STM-16 2488.320Mbit/s STM-64 9953.280Mbit/s

SDH的块状帧由9行和270×N列字节组成，1字节为8比特；帧重复周期为125μs，即每秒传输8000帧。因此STM-N的速率为9×270N×8×8000。

7-4 画出SDH的帧结构图，并说明各个区域的功能。

整个帧结构可以分为三个主要区域： (1) 段开销(SOH)区域 (2) 信号净负荷区域 (3) 管理单元指针区域

7-5 计算STM-16每帧中，信息净负荷区域的字节数和比特数。

STM-16的字节数为9×261×16 STM-16的比特数为9×261×16×8

7-6 试画出我国目前采用的复用映射结构图。并回答一个是STM-1能够提供多少个2.048Mb/s的接口，多少个34.368Mb/s的接口和多少个139.264Mb/s的接口？

一个是STM-1能够提供63个2.048Mb/s的接口，3个34.368Mb/s的接口和1个139.264Mb/s的接口。

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7-7 ADM的特点是什么？被称作什么设备？

分插复用器(ADM)是SDH网络中最具特色，也是应用最为广泛的设备。ADM是一个三端口设备，它的功能如图7-4-2所示，有两个线路(也称群路)口，输出和输入均为SIM-N信号，和一个支路口，支路信号可以是各种准同步信号，也可以是同步信号。

图7-4-2 ADM功能示意图

ADM的特点是可从主流信号中分出一些信号并接入另外一些信号。与TM相同，ADM既能连接不同的信号也能分支具有比主流信号更低容量的电或光信号。

7-8 画出在SDH网络中，线形、星形、树形、环形或网孔形网络的结构示意图。 在SDH网络中，通常采用点对点线形、星形、树形、环形或网孔形网络结构，如图7-5-3所示。

图7-5-3 SDH网络的基本拓扑类型

7-9 画出二纤单向通道保护环的结构图，若BC节点间光缆中的这两根光纤同时被切断，如何实现保护功能？

若BC节点间光缆中的这两根光纤同时被切断，则来自W1的AC信号丢失，则在节点C将通过开关转向接收来自P1的信号，从而使AC业务信号不会丢失。而CA信号此时仍然可以从W1提取。故障排除后，开关返回原来位置。

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7-10 什么是电信管理网（TMN）？它与传统意义上的电信网不同？

电信管理网（TMN）是利用一个具备标准接口(包括协议和消息规定)的统一体系结构，使各种不同类型的操作系统(网管系统)与电信设备互连，从而实现电信网的自动化和标准化的管理，并提供大量的各种管理功能。它的基本目标是为电信管理提供一种框架性结构，引入通用网管模型后，利用通用信息模型和标准接口可以实现多种不同设备的统一管理。

电信管理网（TMN）与传统意义上的电信网不同，TMN在概念上是一个独立的网络。但是它与电信网有若干不同的接口，可以接收来自电信网的信息并控制电信网的运行。TMN也常常利用电信网的部分设施来提供通信联络，因而两者可以有部分重叠。

7-11 误块(EB)是如何定义的。误块秒比(ESR)的含义是什么？

当某一秒具有一个或多个误块，或至少有一种缺陷时，则该秒称为误块秒(ES)。 在规定测量时间间隔内，出现的ES与总的可用时间(在测试时间内扣除其间的不可用时间)之比，称为误块秒比(ESR)。

7-12 试从表7-8-1高比特率全程27 500km通道端到端的误码特性规范要求得出表7-8-2中 420kmHRDS误码特性指标。

为了将27 500 km端到端光纤通信系统的指标，分配到更小的组成部分,G.826采用了一种新分配方法，即在按区段分段的基础上结合按距离分配的方法。将全程分为国际部分和国内部分。

我国国内标准最长假设参考通道(ERP)为6 900 km ，按照G.826的分配策略，我国国内部分共分得24.5%的端到端指标。

国内网可分成两部分，即接入网和转接网（由长途网和中继网组成），转接网按距离线性分配直到再生段为止，即按规定每公里可以分得G.826规定的端到端指标的0.0055%。实际系统设计指标和工程验收指标指标还要严格，一般为理论估计值的1/10。

第八章习题

8-1通信的容量的大小通常用BL积表示，用什么方法可以增加B和L。

利用电信号的时分复用技术使通信容量极大提高，采用光放大和色散补偿技术将会增加通信距离。

8-2光纤放大器又主要包括哪两种，分别说明它们的工作原理。

光纤放大器又主要包括非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器两种。

非线性光纤放大器，是利用强的光源对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应，在这种受激发的一段光纤的传输过程中得到放大。其中有受激喇曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)光纤放大器、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin Scattering，SBS)光纤放大器和利用四波混频效应(FWM)的光放大器等。它的主要缺点是需要大功率的半导体激光器作泵浦源(约0.5~1W)，因而实用化受到一定的限制。

掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。将激光工作物质掺与光纤芯子即成为掺杂光纤，在泵浦光的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。目前最成功的典型是掺铒光纤放大器，由于它具有一系列优点，因此近年来得到迅速发展，被广泛采用。

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8-3 试说明EDFA具有哪些主要优点。

EDFA具有如下优点：

(1)工作波长处在1.52～1.56μm范围，与光纤最小损耗窗口一致；

(2)对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需要几十毫瓦，而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励；

(3)增益高、噪声低、输出功率大。它的增益可达40dB，噪声系数可低至3～4dB，输出功率可达14～20dBm； (4)连接损耗低，因为它是光纤型放大器，因此与光纤连接比较容易，连接损耗可低至0.1dB。

8-4 画出EDFA的工作能级图，简述EDFA的工作原理。

444如图8-2-2所示，EDFA的工作能级在I13/2和I15/2之间，I13/2能级分离成一个能带，4铒粒子先跃迁到该能带的顶部，并迅速以非辐射跃迁的形式由泵浦态变至亚稳态(即I13/2能

级)，在该能级上，粒子有较长的存活时间，由于源源不断地进行泵浦，粒子数不断增加，从而实现了粒子数反转。当具有1 550nm波长的光信号通过这段掺铒光纤时，亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一模一样的光子，从而大大增加了信号光中的光子数量，即实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能，掺铒光纤放大器也由此得名。发出的光的波长为1520~1570nm，即EDFA对1520~1570nm的光信号有放大作用。

8-5画出双向泵浦掺铒光纤放大器结构示意图。

8-6什么是喇曼散射效应？

喇曼散射效应是物质内部的分子无时无刻都在振动着，但它们只能在某几个固定的频率上振动，这些频率叫喇曼频率，不同的振动频率对应于不同的分子能量。当外界光照射时，外来光子能与振动分子发生能量交换，这时在入射光光谱线(称为母线)两边出现一些强度很

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弱的新谱线，这种效应称为喇曼散射效应。这些新出现的谱线叫伴线，其中比母线波长长的叫斯托克斯(Strokes)线，比母线波长短的叫反斯托克斯线。它们两个与母线波长的间隔相等，其值等于相应的分子振动频率，约十几个THz。

8-7光纤喇曼放大器可分为哪两类？各有什么特点？

光纤喇曼放大器可分为分立式喇曼放大器和分布式喇曼放大器（DRA）两类。

分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短，一般在10km以内泵浦功率要求很高，一般在几瓦到几十瓦，可产生40dB以上的高增益，像EDFA一样用来对信号光进行集中放大，因此主要用于EDFA无法放大的波段。

分布式喇曼放大器要求的光纤比较长，可达l00km左右，泵浦源功率可降低至几百毫瓦，主要辅助EDFA用于WDM通信系统的中继放大。

8-8色散会使光纤通信系统的光信号发生怎样的变化，色散补偿的原理是什么？

色散会使输出光信号在时间展宽，色散导致光信号展宽是由相位系数

exp(j?2z?2?j?t)引起的，它使光脉冲经光纤传输时产生了新的频谱成分。所有的色散

补偿方式都试图取消该相位系数，以便恢复原来的输入信号。

第九章习题

9-1 填空题

(1)多信道复用技术中，可以从光信号和光波两个方面来考虑，主要技术包括 、

、 、 。

(2)ITU-T建议G.692文件确定WDM系统的绝对参考频率规范为 。 (3) 在一根光纤中同时传输两种或多种不同波长的光波信号称为 技术。

(4) WDM技术从传输方向分：有 和 两种基本应用形式。

(5) 光波分复用器的种类很多，应用于不同的领域，WDM器件的技术要求和制造方法都不相同，大致可分为： 、 、光栅型和波导型四大类。 答案：（1）光时分复用(OTDM)技术、光码分复用(OCDM)技术、

副载波复用(SCM)技术、波分复用(WDM)技术 （2）193.10THz （3）波分复用

（4）双向结构和单向结构

（5）熔锥光纤型、介质膜干涉型

9-2 简述OTDM的原理。

光时分复用是指将多个通道的低速率数字信息以时间分割的方式插入到同一个物理信道（光纤）中，复用之后的数字信息成为高速率的数字流。光时分复用与电时分复用不同，光时分复用的电数字信号还是低速率的数字流，但是复用的光信号是高速率的数字流，这样就绕开了高速电子器件和半导体激光器直接调制能力的限制；而电时分复用是低速率的电数字信号直接复用成高速率的电数字信号。

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9-3 试画出WDM的双纤单向和单纤双向传输方式的示意图。

9-4 试说明WDM光的发射为什么采用光转发器（OUT）技术？

WDM光的发射是采用光转发器（OUT）技术，OUT是WDM的关键技术之一。光转发器不仅可以用在光发送部分也可以用在光中继和光接收部分。开放式WDM系统在发送端采用OTU将非标准的波长转换为标准波长。

9-5 可调光滤波器的作用是什么?

WDM系统的光接收端均使用了波长可调的光滤波器，光滤波器也称为波长选择器。其作用是在接收端于接收器前从多信道复用的光信号中选择出一定波长的信号，以供接收机进行接收。

9-6 用WDM技术所构成的光传送网。按照G.805建议的规定，从垂直方向上光传送网分为哪三个独立层网络，分别加以说明。

最上层是业务层，各种不同业务网络提供不同的业务信号，如视频、音频和数据信号，业务层直接为电交换/复用层提供服务内容，最后要通过光传送/网络层在光域上进行信号传输。可见各层之间的关系与SDH传送网是相同的，即下层为上层提供支持手段，上层为下层提供服务内容。

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9-7 WDM系统的信道串扰中，两个以上不同波长的光信号在光纤的非线性影响下有四波混频(Four Wave Mixing，FWM)，说明如何减小FWM的影响？

克服四波混频最有效的方法是采用非零色散光纤或光纤的非零色散窗口。

第十章习题

10-1 简述相干光纤通信的原理。

相干光通信系统工作原理均可以用图10-1-1来加以说明。

图10-1-1 光相干检测原理图

图10-1-1中的光信号是以调幅、调频或调相的方式被调制(设调制频率为ωS)到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为ωL本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得了中频频率为ωIF=ωS-ωL的输出电信号，因为ωIF≠0，故称该检测为外差检测，那么当输出信号的频率ωIF=0(即ωS=ωL)时，则称之为零差检测，此时在接收端可以直接产生基带信号。

10-2 相干光纤通信的优点有哪些?

与直接检测相比，相干光通信有如下优点：

(1) 接收灵敏度高。相干检测的极限灵敏度与直接检测相当，但它可通过提高本振功率来有效抑制热噪声，使接收灵敏度得到很大提高。

(2) 频率选择性好。外差接收时中频落在微波波段，可采用非常窄的带通滤波器，使光载波间隔窄至约1GHz，从而实现比波分复用更密集的频分复用（FDM）传输。相比之下，光滤波器的带宽及选择性要差得多，因此WDM复用的信道要少得多。

(3) 不但可利用信号的强度信息，还能充分利用信号的位相信息，并可采用多种调制解调方式，具有很大灵活性及选择余地。

(4) 相干接收技术可以抑制级联光放大器中产生的严重噪声累积，故可采用多级光放大器级联来延长中继距离。

10-3 什么是光孤子?它的产生原因是什么?

光孤子的产生原因是光纤的非线性效应。

如果光场很强，则光纤的特征参数将随光场呈非线性变化。光纤群速度色散(GVD) 会使光脉冲展宽，而自相位调制则使波形中较高频率分量不断累积，使波形变陡，即光纤的非线性特性使光脉冲变窄。光纤群速度色散(GVD) 和自相位调制(SPM)达到平衡，则使光脉冲在传播中保持形状不变，即形成所谓的“光孤子”，使“光孤子”在光纤中长距离传输即实现了超大容量超长距离传输的光孤子通信系统。

10-4 什么是光接入网?简述OAN的应用类型。

光接入网(OAN)是指以光纤作为传输媒体来取代传统的双绞线接入网，具体地说就是指本地交换机或远程模块与用户之间采用光纤或部分采用光纤来实现用户接入的系统。

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根据ONU在接入网中所处的位置不同，OAN可分为三种：光纤到路边(FTTC) 、光纤到大楼(FTTB)和光纤到户(FTTH)。如图10-3-2所示。

图10-3-2 光接入网的应用类型

在光纤到路边（FTTC）方式中，通常采用双星形网络结构，而且ONU设置在路边的人孔和电线杆的分线盒处或设置在交接箱处，ONU与用户之间一般使用双绞线或同轴电缆连接。由于利用原有的缆线资源，因此投资成本相对较低，但它仅适于2Mbit/s以下的窄带业务环境。

在光纤到大楼(FTTB)方式中，ONU进一步靠近用户。它是将ONU直接安装在楼内，然后再利用原有的双绞线与每个用户终端设备相连。因此一般FTTB是一种点对多点的结构，适用于高密度用户区。

在光纤到户（FTTH）中是直接将ONU移到用户家，而在FTTC中原放置ONU的位置则被换成无源光分支器。可见FTTH是一种全光纤网。接入网呈现全透明的特性，因而对传输制式、带宽、波长等均没有任何限制。适于引进新的业务，这才是真正意义上的宽带网络。由于ONU位于用户终端处，因而无论供电，还是维护，其成本得到大大降低，这是一种理想的网络形式。但就目前终端技术条件而言，其投资成本过大，因而仅是一种未来人们追求的理想网络目标。

10-5 光交换技术的三种基本形式是什么?

空分光交换、时分光交换和波分光交换

10-6 画图说明时分光交换的原理。

时分光交换是针对时分复用的一种光交换方式，采用时隙互换原理实现交换。时分复用是把时间划分成帧，每帧划分成N个时隙，并分配给N路信号，最后将N路信号复接到一根光纤上；在接收端用分接器恢复各路原始信号，如图10-4-2(a)所示。

时隙互换是将时分复用帧中各个时隙的信号互换位置，最核心的工作是要能将时分复用信号顺序地存入存储器，同时又能将经过时隙互换操作后形成的另一时隙阵列顺序地取出。如图10-4-2(b)所示为实现时隙互换的一种方法，首先使时分复用信号经过分接器，在同一时间内，分接器每条输出线上依次传输某一个时隙的信号，然后使这些信号分别经过不同的光延迟器件，获得不同的延迟时间，最后用复接器将这些互换位置的信号重新组合起来构成新的帧，完成交换功能。

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图10-4-2 时分光交换原理

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