光纤通信第二版刘增基参考答案.(整理).doc

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习题与思考题答案（参考）

1-1光纤通信的优缺点各是什么？

答与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比，光纤通信具有如下有点：

（1）通信容量大。

首先，光载波的中心频率很高，约为2×1014Hz，最大可用带宽一般取载波频率的10%，则容许的最大信号带宽为20000GHz（20THz）；如果微波的载波频率选择为20GHz，相应的最大可用带宽为2GHz。

两者相差10000倍。

其次，单模光纤的色散几乎为零，其带宽距离（乘）积可达几十GHz*km；采用波分复用（多载波传输）技术还可使传输容量增加几十倍至上百倍。

目前，单波长的典型传输速率是10Gb／s，一个采用128个波长的波分复用系统的传输速率就是1.28Tb／s。

（2）中继距离长。

中继距离受光纤损耗限制和色散限制，单模光纤的传输损耗可小于0.2dB／km，色散接近于零。

（3）抗电磁干扰。

光纤由电绝缘的石英材料制成，因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰，包括闪电、火花、电力线、无线电波的干扰。

同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。

这使光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。

（4）传输误码率极低。

光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小，而且稳定，噪声主要来源于量子噪声及光检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。

只要设计适当，在中继距离内传输的误码率可达10-9甚至更低。

此外，光纤通信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。

当然光纤通信系统也存在一些不足：

（1）有些光器件（如激光器、光纤放大器）比较昂贵。

（2）光纤的机械强度差。

为了提高强度，实际使用时要构成包含多条光纤的光缆，在光缆中要有加强件和保护套。

（3）不能传送电力。

有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能，光纤显然不能胜任。

为了传送电能，在光缆系统中还必须额外使用金属导线。

（4）光纤断裂后的维修比较困难，需要专用工具。

1-2光纤通信系统由哪几部分组成?

简述各部分作用。

答光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成（参看图1．4）。

发射机又分为电发射机和光发射机。

相应地，接收机也分为光接收机和电接收机。

电发射机的作用是将信（息）源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电信号，包括多路复接、码型变换等：

光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。

光发射机由光源、驱动器、调制器组成，光源是光发射机的核心。

光发射机的性能基本取决于光源的特性；光源的输出是光的载波信号，调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数（如光的强度）。

光纤线路把来自于光发射机的光信号，以尽可能小的畸变（失真）和衰减传输到光接收机。

光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。

光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。

光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电信号。

光接收机的功能主要由光检测器完成，光检测器是光接收机的核心。

电接收机的作用一是放大，二是完成与电发射机相反的变换，包括码型反变换和多路分接等。

1-3假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55m的光载波上能传输多少64kb/s的话路?

解在5GHz微波载波上能传输的64kb/s的话路数

在1.55的光载波上能传输的64kb/s的话路数

1-4简述未来光网络的发展趋势及关键技术。

答未来光网络发展趋于智能化、全光化。

其关键技术包括：

长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。

1-5光网络的优点是什么?

答光网络具有如下的主要优点：

（1）可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带（高速）通信网的要求。

（2）光交叉连接器（oXC）和光分插复用器（OADM）对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传送平台。

（3）以波分复用和波长选路为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。

光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。

2-1均匀光纤芯与包层的折射率分别为:

n1=1.50，n2=1.45,试计算：

（1）光纤芯与包层的相对折射率差△为多少?

（2）光纤的数值孔径NA为多少?

（3）在1米长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差为多少?

解

（1）由纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2）/n1得到

（2）

（3）

2-2已知均匀光纤芯的折射率n1=1.50，相对折射率差=0.01，芯半径25。

试求：

（1）LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？

（2）若，计算光纤的归一化频率以及其中传输的模数量各等于多少？

解

（1）由公式（2.29）可得：

其中，来自于P23表2.1。

因为

所以

对于LP01，不存在。

对于LP11，

对于LP02，

对于LP12，

（2）

2-3 均匀光纤，若n1=1.50，，试计算：

（1）若=0.25，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？

（2）若取，为保证单模传输，应取多大？

解

（1）由单模传输条件

推导出

其中，，，则

（2）当时，

解得。

2-4目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：

，，？

答，，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2~3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而且在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。

2-5光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?

答长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。

（1）单模光纤没有模式色散，不同成分光经过单模光纤的传播时间不同的程度显著小于经过多模光纤时不同的程度。

（2）由光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长增大，损耗呈下降趋势，且在1.55处有最低损耗值；而且1.31和1.55处的色散很小。

故目前长距离光纤通信一般都工作在1.55。

2-6光纤色散产生的原因及其危害是什么?

答光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。

光纤色散对光纤传输系统的危害有：

若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）。

2-7光纤损耗产生的原因及其危害是什么?

答光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收的。

散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。

光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。

2-8阶跃折射率光纤中n1=1.52,n2=1.49。

（1）光纤浸在水中（n0=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角；

（2）光纤放置在空气中，求数值孔径。

解

（1）如图2.4所示，由

得

由

得

由

得

（2）

2-9一阶跃折射率光纤，折射率n1=1.5，相对折射率差=1%，长度L=1km。

求：

（1）光纤的数值孔径；

（2）子午线的最大时延差；

（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。

解

（1）

（2）

（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则此时n1=1.5，n2=1.0，所以

2-10一阶跃折射率光纤的相对折射率差=0.005，n1=1.5，当波长分别为0.85、1.31、1.55时，要实现单模传输，纤芯半径应小于多少？

解由单模传输的条件

推导出

当时，

同理，当时，；当时，。

2-11已知光纤的纤芯直径2=50，=0.01，n1=1.45，=0.85，若光纤的折射率分布分别为阶跃型和=2的渐进型，求它们的导模数量。

若波长改变为1.31，导模数量如何变化？

解

（1）=0.85时，

故得导模数量：

阶跃型

渐进型

（2）若波长改变为1.31，则=25，故得

阶跃型 313

渐进型 156

2-12一个阶跃折射率光纤，纤芯折射率n1=1.4258，包层折射率n2=1.4205.该光纤工作在1.3和1.55两个波段上。

求该光纤为单模光纤时的最大纤芯直径。

解由截止波长

得时单模传输，由已知条件得，则

即该光纤为单模光纤时，最大纤芯直径为。

2-13具有光功率的一个非常窄的脉冲（理想情况下一个单位冲击函数），被输入光纤并产生一个输出波形。

输出脉冲相应于光纤的冲击响应。

假设脉冲输出是高斯型：

其中，是脉冲宽度的均方根值。

证明FWHM（半峰值宽度）带宽

证明因为冲击响应，故

即为频率响应，设时为半峰值宽度，则

因为

所以

即

即得FWHM带宽

2-14考虑10km长，NA=0.30的多模阶跃折射率光纤。

如果纤芯折射率为1.450，计算光纤带宽。

解10km光纤产生的时间延迟（即脉冲展宽）为

则

即该10km光纤的带宽。

2-15光波从空气中以角度投射到平板玻璃表面上，这里的是人射光线与玻璃表面之间的夹角。

根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射。

如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为，请问玻璃的折射率等于多少?

这种玻璃的临界角又为多少?

解如图所示的角度对应关系，得到入射角，折射角，由斯涅尔定律得

所以，玻璃折射率

这种玻璃的临界角

2-16计算=1.48及=1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。

如果光纤端面外介质折射率=1.00，则允许的最大入射角为多少？

解光纤数值孔径

若光纤端面外介质折射率=1.00，则允许的最大入射角为

2-17弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率指数分别为=1.5，=1.45，试计算：

（1）纤芯和包层的相对折射率差；

（2）光纤的数值孔径NA。

解

（1）相对折射率差

（2）光纤的数值孔径

2-18已知阶跃光纤纤芯的折射率=1.5，相对折射率差=0.01，纤芯半径。

若，计算光纤的归一化频率及其中传播的模数量。

解由得光纤包层折射率

则光纤归一化频率

对于阶跃光纤，传播的模数量

2-19一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000个左右的传播模式。

试问：

（1）其纤芯直径为多少?

（2）在1310nm波长上可以支持多少个模?

（3）在1550nm波长上可以支持多少个模?

解

（1）对于阶跃光纤，传输的模数量，则

根据公式

得

（2）在1310nm波长上，归一化频率

则传播模数量

（3）在1550nm波长上，归一化频率

则传播模数量

2-20用纤芯折射率=1.5，长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率的光脉冲，经过该光纤后，信号延迟半个脉冲周期，试估算光纤的长度L。

解信号延迟时间

则光纤长度

2-21有阶跃型光纤，若=1.5，，那么

（1）若=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径应取多大?

（2）若取纤芯半径=5，保证单模传输时，应怎么样选择?

解

（1）由单模传输条件

得

而，，则

（2）当=5时，

则

即

所以

2-22渐变型光纤的折射指数分布为

求光纤的局部数值孔径。

解光纤的局部数值孔径为

2-23某光纤在1300nm波长处的损耗为0.6dB/km，在1550nm波长处的损耗为0.3dB/km。

假设下面两种光信号同时进入光纤：

1300nm波长的150W的光信号和1550nm波长的100W的光信号。

试问：

这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少?

以W为单位。

解

（1）对于1300nm波长的150W的光信号，在8km处损耗值为

则8km处功率值为

在20km处损耗值为

则20km处功率值为

（2）对于1550nm波长的100W的光信号，在8km处损耗值为

则8km处功率值为

在20km处损耗值为

则20km处功率值为

2-24一段12km长的光纤线路，其损耗为1.5dB／km。

试问：

（1）如果在接收端保持0.3W的接收光功率，则发送端的功率至少为多少?

（2）如果光纤的损耗变为2.5dB／km，则需要的输入光功率为多少?

解

（1）光纤线路总损耗为

则发送端功率最小值为

（2）光纤的损耗变为2.5dB／km时，光纤线路总损耗为

则发送端功率最小值为

2-25有一段由阶跃折射率光纤构成的5km长的光纤链路，纤芯折射率=1.49，相对折射率差=0.01。

（1）求接收端最快和最慢的模式之间的时延差；

（2）求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；

（3）假设最大比特率就等于带宽，则此光纤的带宽距离积是多少?

解

（1）由得光纤包层折射率

则接收端最快和最慢的模式之间的时延差

（2）

（3）

带宽距离积为：

。

3-1设激光器激活物质的高能级和低能级的能量各为和，频率为，相应能级上的粒子密度各为和。

试计算：

（1）当=3000MHz，=300K时，=？

（2）当，=300K时，=？

（3）当，若=0.1，环境温度=？

（按波尔兹曼分布规律计算）

解由波尔兹曼条件得，其中。

（1）=3000MHz，=300K时，

所以

（2）当，=300K时，

所以

（3）当，=0.1时，求得

3-2某激光器采用GaAs为激活媒质，问其辐射的光波频率和波长各为多少?

解GaAs禁带宽度为=1.424eV，由（为普朗克常数，=6.628×10-34J·s），可得以GaAs为激活媒质的激光器的辐射光波频率和波长分别为

3-3半导体激光器（LD）有哪些特性?

答LD的主要特性有：

（1）发射波长和光谱特性：

发射波长；激光振荡可能存在多种模式（多纵模），即在多个波长上满足激光振荡的相位条件，表现为光谱包含多条谱线。

而且随着调制电流的增大，光谱变宽，谱特性变坏。

（2）激光束空间分布特性：

远场光束横截面成椭圆彤。

（3）转换效率和输出功率特性：

（4）频率特性：

在接近驰张频率处，数字调制要产生驰张振荡，模拟调制要产生非线性失真。

（5）温度特性：

3-4比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。

答LD和LED的不同之处：

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。

LED不需要光学谐振腔，而LD需要。

和LD相比，LED输出光功率较小，，光谱较宽，调制频率较低。

但发光二极管性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。

所以，LED的主要应用场合是小容量（窄带）短距离通信系统；而LD主要应用于长距离大容量（宽带）通信系统。

LD和LED的相同之处：

使用的半导体材料相同、结构相似，LED和LD大多采用双异质结（DH）结构，把有源层夹在P型和N型限制层之间。

3-5计算一个波长的光子的能量等于多少?

同时计算频率=1MHz和=1000MHz无线电波的能量。

解光子的能量为

对于1MHz无线电波

对于1000MHz无线电波

3-6太阳向地球辐射光波，设其平均波长，射到地球外面大气层的光强大约为=0.4W/cm2。

若大气层外放一个太阳能电池，计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数是多少。

解波长的光子能量为

每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的能量为

则每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数为

（个）

3-7试说明APD和PIN在性能上的主要区别.

答APD和PIN在性能上的主要区别有：

（1）API）具有雪崩增益，灵敏度高，有利于延长系统传输距离。

（2）APD的响应时间短。

（3）APD的雪崩效应会产生过剩噪声，因此要适当控制雪崩增益。

（4）APD要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路，成本较高。

3-8根据光隔离器的工作原理，构成一个三端口光环形器的结构，并说明各元件的作用。

答三端口光环形器的结构图如下图所示。

在三端口光环行器中，端口1输入的光信号只从端口2输出，端口2输入的光信号只从端口3输出，端口3输入的光信号只由端口1输出。

因为每一对端口相当于一个光隔离器，信号不能逆行传输，三端口光环行器相当于由3个光隔离器组合而成，主要用于光分插复用器中。

3-9半导体激光器的发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知GaAs材料的Eg=1.43eV，某一InGaAsP材料的Eg=0.96eV，求它们的发射波长。

解对于GaAs材料的LD

对于InGaAsP材料的LD

3-10一个半导体激光器发射波长为1.3μm，谐振腔具有“箱式”结构，腔长l=150μm，宽ω=20μm，厚d=1.0μpm，介质的折射率n=4。

假设谐振腔周围的壁能完全地反射光，则谐振腔模式满足

式中，m，s，q是整数，为1，2，3，…，它们分别表示各个方向上的模数。

求：

（1）谐振腔允许的纵模模数；

（2）设m=1，s=1，计算纵模的波长间隔。

解

（1）将题中相应参数代人式

有

则当m=1，s=1时，q有最大值为q=910，即谐振允许的纵模模数为910。

（2）

3-11短波长LED由材料Ga1-xA1xAs制成，其中x表示成分数。

这样的材料的带隙能量

Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x2

已知z必须满足0≤x≤0.37，求这样的LED能覆盖的波长范围。

解由Eg（eV）=1.424+1.266x+0.266x2，得

1.424≤Eg≤1.93

由λ=1.24/Eg，得

0.64μm≤λ≤0.87μm

3-12考虑在Eg（eV）=0.9eV，T=320K，τr=0.5ns，直流驱动为70mA条件下的LED，内量子效率为45%。

LED的输出被耦合到n1=1.48，n2=1.47，a=0.3dB/km和l=30km的渐变折射率光纤，耦合到光纤的效率为1％。

（1）计算光纤输出功率；

（2）LED在频率f下被幅度调制，计算能在这个通信链路运用的最高频率。

解

（1）

取正面发光型LED，由工作电流为70mA，查P56图3.16得LED发光功率

Pi≈3mW

因为耦合为1％，所以人纤功率为0.03mW。

因为

所以，光纤输出功率

即光纤输出功率为3.8μw。

（2）因为

当f=fc=1/2πre时，有

所以

即最高频率为700MHz。

3-13考虑由表面发射LED激励的阶跃折射率光纤。

假设LED是朗伯源，具有强度分布，I（θ）=Bcos（θ）。

求出下列表达式：

（1）LED总输出功率：

（2）耦合到光纤的功率：

（3）LED入射到光纤的耦合效率：

解

（1）

（2）

（3）

3-14利用上题结果证明ηc与数值孔径NA的平方成正比。

如果纤芯半径a=25μm，

纤芯折射率n1=1.5，包层n2=1.478，B=200W/（cm2∙Sτ）。

求耦合功率和耦合效率。

解由上题结果有

而NA=n0sinθc，θc为临界角，即θmax，所以

因此

而n0为常数，所以ηc与NA的平方成正比。

耦合功率和耦合效率分别为：

3-15一个GaAsPIN光电二极管，平均每三个入射光子产生一个电子一空穴对，假设所有的电子都被收集。

（1）计算该器件的量子效率；

（2）设在0.8μm波段接收功率是10-7W，计算平均输出光电流；

（3）计算这个光电二极管的长波长截止点λc。

（超过此波长光电二极管将不工作）。

解

（1）由量子效率的定义得

（2）由公式，得

（3）根据光电效应的产生条件hf>Eg可得λc=1.24/Eg，因GaAs的禁带宽度为1.424eV，所以λc=0.87μm。

3-16一个APD工作在1．55肛rfl波段，且量子效率为0．3，增益为100，渡越时间为10ps。

（1）计算该检测器的3dB带宽；

（2）如果接收到的光功率是0.1μm，计算输出光电流；

（3）在

（2）条件下，计算10MHz带宽时的总均方根噪声电流：

解

（1）

（2）APD输出的光电流

（3）从P64表3.4中查参数，取APD暗电流Id=15nA；取附加噪声指数x=0.5，取RL=1kΩ，不计电放大器的噪声，即F=1。

3-17一光电二极管，当λ=1.3μm时，响应度为0.6A/w，计算它的量子效率。

解由于响应度为ρ=Ip/P0，则量子效率为

3-18如果激光器在λ=0.5μm上工作，输出1w的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。

解波长λ=0.5μm的光子能量为

则每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数为

3-19光与物质间的互作用过程有哪些?

答光与物质之间的三种相互作用包括受激吸收、自发辐射和受激辐射。

（1）受激吸收。

在正常状态下，电子处于低能级E。

，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。

（2）自发辐射。

在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。

（3）受激辐射。

在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E2上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。

3-20什么是粒子数反转?

什么情况下能实现光放大？

答假设能级E1和E2上的粒子数分别为N1和N2，在正常的热平衡状态下，低能级E1上的粒子数N1是大于高能级E2上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。

为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E。

和E：

上的粒子数N1和N：

的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。

当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。

3-21什么是激光器的阈值条件?

答对于给定的器件，产生激光输出的条件就是阈值条件。

在阈值以上，器件已经不

是放大器，而是一个振荡器或激光器。

3-22由表达式E=hc/