光纖通信系統(tǒng)第二版-李履信-沈建華——習習題解答

1、<< 光電子器件導論 >> 習題解答1-1. 光纖通信有哪些優(yōu)點答：光纖通信具有下面一些優(yōu)點：1、傳輸容量大；2、傳輸損耗小，中繼距離長；3、泄漏小，保密性好；4、節(jié)約大量有色金屬；5、抗電磁干擾性能好；6、重量輕，可撓性好，敷設方便。1-2. 比較五代光纖通信系統(tǒng)的主要特點與差別。答：五代光纖通信系統(tǒng)的主要特點與差別如下：1、第一代光纖通信系統(tǒng)在20世紀70年代后期投入使用，工作波長在850nm波長段的多模光纖系統(tǒng)。光纖的衰減系統(tǒng)為 dB/Km，系統(tǒng)的傳輸速率在20100Mbit/s之間，實用的系統(tǒng)容量為脈沖編碼調制（PCM）三次群，最高傳輸速率為34Mbit/S，中

2、繼距離為810km。20世紀80年代初，工作波長在1310nm波長段的多模光纖系統(tǒng)投入使用，光纖衰減系數(shù)為Km，傳輸速率達140Mbit/s，中繼距離為2030Km。2、第二代光纖通信系統(tǒng)在20世紀80年代中期投入使用，工作波長在1310nm波長段的單模光纖通信系統(tǒng)。光纖衰減系數(shù)為0. dB/Km，可傳送準同步數(shù)字體系（PDH）的各次群信號，最高傳輸速率可達s，中繼距離約為50Km。3、第三代光纖通信系統(tǒng)在20世紀80年代后期投入使用，工作波長在1550nm波長段的單模光纖系統(tǒng)。光纖衰減系數(shù)為 dB/Km，應用在同步數(shù)字體系（SDH）光纖傳輸網(wǎng)，傳輸速率達10Gbit/s，中繼距離可超過100

3、Km。4、第四代光纖通信系統(tǒng)采用光放大器來增加中繼距離，同時采用波分復用/頻分復用（WDM/FDM）技術來提高傳輸速率。已完成的有單信道傳輸速率為40Gbit/s，不采用電中繼器，結合先進的調制技術和編碼技術等，實現(xiàn)傳輸距離達10000Km的試驗。20世紀90年代初光纖放大器的研制成功并投入使用，已經引起了光纖通信的重大變革。目前在實驗室中最高的系統(tǒng)容量已經達到10Tbit/s級。5、第五代光纖通信系統(tǒng)是基于利用光纖的非線性效應，抵消由于光纖色散產生的脈沖展寬而產生的光孤子，來實現(xiàn)光脈沖信號的保形傳輸。20世紀90年代后，各國的試驗都取得了重大的進展。例如在日本，實驗室中已經實現(xiàn)了將80 Gb

4、it/s和160Gbit/s的數(shù)據(jù)分別傳輸了500Km和200Km，目前已經開始有商用化的光孤子通信系統(tǒng)面世。1-3. 為什么使用石英光纖的光纖通信系統(tǒng)中，工作波長只能選擇850nm、1310nm和1550nm三種。答：石英光纖的損耗一波長特性中有三個低損耗的波長區(qū)，即：波長為850nm、1310nm、1550nm。為此光纖通信系統(tǒng)的工作波長只能是選擇在這三個波長窗口。2-1. 光纖產生衰減的原因是什么衰減對通信有什么影響在一個光纖通信系統(tǒng)中，光源波長為1550nm，光波經過5Km長的光纖線路傳輸后，其光功率下降了25%，求該光纖的衰減系數(shù)為多少答：1、光纖產生衰減的原因是：光纖中存在損耗。損

5、耗包括：吸收損耗；散射損耗；輻射損耗； 2、衰減限制了系統(tǒng)的傳輸距離。3、 （dB/Km）2-2. 光脈沖在光纖中傳輸時，為什么會產生瑞利散射瑞利散射損耗的大小與什么有關答：1、瑞利散射是由于光纖內部的密度不均勻引起的，從而使折射率沿縱向產生不均勻，其不均勻點的尺寸比光波波長還要小。光在光纖中傳輸時，遇到這些比波長小，帶有隨機起伏的不均勻物質時，改變了傳輸方向，產生了散射。 2、瑞利散射損耗的大小為：。瑞利散射系數(shù)A，取決于纖芯和包層的相對折射率差。所以的大小與波長和相對折射率差有關。2-3.光纖中產生色散的原因是什么色散對通信有什么影響答：1、光纖的色散是由于光纖中所傳輸?shù)墓庑盘柌煌念l率成

6、分和不同模式成分的群速度不同而引起的傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。2、色散會導致傳輸光脈沖的展寬，繼而引起碼間干擾，增加誤碼。對于高速率長距離光纖通信系統(tǒng)而言，色散是限制系統(tǒng)性能的主要因素之一。2-4.光纖中色散有幾種單模傳輸光纖中主要是什么色散多模傳輸光纖中主要是什么色散答：1、從產生機理而言，光纖中的色散主要包括：材料色散、波導色散和模式間色散；2、單模光纖中主要是波導色散；3、多模光纖中主要是模式間色散。注：偏振模色散可以理解為特殊的模式色散，但在速率較低的系統(tǒng)中影響較小。2-6. 目前光纖通信為什么只選用以下三個波長段：，答：，附近是光纖傳輸損耗較小或最小的波長“窗口”，相應的損耗分別為

7、：23dB/Km、 dB/Km、 dB/Km。而且在這些波段，目前有成熟的光器件（光源、光檢測器等）。2-7.何謂模式截止光纖單模傳輸?shù)臈l件是什么單模光纖中傳輸?shù)氖鞘裁茨Ｊ狡浣刂共ㄩL為多大階躍折射率光纖中線性極化模LP11模對應的是什么矢量模答：1、對每一個傳播模來說，在包層中它應該是衰減很大，不能傳輸。如果一個傳輸模，在包層中不衰減，也就是表明該模是傳過包層而變成了輻射模，則就認為該傳播模被截止了。所以一個傳播模在包層中 衰減常數(shù)W=0時，表示導模截止。2、光纖單模傳輸?shù)臈l件是：歸一化頻率V。3、單模光纖中傳輸?shù)氖荓P01模，對應的矢量模是HE11模。4、其截止波長由下式計算：5、LP11模

8、對應的矢量模是TE01,TM01,HE21。2-8. 由光源發(fā)出的的光，在，光纖折射率分布為階躍型時，光纖中導模的數(shù)量為多少若光纖折射率分布為的漸變型時，其導模的數(shù)量為多少（傳播模式的歸一化頻率）解：光纖中導模的數(shù)量： 1、光纖折射率分布為階躍型時：， 所以，導模的數(shù)量為：2、的平方律漸變型光纖時：， 所以，此時導模的數(shù)量為：2-10. 某階躍折射率光纖的參數(shù)為n1=，n2=，現(xiàn)有一光波在光纖端面軸線處，以15°的入射角入射進光纖，試問該入射光線在光纖中是成為傳導模還是輻射模為什么解：根據(jù)： 即： 得：入射臨界角（最大入射角）而現(xiàn)入射角所以，入射光線不滿足全反射條件，不能傳輸，是輻射

9、模。2-12. 已知光纖參數(shù)為：，估算光纖的模場直徑。解：模場直徑 光纖最大理論數(shù)值孔徑NAt為：2-13. 光譜線寬度為光脈沖經過長為20km，色散系數(shù)為3ps/nm·km的單模光纖傳輸后，光脈沖被展寬了多少解：光脈沖被展寬了為： =×3×20 =90ps2-14. 為什么光纖不適合于波分復用系統(tǒng)使用答：由于光纖在1550nm工作波長處具有最低色散（零色散），多信道（波分復用）系統(tǒng)使用時易引起四波混頻效應，影響系統(tǒng)的性能，所以光纖不適合于波分復用系統(tǒng)使用。3-1. 比較半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）的異同。答：一、半導體激光器（LD）和發(fā)光二極管（L

10、ED）的不同之處：1、工作原理不同：LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。2、LED不需要光學諧振腔，而LD需要。3、和半導體激光器（LD）相比：（1）發(fā)光二極管（LED）輸出光功率較小，光譜較寬，調制頻率較低。（2）但LED性能穩(wěn)定，壽命長，輸出功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。4、LED的主要應用場合是小容量（窄帶）、短距離通信系統(tǒng)。5、LD主要應用于大容量（寬帶）、長距離通信系統(tǒng)。二、LD和LED的相同之處：1、使用的半導體材料相同；2、結構相似；3、LED和LD大多采用雙異質結（DH）結構；4、都是把有源層夾在P型和N型限制層中間。3-2. 為什么LD要工作在正向

11、偏置狀態(tài)何謂激光器的閾值電流激光器的閾值電流與激光器的使用溫度、使用時間有什么關系答：1、LD加正向偏置電壓用以克服PN結中自建場的影響，從而降低勢壘，以形成粒子數(shù)反轉分布。2、激光器閾值電流是指：滿足克服諧振腔內損耗而產生激光的最小的外加激勵電流。3、激光器的閾值電流與激光器的使用溫度、使用時間成正比關系。3-4. 已知半導體材料GaAs的Eg=，InGaAsP的Eg=，分別求由這兩種材料組成的半導體激光器的發(fā)射波長。解：發(fā)射波長為：1、GaAs的發(fā)射波長為：2、InGaAsP的發(fā)射波長為：3-6. 在光纖通信系統(tǒng)中對LD驅動電路和偏置電路有什么要求在LD驅動電路中為什么一定要加偏置電流偏置

12、電流應加多大才合適若偏置電流加得過大或過小對LD的調制特性會產生什么影響答：1、對LD驅動電路和偏置電路的要求是：輸出的光脈沖峰值保持恒定；光脈沖的通斷比應>>10； 激光發(fā)射的時間必須遠短于碼元時間；采用阻尼電路以避免馳張振蕩。2、因為LD是閾值器件，只有外加驅動電流超過閾值后才能發(fā)出激光，為使得較小的數(shù)據(jù)電流亦可產生足夠的光輸出，因此需要加偏置電流。3、的選擇取原則是略小于閾值電流。4、太大的會引起消光比性能下降，同時較高的電流也會產生較大的熱量，以及壽命的縮短；太小的需要較大的數(shù)據(jù)電流才能滿足閾值條件。3-8. 何謂LD輸出光脈沖的消光比消光比不合要求時，將會對整個系統(tǒng)產生什

13、么影響答：1、通斷比（也稱消光比），指光源器件發(fā)出光的“1”脈沖和“0”脈沖的比值，定義為： 2、消光比不符合要求，也即在無輸入的情況下，也會有殘留光輸出，對于接收機而言造成影響，降低系統(tǒng)的性能。3-11光發(fā)送機中輸入接口的作用是什么對驅動電路有什么時候要求答：1、作用：輸入接口除了正常應該考慮信號幅度大小和阻抗外，特別應注意信號脈沖碼型，即將原始信息變換為適宜于在光纖中傳輸?shù)拇a型。 2、對驅動電路的要求如下： 輸出的光脈沖峰值必須保持恒定。光脈沖的通斷比（即消光比）應10，以免接收靈敏度受到損害。電流脈沖加上后，激光發(fā)射的時間必須遠短于每位碼元的時間段。如加上的電流脈沖有較高的碼速，則輸出的

14、光脈沖有可能引起弛張振蕩，這就必須予以阻尼，防止它對系統(tǒng)性能發(fā)生不良影響。3-13. 在光發(fā)送電路中為什么要設置自動溫度控制（ATC）電路用ATC電路是控制LD的哪些因素答：1、溫度變化引起輸出光功率的變化，固然可以通過APC電路進行調節(jié)，使LD輸出光功率恢復正常值。但如果環(huán)境溫度升高較多，使得增大較多，經APC調節(jié)后也增大較多，則LD的結溫會升高過多，致使更高，造成惡性循環(huán)，以致把LD燒壞。因此，對LD管芯的工作溫度采用ATC電路，使其恒定在20左右，對光源長期穩(wěn)定工作是有利的。 2、用ATC電路是控制LD的管芯溫度。4-1. 光纖通信系統(tǒng)對光檢測器有什么要求答：光纖通信系統(tǒng)對光檢測器的基本

15、要求是：1、波長段內響應度或靈敏度要高。2、具有足夠的帶寬和響應速度。3、由檢測器引入的附加噪聲必須最低，暗電流、漏電流和并聯(lián)電導必須最小。4、不需要過高的偏壓或偏流，具有高可靠性和長壽命。5、檢測器的幾何尺寸要小，以便于與光纖耦合以及與其他電路的組裝。4-2. 光電二極管為什么必須工作在反向偏壓狀態(tài)光電管產生的光電流中包括哪些分量這些分量與哪些因素有關光電管的響應時間與什么有關答：1、在擴散區(qū)內，因為光生載流子的擴散速度比耗盡區(qū)內光生載流子的漂移速度慢得多，這部分光生載流子的擴散運動的時延，將使檢測器輸出電流脈沖后沿的拖尾加長，這就影響了光電二極管的響應時間，限制了光電轉換速度。光電二極管工

16、作在反向偏壓情況下，增加了耗盡區(qū)的寬度，縮小了耗盡區(qū)兩側擴散區(qū)的寬度，從而減小了光生電流中的擴散分量，反向偏壓也增強了耗盡區(qū)內的電場，加快了光生載流子的漂移速度，有利于加快光電二極管的響應時間。2、包括：光電流和暗電流。（1）光電二極管在反向偏壓下，受到光照而產生的電流稱為光電流。（2）光電二極管在反向偏壓下，無光照時仍有電流流過，這部分電流稱為暗電流。光電二極管的暗電流分為兩部分：一部分為反向偏壓下二極管的反向飽和電流，稱為體暗電流，是由載流子的熱擴散形成的。另一部分是由半導體表面缺陷引起的表面漏電流，稱為表面暗電流。3、光電流與入射光照度有關；體暗電流與半導體材料及摻雜濃度有關；表面暗電流

17、與半導體表面缺陷有關。4、光電管的響應時間與下面一些因素有關：光檢測器電路（RC電路）的上升時間；載流子在耗盡層中的渡越時間；耗盡層外載流子的擴散時間。4-4. 何謂暗電流暗電流是怎么產生的暗電流的存在對信號的接收會產生什么影響1、半導體光電二極管（光檢測器）處于反向偏置電壓下，在沒有入射光照射時，仍有一定的電流輸出，這部分電流稱為暗電流。2、暗電流是半導體光電二極管中的少數(shù)載流子，在反向電壓作用下，進行漂移運動產生的。3、暗電流會產生散粒噪聲。光電檢測器中的暗電流對光接收機靈敏度的影響與消光比的影響相似。暗電流與光源無信號時的殘留光一樣，在接收機中產生噪聲，降低接收機的靈敏度。4-5. 何謂“雪崩效應”試述APD的工作原理。拉通型雪崩光電二極管有什么特點APD的電流增益系數(shù)G與什么有關答：1、處于反向偏置的耗盡層光電二極管，當外加的反向偏壓不斷增強時，耗盡層內產生的光生載流子在強電場作用下得到加速，獲得很大的動能。高能的載流子與半導體晶體內的原子相碰撞，將束縛在價帶中的電子激發(fā)到導帶，從而在耗盡層內產生新的電子一空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離產生的第二代載流子在耗盡層強電場的加速下，再次引起碰撞電離而產生第三代載流子。碰撞電離的反復循環(huán)使耗盡層內的載流子數(shù)量如雪崩似的急劇增加