2014年光電子技術(shù)思考題答案.doc

2014年光電子技術(shù)思考題答案 已知一階躍光纖芯區(qū)和包層折射率分別為n1=1.62, n2=1.52(a) 試計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑NA=?(b) 計(jì)算空氣中該光纖的最大入射角=?(c) 如果將光纖浸入水中（n水=1.33），=？ 設(shè)階躍光纖的數(shù)值孔徑NA=0.2,芯(半)徑a=60um，=0.9um,計(jì)算光纖傳輸?shù)目偰?shù)。 欲設(shè)計(jì)階躍單模光纖，其芯折射率為n1=1.5,=0.005,試分別計(jì)算波長(zhǎng)為=1.3um和=0.6328um的最大芯(半)徑。 設(shè)一根光纖的芯的折射率n1=1.532，包層的折射率n2=1.530(a)計(jì)算臨界角；(b)設(shè)一條光線沿軸向傳播，另一條光線以臨界角入射到包層上，試求軸向光線傳播公里后兩光線的滯后； 已知一直圓柱形階躍光纖，纖芯和包層折射率分別為n1=1.62, n2=1.52，其芯線直徑d=10um，彎曲后的曲率半徑R=1.0cm(a) 試計(jì)算放在空氣中子午光線的最大入射角？(所有子午光線都全反射)(b) R值低于多少時(shí)，子午光線便不再在內(nèi)表面上反射？（入射角=）(只要有一條子午光線做到就可以)(c) 對(duì)該光纖，要使最大孔徑角增大到90，則n2最大應(yīng)等于多少？(設(shè)纖芯的折射率保持一定。)(d) 當(dāng)=90時(shí)，出射光會(huì)不會(huì)在光纖的出射端面上發(fā)生反射？(試分析之) 已知“習(xí)題5”中的圓柱形階躍光纖的入射端面有=10傾角，出射端面仍垂直于軸線(a) 試計(jì)算放在空氣中光纖的最大入射角。(b) 要使=90，該光纖的數(shù)值孔徑NA至少要多少？這一光線（=90）會(huì)不會(huì)在出射端面內(nèi)發(fā)生全反射？7. 將50mw的光注入300m長(zhǎng)的光纖中。如果在另一端接收到的功率為30mw，試問(wèn)每公里光纖的損耗是多少（用dB/km表示）？如果光纖長(zhǎng)公里，輸出功率將是多少？8. 使用棱鏡耦合將光耦合進(jìn)入單模光纖中，若棱鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑NA是0.3，光源波長(zhǎng)是532.8nm，如果想要單模光纖與棱鏡系統(tǒng)的數(shù)值孔徑匹配，則其纖芯最大可以是多少？試從結(jié)果討論其可行性。答：?jiǎn)文９饫w需要滿足：=a4.28um一般單模光纖的纖芯在10um左右，如果纖芯太小，會(huì)增加傳輸損耗，不能進(jìn)行長(zhǎng)距離的傳輸，所以在設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)時(shí)需要注意纖芯以及耦合方式的設(shè)計(jì)。9 梯度折射率光纖的折射率分布滿足n2(r)= n2(0)(1-2r2),其中=140rad.mm-1,試求當(dāng)近軸光纖入射時(shí)，光纖中光線每傳播一周期的長(zhǎng)度L？10 已知自聚焦棒軸線折射率1.5，周期48mm，用它制造超短焦距透鏡作光纖耦合器，求該自聚焦透鏡的長(zhǎng)度和焦距。11 一根單模光纖芯直徑是4um,損耗是2.510-5cm-1,在可見(jiàn)光譜區(qū)域（可取5000 ）,如果用這根光纖觀察非線性現(xiàn)象，非線性轉(zhuǎn)換效率要比用體材料時(shí)增加多少倍。12圖示一種相位型光纖溫度傳感器原理圖，從兩光纖末端輸出的兩光波在空間疊加形成明暗相間的楊氏條紋。當(dāng)信號(hào)臂的溫度發(fā)生變化時(shí)，輸出端兩光波的相位差發(fā)生改變（）表示，于是屏上條紋發(fā)生移動(dòng)，觀測(cè)條紋移動(dòng)數(shù)便可求得溫度的變化量，并有公式如下：/(T.L)=2/(n/T+nL/(LT).如果光源=6328 ，光纖的折射率n=1.456,dn/dT=1010-6/,=L/(L.T)=510-7/,光纖長(zhǎng)度L=1米，求對(duì)應(yīng)一個(gè)條紋間隔變化時(shí)的溫度的變化。13 用截去法測(cè)量光纖在0.85um波長(zhǎng)的損耗。若用光電接受器測(cè)得2公里長(zhǎng)的光纖輸出電壓為2.1V，當(dāng)光纖被截去剩下3米時(shí)輸出電壓增加到10.5V，求每公里該光纖在0.85um波長(zhǎng)上的衰減，并用公式不確定度=0.2/(L1-L2)dB/km來(lái)估計(jì)測(cè)量精度。14 分析影響單模光纖色散的各種因素，如何減小單模光纖中的色散？15 在弱傳導(dǎo)近似下，利用公式（5.97）計(jì)算EH11模和HE31模的截止條件，并利用標(biāo)量模理論解釋其物理原因。16分別列舉出平面波導(dǎo)之間和光纖之間的兩種耦合方式。平面波導(dǎo)間的耦合見(jiàn)書(shū)75頁(yè)光纖之間的耦合見(jiàn)書(shū)上210-21317如果在拍長(zhǎng)的兩個(gè)自聚焦透鏡對(duì)之間的準(zhǔn)直光路中插入法拉第旋光器和兩個(gè)偏振器，就可以做成光纖隔離器，如下圖所示，簡(jiǎn)要說(shuō)明其原理。見(jiàn)P211左側(cè)入射的光束經(jīng)過(guò)聚焦纖維透鏡之后成為大致平行的光束，經(jīng)過(guò)偏振鏡后，偏振方向被調(diào)制到與光軸平行，繼續(xù)經(jīng)過(guò)法拉第旋光器后偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，正好通過(guò)偏振片與另一側(cè)（右側(cè)）聚焦纖維透鏡耦合。反射光會(huì)再次經(jīng)過(guò)旋光器，偏振繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45度，成為垂直于光軸的方向，不能通過(guò)的偏振器，從而隔離反射光。18（a）單模光纖在平面內(nèi)彎曲時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力雙折射，對(duì)于石英光纖有，這里為光纖芯半徑，為光纖彎曲半徑，若用一個(gè)光纖圈構(gòu)成波片，時(shí)，應(yīng)為多大？對(duì)于這種彎折型的光纖器件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意什么問(wèn)題？（b）若使用POTDR法對(duì)這種光纖圈進(jìn)行拍長(zhǎng)測(cè)量，系統(tǒng)中使用到的偏振分束器作用是什么？參考光纖中的偏振演變效應(yīng)，試設(shè)計(jì)一套采用逐段剪斷法測(cè)量光纖拍長(zhǎng)的系統(tǒng)。 (a) 對(duì)于波片，可得 1.彎曲后會(huì)引入彎曲損耗，注意考慮功耗的問(wèn)題，以及數(shù)值孔徑的匹配問(wèn)題； 2.注意考慮材料的應(yīng)力系數(shù)，是否可以這樣彎折。(b)P244，偏振分束器不僅有分束功能，而且有正交偏振片的功能-只有與入射光偏振方向相互垂直的線偏振光才能反射到APD上。20（a）若沒(méi)有鏡面或任何其他光反饋的部件的光發(fā)射器，能夠由受激發(fā)射產(chǎn)生光嗎？這些光相干嗎？ （b）解釋激光器中閾值現(xiàn)象的意義； （c）為什么場(chǎng)限制激光器具有較低的閾值電流和較高的效率？ （d）為什么半導(dǎo)體激光器中發(fā)射光束的發(fā)射角比氣體激光器中的要大得多？21試比較同質(zhì)結(jié)，SH和DH激光器的工作特性，分析每種類型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。22工作波長(zhǎng)0=8950 的GaAs DFB激光器，若用一級(jí)光柵，試求光柵間距為多少？23如果GaAs介質(zhì)的折射率n=3.6, 試求GaAs半導(dǎo)體激光器諧振腔端面的反射率R。24半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角可近似為 sin-1(0/a),a為有源區(qū)線度，若d=2um，w=12um,求該激光器的發(fā)散角和的值。25在討論耦合問(wèn)題時(shí)，可把LED看作朗伯型光源(即均勻的面發(fā)光體)，試計(jì)算LED與光纖直接耦合的耦合效率。并與LD與光纖直接耦合的耦合效率相比較（計(jì)算時(shí)光纖的數(shù)值孔徑取NA=0.2，LD的發(fā)散角=36，=9）26利用散射中能量守恒和動(dòng)量守恒的關(guān)系推導(dǎo)布里淵頻移的表達(dá)式，并解釋單模光纖中的SBS多為后向散射光的原因。27在自聚焦透鏡斐索干涉儀中，若待測(cè)面M3的振動(dòng)方式為x(t)=Asin(0t),其中A為振幅，0為圓頻率，則光電探測(cè)器測(cè)得的光電信號(hào)為：V(t)=kcos(4asin(0t),其中a=A/0, 0為激光波長(zhǎng)，k為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。試給出一種從信號(hào)V(t)恢復(fù)到振幅a的方法。28. 全光纖馬赫澤德(M-Z)濾波器通常是由兩個(gè)3dB耦合器連接而成，如下圖所示，定向耦合器的傳輸矩陣為 ，光纖段的傳輸矩陣為 ，其中C為耦合效率（3dB相當(dāng)于C=0.5），l1和l2為中間光纖臂長(zhǎng)，設(shè)光場(chǎng)從1端輸入，求從3、4端出射的光場(chǎng)振幅透射系數(shù)T13和T14及兩相鄰