（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。
V=k0nAa42K
3-3什么是标是模?
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Oc，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而时，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，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
n（r）=h（0）[1-2A（-）2],/2（3-3-1）
a
式中:
△=
〃2（0）—〃2（。
）
2〃2（0）
n（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a用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为
10]P（L）
a=lg
L'P（O）
单位为dB/kmo
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/（nm-km）o3-9阶跃型光纤纤芯折射率m=1.48,包层折射率n2=1.46,在工作波长为1.31Um条件下,要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。
由V=幻勺。
可知
2.405x1.31
“.——j!
=2.09彻
2丐V2A2）_n22x3.14xV1.482-1.462
纤芯半径应小于2.09um3-10阶跃型光纤纤芯折射率m=1.48,包层折射率山=1.46，试计算光纤的数值孔径?
解：
由NA=」术顼=二卮得
NA=71.482-1.462=0.243-11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2um,问当工作波长为1.31um时，此光纤川传输的模式是什么？
由V=可知：
第四章习题
Ui
V=2.38,所以只传输单基模LP01
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。
⑵按照费米一狄拉克统计，本征半导体在热平衡状态下，电了在高能级的概
率0
⑶对于半导体激光器，当外加正向电流达到某-i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人VNc的光入射时，才能使材料产生光子，所以入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o
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激光器具有以下儿个主要特点：
（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作,即发光波长为0.85um、1.31um或1.55nm。
（2）光源的谱线宽度较窄,△入=0.1〜l.Onm。
（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屯路，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Illi线。
LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，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-1曲线,来描述LED的输出光功率特性，如图4-2-5所示。
图4-2-5LED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，即光电了一空穴对，它们总起来称作光生载流了。
光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用F,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。
P区/
有源层
N区
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Inm,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，都是山缆芯、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G-652常规单模光缆。
这种光缆光纤损耗在X=1.55urn附近时最小，但色散较大约为18ps/（nm•km）；在人=1.31人m损耗较小，约O.35dB/km色散几乎为零。
可见常规光缆G-652在传输1.55Um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1.55um附近总色散为零。
5-4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，这就用光纤耦含器来完成。
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结构截而图（AlGaAs/GaAsELED）。
金福电极
bkAIGa曷…一
P-GaAs
〃〃/7//〃///〃//>V//////,
SiO:
接使电极
光发射区
-PAIGaAs
、P-GaAs
图5-4-2OaAIAsDHSLED的结构
5-8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）、而发光二极管（SLED）和超辐射发光二级管（SLD）。
5-9试画出DHLD管芯示意图。
激光
图5-5-1DH激光二极管芯示意图
5-10LD发光的峰值波长为l.31um,试求有源层材料的带隙Eg为多少焦耳，多少eV?
「1.23985
E&=
1.31
=0.94645eV=5.9153xlO'20J
第六章习题
5-1填空题
（1）实现光源调制的方法有两类：
和。
（2）消光比定义为o
（3）LD与单模光纤的耦合效率可达。
LED与单模光纤的耦合效率可达o
（4）LED与多模光纤的耦合结构主要有、和。
（5）在光接收机中，与光电检测器相连的放大器称为，它是的
放大器。
（6）信号电平超过判决门限电平，则判为码。
低于判决门限电平，则判为码。
（7）工程上光接收机的灵敏度常用表示，单位是o
答案：
（1）直接调制间接调制；
（2）消光比定义为：
EXT二全“0”码时的平均光功率/全“1”码时的平均光功率；
（3）较高30%-50%较低1%
（4）球透镜柱透镜GRIN透镜
（5）前置放大器低噪声、高增益；
（7）光功率的相对值dBm
6-2面发光LED的输出为朗伯分布1（e）=IOcose,试计算耦合效率n。
略
6-3试画出LD数字信号的直接调制原理图。
时间
50-100150电流〃mA
P
光输出功率〃
（mW）
图6-2-3LD数字数号调制原理图
6-4什么是频率喟啾？
调制脉冲的前沿升高（蓝移），后沿下降（红移），使输出频谱加宽，这种动态线宽加宽效应称为㈱啾
6-5目前可以使用的外调制方式有几种，分别是什么?
为什么采用外调制方式？
有三种：
电光调制声光调制磁光调制
对光源进行内调制的优点是电路简单容易实现。
但是，若在高码速下采用这种调制方法时，将使光源的性能变坏，如使光源的动态谱线增宽，造成在传输时色散增加，从而使在光纤中所传脉冲波形展宽，结果限制了光纤的传输容量。
采用外调制方式可以克服上述缺点。
6-6试画出光接收机组成方椎图o
直接检测数字光纤通信接收机一般由三个部分组成，即光接收机的前端、线性通道和数据恢复三个部分，如图5-3-1所示。
图5-3-1直接检测数字光纤通信接收机框图
6-7为什么在光接收机线性通道中要加入均衡滤波器？
均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形,使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形。
通常将输出波形均衡成具有升余弦频谱函数特性，此时码间干扰最小，最有利于判决。
6-8数字光纤通信系统中，按照“1”码时码元周期T的大小可分哪两种码型?
它们的占空比分别是什么？
按照“1”码时码元周期T的大小，分为归零码（RZ码）与非归零码（NRZ码）两种，见图5-4-1o显然，RZ码的占空比为0.5,而NRZ码的占空比为1。
n=KiI.hj
•■••—.
RZ码
图5-4-1数字光纤通信系统中的码元
6-9什么是量子噪声？
量于噪声是与光信号有关，出现这种噪声的原因可以这样解释：
光信息的传播是由大量的光揪了传播来进行的，这些大量的光量了其相位都是随机的，因此光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数，是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。
6-10某光接收机接收的光功率为0.1UW,光波位为1.31um,求所对应的每秒钟接收的光了数。
解：
=1.51xlO18
PPP20.1x10—6
YI—===
hvhe/Ahe6.626x1034x3xlO8
6-11某光纤通信系统光发送端机输出光功率为0.5mW,接收端机灵敏度为0.2UW,若用dBm表示分别是多少？
（提示恒2由0.3）
解：
PT=101g=101g0.5=101g2-1=-3dBm
f）2xIO-6
PR=101g—=101g（2xl04）=10（lg2+lgl04）=-37dBm
6-12一数字光纤接收端机，在保证给定误码率指标条件卜.，最大允许输入光功率为O.lmW,灵敏度为0.1UW,求其动态范围。
解：
Pmax=101g0，lxl°=-\OdBm
max°]0一3
=101g°-lxlf~6=-40dBm
所以动态范围D为30dB
第七章习题
7-1填空题
（1）利用光纤传输监控信号有两种方式分别是、。
（2）mBnB又称,它是。
（3）光纤通信系统的长期平均误码率定义为,反映突发性误码，用、两个性能指标来评价。
（4）在数字光纤通信系统中，抖动会o
（5）SDH网有一套标准化的信息等级结构，称为°
（6）根据ITU-T的建议，码速率分别为：
STM-1=Mb/s；STM-16=Mb/s；
⑺SDH帧结构中的管理单元指针的位置在o
⑻二次群的码速率为8.448Mbit/s,1UT的时间为。
答案：
（1）频分复用传输方式时分复用方式
（2）分组码它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特（n>m）输
（3）误码率（BER）定义为传送错误的码元数占传送的总码元数的百分比有严重误码秒（SES）误码秒（ES）
（4）引起误码率的增加
（5）同步传输模块
（6）155.520Mb/s,2488.320Mb/s
（7）第四行，1N-9N列
（8）0.1184Us
7-2试画出IM-DD光纤通信系统结构框图。
点对点IM-DD数字光纤通信系统结构。
咒接收端机
―34X«t
IA：
兀行.枫
rx八.
图6-1-1点对点IM-DD数字光纤通信系统结构
7-3选择线路码型应满足的主要要求是什么？
选择线路码型应满足下而要求：
（1）码流中“1”及“。
”码的出现是随机的，可能会出现长串的连“1”或连“0”,这时定
时信息将会消失，使接收机定时信息提取产生困难；
⑵简单的单极性码流中有宜流成分，且当码流中“0”与“1”作随机变化时直流成分也作随机变化，从而引起数字信号的基线漂移，给判决和再生带来困难。
（3）不可能在不中断业务的条件下检测线路的BERo
7-4什么是插入码，插入码的类型有几种？
插入比特码是将信码流中每m比特划为一•组，然后在这一组的末尾-•位之后插入一个比特码输出，根据插入码的类型分为：
niBlP码，mBlC码，niBlH码。
7-5产生抖动的主要原因有哪些？
抖动产生的原因主要有：
%1由于噪声引起的抖动。
例如，在逻辑电路中，当输入信号阶跃时，由于信号叠加了噪声,输入信号提前超过了逻辑电路的门限电平，使跃变信号提前发生，从而引起了抖动。
%1时钟恢复电路产生的抖动。
在时钟恢复电路中有谐振放大器，如果谐振回路元件老化，初始调谐不准等因素可引起谐振频率的变化。
这样，这种输出信号经时钟恢复屯路限幅整形恢复为时钟信号时就会出现抖动。
%1其他原因引起的抖动。
引起抖动还有其他原因，如数字系统的复接、分接过程，光缆的老化等。
7-6什么是分组码?
经过分组编码，线路上的速率提高了多少？
分组码常用mBnB表示，它是把输入信码流中每m比特码分为一组，然后变换为n比特（n>m）输出。
分组码有1B2B,2B3B,3B4B,5B6B,5B7B,6B8B等。
线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了线路上的速率提高了（n-m）/m
7-7有一个光纤通信系统，其码速率为622.080Mb/s,平均发送光功率Pt的最大值OdBm,活动连接器Act和Acr为0.4dB,设备富余度Me为3dB,光纤衰减系数Af取值1550oit>取0.2dB/km,平均熔接接头损耗As/Lf为0.05dB/km,线路富余度Me为0.06dB/km。
接收机灵敏度Pr为-31.2dBm,试估算最大中继距离。
解：
=Pt-Pr--Acr-Pd-Me=°-（-31.2）-2x°.4-1-3=.
一Af+AJLf+Mc一0.2+0.05+0.06-
JJL
7-8光纤色散对系统性能参数有什么影响，比较重要的有哪三类。
光纤色散会使系统性能参数恶化，比较重要的有三类：
码间干扰、模分配噪声、喟啾声。
7-
I""I
PU
fJ
J-L环烈
rim
*V
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