此时光纤内只含有基模。
•2.5什么是光纤的损耗？
若光纤的损耗为2.5dB/km，入纤光功率为1μW，经过20km传输后光功率为多少？
•解：
光纤的损耗即指光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减，光信号幅度减小，其损耗机理包括：
吸收损耗，由于制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子（如铁、钴、镍、铜、锰、铬等）和氢氧根离子（OH－）等杂质对光的吸收而产生的损耗。
散射损耗，由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布不均匀，从而引起光的瑞利散射，将一部分光功率散射到光纤包层或外部。
辐射损耗，在成纤后产生的损耗，主要是由于光纤受到弯曲和微弯曲所产生的，即光纤从直线部分进入弯曲部分时传导模变成了辐射模，使部分光渗透到包层中或穿过包层外泄，因而造成光损耗。
•光纤损耗系数定义为
•将数值代入可得P0=10-5μW
•2.6某光纤在1300nm处的损耗是0.6dB/km，在1550nm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150μW的光信号和1550nm波长的100μW的光信号，试问这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少μW?
•解：
将数值代入损耗系数定义式，可计算得
•对于1300nm波长在8km和20km处的功率分别是
0.1433μW和2.1240e-014μW。
•对于1550nm波长在8km和20km处的功率分别是
1.8289μW和0.0104μW。
•2.7什么是全波光纤？
其特点如何？
•解：
采用超高纯度提纯技术去除玻璃纤维材料中的所有水分子，可以消除水分子在1400nm附近的吸收高峰，从而使常规光纤的第二和第三两个低损耗窗口连成统一的传输波长区，这种光纤称为全波光纤。
2.8什么是光纤的色散？
光纤中有哪几种色散？
解释其含义。
•解：
光纤的色散是指光信号经过一定距离的光纤传输后要产生畸变，光信号波形展宽，色散限制光纤通信系统的传输容量。
光纤中的色散类型包括：
①波长色散，指同一个导波模式中不同波长光线的传播路径和速度不同，产生时延差，引起光脉冲展宽。
波长色散包含材料色散和波导色散两类，其中材料色散是因光源光谱不纯以及光纤石英材料的折射率随波长而变化所产生；波导色散是因光源光谱不纯以及波导结构的影响而产生。
②模式色散，指同一波长光信号中不同模式光线的传播路径和速度不同，产生时延差，引起光脉冲展宽，模式色散只在多模光纤中存在。
2.9可以采用一些什么方法减小色散的影响？
•解：
色散对通信尤其介高比特率通信系统的传输有不利的影响，但可采取一定的措施来设法降低或补偿，有如下几种方案：
①零色散波长光纤，对于常规单模光纤，选用工作波长1310nm其色散最小。
②色散位移光纤（DSF），减少光纤的纤芯使波导色散增加，可把零色散波长向长波长方向移动，从而在光纤最低损耗窗口1550nm附近得到最小色散。
③色散平坦光纤（DFF），在1310nm-1550nm范围内，色散接近于零的光纤。
④色散补偿光纤（DCF），通常DCF光纤的色散值很大，典型值为-103ps/（nm.km），只需很短的DCF就能补偿很长的普通单模光纤（色散典型值1ps/（nm.km））。
⑤色散补偿器，如光纤光栅、光学相位共轭等。
其原理是让原先跑得快的波长经过补偿器时慢下来，减少不同波长由于速度不一样导致的时延。
•2.10光缆由哪几部分组成？
常见的光缆结构有哪些？
•解：
光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。
常见的光缆结构有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式。
2.11光纤与光纤的连接方法有哪些？
请简要叙述。
•解：
光纤与光纤的连接方法有两种，一种是永久性连接，指一个接头，常见于光纤与光纤之间的连接；另一种是可拆卸连接，常采用连接器，俗称活接头，常位于光缆终端处，用于光源或光检测器等器件与光纤的连接。
第二章习题补充
1.假设有一光纤的折射率n1=1.45，相对折射率差Δ=0.002，试问：
纤芯半径a=3μm或5μm时，此光纤在820nm波长上是单模光纤还是多模光纤？
解：
利用公式
当a=3μm时，V=2.1081<2.4048，故此光纤在820nm波长上是单模光纤。
当a=5μm时，V=3.5135>2.4048，故此光纤在820nm波长上是多模光纤。
2.一阶跃光纤折射率n1=1.5，相对折射率差Δ=1%，长度L=1km。
求子午光线的最大时延差？
•解：
•3.已知光纤的芯径2a=50μm，Δmax=0.01，n1=1.45，λ=0.85μm，若光纤的折射率分布指数分别为g→∞（阶跃型）和g=2（抛物渐变型），求它们的导波模式数量。
若波长改变为1.31μm，导波模式数量如何变化？
•解：
光纤中传导模的总数为
当λ=0.85μm时，Vmax=38，所得模式数量分别约为722和361.
•若波长改变为1.31μm，则Vmax=25，所得模式数量分别约为313和156.
第三章习题
3.6光纤耦合器有哪些性能指标，分别是如何定义的？
•解：
光纤耦合器的常见性能指标有
①附加损耗Le，指所有输出端口的光功率总和相对于输入总光功率损失的分贝数的负值。
②插入损耗Li，指光信号经过光纤耦合器后，每一路光信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的负值。
③分光比，指光纤耦合器各输出端口的输出功率的比值。
④隔离度I，指一个输入端的光功率和由其反射到其他端的光功率的比值的分贝数，也称方向性。
3.7简述光衰减器在光路中的作用，一般在哪些场合下使用？
•解：
光衰减器是插入光链路中控制光能衰耗的一种无源器件，在光链路中对光信号功率进行定量或不定量的衰减。
•它主要用于调整光中继段的线路损耗、评价光系统的灵敏度和校正光功率计等场合。
3.8阐述偏振相关型光隔离器的工作原理。
•解：
光隔离器是一种只允许光信号沿光路正向传输的非互易性无源器件。
它的物理基础是基于晶体材料的法拉弟效应。
介质的磁致旋光效应对光的偏振方向的改变只与磁场方向有关，与光的传播方向无关。
光隔离器就是利用晶体的非互易旋光性使光正向传输，反向隔离。
3.9已经知道Bragg光栅可以作为光滤波器，如果滤波器的中心波长是1300nm，其光敏处纤芯有效折射率为0.07，则光栅周期是多少？
•解：
光纤光栅的谐振波长λB与光栅周期Λ的关系为
3.10画出光环形器和啁啾光纤光栅组成的色散补偿系统原理图，并简述系统工作原理。
•解：
从光发射机发射的光信号的传输因色散作用发生脉冲展宽，被展宽的信号引入到光环形器，在经过啁啾光栅反射过程中，长波长信号在光栅周期大的地方先反射，短波长的信号在光栅周期小的地方后反射，由于长波长的信号经过光栅反射回来需要的时间短，短波长信号经过光栅反射时间长，因此，经过啁啾光栅反射后，波长信号被压缩，压缩后的脉冲信号从环形器的输出端输出，从而达到色散补偿的目的。
•3.12光无源器件按功能分类有哪些？
简述它们的基本功能。
•解：
光无源器件按具备的功能不同可分为光连接器件、光衰减器件、光耦合器件、光波分复用/解复用器件、光隔离器件等。
•光连接器的功能：
用于光纤与光端机的连接，光纤线路与光测试仪器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接。
•光衰减器的功能：
插入光链路中控制光能衰耗。
•光耦合器的功能：
将一个端口输入的光信号分配给多个端口输出或把多个输入的光信号组合成一个输出，实现光功率的分配组合。
•光波分复用/解复用器件的功能：
把多个不同波长的光波复合后，注入到同一根光纤中传输，或将输入光口的多个不同波长的光波分开，输出到不同的光端口输出。
•光隔离器的功能：
只允许光信号沿光路正向传输，它对正向传输光有较低的插入损耗，而对反向传输光有很大损耗，用以抑制光传输系统中回波对光源等器件的不利影响
•
第四章习题
4.1物质与光波之间有哪些相互作用？
这些相互作用分别对应于何种光器件？
解：
光波与物质原子的电子有三种相互作用机制，分别是自发辐射、受激辐射、受激吸收。
这些相互作用对应的光器件分别是：
---半导体发光二极管
---半导体激光器
---半导体光检测器
•
4.2假设GaAs材料的带隙为1.43eV，则该物质发出的光波长和光频率分别为多少？
•解：
•将数值代入得光波长约是0.87μm。
•
再利用波长与频率的关系
•得到光频率为3.4483e+014Hz。
•4.3阐述半导体激光器的工作原理。
•解：
半导体激光器是向半导体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的。
•解答要点：
•说清楚半导体激光器的构成及各部分的功能。
4.4一峰值发光波长在800nm的GaAs激光器，其谐振腔长400μm，且材料折射率n=3.6。
如果增益在750—850nm的范围内都大于总损耗，试求此激光器中能存在几个模式？
解：
由激光产生必须满足的相位平衡条件（返回波与初始波同相位）
纵模的频率间隔是
纵模的波长间隔与频率间隔的关系是
将数值代入得Δλ=0.2222nm
所以可在激光器中存在的模式数量为
•4.5某激光器的P-I特性曲线的斜率为0.095mW/mA，工作波长为1550nm，计算外微分量子效率。
•解：
外微分量子效率定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比。
•将数值代入得ηd为11.85%。
4.6性能优越的激光器工作时，为何需要用自动温度控制电路保证激光器工作温度的恒定。
解：
温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流Ith和外微分量子效率ηd产生。
•温度升高，阈值电流增加。
•外微分量子效率减小，输出光脉冲幅度下降。
•温度对输出光脉冲会产生“结发热效应”。
采用ATC电路来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。
•4.7简述在高速（速率大于2.5Gb/s）光纤通信系统中，光源为何不能采用直接调制方式。
•解：
光源在高速直接调制时，注入有源层的电子密度不断变化，导致折射率的变化，而且使激光器的输出波长和强度都发生变化，在调制脉冲的上升沿向短波长漂移，在调制脉冲的下降沿向长波长漂移，从而使输出谱线加宽，即会引入频率啁啾，即光脉冲的载频随时间变化。
由于带啁啾的光脉冲在光纤中传输时会加剧色散展宽，所以在高速系统（大于2.5Gb/s）中需要采用外调制技术。
•4.8说明新型半导体激光器是如何在F-P半导体激光器的结构上改进产生的。
•解：
F-P半导体激光器称为法布里-珀罗（Fabry-Perot）激光器，它是利用有源区晶体的天然解理面构成光学谐振腔，这种谐振腔属于平行端面反射型。
•DFB激光器称为分布反馈激光器，它是在有源区波导上制成周期性光栅，通过光栅的布拉格反射作用来形成谐振腔。
•DBR激光器称为分布布拉格反射激光器，它是在有源区两个端面外制成周期性的光栅，通过两个光栅产生的布拉格反射作用来形成谐振腔。
•4.9比较常见半导体激光器的性能差异。
•解：
F-P腔激光器属于多模LD。
它由于谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模间的增益差别小，因此要得到单纵模振荡非常困难。
特别是进行高速直接调制时，由于载流子和光子运输的瞬态特性，原来静态下的单纵模将可能变成多纵模，形成模式噪声，严重影响通信质量。
•DFB和DBR激光器属于单模LD。
它们由于具有光栅结构，能发出单色性好（线宽非常窄）、频谱纯、频率稳定的激光。
•4.10比较半导体发光二极管和半导体激光器的优缺点。
•解：
•4.11光源的直接调制和间接调制有什么特点，它们分别在什么场合下采用。
•解：
光源的直接调制是通过信息流直接控制激光器的驱动电流，从而通过输出功率的变化来实现调制。
直接调制具有简单方便，成本较低等优点，但调制速率受到载流子的寿命及高速下的性能劣化的限制（如频率啁啾等）。
采用直接调制的光纤通信系统的速率一般限制在1Gb/s左右，直接调制方法仅适用于半导体光源。
间接调制把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现。
间接调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。
•4.12数字光发射机的组成部分有哪些，各部分的功能又是什么？
•解
•4.13数字光发送机的性能指标有哪些，分别是怎样定义的？
•解：
平均发送光功率
•指在正常条件下，光发送机发送光源尾纤输出的平均光功率。
•消光比（EXT）
•指全“1”码平均发送光功率与全“0”码平均发送光功率之比。
习题补充
•1.何谓本征半导体、杂质半导体、P型半导体、N型半导体、PN结、同质结、异质结？
•2.何谓耗尽层？
何谓有源区？
•3.何谓激光的纵模、横模？
何谓单模激光、多模激光？
•4.假设激光器的光增益G（λ）随波长λ的变化满足以下Gauss关系：
。
其中：
中心波长λ0=0.85um，增益谱宽σ=32nm，增益峰值G0=5mm-1。
若该激光器的谐振腔长为0.35mm，材料折射率为3.7，谐振腔的总损耗αT=3mm-1，试求该激光器中有多少个纵模被激发。
•5.说明LD的电光延迟、张弛振荡、自脉动、结发热效应、频率啁啾的产生原因、现象和消除方法。
•6.简述M-Z波导调制器与EAM调制器的调制原理。
1.何谓本征半导体、杂质半导体、P型半导体、N型半导体、PN结、同质结、异质结？
•解：
本征半导体是没有杂质没有缺陷的理想半导体。
本征半导体中有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。
在一定温度下，本征半导体中载流子浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。
•杂质半导体是通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素即可得到。
按掺入的杂质元素的不同，可形成N型和P型半导体。
把能向导带提供电子的杂质称为施主，掺入施主杂质的本征半导体称为N型半导体，N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度；而将能接受电子并向价带提供空穴的杂质称为受主，掺入受主杂质的本征半导体称为P型半导体，P型半导体中空穴的浓度大于自由电子的浓度。
例如，在锗、硅这类处于周期表第Ⅳ族的元素半导体中，Ⅲ族杂质硼、铝、镓等是受主杂质，而Ⅴ族杂质磷、砷等则是施主。
•PN结的形成是将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。
•同质结是指由同一种半导体材料经不同掺杂构成的单层PN结。
•异质结是指由不同的半导体材料经掺杂构成的单层PN结（单异质结）或多层PN结（多异质结）。
•2.何谓耗尽层？
何谓有源区？
•解：
耗尽层是指PN结两侧由于载流子浓度不同产生了扩散运动，形成了从P区到N区的扩散电流，以致在交界面两侧形成了带相反电荷的“空间电荷区”，产生了由N区指向P区的自建电场。
在自建电场作用下电子和空穴产生了漂移运动，形成了从N区到P区的漂移电流。
由于扩散和漂移电流方向相反，在平衡状态下这两种电流相等，使得总电流为零，等效于空间电荷区的电阻值很大，载流子数目很少，称其为耗尽层。
•空间电荷区=PN结=耗尽层
•有源区是指PN结加上正向电压后削弱了原有的自建电场，在PN结交界面附近窄区域内，价带主要由空穴占据（故电子很少），导带主要由电子占据，形成了粒子数的反转分布，对外来光能够产生放大作用，称为有源区（又称增益区）。
PN结
•3.何谓激光的纵模、横模？
何谓单模激光、多模激光？
•解：
纵模是指沿光学谐振腔纵向的电磁场分布模式，谐振频率主要由纵模决定。
•横模是指沿光学谐振腔横向的电磁场分布模式，传播方向主要由横模决定。
•单模激光是指LD发出的激光是单纵模，其光谱只有一根谱线，峰值波长称为中心波长，谱线宽度小于0.1nm，故光谱很窄；
•多模激光是指LD发出的激光是多纵模，其光谱有多根谱线，对应于多个中心波长，其中最大峰值波长称为主中心波长，谱线宽度为几个nm，故光谱较宽。
4.假设激光器的光增益G（λ）随波长λ的变化满足以下Gauss关系：
。
其中：
中心波长λ0=0.85um，增益谱宽σ=32nm，增益峰值G0=5mm-1。
若该激光器的谐振腔长为0.35mm，材料折射率为3.7，谐振腔的总损耗αT=3mm-1，试求该激光器中有多少个纵模被激发。
解：
被激发的纵模必须满足关系：
光强增益≥谐振腔的总损耗，即G（λ）≥αT，由此解得被激发的纵模波长范围为
代入数值得818nm≤λ≤882nm。
而纵模波长间隔为
所以被激发的纵模数量为（882-818）/0.279=229
5.说明LD的电光延迟、张弛振荡、自脉动、结发热效应、频率啁啾的产生原因、现象和消除方法。
•解：
电光延迟：
由于有源区电子浓度的增加随时间呈指数上升关系而产生；它的现象就是输出光脉冲相对于注入电脉冲有ns数量级的时间延迟；对LD加直流预偏置电流消除。
•张弛振荡：
由于谐振腔内光子密度变化与有源区电子浓度的变化不同步而产生；它的现象表现为光脉冲前沿平顶出现初始过冲的衰减振荡；对LD适当加大直流预偏置消除。
•自脉动：
由于P-I特性曲线在I>Ith区域内线性度差而产生；它的现象表现为光脉冲变成持续的等幅振荡波形；可选用P-I特性较直的LD消除此现象。
•结发热效应：
由于调制电流引起P-N结的温度变化产生；它的现象表现为光脉冲顶部和底部失真；可对LD致冷消除。
•频率啁啾：
由于直接调制的电流变化产生；它的现象表现为谱线动态展宽致使光脉冲前后沿变斜缓；可采用零色散位移光纤或外调制方法消除。
•6.简述M-Z波导调制器与EAM调制器的调制原理。
•解：
•M-Z波导调制器的输入光信号在第一个3dB耦合器处被分成相等的两束，分别进入两波导传输，波导采用电光材料制成，其折射率随外部施加的电压大小而变化，从而导致两路光信号到达第二个耦合器的相位延时不同。
因此，只要控制外加电压，就能对光束进行调制。
•EAM调制器是一种损耗调制器，为半导体结型器件。
当外加反向偏置时，耗尽层的电场引起带隙能量减少，即所谓Franz-Keldysh效应，利用这个效应可以改变光束的通断。
由于能量低于带隙能量的光子可以通过半导体，而能量高于带隙能量的光子将被吸收并产生自由电子-空穴对。
当EAM无偏压时，带隙能量较大，光子通过，输出功率最大；当EAM外加反向
升级会员 