光纖習(xí)題解答

#1.一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長(zhǎng)上可以支持1000個(gè)左右的傳播模式。試問(wèn)：其纖芯直徑為多少？在1310nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模式？在1550nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模式？解：(a)V=2^a(n2-n2)1/2=迥NA，而M-—九12九2從而得到纖芯半徑：a=V九/(2兀NA)=30.25ym,則直徑為60.5pmM沁V2=(—NA)2*2，與波長(zhǎng)的平方成反比2尢因此在1310nm上的模式數(shù)為M=(850/1310)2x1000=421在1550nm上的模式數(shù)為M=(850/1550)2x1000=3002.階躍型光纖，若n1=1.5，九0=1.31ym,A=0.25，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑a應(yīng)取多大？若取芯徑a=5pm，保證單模傳輸時(shí)，A應(yīng)怎樣選擇？解:(1)根據(jù)A=佇二借,單模傳輸要求V=西(n2-n2)1/2=西(2nZ<2.4052n2九1/九11解得到a<0.4727pm同樣用孝(2n2A)1/2<2.405九1得到A<0.0022補(bǔ)充：答：光纖存在下列色散類型：模式色散(或模間色散)。是指同一波長(zhǎng)光信號(hào)中不同模式光線的傳播路徑和速度不同，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬，稱為模式色散，只存在于多模光纖中。模內(nèi)色散。是指同一個(gè)導(dǎo)波模式中不同波長(zhǎng)光線的傳播路徑和速度不同，產(chǎn)生時(shí)延差，引起光脈沖展寬，稱為模內(nèi)色散(或色度色散)。模內(nèi)色散包含材料色散和波導(dǎo)色散兩類，其中：材料色散是因光源光譜不純以及光纖石英材料的折射率隨波長(zhǎng)而變化這兩個(gè)原因所產(chǎn)生的模內(nèi)色散；波導(dǎo)色散是因光源光譜不純以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響這兩個(gè)原因而產(chǎn)生的模內(nèi)色散。材料色散和波導(dǎo)色散在單模光纖和多模光纖中都能夠存在。3.一段12km長(zhǎng)的光纖線路，其損耗為1.5dB/km；（a）如果在接收端保持0.3》W的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？（b）如果光纖的損耗變?yōu)?.5dB/km，則所需的輸入光功率為多少？(a(九)L)解：(a)利用p(z=°)=p(z=L)l°10，得到p(z=0)=18.93》W(a(九)L)(b)P(Z=0)=P(Z=L)1010，得到p(z=0)=300》W習(xí)題三什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？（1）對(duì)于一個(gè)二能級(jí)的原子系統(tǒng)，能級(jí)為斗和E2，且E]VE2。（2）熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料中價(jià)帶上的電子總數(shù)目N]>>導(dǎo)帶上的電子總數(shù)目N2，即低能級(jí)E]上的粒子數(shù)N1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2。（3）當(dāng)高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)E1上的粒子數(shù)N1時(shí)，則粒子數(shù)實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。這一條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。（4）當(dāng)照射在原子上的光波頻率滿足：hf=E2-E1時(shí)，原子在能級(jí)E1和E2間c2112同時(shí)存在受激輻射和受激吸收。當(dāng)受激輻射超越受激吸收，占主導(dǎo)地位時(shí)，則導(dǎo)致能量為hf的光子數(shù)的凈增加，入射的光信號(hào)得到了放大。C6、什么是激光器的閾值條件。答：當(dāng)注入電流較小時(shí)，激活區(qū)不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位，激光器發(fā)射普通的熒光。隨注入電流量的增加，激活區(qū)里實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激輻射占主導(dǎo)地位，但當(dāng)注入電流小于閾值電流時(shí)，諧振腔內(nèi)的增益還不足以克服損耗如介質(zhì)的吸收、鏡面反射不完全等引起的諧振腔的確損耗，不能在腔內(nèi)建立起振蕩，激光器只發(fā)射較強(qiáng)熒光。只有當(dāng)注入電流大于閾值電流時(shí)，才能產(chǎn)生功率很強(qiáng)的激光。9、一個(gè)GaAsPIN光電二極管平均每三個(gè)入射光子，產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。假設(shè)所有的電子都被收集。a試計(jì)算該器件的量子效率；b當(dāng)在0.8“n波段接收功率是10-7W時(shí)，計(jì)算平均輸出光電流；c計(jì)算波長(zhǎng)，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過(guò)此波長(zhǎng)時(shí)將停止工作，即長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)入。C解：解：光生并被收集的自由電子的數(shù)量

入射光子的數(shù)量Ib、由R=f(A/W)和R=-(A/W)可得到PhcIN-n九I-n九Ip=~hCxPIN1.6x10-19x(1/3)x0.8x10-6x10-76.63x10-34x3x108=2.15x10-8AhcC、hf=>E而由表3.1，知E=1.424eV,則波長(zhǎng)截止點(diǎn)X=hc/E=0.87Mmc九ggcg10、什么是雪崩增益效應(yīng)？解：光生載流子穿過(guò)一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)的高場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)高場(chǎng)區(qū)，光生電子或空穴可以獲得很高的能量，因此它們高速碰撞在價(jià)帶的電子上使之產(chǎn)生電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對(duì)，這種載流子倍增的機(jī)理稱為碰撞電離。新產(chǎn)生的載流子同樣由電場(chǎng)加速，并獲得足夠的能量從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是所謂的雪崩效應(yīng)。習(xí)題四光纖的連接損耗有哪些？如何降低連接損耗？解：連接損耗可分為外部損耗和內(nèi)部損耗。外部損耗是由于光纖之間的連接錯(cuò)位引起的損耗，主要有軸向位移、連接間隔、傾斜位移、截面不平整。內(nèi)部損耗主要是由于光纖的波導(dǎo)特性和幾何特性差異導(dǎo)致的損耗，包括纖芯的直徑、纖芯區(qū)域的橢圓度、光纖的數(shù)值孔徑、折射率剖面等。采用較好的連接方法，改善連接器的性能，可以降低連接損耗。試用2X2耦合器構(gòu)成一個(gè)8X8空分開關(guān)陣列，畫出連接圖和輸入輸出端口信號(hào)間流向,計(jì)算所需開關(guān)數(shù)。解：NN=8，M=^log2N=1222

1223467815563471223467815563478習(xí)題六5.假定接收機(jī)工作于1550nm，帶寬為3GHz,前置放大器噪聲系數(shù)為4dB，接收機(jī)負(fù)載為R=100Q，溫度T=3OOoK,量子效率為n=1,田=1.55/1.24=1.25A/W,G=1，試計(jì)算接收機(jī)靈敏度。解：FndB=4dB，所以,Fn=2.5124KTb4KTb2二b—FB熱RneL4x1.38x10-23x300100x2.512x3x109二1.248x10-12A2b二1.117x10-6A熱對(duì)于BER=10-12,y~7；F(G)=F(1)=1AmAYbP=-(eBF(G)Y+r)RReAmGm=7(=1.251.6x10-19x3x109x7+1.117x10-6)=6.274x10-3mW=-22.0246dBm習(xí)題七6已知一個(gè)565Mbit/s單模光纖傳輸系統(tǒng),其系統(tǒng)總體要求如下：光纖通信系統(tǒng)光纖損耗為0.1dB/km，有5個(gè)接頭，平均每個(gè)接頭損耗為0.2dB，光源的入纖功率為-3dBm,接收機(jī)靈敏度為-56dBm(BERTO-1。)。光纖線路上的線路碼型是5B6B，光纖的色散系數(shù)為2ps/(kmnm),光源光譜寬度1.8nm，求：最大中繼距離為多少？注：設(shè)計(jì)中選取色散代價(jià)為1dB，光連接器損耗為1dB(發(fā)送和接收端個(gè)一個(gè))，光纖富余度為0.1dB/km，設(shè)備富余度為5.5dB。解：(1)功率限制中繼距離為：-3-(-56)=0.1xL+0.2x5+1+1x2+0.1xL+5.5，得到L=