《光纖通信》課后習(xí)題答案

1、光纖通信第2章課后習(xí)題及答案PAGE PAGE 7習(xí)題二1光波從空氣中以角度33投射到平板玻璃表面上，這里的是入射光與玻璃表面之間的夾角。根據(jù)投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分發(fā)生折射，如果折射光束和反射光束之間的夾角正好為90，請問玻璃的折射率等于多少？這種玻璃的臨界角又是多少？解：入射光與玻璃表面之間的夾角33，則入射角，反射角。由于折射光束和反射光束之間的夾角正好為90，所以折射角。由折射定律，得到（自己用matlab算出來）其中利用了空氣折射率。這種玻璃的臨界角為（自己用matlab算出來）2計算及的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。如果光纖端面外介質(zhì)折射率，則允許的最大入射角為

2、多少？解：階躍光纖的數(shù)值孔徑為允許的最大入射角自己用matlab算出來3弱導(dǎo)階躍光纖纖芯和包層折射率分別為，試計算（1）纖芯和包層的相對折射率；（2）光纖的數(shù)值孔徑。解：階躍光纖纖芯和包層的相對折射率差為光纖的數(shù)值孔徑為4已知階躍光纖纖芯的折射率為，相對折射（指數(shù)）差，纖芯半徑，若，計算光纖的歸一化頻率及其中傳播的模數(shù)量。解：光纖的歸一化頻率光纖中傳播的模數(shù)量5一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850nm波長上可以支持1000個左右的傳播模式。試問：（1）其纖芯直徑為多少？（2）在1310nm波長上可以支持多少個模？（3）在1550nm波長上可以支持多少個模?解：（1）由，得到纖芯直

3、徑為（2）當(dāng)，有得到模的個數(shù)為（3）當(dāng)，得到模的個數(shù)為6用纖芯折射率為，長度未知的弱導(dǎo)光纖傳輸脈沖重復(fù)頻率的光脈沖，經(jīng)過該光纖后，信號延遲半個脈沖周期，試估算光纖的長度。解：信號的周期為信號在纖芯中傳輸?shù)乃俣葹橛捎谛盘栄舆t半個脈沖周期，則光纖的長度為7有階躍型光纖，若，那么（1）若，為保證單模傳輸，光纖纖芯半徑應(yīng)取多大？（2）若取芯徑，保證單模傳輸時，應(yīng)怎么選擇？解：（1）由歸一化頻率得到為了保證光纖中只能存在一個模式，則要求，則要求光纖纖芯半徑（2）若取芯徑，保證單模傳輸時，則8漸變光纖的折射指數(shù)分布為求光纖的本地數(shù)值孔徑。解：漸變光纖纖芯中某一點的數(shù)值孔徑為9某光纖在1300nm處的損耗為

4、，在1550nm波長處的損耗為。假設(shè)下面兩種光信號同時進入光纖：1300nm波長的的光信號和1550nm波長的的光信號。試問這兩種光信號在8km和20km處的功率各是多少？以為單位。解：對于1300nm波長的光信號，在8km和20km處的功率各是，對于1550nm波長的光信號，在8km和20km處的功率各是，10一段12km長的光纖線路，其損耗為。試回答：（1）如果在接收端保持的接收光功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？（2）如果光纖的損耗變?yōu)?，則所需的輸入光功率為多少？解：（1）根據(jù)損耗系數(shù)定義得到發(fā)送端的功率至少為（2）如果光纖的損耗變?yōu)?，則所需的輸入光功率為11有一段由階躍折射率光纖構(gòu)成的5

5、km長的光纖鏈路，纖芯折射率，相對折射率差。（1）求接收端最快和最慢的模式之間的時延差；（2）求由模式色散導(dǎo)致的均方根脈沖展寬；（3）假設(shè)最大比特率就等于帶寬，則此光纖的帶寬距離積是多少？解：（1）纖芯和包層的相對折射率差為則得到接收端最快和最慢的模式之間的時延差（2）模式色散導(dǎo)致的均方根脈沖展寬實際上就等于最快和最慢的模式之間的時延差（3）光纖的帶寬距離積12有10km長的多模階躍折射光纖，如果其纖芯折射率為，計算光纖帶寬。解：纖芯和包層的相對折射率為由階躍光纖的比特距離積，得到光纖帶寬習(xí)題三1計算一個波長為的光子能量，分別對1MHz和100MHz的無線電做同樣的計算。解：波長為的光子能量為

6、對1MHz和100MHz的無線電的光子能量分別為2太陽向地球輻射光波，設(shè)其平均波長，射到地球外面大氣層的光強大約為。如果恰好在大氣層外放一個太陽能電池，試計算每秒鐘到達(dá)太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。解：光子數(shù)為3如果激光器在上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計算每秒從激活物質(zhì)的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)。解：粒子數(shù)為4光與物質(zhì)間的相互作用過程有哪些？答：受激吸收，受激輻射和自發(fā)輻射。5什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實現(xiàn)光放大？答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指高能級粒子布居數(shù)大于低能級的粒子布居數(shù)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)（叫激活介質(zhì)）可實現(xiàn)光放大。6什么是激光器的閾值條件？答：閾值增益為其中是介質(zhì)的損耗

7、系數(shù)，分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當(dāng)激光器的增益時，才能有激光放出。（詳細(xì)推導(dǎo)請看補充題1、2）7由表達(dá)式說明為什么LED的FWHM功率譜寬度在長波長中會變得更寬些？證明：由得到，于是得到，可見當(dāng)一定時，與成正比。8試畫出APD雪崩二極管結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場區(qū)及耗盡層的范圍。解：先把一種高阻的P型材料作為外延層，沉積在P+材料上（P+是P型重?fù)诫s），然后在高阻區(qū)進行P型擴散或電離摻雜（叫層），最后一層是一個N+（N+是N型重?fù)诫s）層。高場區(qū)是P區(qū)，耗盡區(qū)是P區(qū)。9一個GaAsPIN光電二極管平均每三個入射光子產(chǎn)生一個電子空穴對。假設(shè)所以的電子都被收集，那么（1）計算該器件的量子效率；（2）

8、在波段接收功率是，計算平均是輸出光電流；（3）計算波長，當(dāng)這個光電二極管超過此波長時將停止工作，即長波長截止點。解：（1）量子效率為（2）由量子效率得到（3）GaAsPIN的禁帶寬度為，則截止波長為10什么是雪崩增益效應(yīng)？答：一次光生載流子穿過一個具有非常高的電場高場區(qū)。在這個高場區(qū)，光生電子空穴可以獲得很高的能量。他們高速碰撞在價帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子空穴對。新產(chǎn)生的的載流子同樣由電場加速，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)象叫雪崩效應(yīng)。11設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%，計算在和波長時的響應(yīng)度，說明為什么在處光電二極管比較靈敏。解：時的響應(yīng)度為；時

9、的響應(yīng)度為。因為響應(yīng)度正比于波長，故在處光電二極管比處靈敏。12光檢測過程中都有哪些噪聲？答：量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲和熱噪聲。補充題1一束光在介質(zhì)中傳播時，其光強隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強，為光強增益系數(shù)，為光強損耗系數(shù)。試推到這個式子，并說明此式成立條件。解：設(shè)光束通過厚度為的一層介質(zhì)時，其光強由變?yōu)椋诠夥糯髸r，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；在衰減時，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；所以，當(dāng)光放大和光衰減同時存在時，便有。顯然，此式成立的條件是：都與無關(guān)。補充題2設(shè)LD的光學(xué)諧振腔長為，諧振腔前、后鏡片的光強反射系數(shù)分別為，諧振腔介質(zhì)的光強損耗系數(shù)為，諧振腔

10、的光強增益系數(shù)為，試證明：激光所要求的諧振條件（閾值增益條件）為解：在諧振腔內(nèi)任取一點，此點光強，該光強向右傳播到前鏡片，經(jīng)反射后向左傳播到后鏡片，再經(jīng)過反射向右傳播回到點，則光強變?yōu)轱@然，產(chǎn)生激光的條件為返回點的光強要大于點發(fā)出的光強即，得到，因而記，是諧振腔的總損耗，只有增益時，才能產(chǎn)生激光，故把叫激光器的閾值條件。習(xí)題五1光放大器包括哪些種類？簡述它們的原理和特點。EDFA有哪些優(yōu)點？答：光放大器包括半導(dǎo)體光放大器、光纖放大器（由可分為非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器）。1）半導(dǎo)體光放大器它是根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作原理制成的光放大器。將半導(dǎo)體激光器兩端的反射腔去除，就成為沒有反饋的半導(dǎo)體

11、行波放大器。它能適合不同波長的光放大，缺點是耦合損耗大，增益受偏振影響大，噪聲及串?dāng)_大。2）光纖放大器 （1）非線性光纖放大器強光信號在光纖中傳輸，會與光纖介質(zhì)作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)，非線性光纖放大器就是利用這些非線性效應(yīng)制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里淵放大器（SBA）兩種。（2）摻雜光纖放大器（常見的有摻鉺和摻鐠光纖放大器）在泵浦光作用下，摻雜光纖中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號得到放大。EDFA優(yōu)點：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長正好是在光纖的最低損耗窗口等。2EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么優(yōu)缺點？答：EDFA的三種泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦

12、。同向泵浦：信號光和泵浦光經(jīng)WDM復(fù)用器合在一起同向輸入到摻鉺光纖中，在摻鉺光纖中同向傳輸；反向泵浦：信號光和泵浦在摻鉺光纖中反向傳輸；雙向泵浦：在摻鉺光纖的兩端各有泵浦光相向輸入到摻鉺光纖中。同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB5dB。這是因為在輸出端的泵浦光比較強可以更多地轉(zhuǎn)化為信號光。而雙向泵浦又比反向泵浦輸出信號提高約3dB，這是因為雙向泵浦的泵功率也提高了3dB。其次，從噪聲特性來看，由于輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因此在未飽和區(qū)，同向泵浦式EDFA 的噪聲系數(shù)最小，但在飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。不管摻鉺光纖的長度如何，同向泵浦的噪聲系數(shù)均較小。最后，考慮三

13、種泵浦方式的飽和輸出特性。同向 EDFA 的飽和輸出最小。雙向泵浦 EDFA 的輸出功率最大，并且放大器性能與輸出信號方向無關(guān)，但耦合損耗較大，并增加了一個泵浦，使成本上升。3一個EDFA功率放大器，波長為1542nm的輸入信號功率為2dBm，得到的輸出功率為，求放大器的增益。解：G= 10log10（Pout/Pin）= 10log10Pout -10log10Pin=27-2=25dB4簡述FBA與FRA間的區(qū)別。為什么在FBA中信號與泵浦光必須反向傳輸？答：FBA與FRA間的區(qū)別：1、FRA是同向泵浦，F(xiàn)BA是反向泵浦； 2、FRA產(chǎn)生的是光學(xué)聲子，F(xiàn)BR產(chǎn)生的是聲學(xué)聲子， 3、FRA比

14、FBA的閾值功率大； 4、FRA比FBA的增益帶寬大。在SBA中，泵浦光在光纖的布里淵散射下，產(chǎn)生低頻的斯托克斯光，方向與泵浦光傳播方向相反。如果這個斯托克斯光與信號光同頻、同相，那么信號光得到加強。故要使信號光得到放大，信號光應(yīng)與泵浦光方向相反。5一個長250m的半導(dǎo)體激光器用做F-P放大器，有源區(qū)折射率為4，則放大器通帶帶寬是多少？此題可能有誤，半導(dǎo)體光放大器的通帶帶寬目前還沒找到公式計算。6EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用形式有哪些？答：（1）作為光中繼器，用EDFA可代替半導(dǎo)體光放大器，對線路中的光信號直接進行放大，使得全光通信技術(shù)得以實現(xiàn)。（2）作為前置放大器，由于EDFA具有低噪聲特

15、點，因而如將它置于光接收機的前面，放大非常微弱的光信號，則可以大大提高接收機靈敏度。（3）作為后置放大器，將EDFA置于光發(fā)射機的輸出端，則可用來提高發(fā)射光功率，增加入纖功率，延長傳輸距離。7EDFA的主要性能指標(biāo)有哪些？說明其含義？答：（1）增益，是指輸出功率與輸入功率之比G=Pout/Pin，如果用分貝作單位定義為G=10log10（Pout/Pin）；（2）噪聲系數(shù)，是指輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比Fn（SNR）in/（SNR）out 。8分別敘述光放大器在四種應(yīng)用場合時各自的要求是什么？答：（1）在線放大器：當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲的累積，尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時，用

16、在線放大器代替光電光混合中繼器是完全可以的。特別是對多信道光波系統(tǒng)，節(jié)約大量設(shè)備投資。（2）后置放大器：將光放大器接在光發(fā)送機后，以提高光發(fā)送機的發(fā)送功率，增加通信距離。（3）前置放大器：將光放大器接在光接收機前，以提高接收機功率和信噪比，增加通信距離。（4）功率補償放大器：功率補償放大器的運用場合：A.用于補償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)；B.將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合。9敘述SOA-XGM波長變換的原理。答：探測波和泵浦波經(jīng)耦合注入到SOA中，SOA對入射光功率存在增益飽和特性：當(dāng)入射光強增加時，增益變??；當(dāng)入射光強減小時，增益變大。因此，當(dāng)受過調(diào)制的泵浦波注入SOA時，

17、泵浦波將調(diào)制SOA的增益，這個增益又影響探測波的強度變化，使得探測波的強度按泵浦波的強度變化，用帶通濾波器取出變換后的信號，即可實現(xiàn)從到的全光波長變換。習(xí)題六1光接收機中有哪些噪聲？答：熱噪聲、散粒噪聲和自發(fā)輻射噪聲。2RZ碼和NRZ碼有什么特點？答：NRZ（非歸零碼）：編碼1對應(yīng)有光脈沖，且持續(xù)時間為整個比特周期，0對應(yīng)無光脈沖。RZ（歸零碼）：編碼1對應(yīng)有光脈沖，且持續(xù)時間為整個比特周期的一半，0對應(yīng)無光脈沖。NRZ碼的優(yōu)點是占據(jù)頻寬窄，只是RZ碼的一半；缺點是當(dāng)出現(xiàn)長連“1”或“0”時，光脈沖沒有交替變換，接收時對比特時鐘的提取是不利的。RZ碼解決了長連“1”的問題，但長連“0”的問題沒

18、解決。3通信中常用的線路碼型有哪些？答：擾碼、mBnB碼、插入碼和多電平碼。4光源的外調(diào)制都有哪些類型？內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點？答：光源的外調(diào)制類型有：電折射調(diào)制、電吸收MQW調(diào)制、M-Z型調(diào)制。內(nèi)調(diào)制器簡單且廉價，這種調(diào)制會引起輸出光載波的頻率啁啾；外調(diào)制器可以有更高的速率工作，并且有較小的信號畸變。5假定接收機工作于1550nm，帶寬為3GHz，前置放大器噪聲系數(shù)為4dB，接收機負(fù)載為，溫度，量子效率，設(shè)計，即，試計算接收機的靈敏度。解：接收機工作于1550nm，則電離系數(shù)比為，則散粒噪聲系數(shù)為熱噪聲電流方差為（帶數(shù)據(jù)自己計算）接收機靈敏度為（帶數(shù)據(jù)自己計算）6在考慮熱噪聲和散粒噪聲的情況下，設(shè)APD的，推導(dǎo)APD的的最佳值，此時APD接收機的SNR最大。解：