习题一1．光纤通信的优缺点各是什么？答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。

缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。

2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。

光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。

光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。

模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。

光源是LED或LD，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。

电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。

光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。

光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。

光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。

光检测器将光信号转化为电流信号。

常用的器件有PIN和APD。

然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。

模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。

光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。

光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。

光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km时，每隔2km将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。

光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。

光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。

3．假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？解：根据题意，求得在5GHz的微波载波下，数字通信系统的比特率为50Mb/s，则能传输781路64kb/s的音频信道。

根据题意，求得在1.55μm的光载波下，数字通信系统的比特率为1.935Gb/s，则能传输30241935路64kb/s的音频信道。

4．SDH体制有什么优点？答：（1）SDH传输系统在国际上有统一的帧结构，数字传输标准速率和标准的光路接口，使网管系统互通，因此有很好的横向兼容性，它能与现有的准同步数字体制（PDH）完全兼容，并容纳各种新的业务信号，形成了全球统一的数字传输体制标准，提高了网络的可靠性；（2）SDH接入系统的不同等级的码流在帧结构净负荷区内的排列非常有规律，而净负荷与网络是同步的，它利用软件能将高速信号一次直接分插出低速支路信号，实现了一次复用的特性，克服了PDH准同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程，由于大大简化了数字交叉连接（DXC），减少了背靠背的接口复用设备，改善了网络的业务传送透明性；（3）由于采用了较先进的分插复用器（ADM）、数字交叉连接（DXC）、网络的自愈功能和重组功能就显得非常强大，具有较强的生存率。

因SDH帧结构中安排了信号的5％开销比特，它的网管功能显得特别强大，并能统一形成网络管理系统，为网络的自动化、智能化、信道的利用率以及降低网络的维管费和生存能力起到了积极作用；（4）由于SDH有多种网络拓扑结构，它所组成的网络非常灵活，它能增强网监，运行管理和自动配置功能，优化了网络性能，同时也使网络运行灵活、安全、可靠，使网络的功能非常齐全和多样化；（5）SDH有传输和交换的性能，它的系列设备的构成能通过功能块的自由组合，实现了不同层次和各种拓扑结构的网络，十分灵活；（6）SDH并不专属于某种传输介质，它可用于双绞线、同轴电缆，但SDH用于传输高数据率则需用光纤。

这一特点表明，SDH既适合用作干线通道，也可作支线通道。

例如，我国的国家与省级有线电视干线网就是采用SDH，而且它也便于与光纤电缆混合网(HFC)相兼容；（7）从OSI 模型的观点来看，SDH 属于其最底层的物理层，并未对其高层有严格的限制，便于在SDH 上采用各种网络技术，支持ATM 或IP 传输；（8）SDH 是严格同步的，从而保证了整个网络稳定可靠，误码少，且便于复用和调整； （9）标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现横向兼容，降低了联网成本。

5．简述未来光网络的发展趋势及关键技术。

答：全光网络将成为继纯电缆网络、光电耦合网络后的第三代网络。

全光网络是指信号只是在进出网络时才进行电/光和光/电的变换，而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在，因此在整个传输过程中没有电的处理。

全光网络的关键技术主要有光放大中继技术、光复用技术、光交换技术、光分插复用技术等。

6．简述WDM 的概念。

答：波分复用的基本思想是将工作波长略微不同、各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入到同一根光纤中进行传输。

7．解释光纤通信为何越来越多地采用WDM+EDFA 方式。

答：采用WDM 技术的原因是和它的优点分不开的，它有如下优点： （1）充分利用了光纤的巨大带宽资源； （2）同时传输多种不同类型的信号； （3）实现单根光纤双向传输； （4）多种应用形式； （5）节约线路投资；（6）降低器件的超高速要求。

采用EDFA 技术的原因是和它的优点分不开的，它有如下优点： （1）中继器的价格下降了；（2）对传送的数据速率和调制格式透明，这样系统只需改变链路的终端设备就很容易升级到高的速率； （3）可以同时放大多个波长信号， 使波分复用（WDM ）的实现成为可能；（4）提供了系统扩容的新途径， 无需增加光纤和工作的速率， 只需通过增加波长就可提高系统的容量； （5）最关键的是系统的成本下降了。

8．全光网络的优点是什么？答：能充分利用光纤的带宽资源，故容量大，传输质量好，开放性，易于实现网络的动态结构，可扩展性，结构简单，透明性，可靠性高，可维护性好。

习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻璃表面之间的夹角。

根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。

由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。

由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到sin /sin sin 67/sin 33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来） 其中利用了空气折射率1i n =。

这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=（自己用matlab 算出来） 2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。

如果光纤端面外介质折射率 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ==允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算（1）纤芯和包层的相对折射率∆； （2）光纤的数值孔径NA 。

解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -∆=≈光纤的数值孔径为0.38NA4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01∆=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。

解：光纤的归一化频率002233.3V a n ππλλ=⋅=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。

试问：（1）其纤芯直径为多少？（2）在1310nm 波长上可以支持多少个模？ （3）在1550nm 波长上可以支持多少个模?解：（1）由11122V a NA ππλλ=⋅，得到纤芯直径为11130.2722V a NA λλππ=⋅==≈ （2）当2 1.31m λμ=，有1222λλππ= 得到模的个数为()()221212220.8510004211.31M M λλ==⨯= （3）当2 1.55m λμ=，得到模的个数为()()221312220.8510003541.55M M λλ==⨯= 6．用纤芯折射率为1 1.5n =，长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率08f MHz =的光脉冲，经过该光纤后，信号延迟半个脉冲周期，试估算光纤的长度L 。

解：信号的周期为01/T f = 信号在纤芯中传输的速度为1/v c n =由于信号延迟半个脉冲周期，则光纤的长度L 为86101310112.522 1.52810T c L v m n f ⨯=⨯=⨯==⨯⨯ 7．有阶跃型光纤，若1 1.5n =，0 1.31m λμ=，那么（1）若0.25∆=，为保证单模传输，光纤纤芯半径a 应取多大？（2）若取芯径5a m μ=，保证单模传输时，∆应怎么选择？解：（1）由归一化频率0022V a n ππλλ==⋅a 为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求 2.405V <，则要求光纤纤芯半径0.47a m μ<=≈（2）若取芯径5a m μ=，保证单模传输时，则22001111 2.4050.0022222V n a n a λλππ⎛⎫⎛⎫∆=<≈ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭8．渐变光纤的折射指数分布为()()1/2012r n r n a α⎡⎤⎛⎫=-∆⎢⎥ ⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦求光纤的本地数值孔径。

解：渐变光纤纤芯中某一点的数值孔径为()()2201r NA r n a α⎡⎤⎛⎫==∆-⎢⎥ ⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦9．某光纤在1300nm 处的损耗为0.6/dB km ，在1550nm 波长处的损耗为0.3/dB km 。

假设下面两种光信号同时进入光纤：1300nm 波长的150W μ的光信号和1550nm 波长的100W μ的光信号。

试问这两种光信号在8km 和20km 处的功率各是多少？以W μ为单位。

解：对于1300nm 波长的光信号，在8km 和20km 处的功率各是/100.481015010L o i P P W αμ--==⨯， 1.215010W μ-⨯对于1550nm 波长的光信号，在8km 和20km 处的功率各是/100.241010010L o i P P W αμ--==⨯，0.610010W μ-⨯10．一段12km 长的光纤线路，其损耗为1.5/dB km 。