《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(qǐng)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(jì)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(jì)算（1）纖芯和包層的相對(duì)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(duì)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(duì)折射（指數(shù)）差，纖芯半徑，若，計(jì)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(zhǎng)上可以支持1000個(gè)左右的傳播模式。試問：（1）其纖芯直徑為多少？（2）在1310nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模？（3）在1550nm波長(zhǎng)上可以支持多少個(gè)模?解：（1）由，得到纖芯直

3、徑為（2）當(dāng)，有得到模的個(gè)數(shù)為（3）當(dāng)，得到模的個(gè)數(shù)為6用纖芯折射率為，長(zhǎng)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(hào)延遲半個(gè)脈沖周期，試估算光纖的長(zhǎng)度。解：信號(hào)的周期為信號(hào)在纖芯中傳輸?shù)乃俣葹橛捎谛盘?hào)延遲半個(gè)脈沖周期，則光纖的長(zhǎng)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(shí)，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(gè)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(shí)，則8漸變光纖的折射指數(shù)分布為求光纖的本地?cái)?shù)值孔徑。解：漸變光纖纖芯中某一點(diǎn)的數(shù)值孔徑為9某光纖在1300nm處的損耗為

4、，在1550nm波長(zhǎng)處的損耗為。假設(shè)下面兩種光信號(hào)同時(shí)進(jìn)入光纖：1300nm波長(zhǎng)的的光信號(hào)和1550nm波長(zhǎng)的的光信號(hào)。試問這兩種光信號(hào)在8km和20km處的功率各是多少？以為單位。解：對(duì)于1300nm波長(zhǎng)的光信號(hào)，在8km和20km處的功率各是，對(duì)于1550nm波長(zhǎng)的光信號(hào)，在8km和20km處的功率各是，10一段12km長(zhǎng)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(zhǎng)的光纖鏈路，纖芯折射率，相對(duì)折射率差。（1）求接收端最快和最慢的模式之間的時(shí)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(duì)折射率差為則得到接收端最快和最慢的模式之間的時(shí)延差（2）模式色散導(dǎo)致的均方根脈沖展寬實(shí)際上就等于最快和最慢的模式之間的時(shí)延差（3）光纖的帶寬距離積12有10km長(zhǎng)的多模階躍折射光纖，如果其纖芯折射率為，計(jì)算光纖帶寬。解：纖芯和包層的相對(duì)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(jì)算一個(gè)波長(zhǎng)為的光子能量，分別對(duì)1MHz和100MHz的無線電做同樣的計(jì)算。解：波長(zhǎng)為的光子能量為

6、對(duì)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(zhǎng)，射到地球外面大氣層的光強(qiáng)大約為。如果恰好在大氣層外放一個(gè)太陽能電池，試計(jì)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(jì)算每秒從激活物質(zhì)的高能級(jí)躍遷到低能級(jí)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(shí)現(xiàn)光放大？答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指高能級(jí)粒子布居數(shù)大于低能級(jí)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(shí)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(shí)，才能有激光放出。（詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)看補(bǔ)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(zhǎng)波長(zhǎng)中會(huì)變得更寬些？證明：由得到，于是得到，可見當(dāng)一定時(shí)，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(chǎng)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(jìn)行P型擴(kuò)散或電離摻雜（叫層），最后一層是一個(gè)N+（N+是N型重?fù)诫s）層。高場(chǎng)區(qū)是P區(qū)，耗盡區(qū)是P區(qū)。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)所以的電子都被收集，那么（1）計(jì)算該器件的量子效率；（2）

8、在波段接收功率是，計(jì)算平均是輸出光電流；（3）計(jì)算波長(zhǎng)，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過此波長(zhǎng)時(shí)將停止工作，即長(zhǎng)波長(zhǎng)截止點(diǎn)。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(zhǎng)為10什么是雪崩增益效應(yīng)？答：一次光生載流子穿過一個(gè)具有非常高的電場(chǎng)高場(chǎng)區(qū)。在這個(gè)高場(chǎng)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(jià)帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子空穴對(duì)。新產(chǎn)生的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)象叫雪崩效應(yīng)。11設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%，計(jì)算在和波長(zhǎng)時(shí)的響應(yīng)度，說明為什么在處光電二極管比較靈敏。解：時(shí)的響應(yīng)度為；時(shí)

9、的響應(yīng)度為。因?yàn)轫憫?yīng)度正比于波長(zhǎng)，故在處光電二極管比處靈敏。12光檢測(cè)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(bǔ)充題1一束光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其光強(qiáng)隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強(qiáng)，為光強(qiáng)增益系數(shù)，為光強(qiáng)損耗系數(shù)。試推到這個(gè)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(shí)，其光強(qiáng)由變?yōu)?，在光放大時(shí)，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；在衰減時(shí)，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(shí)存在時(shí)，便有。顯然，此式成立的條件是：都與無關(guān)。補(bǔ)充題2設(shè)LD的光學(xué)諧振腔長(zhǎng)為，諧振腔前、后鏡片的光強(qiáng)反射系數(shù)分別為，諧振腔介質(zhì)的光強(qiáng)損耗系數(shù)為，諧振腔

10、的光強(qiáng)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(diǎn)，此點(diǎn)光強(qiáng)，該光強(qiáng)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(diǎn)，則光強(qiáng)變?yōu)轱@然，產(chǎn)生激光的條件為返回點(diǎn)的光強(qiáng)要大于點(diǎn)發(fā)出的光強(qiáng)即，得到，因而記，是諧振腔的總損耗，只有增益時(shí)，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(jiǎn)述它們的原理和特點(diǎn)。EDFA有哪些優(yōu)點(diǎn)？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(zhǎng)的光放大，缺點(diǎn)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(qiáng)光信號(hào)在光纖中傳輸，會(huì)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(hào)得到放大。EDFA優(yōu)點(diǎn)：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長(zhǎng)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(diǎn)？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(hào)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(hào)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?yàn)樵谳敵龆说谋闷止獗容^強(qiáng)可以更多地轉(zhuǎn)化為信號(hào)光。而雙向泵浦又比反向泵浦輸出信號(hào)提高約3dB，這是因?yàn)殡p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(zhǎng)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(hào)方向無關(guān)，但耦合損耗較大，并增加了一個(gè)泵浦，使成本上升。3一個(gè)EDFA功率放大器，波長(zhǎng)為1542nm的輸入信號(hào)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(jiǎn)述FBA與FRA間的區(qū)別。為什么在FBA中信號(hào)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(gè)斯托克斯光與信號(hào)光同頻、同相，那么信號(hào)光得到加強(qiáng)。故要使信號(hào)光得到放大，信號(hào)光應(yīng)與泵浦光方向相反。5一個(gè)長(zhǎng)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(jì)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(duì)線路中的光信號(hào)直接進(jìn)行放大，使得全光通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。（2）作為前置放大器，由于EDFA具有低噪聲特

15、點(diǎn)，因而如將它置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號(hào)，則可以大大提高接收機(jī)靈敏度。（3）作為后置放大器，將EDFA置于光發(fā)射機(jī)的輸出端，則可用來提高發(fā)射光功率，增加入纖功率，延長(zhǎng)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(hào)的信噪比與輸出信號(hào)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(chǎng)合時(shí)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(shí)，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(duì)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(jī)后，以提高光發(fā)送機(jī)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(jī)前，以提高接收機(jī)功率和信噪比，增加通信距離。（4）功率補(bǔ)償放大器：功率補(bǔ)償放大器的運(yùn)用場(chǎng)合：A.用于補(bǔ)償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；B.將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場(chǎng)合。9敘述SOA-XGM波長(zhǎng)變換的原理。答：探測(cè)波和泵浦波經(jīng)耦合注入到SOA中，SOA對(duì)入射光功率存在增益飽和特性：當(dāng)入射光強(qiáng)增加時(shí)，增益變??；當(dāng)入射光強(qiáng)減小時(shí)，增益變大。因此，當(dāng)受過調(diào)制的泵浦波注入SOA時(shí)，

17、泵浦波將調(diào)制SOA的增益，這個(gè)增益又影響探測(cè)波的強(qiáng)度變化，使得探測(cè)波的強(qiáng)度按泵浦波的強(qiáng)度變化，用帶通濾波器取出變換后的信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)從到的全光波長(zhǎng)變換。習(xí)題六1光接收機(jī)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(diǎn)？答：NRZ（非歸零碼）：編碼1對(duì)應(yīng)有光脈沖，且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期，0對(duì)應(yīng)無光脈沖。RZ（歸零碼）：編碼1對(duì)應(yīng)有光脈沖，且持續(xù)時(shí)間為整個(gè)比特周期的一半，0對(duì)應(yīng)無光脈沖。NRZ碼的優(yōu)點(diǎn)是占據(jù)頻寬窄，只是RZ碼的一半；缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)長(zhǎng)連“1”或“0”時(shí)，光脈沖沒有交替變換，接收時(shí)對(duì)比特時(shí)鐘的提取是不利的。RZ碼解決了長(zhǎng)連“1”的問題，但長(zhǎng)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？?jī)?nèi)調(diào)制和外調(diào)制各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？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(jiǎn)單且廉價(jià)，這種調(diào)制會(huì)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(hào)畸變。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，溫度，量子效率，設(shè)計(jì)，即，試計(jì)算接收機(jī)的靈敏度。解：接收機(jī)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(jì)算）接收機(jī)靈敏度為（帶數(shù)據(jù)自己計(jì)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(shí)APD接收機(jī)的SNR最大。解：