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，計算由這兩根光纖構(gòu)成的傳輸線的輸出功率。1-3 Pl =2 mW2 x 2 x 10 x 10= 0J 59 mW1.4 一臺接收機需要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？ITPz = P1 10dB= 10 xPlP，o= 10UOi018= *0,095 ps/nn?黛 km)% - 1300 nmX = 1290 nniM，31gh290-皿t= 0.7412903J(mm x km)工作3.20假設(shè)由材料色散引起的

2、最大可接受脈沖展寬是3ps/km,光源譜寬是2nm。試問， 波長最多可離零色散波長多遠？工作3-20 A（t/L1 - |MAX| 3 ps/kfn的=2 ntnThus, M h L5 p&Mn x kmAssume= 1300 nm63H x-Bflei - K 啖型?A3Sovt by iltrlion1X4- 1300/-63 k?132013153.00 x 10” - 2 856 m IO13 - 0.144 x 1012 = 0.03 x 10!?2.99 x 10,2-U56x 1012 - 0.143 x 1012 - 0,009x 1012Z/ = 1315 1300= 1

3、5 runPlot M vs. X from 1275 to 1325 nm lo graphically solve this problem.Exira for this problem;At:1310nm1310 -=1310 -=0.93 ps/ivn k kmAi ： 1315 nmMrlLIg | J Si 5 .1311011 - i 4 ps/nm x km 41 QIS，10第四章4.5 設(shè) n1= 1.48 , n2 = n3 = 1.46，工作波長為 0.82um。計算出 TE0模，TE 1 模，TE 2 模 和TE 3模截止時的中心薄膜厚度。畫出每種模式截止時的橫模分布

4、圖。4-5 1.48- 口？ - L46 f 5 X 上 0-82Using cutoff vsdu的 from Prablem 42;MODET 同 6 =d = 0TEjd/A= 2.06d = 1.69 pmTEcVX4.12d33EmTE3d/l= 6J8d-5.06 pmIn ihe guiding layer (-d/2 y 0C| (ri,n?)三的.6and for 6t f M(與 項)+-G Hsin比何聞口歸j - 4工5+-124.13有一個對稱平板波導(dǎo)，4= 1.48 (中心薄膜)，n2 = 1.46 (敷層和襯底材料)，工作 波長為1300nm。(a)當(dāng)TE 0模對

5、應(yīng)的光線角度為85 0時，計算中心薄膜厚度。(b)當(dāng)TE 2模對應(yīng)的光線角度為85 0時，計算中心薄膜厚度。小！ 3 Slab waveguide. & = 85,n = 1.48, ii2 = I 46, k = 1.3 pmUse Eq. (4-11)回苧卜L4835 Un 黑卜 L5918斗 = 57。- I radian (TEo soJulion)tai = 57,3d + 180* 31237,8* =4,15 radian* (TEj soiuiion)八 2m. n 27t(l 48|cos85h k cos 6 = cosO =. 0623U.623 d/2 = 1d = 3

6、.2 岬0.623 4/2=4 15d 13 pm134.20有一個對稱平板波導(dǎo)，n1= 1.465, n2 = 1.46。計算單位長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制(或至少是最主要的)，試計算單位長度的脈沖展寬值、 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，模式脈沖展寬與材 料脈沖展寬哪一個更大些？420Wavegu ide dispersion:忖抵=4 ps/(nmkm)If AX 2 runA(t/L) = 4(2) - 8 p1kmIf 從=100 nmA(r/L) = 4(100) = 400 ps/knt = 0-4 ns/k

7、mBoth of these are well below the spread calculated in the preceding problem14第五章5.10假設(shè)某一 SI光纖工作波長為0.82um, n1 = 1.5 , n2 = 1.485。如果纖芯半徑為50um, 則允許傳播的模式有多少個？當(dāng)工作波長變?yōu)?.2um時，又可以傳播多少個模式？51。n1=15 叱= 1,435,V-苗 一V（L5）3 -（1.485）2 = 81N = V3/2 = （Sl）2/2 = 3286 modesIfX- L2pimhV55.35 N = V2/2= 1531 rnndes5.12對于

8、一個拋物線型折射率分布光纖，畫出（0,0）（1,0）（2,0）模式的橫向場分布圖。其 中a=25um，波長為九二0.82um，4= 1.48,n2 = 1.46。要求在同一張圖上畫出上述三種 模式的場分布圖。5-12 Eoo bEqM中aE產(chǎn)耳 x (如=E:2(a x)3 -1年口2 A產(chǎn)2 A產(chǎn)= 1.48 , so a = 2.73 x IO5 m -1Plot E versus x with E(j - E = E? = Plot E versus x with E(j - E = E? = L式即）面Ei0Eo-l晨一1041I.963,263-.8192.862 j.470-34$

9、3.715,586.2444.5551,600.76335394，黨1,0746.261,4281.1407, 1613081,0158M2.20】.7869.049.120.543155.16 一根SI光纖只有在波長大于1.4um時才工作在單模狀態(tài)。其中，n1 = 1.465 , n2 = 1.46。試計算其纖芯半徑，并分別求出在0.8um, 0.85um和0.9um波長處的傳播模式 個數(shù)。(提示：參考模式圖)5-16 叫=1.465, nj = L46, a 2.405/2-n/)1 2 - 3 165.if A. = 14 pnx a = 4.43 rii.Note, that for

10、any wavelength 由5 than L4 a/X will no longer satisfy the &tngle-mode inequalityi 2.405 for all X r = 6287 gmAl r = w,I/Ioe_2 = 0.135165.25某一光纖的NA=0.2588.某一光源在全錐角600范圍內(nèi)，可以耦合其發(fā)射光能量的75%；在全錐角為300時可以耦合其發(fā)射光能量的50%；在全錐角為15 0時只能耦合其發(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*25 NA = 0.2588 = sin aa = 1fiber acceptance ang

11、leThe source emits 50% of its light into this 3。0 cone.Efficiency = 50% * 3 iB5.30假設(shè)某一單鋒SI光纖的截止波長為1250nm，工作波長為1550nm，纖芯折射率為 ni 1.465，相對折射率差為0.0034.計算此光纖的纖芯半徑，同時計算在工作波長上的光 斑尺寸。5-30 Al the cutoff wavelength 1a/心=2,40 m 2mnJ 一十廠Sing the core and cladding indices are so close io each other we can use ih

12、e same approximations as in the preceding problem, leading to the result a= 2.405L 出小儂嚴=2.405(1.25 x 0力/12ML465) (2(0.0034)嚴 a = 3.96 jimAt a = 1550 nmV-2,405 晨爪 2,405(1.25/1,55) = 1.94w/a = 1,65 + 1.619V + 2.879 V = L3w= 13(3.96) = 54611X1175.35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, 計算并畫出對應(yīng)于工作波

13、長在1280nm1640nm區(qū)間內(nèi)的光纖最大允許長度。5-35 Powtr budget = dBLength = 24/fiber lossThe fiber loss is estimated fwm Figure 5-11 Result arc shown on the following ublc:i(nm)Fiber Loss (dB/km)Maximum Length (km)12800.4257|13200.3863j 13600.34714000.3go1440G.28g5114800.28S5.7152。0,269215600.259616000.269216400.2982

14、.7Example： At 1560 皿 the loss is estimated to be 0.25 dB/km. Thus, the maximum lengthi$：L= 24/025 =96 km189th nm)19第八章6.5假設(shè)LED的光功率與電流之間的關(guān)系為P=0.02 i,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)如果信號峰值功率為2mW,總的峰值功率是10mW,計算總的電流峰值、直流偏置 電流、平均光功率和調(diào)制系數(shù)(也就是峰值信號功率/平均功率)。(c)如果調(diào)制系數(shù)是10

15、0% (即信號峰值功率不再是2mW)，重復(fù)上面的計算。(d)如果直流電流為50mA,交流電流峰值為75mA。畫出交流信號兩個周期內(nèi)的輸出光 功率與時間的關(guān)系曲線。6-5(a) P - 0.02 L fHzpi = Idc + (sp sm un, P - Pbc * psp 向 又) pIX： = PFEAK 10-2 = 8 mWlDC = Pfx/0.1)2400 mA.如二 Pip/0 02 100 mAIpE*K * 500 mA, m 工 = 1).25 or 2%1, PpeaL 10m胃，10c 250 mA, I* - 250mA, =5mW： PSP - 5 eW20假設(shè)某L

16、ED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。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。a)T216-7 fJdB = 10sHz. T- l/(f3di3 2?r) = L,59X 10% = 1.59ns3 =1= I 一 = Ia kp 4 +即F”1啟公應(yīng)靠：業(yè)戶 Vi +(f/ios):f(Hz)Pgp/Cl Spio60.99995IO82 x IOKf(Hz)Pgp/Cl Spio60.99995IO82 x IOK4k

17、 10&0.7070.4470.3! 60.2242a a j 966.9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mA6.9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+sin31。（a）寫出輸出功率的計算公式，并畫出曲線。（b）如果電流變?yōu)閕=10+ sin31，畫出輸出功率波形。P (mW) 20i = 20 + sin ot(a) P = 20 + 2 號in cat(mW)221(b) i = 10 * sin 毗p = 2 sin st for the posit

18、ive part of the sine wave cyclep =力when sin 0:p 6.10比較發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器的優(yōu)缺點。LEDs_Laser Diodes1) Cheap2jEconomic for luw-rale slems Can be costlyCouples more eflficienlly into fibetsFast, high data rates, large band widths) (-236.14某特殊的摻鉺光纖放大器工作帶寬超過20nm (1530nm1550nm)。有多少10-GHz的 信道能安置在這個區(qū)域內(nèi)(即所謂復(fù)用)并被同時放大？6

19、-4 Amplificutiun band: 1530 tc 1550 nmk= 1550- 11530 = 20 nmFind the corresponding bandwidth ifma-島力153 xlO12 HzThe ctmnnet 叩auing is 10 GHw - 101 0 Hz = AfgTtie number oT channels i&二N = 2.53 x I0l2/10l0=253channels. *6.26摻鉺光纖放大器的泵浦波長為980nm，放大波長為1550nm。如果僅僅考慮一個980nm 光子產(chǎn)生一個1550nm光子的能量損失，試計算此放大器的效率。6

20、-26 EfTiciency - laser ouipul-phoion energy/pump-pholon energy246.29如果輸入波長是1450nm,拉曼散射導(dǎo)致光頻率有13.2THz的向下頻移。計算輸入信號 的頻率和向下頻移后的輸出頻率。6-29 Z = 1450 nmThe input frequency is:f = 3 二 現(xiàn) J = 2.0689 x 1034 = 206.89 mz,2 1+4540，The downsbi恥d irequency is：/-13,2 ZT/sr = 206.89- 132 = 193,69力= 1,9369x10%The downjh

21、iflcd wavelengJi is then:-J U |4 1.5488 X Itf L 1,9369x 1014入產(chǎn) 1,5488 pm = 1540 run6.30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。畫出能同時放大S波段、C波段和L波段信號的帶寬拉曼放大器結(jié)構(gòu)圖。計算 每個泵浦激光器的中心波長。256-30 Iii pnoblctn 5.33, we found the band widths to be:C-band： 4.39 THzS-band; 9 39 TH工LB和d: 7THzThe Raman amplifie

22、r has & baudMdih。6 THz. Thus:Cband require l 段airun amphfierS-bdnd requires 2 Raman ampli fiersL-bard requires 2 Ranian amplili 統(tǒng)O/r we could cLciilalc the bandwidth of the combined bands. Jt is：Af-439 + 9.39 + 7.的=20.87 TH;The； neqiiLred number of amplifiers is then;N-20.87/6-3.47Or a total of d am

23、plifiers.The 4 amplifiers can be centered uniformly over the 1460-1625 nni range. To cover the 1625 - 1460 =】65 cm rngeT the i amplifiers need be about 40 run apart. They can be ceniered at: 14gQ, 1520, 】5g and 1600 nm.Pump Wavelengths148015201560160014601500154015S014601500154015S02626第七章7.12考慮一個如圖

24、7.8所示的PIN檢測電路。假設(shè)電源電壓為10V,負載電阻為2M , 檢測器的響應(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載線。（c）畫出輸出電壓與入射光功率的對應(yīng)關(guān)系。（心當(dāng)入射光功率為何值的時候檢測器開始飽和。(b)277.13假定一個PIN光電二極管的耗盡層寬度為30um,載流子的漂移速度為5義104m/s,結(jié)電容為7.13假定一個PIN光電二極管的耗盡層寬度為30um,載流子的漂移速度為5義104m/s,結(jié)電容為6pF。計算渡越時間限制帶寬。不影響上面計算所得帶寬的最大負載電阻是多少?當(dāng)負載電阻為10000。時，其帶寬為多大？（a）（b）（c）Rl2n(6x IO-12)(4x583xl(F)二工106 Hz7.15假設(shè)一個InGaAs APD工作在1.55um，其量子效率為0.7，增益為100，試計算其響應(yīng)度。要檢測器產(chǎn)生20nA的光電流所需要的光功率為多大？715 0 .3=。）。7）（小