光纖通信原理習(xí)題答案

1、第二章定性描述漸變型多模光纖帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于階躍型多模光纖的原因。答：階躍型多模光纖以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的路徑，雖然在輸入端同時(shí)入射并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時(shí)間卻不同，出現(xiàn)了時(shí)間上的分散，導(dǎo)致脈沖嚴(yán)重展寬。而漸變型多模光纖有自聚焦作用，雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短，但軸線上折射率最大，光傳播最慢。斜光線大部分路徑在低折射率的介質(zhì)中傳播，雖然路徑長(zhǎng)，但傳輸快。通過合理設(shè)計(jì)折射率分布，不同入射角度入射的光線以相同的軸向速度在光纖中傳輸，同時(shí)到達(dá)輸出端，即所有光線具有相同的空間周期，從而降低模間色散，增加了光纖傳輸帶寬。.已知多模階躍型光纖，纖芯折射率為，光纖芯經(jīng)U0相對(duì)折射

2、率差A(yù).，求：（）光纖數(shù)值孔徑和收光角；（）歸一化頻率和導(dǎo)模總數(shù)？（入.）；（）當(dāng)A.時(shí)，光纖芯經(jīng)為多大時(shí)光纖可單模工作？解：入.43.解：已知階躍型光纖的纖芯折射率n1=，.相對(duì)折射率差A(yù).0芯半徑模的截止波長(zhǎng)各為多少？a=U5m，試求L、和入廠對(duì)于入.對(duì)于入.4對(duì)于入什么是光纖的色散？分析多模光纖和單模光纖的色散機(jī)理。解釋為什么石英光纖在有最低的色散？答：色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，不同頻率成分和模式成分的光有不同傳播速度而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。多模光纖存在模間色散和模內(nèi)色散，前者影響遠(yuǎn)大于后者，因此多模光纖只考慮模間色散，單模光纖僅存在一個(gè)模式，消除了模間色散，只存在模內(nèi)色散，主要由材料色

3、散和波導(dǎo)色散組成。材料色散是指石英光纖的折射率隨光波長(zhǎng)變化而改變。波導(dǎo)色散是光纖波導(dǎo)的不完備性使波導(dǎo)的傳播常數(shù)隨光波長(zhǎng)變化而改變。由于材料色散，使得石英光纖在1276nm處的色散為零，但是波導(dǎo)色散使零色散波長(zhǎng)向右移動(dòng)了0.00.0Um,因此總色散在110nm附近為零。已知G.652光纖在1.Um波長(zhǎng)，色散系數(shù)為2ps/(mnm),在1.55um波長(zhǎng)，色散系數(shù)為18ps/(mnm)，對(duì)于半導(dǎo)體激光器的線寬均為1nm的傳輸系統(tǒng)，請(qǐng)計(jì)算傳輸100m兩個(gè)波長(zhǎng)能夠傳輸?shù)淖罡咚俾适嵌嗌伲拷猓汗饫w色散對(duì)系統(tǒng)傳輸速率的限制：BLD1對(duì)1.1m波長(zhǎng)D=2ps/(Km.nm),=1nm,L=100KmB=5Gbp

4、s;對(duì)1.55m波長(zhǎng)D=18ps/(Km.nm),=1nm,L=100KmB=5/9Gbps簡(jiǎn)述構(gòu)成光纖損耗的三大因素。最終限制光纖損耗進(jìn)一步減少的是哪一種因素，為什么？答：分別是材料吸收，瑞利散射和波導(dǎo)缺陷。最終限制光纖損耗進(jìn)一步減少的是材料吸收損耗，因?yàn)槭紫仁⒉牧献陨砭陀斜菊鞑牧衔論p耗的存在，而且在制造光纖過程中用來形成折射率變化所需的摻雜劑也會(huì)導(dǎo)致附加的吸收損耗。波長(zhǎng)為1.55um的2m光功率，注入100m的G.652單模光纖傳輸(損耗系數(shù)采用0.5B/)m計(jì)算傳輸后輸出光功率？分別采用線性單位(m、U)和對(duì)數(shù)單位(Bm、B)進(jìn)行計(jì)算，并體會(huì)對(duì)數(shù)單位應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。解：用線性單位計(jì)算：(

5、B/n)=.(m1)(mx)=(B/n)/.=0./=0.08=p(L)=208100)=0.0006n用對(duì)數(shù)單位P(dBm)=3dBmin=(B/i)L=0.5100=2dBm)outin應(yīng)用光時(shí)域后向散射儀(D)測(cè)量光纖，得到一斷點(diǎn)信息：反回脈沖與發(fā)出脈沖之間的延時(shí)為Us,計(jì)算光纖斷點(diǎn)位置？(已知纖芯折射率n1=1.5，光速二108m/s)解：L=3000m2n已知多模光纖長(zhǎng)10m,輸入光脈沖寬度為1ns，近似為高斯型脈沖，經(jīng)過測(cè)量輸出光脈沖寬度為1.2ns計(jì)算光纖的傳輸帶寬。解：=22二J1.212=0.66210.66第三章1.簡(jiǎn)述二能級(jí)系統(tǒng)的電子的三種能級(jí)躍遷形式，并指出它們與光電或

6、電光轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系。答：在自發(fā)輻射中，高能級(jí)的電子自發(fā)躍遷到低能態(tài)，釋放的能量轉(zhuǎn)化成光子，產(chǎn)生的光子具有隨機(jī)的方向，相位和偏振態(tài)，出射光為非相干光，半導(dǎo)體發(fā)光二極管正是利用了該原理研制的。在受激輻射中，處于高能態(tài)的電子受到入射光子的激發(fā)躍遷到低能態(tài)產(chǎn)生光子，出射的光子與入射的光子具有相同的頻率，方向，偏振態(tài)和相位，因此出射光為相關(guān)光，半導(dǎo)體激光器就是利用這個(gè)原理而得到的。在光吸收過程中，處于低能態(tài)的電子，受到外來光的照射，當(dāng)光子的能量等于或者大于禁帶寬度時(shí)，光子將被吸收使電子躍遷到高能態(tài)，躍遷到高能態(tài)的電子，再外加電場(chǎng)的作用下，會(huì)形成電流，即產(chǎn)生光生電流，半導(dǎo)體光探測(cè)器就是基于這種原理制成的。

7、2.推導(dǎo)LED的3dB調(diào)制帶寬的公式(3.2-6),并分析說明提高工作速率的方法。解：當(dāng)下降為-半時(shí)定義為3dB調(diào)制帶寬；即21111141122所以223同時(shí)2所以3dB23dB論述半導(dǎo)體激光器(LD)的工作原理，分析LD產(chǎn)生激光的增益條件和相位條件，由此LD的采用的典型結(jié)構(gòu)有哪幾種？答：LD的工作原理是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩。LD產(chǎn)生激光有兩個(gè)條件：一是增益條件，具有增益介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布；二是相位條件，具有諧振腔，實(shí)現(xiàn)相位匹配，自洽放大。典型結(jié)構(gòu)有：增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器，折射率導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器。解

8、釋LD的閾值電流的形成機(jī)理。答：由于損耗的存在，受激發(fā)射產(chǎn)生的增益將不斷消耗。只有當(dāng)增益等于或大于總損耗時(shí)，才能建立起穩(wěn)定的振蕩。要達(dá)到這種閾值狀態(tài)所要求的注入電流稱為閾值電流。隨著激光器注入電流的增加，其輸出功率增加但只發(fā)出熒光，當(dāng)電流大于閾值電流時(shí)輸出功率才隨注入電流急劇增加，發(fā)出激光，當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，激光器發(fā)出的是自發(fā)輻射光。什么是LD的縱模和橫模，LD產(chǎn)生單縱模和單橫模需要滿足什么條件？答：半導(dǎo)體激光器的模式分為縱模和橫模，縱模由滿足諧振腔縱向相位條件和凈增益決定，橫模則是由諧振腔橫向結(jié)構(gòu)決定。通過控制半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的橫向尺寸可以實(shí)現(xiàn)單橫模工作。單縱模設(shè)計(jì)思想基于縱模的損

9、耗差，不同的縱模具有不同的損耗，使某一縱模損耗最小而達(dá)到震蕩條件。描述LD的P-I特性曲線，并詳細(xì)分析該曲線的工作特征。答：特征：當(dāng)注入電流Ith,LD發(fā)出激光。當(dāng)注入電流IIth，曲線基本呈線性關(guān)系，擔(dān)當(dāng)調(diào)制電流較大時(shí)，線性特征將被破壞，此時(shí)需要一定的補(bǔ)償機(jī)制來滿足通信要求。P-I特性曲線隨溫度升高，斜率下降，即量子效率下降。P-I特性曲線隨溫度升高，閾值電流不斷升高。P-I特性曲線，隨注入電流的升高，LD輸出的功率出現(xiàn)飽和。闡述LD的噪聲形成的機(jī)理，以及對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響。答：半導(dǎo)體激光器即使在穩(wěn)定的直流偏置下，其輸出光信號(hào)強(qiáng)度，相位和頻率也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)而形成噪聲，產(chǎn)生噪聲的兩個(gè)基本因

10、素是自發(fā)輻射和電子-空穴對(duì)的復(fù)合點(diǎn)噪聲，其中自發(fā)輻射是主要噪聲源。自發(fā)輻射產(chǎn)生的相位隨機(jī)變化光場(chǎng)會(huì)疊加在受激輻射產(chǎn)生的想干光場(chǎng)上，形成對(duì)光場(chǎng)的幅度和相位的隨機(jī)微擾，從而導(dǎo)致輸出光的強(qiáng)度和相位發(fā)生漂移，強(qiáng)度的漂移構(gòu)成對(duì)光信號(hào)信噪比的影響，而相位，頻率的漂移會(huì)使激光器的輸出光信號(hào)具有一定譜寬。簡(jiǎn)述PIN和APD的工作原理以及一般的結(jié)構(gòu)，并比較它們的異同及其應(yīng)用特點(diǎn)。答：PIN光電二極管設(shè)計(jì)在p-n節(jié)中間引入一層本證半導(dǎo)體材料，由于i區(qū)具有較高電阻，因此外加電壓基本落在該區(qū)，使得壘區(qū)寬度增加，并可以控制i區(qū)的厚度來改變壘區(qū)寬度。特點(diǎn)：i區(qū)作為吸收材料，提高了轉(zhuǎn)換效率；由于i區(qū)的高電場(chǎng)，提高了漂移速度

11、，降低了渡越帶寬，提高了工作帶寬；PIN采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，降低了電容，進(jìn)一步保證了帶寬。APD與PIN不同在于p區(qū)和n區(qū)都進(jìn)行了中摻雜，并在i去和n區(qū)引入另一層p區(qū)作為電離碰撞區(qū)以產(chǎn)生二次電子空穴對(duì)，在反向電壓下，在p區(qū)形成較高電場(chǎng)，i區(qū)仍作為吸收光信號(hào)產(chǎn)生一次電子空穴對(duì)的區(qū)域，所產(chǎn)生的電子在p區(qū)通過碰撞而形成更多的電子空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)一次光電流的放大作用。APD是有增益的光電二極管，在光接收機(jī)靈敏度要求較高的場(chǎng)合，采用APD有利于延長(zhǎng)系統(tǒng)的傳輸距離。但是采用APD要求有較高的偏置電壓和復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，結(jié)果增加了成本。因此在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，一般采用PIN光電探測(cè)器。分析環(huán)行器圖3.4-1

12、2工作原理。答：當(dāng)包含兩個(gè)正交偏振的輸入光波由1端輸入，有分片器分成平行和垂直的兩束光，垂直光經(jīng)分偏器和反射鏡兩次反射，在經(jīng)過法拉第旋光器偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，在經(jīng)過1/2波片，再次旋轉(zhuǎn)45度，變?yōu)槠叫泄?，而平行偏振光?jīng)由分偏器和1/2波片旋轉(zhuǎn)90度，兩束偏振光通過分偏器合為一束光。由于法拉第旋光器對(duì)光的旋轉(zhuǎn)方向與入射方向有關(guān)，當(dāng)反向傳輸時(shí)，分偏器只能從3端口輸出，因此光線從2端輸入時(shí)只能從3端輸出。13第四章分析圖.2-TTL數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路的工作原理。答：工作原理是通過控制輸TTL的輸入，使得三極管導(dǎo)通或截止，這樣就可以根據(jù)LED的P-I特性曲線，選取驅(qū)動(dòng)電流，計(jì)算得到限流電阻R1值，完成電路設(shè)

13、計(jì)。I=(V-V-V)/R1CCLEDCE1=00信號(hào)0和1對(duì)應(yīng)于三極管T1的截止和飽和狀態(tài)。0-匚截止一LED不發(fā)光；1-T1飽和一LED發(fā)光；根據(jù)輸出光信號(hào)幅度的要求確定電流大小。光電探測(cè)的噪聲由哪幾部分組成，寫出它們的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并說明物理意義？答：光電探測(cè)噪聲主要由以下三部分組成：1散粒噪聲：是光電轉(zhuǎn)換中偶那個(gè)產(chǎn)生電子的隨機(jī)性引起的噪聲電流。22I2熱噪聲:是在溫度作用下載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的噪聲電流。22TRTTTTRL3強(qiáng)度噪聲：是光信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間漂移裝換成隨機(jī)漂移引起的噪聲電流。2RIRP2I3.如圖為一個(gè)P的光路，下行LT到光波長(zhǎng)為1.，上行到LT光波長(zhǎng)為1.31，分別計(jì)算上下行的

14、傳輸損耗？(其中光纖損耗0.1.31，0.21.；3分配器的插入損耗為0.,3分配器將光功率按0:0分配3分配器正向和反向傳解：下行傳輸損耗為0.2103+30.52上行傳輸損耗為0.1030.21211B4.100M數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)（NR碼）要求BR小于10-9,采用為光電探測(cè)器和前置放大器為接收機(jī)部件，其中熱噪聲=0.1A遠(yuǎn)大于其他噪（聲因）素,R=0.9A/W,計(jì)算該光接收機(jī)的接收靈敏度。=/R=60.1A/0.9A/W=0.6W解：n即-41.dB第五章5-1簡(jiǎn)述模擬信號(hào)光纖傳輸有哪幾種技術(shù)方案？答：1基帶光強(qiáng)調(diào)制2脈沖光強(qiáng)調(diào)制3頻分復(fù)用光強(qiáng)調(diào)制包括副載波調(diào)幅光強(qiáng)調(diào)制和副載波調(diào)頻光強(qiáng)調(diào)

15、制5-2已知基帶模擬信號(hào)傳輸帶寬為010MHz,光發(fā)射機(jī)的調(diào)制深度為0.8,要求光接收SNR達(dá)到60dB,首先分析判斷在光接收機(jī)中哪種噪聲起主導(dǎo)作用，然后計(jì)算光接收機(jī)的靈敏度。（放大器噪聲系數(shù)為6dB,工作溫度為20C，負(fù)載電阻為1kW,R=0.9A/W）解：熱噪聲占主導(dǎo)地位；SNR=60dB=10飛，F(xiàn)=6dB=3.98TOC o 1-5 h zSNR=R4kFR22APDLnin“0.92103106=in41.3810232933.9810106.94710-106.43710-102=in0.81=2.819105W=2.819102W=15.5dB5-3為什么說模擬信號(hào)光纖傳輸?shù)年P(guān)鍵

16、在于光發(fā)射機(jī)？答：模擬非線性系統(tǒng)的非線性主要來源于光發(fā)射機(jī)，特別是基于直接調(diào)制LD的光發(fā)射機(jī)將不可避免的產(chǎn)生非線性產(chǎn)物。對(duì)于多路副載波系統(tǒng),將傳輸60-100個(gè)頻道，它們的二階組合和三階組合將不可避免的落在傳輸信道內(nèi)，引起傳輸質(zhì)量下降。5-4簡(jiǎn)述多路調(diào)幅和調(diào)頻副載波光纖傳輸系統(tǒng)的各自特點(diǎn)。答：多路調(diào)幅副載波系統(tǒng)的特點(diǎn)1多路調(diào)幅副載波系統(tǒng)其傳輸原理是基于殘留邊帶調(diào)幅，在傳統(tǒng)雙邊帶調(diào)幅的基礎(chǔ)上殘留到了部分低頻雙邊帶，高頻端采用單邊帶傳輸；2SNR與CNR關(guān)系為SNR二CNR-6.4;3接收機(jī)光功率較大，因此強(qiáng)度噪聲為光接收機(jī)的主要噪聲；4采用DFB-LD及預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)。多路調(diào)頻副載波系統(tǒng)的特點(diǎn)1

17、可以降低成本，傳輸近100個(gè)頻道，且用戶端廣泛解調(diào)，接受簡(jiǎn)單，但接收光功率高，無中繼傳輸距離有限；2只需較低的CNR就可獲得較好的信號(hào)傳輸質(zhì)量；3接收光功率低，熱噪聲起主導(dǎo)作用4光發(fā)射機(jī)采用FD-LD作為光源無需采用預(yù)失真補(bǔ)償技術(shù)，降低了成本與系統(tǒng)的復(fù)雜度5-5光纖傳輸系統(tǒng)需要傳送C波段微波信號(hào)(3.74.2GHz)，帶寬為500MHz,要求接收CNR達(dá)到50dB，計(jì)算光接收機(jī)的靈敏度。(其中熱噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲，放大器噪聲系數(shù)為6dB,工作溫度為20C,負(fù)載電阻為50Q,R=0.8A/W,光發(fā)射的調(diào)制深度為0.6)解：由題意可知熱噪聲遠(yuǎn)大于其他噪聲SNR=60dB=10飛，F(xiàn)=6dB=3.98CNR=R8F)2R22Ln“0.60.8250105