1、1光纤通信原理参考答案第一章习题1-1 什么是光纤通信? 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么?目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为 SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为 0.81.8m，对应的频率为 167375THz。1-3 BL 积中 B 和 L 分别是什么含义?系统的通信容量用 BL 积表示，其含义是比特率 距离积表示，B 为比特率，L 为中继间距。1-4 光纤通信的主要优点是什么?光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。主要有：(1) 通信容量大(2) 中继距离远 (3) 抗电
2、磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻(5) 资源丰富，节约有色金属和能源。光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显著。1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。略2第二章习题2-1 有一频率为 的脉冲强激光束，它携带总能量 W=100J，持续Hz130时间是 =10ns(1ns=10-9s)。此激光束的圆形截面半径为 r=1cm。求：(1) 激光波长；(2) 平均能流密度；(3) 平均能量密度；(4) 辐射强度；（1） mc51380（2）
3、21329 /08.)(msJSW（3） sJcw25813/06.0.（4） 213/.msJSI2-2 以单色光照射到相距为 0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为 1m。（1（ 从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为 7.5mm，求单色光的波长；（2（ 若入射光的波长为 610-7m，求相邻两明纹间的距离。（1） kDax1a4x34mDa7105)(（2） x332-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。油的折射率为 1.3，玻璃的折射率为1.5 ，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到 500nm 与 700nm 这两个波长的单色光在反射中消失，求油膜的厚度。解：由于空气
4、的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为 2 n2e；由于薄油膜的上、下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。所以总的光程差为 en2当反射光因干涉而减弱，则有 )2/1(k由上式得 k1 ，k 2=1，2，3 2211)/()/(kk所以 k1 =4，k 2=3把 n2=1.3 代入得到油膜的厚度为干涉加强的光波波长为：e=673.08nm 2-4 、2-5、2-6、2-7、2-8、2-9略2-9 一束线偏振光入射到偏振片上，光矢量方向与偏振化方向分别成 30角和 60角，问透过偏振片的光强之比是
5、多少?解：利用马吕斯定律： 20cosI1:36cos21I2-10 一束光强为 I0 的自然光通过两块偏振化方向正交的偏振片 M 与 N。如果在 M 与 N 之间平行地插入另一块偏振片 C，设 C 与 M 偏振化方向夹角为 ，试求：透过偏振片 N 后的光强为多少?定性画出光强随 变化的函数曲线，并指出转动一周，通过的光强出现几次极大和极小值。（1） 2sincosin4120I（2）转动一周，通过的光强出现 4 次极大和极小值。2-11 有一介质，吸收系数为 ，透射光强分别为入射光强的 10%、50%13.0cm及 80%时，介质的厚度各多少?解：光束穿过厚度为 z 的介质后强度为eI0可得
6、：0ln1Iz当透射光强分别为入射光强的 10%时，介质的厚度为 7.196cm；4当透射光强分别为入射光强的 50%时，介质的厚度为 2.166cm；当透射光强分别为入射光强的 10%时，介质的厚度为 0.607cm；2-12 一个频率为 Hz 的光源，其发射功率为 10W，它一秒内发射多少个光子?1406解： 1914341 052.062.6,10hPNHzW2-13 构成激光器的三个基本条件是什么?构成一个激光器需要如下三个要素如图所示：（1） 激光工作物质（2） 激励（3） 光学谐振腔2-14 HeNe 激光器的中心频率 Hz，自发辐射谱线宽度为1407.Hz，若想获得单模输出，腔长
7、应为多少?8106解：纵模个数 N 为m当单模输出时 N=1，即 Hz8106由 得nLcq24mm5第三章习题3-1 填空题(1) 通信用的光纤绝大多数用 材料制成。折射率高的中心部分叫 ，折射率稍低的外层称为 。(2) 表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为 ，用 表示。(3) 在阶跃型光纤中， 模是最低工作模式， 是第一高阶模。(4) 阶跃型光纤的单模传输条件是 。(5) 渐变型光纤中不同射线具有相同轴向速度的现象称为 。答案： （1）石英，纤芯，包层（2）数值孔径，NA（3）LP 01，LP 11（4）0V2.405（5）光纤的自聚焦现象3-2 什么是光纤的归一化频率?写出表达式。光纤
8、的归一化频率 V 是由 U 和 W 得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。210ank3-3 什么是标量模?用什么符号来表示。利用标量近似解法得到的电磁场的结构形式称为标量模，用 LPmn 来表示。3-4 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图 3-1-3 所示。图 3-1-3 阶跃折射率光纤的导光原理按照光的全反射理论，如果光线满足 1 大于临界角由式（3-1-3）确定的 C ，将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，
9、其导光原理如图 3-1-4 所示。图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况，与轴线夹角大6的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。 图 3-1-4 渐变型折射率光纤的导光原理3-5 什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布? 写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。从渐变型光纤的导光原理可知：只要 n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具
10、有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。利用渐变型光纤 n 随 r 变化的特点，可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。折射指数选取平方律型分布形式（3-3-1）2/1)()0(arr式中： )(2nn(0)光纤轴线处（r=0 ）的折射率a纤芯半径3-6 什么是单模光纤的衰减系数？写出表达式。衰减常数 用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为)0(lg1PL单位为 dB/km。3-7 什么是光纤的色散?为什么说光纤的色散会限制系统的通信容量 ?信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有
11、不同的传播速度，从而引起色散，也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。3-8 色散的大小用什么来表示?其单位是什么?对于单模光纤，色散的大小用时延差来表示，色散系数 D 工程上单位采用 ps/(nmkm)。3-9 阶跃型光纤纤芯折射率 n1=1.48，包层折射率 n2=1.46，在工作波长为 1.31m 条件下，7要保证单模传
12、输，纤芯半径应如何选择。由 可知210ankV mnV09.246.18.14.3205221010 纤芯半径应小于 2.09m3-10 阶跃型光纤纤芯折射率 n1=1.48，包层折射率 n2=1.46，试计算光纤的数值孔径?解：由 得221NA4.06.48.23-11 阶跃型光纤纤芯折射率为 1.5，包层折射率为 1.48，纤芯半径为 2m，问当工作波长为 1.31m 时，此光纤可传输的模式是什么 ?由 可知：210ankVV=2.38，所以只传输单基模 LP01第四章习题4-1 填空题(1) 根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为 、 、 ，不能被子占据的状态为 。(2) 按照费米
13、狄拉克统计，本征半导体在热平衡状态下，电子在高能级的概率 。(3) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为 ，这个电流称为 电流。(4) 半导体材料只有波长为 C 的光入射时，才能使材料产生光子，所以 C 称为 波长 (5) PIN 光电二极管，是在 P 型材料和 N 型材料之间加上一层 ，称为 。答案：（1）满带 价带 导带 禁带（2）较小（3）激光 阈值（4）截止（5）轻掺杂的 N 型材料 I 层 4-2 试说明半导体激光器有哪些主要的工作特性?半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统。光纤通信用的半导体
14、激光器具有以下几个主要特点：（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为 0.85m、1.31m 或1.55m。8（2）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm 。（3）能提供足够的输出功率，可达到 10mW 以上。（4）与光纤耦合效率高，30%50% 。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。4-3 半导体激光器的温度变化对阈值电流有什么影响?温度对激光器阈值电流影响很大，阈值电流随温度升高而加大。所以为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。4-4 试画出发光二极管的特性曲线。LED 是无阈值器件，它随注入电
15、流的增加，输出光功率近似的线性增加。通常使用使用光输出功率 P 与注入电流 I 的关系，即 P-I 曲线，来描述 LED 的输出光功率特性，如图4-2-5 所示。图 4-2-5 LED 的 P-I 特性曲线4-5 什么是半导体的光电效应?半导体材料的光电效应是指光照射到半导体的 P-N 结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子空穴对，它们总起来称作光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。从而在电阻 R 上有信号电压输出。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光
16、电转换作用。4-6 光电检测器的响应度和量子效率描述的是什么?二者有什么联系 ?响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量。但是，它们的分析角度不同。二者的关系为4-7 试画出分布反馈半导体激光器的结构示意图。分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波纹状的周期的光栅来构成的，如图 4-3-4 所示。9图 4-3-4 分布反馈半导体激光器结构示意图LD 多模光谱和单模光谱的比较可以看出，单纵模 LD 中除了一个主模外，其它纵模都被抑制了，同时主模的谱线宽度非常窄，通常小于 1nm，用于高速光纤通信系统是非常理想的。第五章习题5-1 试画
17、出光纤附加损耗随温度变化曲线。5-2 光缆的纤芯是如何构成的?根据不同用途和不同的使用环境，光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构如何，都是由缆芯、加强元件和外护层所组成。5-3 色散位移光缆与常规光缆有何不同?常规光缆即 G652 常规单模光缆。这种光缆光纤损耗在 =1.55m 附近时最小，但色散较大约为 18ps/(nmkm)；在 =1.31 m 损耗较小，约 0.35dB/km 色散几乎为零。可见常规光缆 G652 在传输 1.55m 的光信号时是不利的。色散位移光缆即是由色散位移光纤 DSF 构成的光缆。DSF 是使单模光纤的材料色散和皮导色散相互补偿，在 1.55m 附近总色散为零。5
18、-4 光纤分路器及耦合器的作用是什么?在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为监测、控制等使用，这就用到光纤分路器；也有时需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这就用光纤耦合器来完成。5-5 光纤通信系统中为什么必须采用光隔离器?某些光器件，像 LD 及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器来阻止反射光。5-6 波分复用器的作用是什么，主要有哪几种类型?波分复用器把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中，或者相反地把复合的多波长信号解复用，把不同波长的信号分离出来。波分复用器的种类很多，有棱镜色散型、衍射光栅型及干涉滤光型等。5-7 试画出边发射 LED 结构截面图(AlGaAs/GaAs ELED)。105-8 半导体激光二极管按结构分类可分为哪几类?按性能分类有哪些 ?LED 类型有：边发光二极管(ELED)、面发光二极管(SLED)和超辐射发光二级管(SLD)。5-9 试画出 DH LD 管芯示意图。5-10 LD 发光的峰值波长为 1.31m，试求有源层材料的带隙 Eg 为多少焦耳，多少 eV?JeVEg 201953.946.031.285
