《光纤通信系统》第二版_李履信,沈建华_习题解答

1、<<光电子器件导论 >> 习题解答1-1.光纤通信有哪些优点？答：光纤通信具有下面一些优点：1、传输容量大；2、传输损耗小，中继距离长；3、泄漏小，性好；4、节约大量有色金属；5、抗电磁干扰性能好；6、重量轻，可挠性好，敷设方便。1-2.比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。答：五代光纤通信系统的主要特点与差别如下：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代后期投入使用，工作 波长在850nm波长段的多模光纤系统。光纤的衰减系统为 2.54.0 dB/Km ,系统的传输速率在20100Mbit/s之间，实用的系统容量为脉冲编码调制（PCM）三次群， 最高传输速率为34Mb

2、it/S ,中继距离为810km。20世纪80年代初， 工作波长在1310nm波长段的多模光纤系统投入使用，光纤衰减系数 为0.551.0dB/Km,传输速率达140Mbit/s,中继距离为2030Km。2、第二代光纤通信系统在20世纪80年代中期投入使用，工作 波长在1310nm波长段的单模光纤通信系统。光纤衰减系数为0.0.5 dB/Km,可传送准同步数字体系（PDH） 的各次群信号，最高传输速率可达 1.7Gbit/s,中继距离约为50Km。3、第三代光纤通信系统在20世纪80年代后期投入使用，工作 波长在1550nm波长段的单模光纤系统。光纤衰减系数为0.2 dB/Km,应用在同步数字

3、体系（SDH）光纤传输网，传输速率达2.510Gbit/s,中继距离可超过100Km4、第四代光纤通信系统采用光放大器来增加中继距离，同时采 用波分复用/频分复用（WDM/FDM ）技术来提高传输速率。已完成的有单信道传输速率为 40Gbit/s,不采用电中继器，结合 先进的调制技术和编码技术等，实现传输距离达10000Km的试验。20世纪90年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光 纤通信的重大变革。目前在实验室中最高的系统容量已经达到 10Tbit/s 级。5、第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性效应，抵消由 于光纤色散产生的脉冲展宽而产生的光孤子，来实现光脉冲信号的保形传输

4、。20世纪90年代后，各国的试验都取得了重大的进展。例如在日 本，实验室中已经实现了将 80 Gbit/s和160Gbit/s的数据分别传输了 500Km和200Km ,目前已经开始有商用化的光孤子通信系统面世。1-3.为什么使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能选择850nm、1310nm 和 1550nm 三种。答：石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的波长区，即： 波长为850nm、1310nm、1550nm。为此光纤通信系统的工作波长只 能是选择在这三个波长窗口。2-1.光纤产生衰减的原因是什么？衰减对通信有什么影响？在一个光纤通信系统中，光源波长为1550nm,光波经过5Km长

5、的光纤线路传输后，其光功率下降了 25%,求该光纤的衰减系数为多少？答：1、光纤产生衰减的原因是：光纤中存在损耗。损耗包括：吸收损耗；散射损耗；辐射损耗;2 、衰减限制了系统的传输距离。101 Pi3、丁1g J（dB/Kn）LPo10 P1550nm 1gi 0.25 dB/Km51 25% Pi2-2.光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？答：1、瑞利散射是由于光纤部的密度不均匀引起的，从而使折 射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点的尺寸比光波波长还要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。 A 2、瑞

6、利散射损耗 r的大小为：r瑞利散射系数A,取决于纤芯和包层的相对折射率差。所以r的大小与波长 和相对折射率差 有关。2-3.光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？答：1、光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频率成分和 不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。2、色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误码。 对于高速率长距离光纤通信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。2-4.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是什么色散？答： 1、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；2、单模

7、光纤中主要是波导色散；3、多模光纤中主要是模式间色散。注： 偏振模色散可以理解为特殊的模式色散，但在速率较低的系统中影响较小。2-6. 目 前 光 纤 通 信 为 什 么 只 选 用 以 下 三 个 波 长 段 ：850 nm，1310 nm，1550 nm ？答： 850nm,1310nm,1550nm附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口” ，相应的损耗分别为：23dB/Km、0.5dB/Km、0.2 dB/Km。而且在这些波段，目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。2-7.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

8、LPii模对应的是什么矢量模？答： 1、对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。如果一个传输模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层2、3、4、其截止波长由下式计算：C2 a、n2 n22.408而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了所以一个传播模在包层中 衰减常数W=0时，表示导模截止。光纤单模传输的条件是：归一化频率 “2.405。单模光纤中传输的是L%模，对应的矢量模是HE1模。19.49445、LR1模对应的矢量模是 TEd1,TM1,HE21。0.01,2-8.由光源发出的 1.31 m的光，在a 9 m,ni 1.45 ,光纤折射率分布为阶跃型时，光纤中导模的

9、数量为多少?若光纤折射率分布为（传播模式的归一化频率V解：V 吊n22的渐变型时，其导模的数量为多少?".n：n2 )2A n229 m1.31 m,1.4521.45 0.011.45 28.83光纤中导模的数量:V221、光纤折射率分布为阶跃型时:V222、所以，导模的数量为：NV2228.83 2238.982的平方律渐变型光纤时:g 2, NV2所以，此时导模的数量为：NV248.83 22-10.某阶跃折射率光纤的参数为 ni=1.5,出=1.485,现有一光波在光纤端面轴线处，以15°的入射角入射进光纤，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？解：

10、根据：no sin a 而2n2即：1 sin a J1521.4852得：入射临界角（最大入射角）a 12.22而现入射角入15 a 12.22所以，入射光线不满足全反射条件，不能传输，是辐射模。m，估2-12.已知光纤参数为：n11.45,0.01,1.31算光纤的模场直径。解：模场直径d21,NA2,21NAt /2光纤最论数值孔径NAt为：NA . n12 n2n1、2 1.45/2-0.01 0.2122 1.31 m 1 d 5.56 m3.141592654 0.212/22-13.光谱线宽度为1.5nm光脉冲经过长为20km,色散系数为3ps/nm- km的单模光纤传输后，光脉

11、冲被展宽了多少？解：光脉冲被展宽了 m为：mDm L 1.5 nm 3Ps/nm Km 20Km=1.5X3X 20 =90ps2-14.为什么G.653光纤不适合于波分复用系统使用？答：由于G.653光纤在1550nm工作波长处具有最低色散（零色散） ，多信道（波分复用）系统使用时易引起四波混频效应，影响系统的性能，所以G.653 光纤不适合于波分复用系统使用。3-1.比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同c 答：一、半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的不同之处：1、工作原理不同：LD 发射的是受激辐射光，LED 发射的是自发辐射光。2、 LED 不需要光学谐振腔，而L

12、D 需要。3、和半导体激光器（LD）相比：（1）发光二极管（LED）输出光功率较小，光谱较宽，调制频率较低。（ 2）但LED 性能稳定，寿命长，输出功率线性围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。4、 LED 的主要应用场合是小容量（窄带）、短距离通信系统。5、 LD 主要应用于大容量（宽带）、长距离通信系统。二、 LD 和 LED 的相同之处：1 、使用的半导体材料相同；2、结构相似；3、LED和LD大多采用双异质结（DH）结构；4、都是把有源层夹在P 型和 N 型限制层中间。3-2. 为什么 LD 要工作在正向偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温度、使用时间有什么关系

13、？答：1、LD加正向偏置电压用以克服 PN结中自建场的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。2、激光器阈值电流是指：满足克服谐振腔损耗而产生激光的最 小的外加激励电流。3、激光器的阈值电流Ith与激光器的使用温度、使用时间成正比 关系。3-4.已知半导体材料 GaAs的 Eg=1.43eV, InGaAsP的Eg=0.96eV,分别求由这两种材料组成的半导体激光器的发射波长。解：发射波长为:hc 1.24 mEg Eg eV1、GaAs的发射波长为:1.240.867 m1.43 eV2、InGaAsP的发射波长为:1.241.292 m0.96 eV3-6.在光纤通信系统中对 LD驱动电

14、路和偏置电路有什么要 求？在LD驱动电路中为什么一定要加偏置电流？偏置电流应加多大 才合适？若偏置电流加得过大或过小对 LD的调制特性会产生什么影 响？ 答：1、对LD驱动电路和偏置电路的要：输出的光脉冲峰值保持恒定；光脉冲的通断比应>>10;激光发射的时间必须远短于码元时间；采用阻尼电路以避免驰振荡。2、因为LD是阈值器件，只有外加驱动电流超过阈值后才能发出 激光，为使得较小的数据电流Id亦可产生足够的光输出，因此需要加偏置电流Ib3、I b的选择取原则是略小于阈值电流I th。4、太大的Ib会引起消光比性能下降，同时较高的电流也会产 生较大的热量，以及寿命的缩短；太小的Ib需要

15、较大的数据电流Id才能满足阈值条件。3-8.何谓LD输出光脉冲的消光比？消光比不合要求时， 将会对 整个系统产生什么影响？答：1、通断比（也称消光比），指光源器件发出光的“ 1”脉冲 “全“0”码时平均输出光功率和“0”脉冲的比值，定义为： EXT 全“1”码时平均输出光功率2 、消光比不符合要求，也即在无输入的情况下，也会有残留光输出，对于接收机而言造成影响，降低系统的性能。3-11.光发送机中输入接口的作用是什么？对驱动电路有什么 时候要求？答：1、作用：输入接口除了正常应该考虑信号幅度大小和阻抗外，特别应 注意信号脉冲码型，即将原始信息变换为适宜于在光纤中传输的码型。2 、对驱动电路的要

16、求如下：输出的光脉冲峰值必须保持恒定。光脉冲的通断比（即消光比）应A 10,以免接收灵敏度受到损害。电流脉冲加上后，激光发射的时间必须远短于每位码元的时间段。如加上的电流脉冲有较高的码速，则输出的光脉冲有可能引起弛振 荡，这就必须予以阻尼，防止它对系统性能发生不良影响。3-13.在光发送电路中为什么要设置自动温度控制（ ATC）电 路？用 ATC 电路是控制LD 的哪些因素？答：1、温度变化引起输出光功率的变化，固然可以通过 APC电路进 行调节，使LD 输出光功率恢复正常值。但如果环境温度升高较多，使得Ith增大较多，经APC调节后IB也增大较多，则LD的结温会升高过多，致使I th 更高，

17、造成恶性循环，以致把LD 烧坏。因此，对LD 管芯的工作温度采用ATC 电路，使其恒定在20左右，对光源长期稳定工作是有利的。2 、用ATC电路是控制LD的管芯温度。4-1. 光纤通信系统对光检测器有什么要求？ 答：光纤通信系统对光检测器的基本要： 1 、波长段响应度或灵敏度要高。2、具有足够的带宽和响应速度。3、由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和并联电导必须最小。4、不需要过高的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命。5、检测器的几何尺寸要小，以便于与光纤耦合以及与其他电路 的组装。4-2. 光电二极管为什么必须工作在反向偏压状态？光电管产生的光电流中包括哪些分量？这些分量与哪些因素

18、有关？光电管的响 应时间与什么有关？ 答： 1、在扩散区，因为光生载流子的扩散速度比耗尽区光生载流子的漂移 速度慢得多，这部分光生载流子的扩散运动的时延，将使检测器输出电流脉 冲后沿的拖尾加长，这就影响了光电二极管的响应时间，限制了光电转换速 度。光电二极管工作在反向偏压情况下，增加了耗尽区的宽度，缩小了耗尽区两侧扩散区的宽度，从而减小了光生电流中的扩散分量，反向偏压也增强了耗尽区的电场，加快了光生载流子的漂移速度，有利于加快光电二极管的响应时间。2、包括：光电流和暗电流。（ 1）光电二极管在反向偏压下，受到光照而产生的电流称为光电流。（ 2）光电二极管在反向偏压下，无光照时仍有电流流过，这部

19、分电流称为暗电流。光电二极管的暗电流分为两部分：一部分为反向偏压下二极管的反向饱和电流，称为体暗电流，是由载流子的热扩散形成的。另一部分是由半导体表面缺陷引起的表面漏电流，称为表面暗电流。3、光电流与入射光照度有关；体暗电流与半导体材料及掺杂浓度有关；表面暗电流与半导体表面缺陷有关。4、光电管的响应时间与下面一些因素有关：光检测器电路（RC电路）的上升时间；载流子在耗尽层中的渡越时间；耗尽层外载流子的扩散时间。4-4. 何谓暗电流？暗电流是怎么产生的？暗电流的存在对信号的接收会产生什么影响？1 、半导体光电二极管（光检测器）处于反向偏置电压下，在没有入射光照射时，仍有一定的电流输出，这部分电流称为暗电流。2、暗电流是半导体光电二极管中的少数载流子，在反向电压作用下，进行漂移运动产生的。3、暗电流会