上海大學(xué)理學(xué)院物理系光通信技術(shù)習(xí)題(含答案)

1、光纖通信第一章1.3 將兩根1km長(zhǎng)的光纖連接在一起。假設(shè)每根光纖的損耗為5dB, 連接損耗為1dB。如果輸入功率是2mW，計(jì)算由這兩根光纖構(gòu)成的傳輸線的輸出功率。1.4 一臺(tái)接收機(jī)需要10mW的輸入光功率。如果將系統(tǒng)的總損耗增加到50dB，試問光源需要發(fā)送的功率是多少？1.14 假設(shè)有波長(zhǎng)為0.8um的光束入射到光檢測(cè)器上，每秒入射光子數(shù)為個(gè)。試計(jì)算檢測(cè)器上的入射光功率。如果此光檢測(cè)器將光轉(zhuǎn)換成電流的效率是0.65mA/mW，試問產(chǎn)生的電流是多大？1.23 為了正常工作，光接收機(jī)需要-34dBm的功率。假設(shè)從接收機(jī)到光源的系統(tǒng)總損耗為31dB。試問光源的發(fā)送功率（以mW為單位）需要多大？1.

2、27 -60dBm和60dBm的差值（以W表示）是多少？（注意在這種情況下，有無正負(fù)號(hào)是很關(guān)鍵的。）1.28 考慮一個(gè)系統(tǒng)，連接器損耗為5dB，光纖損耗為25dB，耦合損耗（光源到光纖）是15dB，系統(tǒng)中有一個(gè)增益為10dB的放大器。試計(jì)算系統(tǒng)的總損耗（以dB為單位）。第二章2.5 用焦距為20mm、直徑為10mm的透鏡聚焦一束均勻的準(zhǔn)直光束，假設(shè)波長(zhǎng)為0.8um。試計(jì)算聚焦光斑的尺寸。2.8 假設(shè)高斯光束的波長(zhǎng)為0.8um，光斑尺寸為1mm，計(jì)算其發(fā)散角。如果用這束光對(duì)著月球，則在月球表面的光斑尺寸為多大？（地球和月球之間的距離為m。）在距離為1km和10km處，光斑尺寸又為多大？2.9 一

3、根6000km的海底玻璃光纖電話線路穿越大西洋，連接美國(guó)和法國(guó)。（a）通過這條線路傳送信息需要多長(zhǎng)時(shí)間？（b）通過衛(wèi)星線路，將信息從美國(guó)傳到法國(guó)需要多長(zhǎng)時(shí)間？衛(wèi)星在美國(guó)和法國(guó)之間的地面上空22000英里處。（c）如果兩個(gè)人通過這兩根不同的線路通話時(shí)，會(huì)感覺到傳輸時(shí)延嗎？2.11 假設(shè)一束光入射到兩種電介質(zhì)的分界面上，如圖2.1所示。兩種電介質(zhì)的折射率分別為和=1.48.當(dāng)入射角在到之間變化時(shí)，畫出透射角隨入射角變化的曲線。2.12 假設(shè)一束光入射到兩個(gè)電介質(zhì)的分界面上，如圖2.1所示。這兩種電介質(zhì)的折射率分別為和。當(dāng)入射角在到之間變化時(shí)，畫出透射角隨入射角變化的曲線。（注意，當(dāng)入射角接近時(shí)，會(huì)

4、發(fā)生不尋常的現(xiàn)象。）2.15 假設(shè)高斯光束的光斑尺寸為，試推導(dǎo)此光束的半功率點(diǎn)半徑表達(dá)式。（所謂半功率點(diǎn)是指功率下降到最大值一半的位置。）第三章3.13 一束平行偏振光以的入射角從折射率為1.48的介質(zhì)射入到折射率為1.465的介質(zhì)，假設(shè)光波長(zhǎng)為1300nm。（a）計(jì)算反射系數(shù)；（b）在傳輸介質(zhì)中，離邊界多遠(yuǎn)時(shí)，消逝電場(chǎng)衰減到在邊緣時(shí)的10%？3.18 試計(jì)算波長(zhǎng)比零色散波長(zhǎng)（假設(shè)是1300nm）低10nm時(shí)光纖的材料色散。3.20 假設(shè)由材料色散引起的最大可接受脈沖展寬是3ps/km，光源譜寬是2nm。試問，工作波長(zhǎng)最多可離零色散波長(zhǎng)多遠(yuǎn)？第四章4.5 設(shè)，工作波長(zhǎng)為0.82um。計(jì)算出模，

5、模，模和模截止時(shí)的中心薄膜厚度。畫出每種模式截止時(shí)的橫模分布圖。4.9 有一個(gè)放在空氣中的對(duì)稱電介質(zhì)平板波導(dǎo)，。畫出（中心薄膜中的角度）等于時(shí)包層模的光傳輸路徑。當(dāng)?shù)扔谑裁粗禃r(shí)，不再存在包層膜?4.13 有一個(gè)對(duì)稱平板波導(dǎo)，（中心薄膜），（敷層和襯底材料），工作波長(zhǎng)為1300nm。 （a）當(dāng)模對(duì)應(yīng)的光線角度為時(shí)，計(jì)算中心薄膜厚度。 （b）當(dāng)模對(duì)應(yīng)的光線角度為時(shí)，計(jì)算中心薄膜厚度。4.20 有一個(gè)對(duì)稱平板波導(dǎo)，。計(jì)算單位長(zhǎng)度上的多模脈沖展寬。如果這是波導(dǎo)中惟一的脈沖展寬機(jī)制（或至少是最主要的），試計(jì)算單位長(zhǎng)度的脈沖展寬值、3-dB光帶寬-距離積、歸零碼和非歸零碼的速率-距離積。在1550nm處，

6、模式脈沖展寬與材料脈沖展寬哪一個(gè)更大些？第五章5.10 假設(shè)某一SI光纖工作波長(zhǎng)為0.82um，。如果纖芯半徑為50um，則允許傳播的模式有多少個(gè)？當(dāng)工作波長(zhǎng)變?yōu)?.2um時(shí)，又可以傳播多少個(gè)模式？5.12 對(duì)于一個(gè)拋物線型折射率分布光纖，畫出（0,0）（1,0）（2,0）模式的橫向場(chǎng)分布圖。其中a=25um，波長(zhǎng)為um，。要求在同一張圖上畫出上述三種模式的場(chǎng)分布圖。5.16 一根SI光纖只有在波長(zhǎng)大于1.4um時(shí)才工作在單模狀態(tài)。其中，。試計(jì)算其纖芯半徑，并分別求出在0.8um，0.85um和0.9um波長(zhǎng)處的傳播模式個(gè)數(shù)。（提示：參考模式圖）5.23 對(duì)于某一SI光纖，其歸一化頻率為2.2

7、,纖芯直徑為10um。畫出其橫平面內(nèi)的光強(qiáng)度分布圖，并計(jì)算在多大半徑距離上場(chǎng)強(qiáng)降到峰值的10%。5.25 某一光纖的NA=0.2588.某一光源在全錐角范圍內(nèi)，可以耦合其發(fā)射光能量的75%；在全錐角為時(shí)可以耦合其發(fā)射光能量的50%；在全錐角為時(shí)只能耦合其發(fā)射光能量的25%。試求此光源與上述光纖之間的耦合效率。5.30 假設(shè)某一單鋒SI光纖的截止波長(zhǎng)為1250nm，工作波長(zhǎng)為1550nm，纖芯折射率為，相對(duì)折射率差為0.0034.計(jì)算此光纖的纖芯半徑，同時(shí)計(jì)算在工作波長(zhǎng)上的光斑尺寸。5.35 考慮某一全波光纖，其特性如圖5.13所示。系統(tǒng)的功率預(yù)算允許光纖損耗最大為24dB，計(jì)算并畫出對(duì)應(yīng)于工作

8、波長(zhǎng)在1280nm1640nm區(qū)間內(nèi)的光纖最大允許長(zhǎng)度。第六章6.5 假設(shè)LED的光功率與電流之間的關(guān)系為P=0.02i，最大容許的功率是10mW。LED加有直流偏置電流和頻率為1MHz的交流電流。 （a）畫出光功率-電流曲線（也就是二極管的轉(zhuǎn)換特性曲線）。 （b）如果信號(hào)峰值功率為2mW，總的峰值功率是10mW，計(jì)算總的電流峰值、直流偏置電流、平均光功率和調(diào)制系數(shù)（也就是峰值信號(hào)功率/平均功率）。 （c）如果調(diào)制系數(shù)是100%（即信號(hào)峰值功率不再是2mW）,重復(fù)上面的計(jì)算。 （d）如果直流電流為50mA，交流電流峰值為75mA。畫出交流信號(hào)兩個(gè)周期內(nèi)的輸出光功率與時(shí)間的關(guān)系曲線。6.6 假設(shè)

9、某LED加上2V的電壓，將產(chǎn)生100mA電流和2mW的光功率。試求此LED的電光轉(zhuǎn)換效率。6.7 假設(shè)某LED具有100MHz的3-dB電帶寬（完全決定于其載流子壽命）。試求載流子壽命，并畫出此二極管在0500MHz范圍內(nèi)類似于圖6.8的歸一化頻率響應(yīng)曲線。6.9 假設(shè)某半導(dǎo)體激光器的閾值電流為10mA，光功率和輸入電流關(guān)系曲線的斜率為2mW/mA，用mA表示的總注入電流為i=20+sint。 （a）寫出輸出功率的計(jì)算公式，并畫出曲線。 （b）如果電流變?yōu)閕=10+ sint，畫出輸出功率波形。6.10 比較發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點(diǎn)。6.14 某特殊的摻鉺光纖放大器工作帶寬超過20nm

10、（1530nm1550nm）。有多少10-GHz的信道能安置在這個(gè)區(qū)域內(nèi)（即所謂復(fù)用）并被同時(shí)放大？6.26 摻鉺光纖放大器的泵浦波長(zhǎng) 為980nm，放大波長(zhǎng)為1550nm。如果僅僅考慮一個(gè)980nm光子產(chǎn)生一個(gè)1550nm光子的能量損失，試計(jì)算此放大器的效率。6.29 如果輸入波長(zhǎng)是1450nm，拉曼散射導(dǎo)致光頻率有13.2THz的向下頻移。計(jì)算輸入信號(hào)的頻率和向下頻移后的輸出頻率。6.30 根據(jù)6.7節(jié)的論述，單泵浦的拉曼放大器有6THz的帶寬，帶寬拉曼放大器的結(jié)構(gòu)如圖6.43所示。畫出能同時(shí)放大S波段、C波段和L波段信號(hào)的帶寬拉曼放大器結(jié)構(gòu)圖。計(jì)算每個(gè)泵浦激光器的中心波長(zhǎng)。第七章7.12

11、 考慮一個(gè)如圖7.8 所示的PIN檢測(cè)電路。假設(shè)電源電壓為10V，負(fù)載電阻為2M，檢測(cè)器的響應(yīng)度為0.25A/W，暗電流為0.5nA。 （a）在入射光功率為5uW50uW范圍內(nèi)，畫出二極管光電導(dǎo)區(qū)的電壓-電流特性曲線，取功率間隔為5uW。 （b）在此特性曲線畫出負(fù)載線。 （c）畫出輸出電壓與入射光功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 （d）當(dāng)入射光功率為何值的時(shí)候檢測(cè)器開始飽和。7.13 假定一個(gè)PIN光電二極管的耗盡層寬度為30um，載流子的漂移速度為5m/s，結(jié)電容為6pF。 （a）計(jì)算渡越時(shí)間限制帶寬。 （b）不影響上面計(jì)算所得帶寬的最大負(fù)載電阻是多少？ （c）當(dāng)負(fù)載電阻為10000時(shí)，其帶寬為多大？7.1

12、5 假設(shè)一個(gè)InGaAs APD工作在1.55um，其量子效率為0.7，增益為100，試計(jì)算其響應(yīng)度。要檢測(cè)器產(chǎn)生20nA的光電流所需要的光功率為多大？第八章8.3 對(duì)多模SI光纖，多大的相對(duì)橫向偏移會(huì)產(chǎn)生10dB的損耗？8.4 將多模光纖換成V=2.4的單模光纖，重做習(xí)題8.3。8.8 畫出單模光纖的未對(duì)準(zhǔn)角度與損耗（以dB為單位）的關(guān)系曲線。此單模光纖的參數(shù)為，V=2.4,角度從到變化。首先，假設(shè)工作波長(zhǎng)為0.8um，然后假設(shè)工作波長(zhǎng)為1.3um。8.11 畫出習(xí)題8.8所描述的單模光纖端面間隙與損耗（以dB為單位）的關(guān)系曲線。波長(zhǎng)分別為0.8um和1.3um，端面間隙從0到500um變化。第九章9.1 一個(gè)理想的四端口定向耦合器的分光比為4：1。 （a）每個(gè)端口的輸出功率與輸入功率比是多少？ （b）計(jì)算直通損耗、抽頭損耗、方向性系數(shù)和附加損耗。9.2 一個(gè)四端口定向耦合器的分光比為4:1，附加損耗等于2dB，耦合器的方向性系數(shù)是40dB。 （a）每個(gè)端口的輸出功率與輸入功率比是多少？ （b）計(jì)算直通損耗和抽頭損耗。 （c）計(jì)算由于耦合器的輻射、散射和吸收引起的損耗