光纤通信原理习题答案

1、第二章定性描述渐变型多模光纤带宽远远优于阶跃型多模光纤的原因。答：阶跃型多模光纤以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的路径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。而渐变型多模光纤有自聚焦作用，虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢。斜光线大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但传输快。通过合理设计折射率分布，不同入射角度入射的光线以相同的轴向速度在光纤中传输，同时到达输出端，即所有光线具有相同的空间周期，从而降低模间色散，增加了光纤传输带宽。.已知多模阶跃型光纤，纤芯折射率为，光纤芯经U0相对折射

2、率差A.，求：（）光纤数值孔径和收光角；（）归一化频率和导模总数？（入.）；（）当A.时，光纤芯经为多大时光纤可单模工作？解：入.43.解：已知阶跃型光纤的纤芯折射率n1=，.相对折射率差A.0芯半径模的截止波长各为多少？a=U5m，试求L、和入厂对于入.对于入.4对于入什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。解释为什么石英光纤在有最低的色散？答：色散是在光纤中传输的光信号，不同频率成分和模式成分的光有不同传播速度而产生的一种物理效应。多模光纤存在模间色散和模内色散，前者影响远大于后者，因此多模光纤只考虑模间色散，单模光纤仅存在一个模式，消除了模间色散，只存在模内色散，主要由材料色

3、散和波导色散组成。材料色散是指石英光纤的折射率随光波长变化而改变。波导色散是光纤波导的不完备性使波导的传播常数随光波长变化而改变。由于材料色散，使得石英光纤在1276nm处的色散为零，但是波导色散使零色散波长向右移动了0.00.0Um,因此总色散在110nm附近为零。已知G.652光纤在1.Um波长，色散系数为2ps/(mnm),在1.55um波长，色散系数为18ps/(mnm)，对于半导体激光器的线宽均为1nm的传输系统，请计算传输100m两个波长能够传输的最高速率是多少？解：光纤色散对系统传输速率的限制：BLD1对1.1m波长D=2ps/(Km.nm),=1nm,L=100KmB=5Gbp

4、s;对1.55m波长D=18ps/(Km.nm),=1nm,L=100KmB=5/9Gbps简述构成光纤损耗的三大因素。最终限制光纤损耗进一步减少的是哪一种因素，为什么？答：分别是材料吸收，瑞利散射和波导缺陷。最终限制光纤损耗进一步减少的是材料吸收损耗，因为首先石英材料自身就有本征材料吸收损耗的存在，而且在制造光纤过程中用来形成折射率变化所需的掺杂剂也会导致附加的吸收损耗。波长为1.55um的2m光功率，注入100m的G.652单模光纤传输(损耗系数采用0.5B/)m计算传输后输出光功率？分别采用线性单位(m、U)和对数单位(Bm、B)进行计算，并体会对数单位应用的优点。解：用线性单位计算：(

5、B/n)=.(m1)(mx)=(B/n)/.=0./=0.08=p(L)=208100)=0.0006n用对数单位P(dBm)=3dBmin=(B/i)L=0.5100=2dBm)outin应用光时域后向散射仪(D)测量光纤，得到一断点信息：反回脉冲与发出脉冲之间的延时为Us,计算光纤断点位置？(已知纤芯折射率n1=1.5，光速二108m/s)解：L=3000m2n已知多模光纤长10m,输入光脉冲宽度为1ns，近似为高斯型脉冲，经过测量输出光脉冲宽度为1.2ns计算光纤的传输带宽。解：=22二J1.212=0.66210.66第三章1.简述二能级系统的电子的三种能级跃迁形式，并指出它们与光电或

6、电光转换之间的关系。答：在自发辐射中，高能级的电子自发跃迁到低能态，释放的能量转化成光子，产生的光子具有随机的方向，相位和偏振态，出射光为非相干光，半导体发光二极管正是利用了该原理研制的。在受激辐射中，处于高能态的电子受到入射光子的激发跃迁到低能态产生光子，出射的光子与入射的光子具有相同的频率，方向，偏振态和相位，因此出射光为相关光，半导体激光器就是利用这个原理而得到的。在光吸收过程中，处于低能态的电子，受到外来光的照射，当光子的能量等于或者大于禁带宽度时，光子将被吸收使电子跃迁到高能态，跃迁到高能态的电子，再外加电场的作用下，会形成电流，即产生光生电流，半导体光探测器就是基于这种原理制成的。

7、2.推导LED的3dB调制带宽的公式(3.2-6),并分析说明提高工作速率的方法。解：当下降为-半时定义为3dB调制带宽；即21111141122所以223同时2所以3dB23dB论述半导体激光器(LD)的工作原理，分析LD产生激光的增益条件和相位条件，由此LD的采用的典型结构有哪几种？答：LD的工作原理是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。LD产生激光有两个条件：一是增益条件，具有增益介质，能够实现粒子数反转分布；二是相位条件，具有谐振腔，实现相位匹配，自洽放大。典型结构有：增益导引半导体激光器，折射率导引半导体激光器。解

8、释LD的阈值电流的形成机理。答：由于损耗的存在，受激发射产生的增益将不断消耗。只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡。要达到这种阈值状态所要求的注入电流称为阈值电流。随着激光器注入电流的增加，其输出功率增加但只发出荧光，当电流大于阈值电流时输出功率才随注入电流急剧增加，发出激光，当注入电流小于阈值电流时，激光器发出的是自发辐射光。什么是LD的纵模和横模，LD产生单纵模和单横模需要满足什么条件？答：半导体激光器的模式分为纵模和横模，纵模由满足谐振腔纵向相位条件和净增益决定，横模则是由谐振腔横向结构决定。通过控制半导体激光器有源区的横向尺寸可以实现单横模工作。单纵模设计思想基于纵模的损

9、耗差，不同的纵模具有不同的损耗，使某一纵模损耗最小而达到震荡条件。描述LD的P-I特性曲线，并详细分析该曲线的工作特征。答：特征：当注入电流Ith,LD发出激光。当注入电流IIth，曲线基本呈线性关系，担当调制电流较大时，线性特征将被破坏，此时需要一定的补偿机制来满足通信要求。P-I特性曲线随温度升高，斜率下降，即量子效率下降。P-I特性曲线随温度升高，阈值电流不断升高。P-I特性曲线，随注入电流的升高，LD输出的功率出现饱和。阐述LD的噪声形成的机理，以及对光纤通信系统的影响。答：半导体激光器即使在稳定的直流偏置下，其输出光信号强度，相位和频率也会产生随机波动而形成噪声，产生噪声的两个基本因

10、素是自发辐射和电子-空穴对的复合点噪声，其中自发辐射是主要噪声源。自发辐射产生的相位随机变化光场会叠加在受激辐射产生的想干光场上，形成对光场的幅度和相位的随机微扰，从而导致输出光的强度和相位发生漂移，强度的漂移构成对光信号信噪比的影响，而相位，频率的漂移会使激光器的输出光信号具有一定谱宽。简述PIN和APD的工作原理以及一般的结构，并比较它们的异同及其应用特点。答：PIN光电二极管设计在p-n节中间引入一层本证半导体材料，由于i区具有较高电阻，因此外加电压基本落在该区，使得垒区宽度增加，并可以控制i区的厚度来改变垒区宽度。特点：i区作为吸收材料，提高了转换效率；由于i区的高电场，提高了漂移速度

11、，降低了渡越带宽，提高了工作带宽；PIN采用台面结构，降低了电容，进一步保证了带宽。APD与PIN不同在于p区和n区都进行了中掺杂，并在i去和n区引入另一层p区作为电离碰撞区以产生二次电子空穴对，在反向电压下，在p区形成较高电场，i区仍作为吸收光信号产生一次电子空穴对的区域，所产生的电子在p区通过碰撞而形成更多的电子空穴对，从而实现一次光电流的放大作用。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN光电探测器。分析环行器图3.4-1

12、2工作原理。答：当包含两个正交偏振的输入光波由1端输入，有分片器分成平行和垂直的两束光，垂直光经分偏器和反射镜两次反射，在经过法拉第旋光器偏振方向旋转45度，在经过1/2波片，再次旋转45度，变为平行光，而平行偏振光经由分偏器和1/2波片旋转90度，两束偏振光通过分偏器合为一束光。由于法拉第旋光器对光的旋转方向与入射方向有关，当反向传输时，分偏器只能从3端口输出，因此光线从2端输入时只能从3端输出。13第四章分析图.2-TTL数字驱动电路的工作原理。答：工作原理是通过控制输TTL的输入，使得三极管导通或截止，这样就可以根据LED的P-I特性曲线，选取驱动电流，计算得到限流电阻R1值，完成电路设

13、计。I=(V-V-V)/R1CCLEDCE1=00信号0和1对应于三极管T1的截止和饱和状态。0-匚截止一LED不发光；1-T1饱和一LED发光；根据输出光信号幅度的要求确定电流大小。光电探测的噪声由哪几部分组成，写出它们的数学表达式，并说明物理意义？答：光电探测噪声主要由以下三部分组成：1散粒噪声：是光电转换中偶那个产生电子的随机性引起的噪声电流。22I2热噪声:是在温度作用下载流子热运动引起的噪声电流。22TRTTTTRL3强度噪声：是光信号强度随时间漂移装换成随机漂移引起的噪声电流。2RIRP2I3.如图为一个P的光路，下行LT到光波长为1.，上行到LT光波长为1.31，分别计算上下行的

14、传输损耗？(其中光纤损耗0.1.31，0.21.；3分配器的插入损耗为0.,3分配器将光功率按0:0分配3分配器正向和反向传解：下行传输损耗为0.2103+30.52上行传输损耗为0.1030.21211B4.100M数字光纤传输系统（NR码）要求BR小于10-9,采用为光电探测器和前置放大器为接收机部件，其中热噪声=0.1A远大于其他噪（声因）素,R=0.9A/W,计算该光接收机的接收灵敏度。=/R=60.1A/0.9A/W=0.6W解：n即-41.dB第五章5-1简述模拟信号光纤传输有哪几种技术方案？答：1基带光强调制2脉冲光强调制3频分复用光强调制包括副载波调幅光强调制和副载波调频光强调

15、制5-2已知基带模拟信号传输带宽为010MHz,光发射机的调制深度为0.8,要求光接收SNR达到60dB,首先分析判断在光接收机中哪种噪声起主导作用，然后计算光接收机的灵敏度。（放大器噪声系数为6dB,工作温度为20C，负载电阻为1kW,R=0.9A/W）解：热噪声占主导地位；SNR=60dB=10飞，F=6dB=3.98TOC o 1-5 h zSNR=R4kFR22APDLnin“0.92103106=in41.3810232933.9810106.94710-106.43710-102=in0.81=2.819105W=2.819102W=15.5dB5-3为什么说模拟信号光纤传输的关键

16、在于光发射机？答：模拟非线性系统的非线性主要来源于光发射机，特别是基于直接调制LD的光发射机将不可避免的产生非线性产物。对于多路副载波系统,将传输60-100个频道，它们的二阶组合和三阶组合将不可避免的落在传输信道内，引起传输质量下降。5-4简述多路调幅和调频副载波光纤传输系统的各自特点。答：多路调幅副载波系统的特点1多路调幅副载波系统其传输原理是基于残留边带调幅，在传统双边带调幅的基础上残留到了部分低频双边带，高频端采用单边带传输；2SNR与CNR关系为SNR二CNR-6.4;3接收机光功率较大，因此强度噪声为光接收机的主要噪声；4采用DFB-LD及预失真补偿技术。多路调频副载波系统的特点1

17、可以降低成本，传输近100个频道，且用户端广泛解调，接受简单，但接收光功率高，无中继传输距离有限；2只需较低的CNR就可获得较好的信号传输质量；3接收光功率低，热噪声起主导作用4光发射机采用FD-LD作为光源无需采用预失真补偿技术，降低了成本与系统的复杂度5-5光纤传输系统需要传送C波段微波信号(3.74.2GHz)，带宽为500MHz,要求接收CNR达到50dB，计算光接收机的灵敏度。(其中热噪声远大于其他噪声，放大器噪声系数为6dB,工作温度为20C,负载电阻为50Q,R=0.8A/W,光发射的调制深度为0.6)解：由题意可知热噪声远大于其他噪声SNR=60dB=10飞，F=6dB=3.98CNR=R8F)2R22Ln“0.60.8250105