光纤通信习题课与复习1010.ppt

复习要点,1) 实验操作(光纤熔接、OTDR、器件测量）。 2）No.2： 光纤结构、G.652/655、光缆类型、模式概念、截止波长、数值孔径NA、光纤损耗和色散的机理、计算公式、光纤带宽的计算、主要的非线性常识； 3）No.3: 激光器形成的必要条件、异质结LD、单纵模激光器的设计原理、LD与LED区别、LD主要特性、线路编码类型、mBnB、APC或ATC原理； 4）No.4: PIN/APD工作原理、主要特性、接收机的主要指标与计算； 5）No.5 连接器/衰减器/耦合器的功能、关键技术指标、光纤耦合器的原理,作业布置,1)实验操作 2)P55 4,7,8,10,13; 3)P85 1,4, 9,12,13; 4)P116 5,7; 5)P129 2,4,5; 考试题型: 填空30+选择10+简答30+计算分析30,实验操作,1. 简单说明光时域反射仪OTDR的工作原理,光传输过程中，瑞利散射光功率与传输光功率成正比例。通过检测与传输光相反方向的瑞利散射光功率和时延来确定光纤相关参数的方法，称为后向散射法。基于后向散射法的原理设计的测量仪器 即OTDR。,其工作曲线如右图: （a）为输入端反射区（或盲区） （b）为恒定斜率区，可用以确定 损耗系数； （c）接头或局部缺陷引起的损耗， 可用于确定缺陷位置和接头损耗； （d）连接器或介质缺陷引起的反射； （e）输出端反射区，用以确定光纤的长度。,实验操作,2. 简述900um光纤手动熔接操作的步骤与注意事项,*操作步骤: 光纤剥皮(裸光纤25mm)清洁成端(17.5mm) 装热缩套管 V形槽定位夹持熔接机参数选择 间隙调整 对芯（水平+垂直）熔接熔纤取出,复位热缩封装,*注意事项: 1）控制切割长度和端面质量; 2）成端光纤保持清洁; 3）熔接损耗小于0.02 dB; 4) 热缩套管与光纤包层重叠10mm； 5）其它；,第二章作业,4.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模传输光纤中主要存在什么色散？ 答:从产生机理而言，光纤中的色散主要包括材料色散、波导色散和模式间色散、偏振模色散等。 单模光纤中主要是材料色散； 多模光纤中主要是模式间色散。,7、何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中 传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射率光纤中线性极化模LP11模对应的是什么矢量模？ 答：如果一个传播模，在包层中不衰减，表明该模的能量可以透过包层辐射出去，该传播模被截止了。如果一个传播模在包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。 LP11模对应的矢量模是TE01，TM01，HE21。,光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？其截止波长为多大？ 答：单模光纤传输条件：归一化频率V2.405 单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。 截止波长：,例：在某阶跃折射率多模光纤的纤芯折射率n1=1.50，相对折射率差0.005,长度L=1 km，要实现1310nm的单模传输，纤芯半径a的尺寸应该如何设计？ 答：要实现1310nm的单模传输，必须满足模式截止条件：,10.某阶跃折射率光纤的参数为n1=1.5,n2=1.485,现有光纤从端面轴线处15入射进光纤，试问该入射光线在光纤中是成为传导模还是辐射模？为什么？ 答：根据临界全反射条件： 入射角15大于最大临界角12.2，所以入射光纤不满足全反射条件，是辐射模!,8、由光源发出1.31m的光，在a=9um，=0.01，n1= 1.45，光纤折射率为阶跃分布时，光纤中导模的数量为多少？ 对=2的渐变光纤，其导模数量为多少？ 答：归一化频率V： 对于阶跃型，导模数量为V2/239 对于渐变型，导模数量为V2/419,11.光脉冲经过长为20km,纤芯折射率1.5，包层折射率1.485的阶跃光纤的多模传输后，其脉冲最大展宽为多大？ 答：考虑临界入射和直线传播两种极限情况：,13、光谱线宽度为1.5nm的光脉冲经过长为20km，色散系数为3ps/kmnm的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？ 答：,例1.已知阶跃型光纤的n1=1.5，=1，工作波=1.3m，光纤长度L=1km，光纤中的导模数量M=2。求： 光纤的数值孔径NA。 光纤的纤芯半径a。 计算光纤带宽（只考虑模式色散,不计 dn1/d）,解： NAn1(2)1/2=1.5*(2*0.01) 1/2= 0.21 阶跃多模光纤，g-，M=V2/2 = V=2 V=2*3.14*a*NA/ = a= 2* 1.3/(2*3.14*0.21)= 1.97m (g-） *0.4247=0.4247* Ln1/C =0.42*1000*1.5*0.01/3x108= 2.1ns f3dB =187/=187/2.1=89 MHZ(数字信号允许速119Mb/s),第三章作业,1、比较半导体激光器和发光二极管的异同。半导体激光器（LD）有哪些特性？半导体发光二极管（LED）有那些特性？ 答：LD和LED都可以用作通信光源。LD原理是受激辐射，而LED是自发辐射。 LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电路，其发出的光谱线窄，适宜于高速率系统； LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低的场合。,4、已知半导体材料GaAs的Eg1.43eV，InGaAsP的Eg= 0.96eV，分别求由这两种材料组成半导体激光器的发射波长。 答：,9、在数字光纤通信系统中，选择线路码型时要考虑哪几个因素？ mBnB字变换码和mB1H插入码各有什么特点？他们对系统的码速率提高多少？ 某数字光纤通信系统中，信息码速为139.264Mbit/s，若采用5B6B码线路码速为多少？若采用4B1H线路码速又为多少？ 答：码型选择应该考虑的因素： 1）传输码型有足够的定时含量，减少连“0”和连“1”数，便于时钟提取。 2）传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。 3）传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的提高应尽可能的少。 4）抗干扰性好，实施简单和经济，无误码增殖等。 mBnB特点详细见P76；mB1H特点:在线检测和传送管理信息 5B6B码型：线路速率为139.2646/5=167.1168Mbit/s 4B1H码型：线路速率为139.264(4+1)/4=174.08Mbit/s,13、在光发送电路中为什么要设置自动温度控制（ATC）电路？用ATC电路控制LD的哪些因素？试述ATC电路的工作原理 答：原因： 1）温度升高，阈值电流上升，光功率下降； 2）温度过高导致激光器工作不稳定，容易烧毁激光器 控制半导体制冷器的制冷效果（工作电流） 原理如图：叙述清楚工作过程即可,第四章作业,5、试述APD的工作原理。何谓“雪崩效应”？拉通型雪崩光电二极管有什么特点？APD的电流增益系数G与什么有关？ 答：在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞电离，形成二次电子空穴对，产生的二次电子空穴在强电场中又被加速，再次碰撞，再次电离，如此循环下去，形成连锁反应，致使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩倍增效应。 雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。 RAPD特点：光电转换效率高，响应速度快，附加噪声低等 APD的电流增益系数G与外加偏压、入射波长、温度等有关,7、何谓动态范围？何谓接收机灵敏度？灵敏度如何表示？在保证误码率的条件下：Pmax=0.2uW,Pmin=13.6nW,求该接收机的动态范围值和灵敏度值。 灵敏度：接收机调整到最佳状态时接收微弱光信号的能力 动态范围：灵敏度与过载功率之间的差值 答：,例题一：PIN光接收机的灵敏度Pr为-35dBm, 动态范围为 15dB,若接收到的光功率为20W，问系统能否正常工作？,例题二: 一个GaAs PIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对.假设所有的电子都被收集: 1)计算该器件的量子效率. 2)在0.8um波段接收功率是10-7W,计算平均输出光电流. 解:,第五章作业,4、光纤耦合器有哪几种？叙述熔锥型光纤耦合器的原理。 答：从使用角度来看，光纤耦合器可以分为3端口和4端口光纤耦合器、星形耦合器和波分复用/解复用器（合波器/分波器） 。 熔锥型光纤耦合器的原理： 光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的输出光功率为Pb，根据耦合理论得到 Pa=cos2(CL) ；Pb=sin2(CL) 式中，L为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数和光波长的耦合系数。 通过选择合