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波長上可以支持1000個左右的傳播模式。試問：其纖芯直徑為多少？在1310nm波長上可以支持多少個模式？在1550nm波長上可以支持多少個模式？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，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)。是指同一波長光信號中不同模式光線的傳播路徑和速度不同，產(chǎn)生時延差，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。是指同一個導(dǎo)波模式中不同波長光線的傳播路徑和速度不同，產(chǎn)生時延差，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而變化這兩個原因所產(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)？什么情況下能實現(xiàn)光放大？（1）對于一個二能級的原子系統(tǒng)，能級為斗和E2，且E]VE2。（2）熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料中價帶上的電子總數(shù)目N]>>導(dǎo)帶上的電子總數(shù)目N2，即低能級E]上的粒子數(shù)N1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高能級E2上的粒子數(shù)N2。（3）當(dāng)高能級E2上的粒子數(shù)N2大于低能級E1上的粒子數(shù)N1時，則粒子數(shù)實現(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，原子在能級E1和E2間c2112同時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，則導(dǎo)致能量為hf的光子數(shù)的凈增加，入射的光信號得到了放大。C6、什么是激光器的閾值條件。答：當(dāng)注入電流較小時，激活區(qū)不能實現(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，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，才能產(chǎn)生功率很強(qiáng)的激光。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)所有的電子都被收集。a試計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，計算平均輸出光電流；c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,則波長截止點X=hc/E=0.87Mmc九ggcg10、什么是雪崩增益效應(yīng)？解：光生載流子穿過一個具有非常高的電場的高場區(qū)。在這個高場區(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，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8X8空分開關(guān)陣列，畫出連接圖和輸入輸出端口信號間流向,計算所需開關(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個接頭，平均每個接頭損耗為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)計中選取色散代價為1dB，光連接器損耗為1dB(發(fā)送和接收端個一個)，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=