光纤系统作业参考答案.docx

1、光纤系统作业参考答案第一章作业1、光纤通信与电通信有什么不同？在光纤通信中起主导作用的部件是什么？光纤通信，就是用光作为信息的载体 、以光纤作为传输介质的一种通信方式。起主导作用的是激光器和光纤。2、常规的光纤的三个的低损耗窗口是在哪个波段？其损耗值各为多少？850nm 3db/km ；1310nm 0.4db/km；1550nm 0.2db/km3、光纤通信有哪些优点？（1）频带宽 ，通信容量大（2）损耗低，中继距离长 （3）抗电磁干扰（4）无窜音干扰，保密性好（5）光纤线径细，重量轻，柔软（6）光纤原材料丰富，用光纤可节约金属材料（7）耐腐蚀，抗辐射，能源消耗小4、PDH和SDH各表示什么

2、？其速率等级标准是什么？PDH表示准同步数字序列，即在低端基群采用同步，高次群复用采用异步，SDH表示同步数字序列PDH速率标准SDH速率等级标准：STM-1：155.520Mbit/s STM-4：622.080 Mbit/s STM-16：2.5 Gbit/s STM-64：10 Gbit/s5、图示光纤通信系统，解释系统基本结构。输入 输出光纤通信系统由光发送机、光纤光缆与光接收机等基本单元组成。系统中包含一些互连与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器等。在长距离系统中还设置有中继器(混合或全光)。第2章1节布置的作业1、光纤的主要材料是什么？光纤由哪几部

3、分构成？各起什么作用？SiO2；芯区、包层、图层；芯区：提高折射率，光传输通道；包层：降低折射率，将光信号封闭在纤芯内，并保护纤芯；图层：提高机械强度和柔软性2、光纤中的纤芯折射率与包层折射率的关系？单模光纤和多模光纤中两者的纤芯直径一般分别为多少？纤芯折射率较高，包层折射率较小单模光纤纤芯直径：2a=8m12m，包层直径：2b=125m；多模光纤纤芯直径：2a=50m，包层直径：2b=125m。3、根据芯、包折射率分布及模式传播情况，指出有哪些典型形式光纤？折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤；根据模式传播情况不同分为多模光纤和单模

4、光纤4、什么是全反射？它的条件是什么？指光从光密介质入射到光疏介质是，全部被反射会原介质的现象条件：光从光密介质入射至光疏介质；入射角大于或等于临界角（=arcsin（n2/n1）在光纤端面：要求入射角 C芯包界面全反射5、数值孔径NA的物理意义？表达式是什么？反映光纤对光信号的集光能力，定义入射临界角的正弦为数值孔径NA ，NA越大，对光信号的接受能力越强NA=sin=6、什么是光纤的自聚焦？产生在何种类型光纤里？如果折射率分部合适，就用可能使以不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传播，同时到达光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期L，这种现象称为自聚焦。出现在渐变光纤里。当

5、折射率分布按平方率分布（即双曲正割变化），可形成自聚焦特性。7、阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别为n11.46和n21.45，试计算：(a)相对芯包折射率差；(b)若该光纤的端面外为空气，计算允许的最大入射角0及数值孔径NA；(c)若该光纤浸于水中，n0=1.33，计算0及NA的大小。解：（a）（b）由得 =9.8NA=sin=0.17（c）同上8、有一SI型多模光纤的芯径（纤芯直径）为50 m，芯包折射率分别为nl=1.465和n2=1.46。计算与光纤轴线夹角最大的那条子午射线，在1m的传输距离上共要反射多少次? 解：=85.3 反射一次的轴向距离L=2*a/2*tan=2*50/2*tan

6、85.3=604m 反射次数=（1*106）/604=1656第2章2节布置的作业1、导模的传播常数应满足什么条件？k2k1 或k0n2k0n12、归一化频率V与什么参量有关？其值与导模数的关系？V=k0a（2/）a*n1*归一化常量与波长、芯径、芯包折射率等有关多模阶跃光纤导模数M=V2/2 多模渐变光纤导模数M=V2/43、什么是单模光纤？实现单模传输的条件是什么？在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤阶跃光纤的归一化常量（频率）V2.4054、 有一阶跃型单模光纤，其截止波长为1.4 m ，芯包折射率分别为nl=1.465，n2=1.46，计算它的纤芯半径及在波长分别为0.85及1.3

7、m 的模式数。解：由V=（2/）an1得 a=4.43m当=0.85m时 V=（2/）a*n1*=3.96 m=V2/2=8当=1.3mm时 V=（2/）a*n1*=2.3 m=V2/2=3 （四舍五入）5、有一阶跃光纤，NA=0.2，当=850 nm时可支持1000个左右的模式，计算：(a)纤芯直径；(b)在=1310 nm波长时的传输模式数；(c)在=1550 nm波长时的传输模式数。解：（a）M=V2/2 = V=（k0a）2（）=NA2代入数据可得a=30.25m，则纤芯直径2a=60.5m（b）当=1310nm时，M=NA2=421（c）当=1550nm时，M=NA2=301第2章4

8、节布置的作业1、什么是光纤色散？光纤色散包括哪些？这些色散分别由什么引起？零色散点所处的波长在哪儿，由哪些因素决定？光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。材料色散（模内）、波导色散（模内）、模式（模间）色散、偏振色散。材料色散- 这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化引起的色散，而光源有一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。波导色散- 这是某个导模在不同波长(光源有一定的谱宽)下的群速度不同引起的色散，它与光纤结构的波导效应有关，因此又称结构色散。模间色散- 多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送端多

9、个导模同时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。偏振模色散- 普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，若光纤中结构完全轴对称，则这两个正交偏振模有完全相同的群时延，不产生色散。实际单模光纤存在少量的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。 在1310nm处，决定因素是材料色散和波导色散。全色散为两种色散的近似相加，即DDmat + DWps/(nm.km)全色散为零的波长约在1.31m。2、光纤有那些类型？G.652、G.653、G.654、G.655光纤各表示什么？ G.652光纤（SSF）：常规单模光纤，色散在零的波长约在1310nm，1550nm具有更低的

10、损耗；G.653光纤（DSF）：色散位移光纤，将零色散波长从1.3m移到1.55mm，这种低损耗、低色散的光纤，有益于长距离大容量光纤通信；G.654光纤（CSF）：截止波长位移光纤，进一步降低1550nm处的衰弱，零色散波长仍为1310nm；G.655光纤（NZ-DSF）：非零色散位移光纤，将零色散波长移至1550nm附近，目的是应用DWDM，克服非线性产物四波分频（FWM）3、已知一弱导波阶跃型光纤，纤芯和包层的折射率分别为n11.5，n21.45，纤芯半径a4m，1.31m，L1km。计算：（a）光纤的数值孔径；（b）光纤的归一化频率；（c）光纤中传输的模数量；（d）光纤的最大时延差。解

11、（a）NA=0.384（b）V=（2/）aNA=7.37（c）M=V2/2=27 （d） =16.4ns4、有一个波长为1310nm LED，其谱宽45 nm。则光纤材料色散造成的单位长度脉冲展宽是多少?若是谱宽为2 nm的LD，则脉冲展宽又是多少? DM=1.22（1）=1.22（1）=3.4x10-2 ps/nm km=D*L*=（ps/nm km）x1（km）x45（nm）=1.55ps=D*L*=（ps/nm km）x1（km）x2（nm）=0.068ps第2章5节作业1、写出损耗的表达式。光纤损耗有哪几种？造成光纤损耗的原因是什么？ 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐

12、减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示。（db/km）=（10/L）lg（Pout/Pin）；吸收损耗、散射损耗、辐射损耗；光纤材料本身吸收、散射作用和光纤受外力而产生的曲率半径弯曲2、为什么光纤通信向长波长、单模传输方向发展？ 因为从损耗和色散与波长的关系中反映出在长波长区损耗（瑞利散射的大小与光波长4次方成反比）和色散特性均比短波长区小，而单模光纤中没有模式色散，总色散小于多模光纤，且单模光纤在长波长区可以实现零色散，所以光纤通信向长波长、单模方向发展可以获得更大传输容量和传输距离。3、有一个13001550 nm的WDM系统，在1300nm和1550 nm波长上的入纤信号

13、光功率分别为150 w和100 w。若这两个波长上的光纤损耗分别为O.5 dBkm和0.25dBkm，试计算当光纤长度为50 km时它们的输出光功率。解：P（100w）=10lg=10dbmP（150w）=10lg=8.24dbm则在50km长光纤的出端功率为：Pout（1300nm）=8.24dbm（0.5db/km）x50（km）=33.24dbm=0.47wPout（1550nm）=10dbm（0.25db/km）x50（km）=22.5dbm=5.6w4、 设一长度L = 1km的光纤，其损耗常数2.3105cm，光纤输入端的功率为l mw。计算光纤输出端的功率。 解：Pout=Pin

14、exp（L）=1（mw）exp【2.3x10-5/cm x105km】=0.1mw=10dbm第2章7节作业1、按照成缆结构方式不同可分为哪几种光缆？层绞式、骨架式、带状式、束管式2、光纤光缆制造的主要流程是什么？制棒拉丝涂敷成缆第3章1节作业1、原子的基本跃迁有那些过程？受激吸收、受激发射、自发发射2、为什么双异质结材料构成的发光器件能很好地将光场限制在有源区里？图示说明。由图可见，中间nGaAs为有源层，它与右边的nGaAlAs构成一个异质结，其势垒阻止空穴进入nGaAlAs区。有源层左边与pGaAlAs也构成一个异质结，其势垒阻止电子进入p区，这样就把载流子的复合很好地限定在了有源层内。

15、同时，有源层两边的折射率比有源层低，它的光波导作用对光场具有很好的约束，大大提高了发光强度。3、设激光器的高能级和低能级的能量各为E1和E2 ，频率为，相应能级上的粒子密度各为N1和N2 。试计算：（a）当频率 = 300MHz T=300K时， N2 N1为多少？（b）当波长 =1 m ，T=300K时，N2 N1为多少？（c）当波长 =1 m ，若N2 N1 = 0.1 ，环境温度T为多少？（按玻尔兹曼分布规律计算）解：（a）N2/N1=exp(-hv/kT)=exp(-6.63x10-34x300x106/1.38x10-23x300)=1（b） N2/N1=exp(-hv/kT) =e

16、xp(-6.63x10-34x3x108/1.38x10-23x300x1x10-6)=1.4047x10-21（c）代入直接算T=6255.7K第3章2节作业1、用于光纤通信的发光二极管有哪几类？特点是什么？面发光LED：称为布鲁斯(Burrus)型LED，这种LED发射面积限制在一个小区域，小区域的横向尺寸与光纤纤芯直径接近。面发光管输出功率较大，一般注入电流100mA时可达几毫瓦，但光发散角大，其水平发散角120，垂直发散角120，光束呈朗伯分布，与光纤耦合效率很低。边发光LED：采用条形半导体激光器的设计方案，其发散光束不同于面发光LED，它在垂直于结平面方向的发散角仅为30，所以边发

17、光LED的输出耦合效率比面发光LED高，调制带宽亦较大，可达约200MHz。2、有一个双异质结InGaAsPLED，中心发光波长为1310nm，其材料的辐射复合率为50ns，非辐射复合率为70ns。试计算：(a) 发光时的内量子效率int；(b) 设驱动电流为100mA，计算该LED的内部发光功率；(c) 若该LED芯片与多模光纤的直接耦合效率为-14dB，计算入纤的光功率大小。解：（a）少数载流子寿命为ns（b）Pint=（c）P=0.01x Pint=0.553mw由14db=10lg得，P入纤=1014P=0.04x0.553mw=0.022mw第3章3节作业1、半导体激光器产生激光输出

18、的基本条件是哪些？形成粒子数反转；提供光反馈；满足激光震荡的阈值条件2、比较发光二极管与半导体激光器，指出各自特点？LED输出非相干光，谱宽宽，入纤功率小，调制速率低，适合短距离低速系统LE输出相干光，谱宽窄，入纤功率大，调制速率高，适合长距离高速系统3、分别画出用发光二极管（LED）和激光器（LD）进行数字调制的原理图。 LED数字调制 LD数字调制 LED模拟调制 LD模拟调制4、分析DFB-LD特点。光反馈是由周期结构布拉格相位光栅构成，光栅沿着整个有源层。代替FPLD中的解理反射面。特点是工作温度变化(例如20100)，DFBLD有很高的单模稳定性，输出波长的温漂较小，由此可见，DFB

19、LD，尤其是掩埋异质结DFBLD显示了优异的动态单纵模特性，阈值电流低(10-20mA)，调制速率高(GHz以上)等特点。5、有一个GaAsLD，工作波长870 nm，其纵模之间的间隔为278 GHz，GaAs的折射率，n13.6，计算其光腔的长度及纵模数。解：由得光腔长度L=（3x108m/s）/(2x3.6x278x109HZ)=150m由v=得模式数m=2nl/=（2x3.6x150m）/870nm=1241第3章4节作业1、抑制张弛振荡、减小电光延迟时间的简单方法是什么？把LD预偏置在Ith附近时，是减小td，缩短载流子寿命sp，有利于提高调制速率的简单方法。所以，无论是从减弱张弛振荡

20、，还是从缩短电光延迟时间来提高调制性能，LD都需要预偏置在阈值附近。2、画出半导体激光器的L-I特性曲线。若调制信号为脉冲型，试画出调制图。3、一个GaAsAl一LD在15C时的阈值电流密度为3000 Acm2，LD的阈值电流密度Jth与温度的关系为Jth（T）=J0exp（T/T0）。计算在条形接触为20m100 m 、阈值温度系数为T0=180 K及工作温度为600C时的阈值电流。解：有Jth（T）=J0exp（T/T0）得3000A/cm2=J0exp(15k+273k)/180k则J0=605.7A/cm2所以Jth(333k)=J0exp(T/T0)=605.7A/cm2xexp(6

21、0k+273k)/180k=3852.1A/cm2则Ith=3852.1A/cm2x20m100 m=7.7A第3章5节作业1、光驱动电路的基本结构是什么？由调制电路和控制电路组成，提供恒定的偏置电流和调制信号，采用伺服回保持平均光功率保持不变。分为LD和LED两类，数字电路通常由差分对管组成差分电流开关电路，特点是速度快，电路易于调整，若用LD管还需提供偏置电路。模拟电路由单管和多管构成。由于对线性要求较高，需要复杂的补偿电路。2、APC与ATC电路起何作用？简述控制方法。为了克服温度及老化造成的输出功率的下降，在驱动电路中要采取稳定补偿措施，这就是自动功率控制（APC）和自动温度控制（AT

22、C）ATC控制利用LD组件内的半导体致冷器及热敏电阻进行反馈控制即可恒定LD芯片的温度；APC可通过两种途径，一是自动追踪Ith的变化，将LD偏置在最佳状态，二是控制调节脉冲电流幅度Im，自动追踪外量子效率的变化，由于对一般外量子效率随温度的变化不是非常大，通过检测直流光功率控制3、画出光发射机的方框图，并简述图中的各部分的作用。输入电路（在数字通信中）将输入的PCM脉冲信号进行整形，变换成NRZRZ码后通过驱动电路调制光源(直接调制)，或送到光调制器，调制光源输出的连续光波(外调制)。驱动电路为光源提供恒定的偏置电流和调制信号。自动偏置电路为了稳定输出的平均光功率和工作温度，通常设置一个自动

23、偏置控制及温控电路。告警电路是对光源寿命及工作状态进行监测与报警。第4章 第1节作业1、光纤通信系统用的光检测器是怎样偏置外加工作电压的？为什么这样偏置？反向偏置；足够的反向偏置电压是使本征区中的载流子完全耗尽，形成高电场耗尽区，使入射到检测器上的光子能量高速度、高效率转换成光生电子。APD管加上更高反向电压，可以形成雪崩倍增增益。2、比较PIN光电检测器与APD光电检测器，各自有那些特点？ PIN 光电二极管没有倍增，使用简单，工作偏压低(5-10V)，不需要任何控制。在较大光功率注入下，PIN接收机噪声性能要比APD接收机噪声性能（信噪比降低Gx 倍）优越；APD 具有很高的内部倍增因子（

24、通过合理设计，可以使APD工作在最佳倍增状态），这样接收灵敏度比PIN光检测器高。但由于APD需要较高的工作偏压（200V）以及其倍增特性受温度的影响较严重因此使用起来也比较复杂，需要AGC电路对APD的工作偏压进行精细控制，在要求较高的数字光接收机中，还必须对APD采取温度补偿措施。在较小光功率注入下，APD接收机噪声性能（信噪比提高G2 倍）要比PIN接收机噪声性能优越。3、光电检测器转换能力的物理量有哪些？写出其表达式。 量子效率和响应度R0 R0=(A/w)4、设PIN光电二极管的量子效率为80%，计算在1.3和1.55 m波长时的响应度，说明为什么在1.55 m光电二极管比较灵敏？解

25、：R0=（0.8x1.3m）/1.24=0.839A/wR0=（0.8x1.55m）/1.24=1A/w0.8391.24 则在1.55m出较为灵敏5、现有1011个光子秒，光子能量为1.2810-19J，入射到一个理想的光电二极管上，计算：（(a)入射光波长；(b)输出光电流大小；(c)若这是一个APD，其G=18，计算光电流。解：（a）由E=hf=hc/得（b）P0=1011x1.28x10-19=1.22x10-8wIp=R0P0=P0=1.6x10-8A（c）Ip=GR0P0=2.88x10-7A6、有一个PIN光电二极管，其=O.9，=1300 nm，入射光功率Pin=-37 dBm

26、。计算：(a)光电流大小；（h=6.6310-34 J s）(b)当负载电阻RL等于50，1000及lOM时的输出电压。解：首先计算该光电二极管的响应度R0=0.94（A/W）第4章第2节作业1、光接收机前端电路有哪几种？各自的特点是什么？低阻抗、高阻抗、互阻抗前置放大电路。(1)低阻抗前端。低阻抗前端电路简单，不需要或只需要很少的均衡，前置级的动态范围也较大。但缺点是灵敏度较低，噪声比较高。(2)高阻抗前端。比低阻抗前端热噪声小，但高阻抗将使前置放大器动态范围缩小，而且当比特率较高时，输入端信号的高频分量损失过大，对均衡电路要求较高，很难实现，所以高阻抗前端一般只适用于低速系统。(3)跨(互

27、)阻抗前端。这种前端将负载电阻连接为反相放大器的反馈电阻，因而又称互阻抗前端。负反馈使有效输入阻抗降低了G倍，G是前置放大器增益，从而使其带宽比高阻抗前端增加了G倍，动态范围也提高了，所以具有频带宽、噪声低、灵敏度高、动态范围大等综合优点，被广泛采用。2、光接收机的线性通道包括哪几个部分？光接收机的带宽由哪个部件决定？高增益放大器（主放大器）、低通滤波器；低通滤波器；因为低通滤波器电压脉冲整形，降低噪声，控制可能出现的码间串扰(ISI)。接收机噪声正比于接收机带宽，为降低噪声，采用带宽f小于比特率B的低通滤波器。在接收机设计中其他部件的带宽均大于滤波器带宽，因此接收机带宽主要由线性通道的低通滤

28、波器决定。3、数据重建由哪几种电路构成？其任务是什么？判决电路和时钟恢复电路；把线性通道输出的升余弦波形恢复成数字信号4、 高阻抗前置放大器的输入电阻为4 M，它与光检测器的偏置电阻Rb相匹配，CT = 6 pF，计算未均衡时带宽；若采用互阻抗，Rf=100 k，反馈环路的增益G = 400，计算其带宽。第6章3节作业1、光接收机中存在哪些噪声？图示这些噪声分布。散粒噪声和热噪声，散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声和APD倍增噪声。热噪声主要指负载电阻RL产生的热噪声，放大器对噪声亦有影响。量子噪声(或散弹噪声)：来自单位时间内到达光检测器上信号光子数的随机性，因此它与信号

29、电平有关。在采用APD作光检测器时，倍增过程的统计特征产生附加的散弹噪声，它随倍增增益而增加。暗电流噪声：当没有光信号照射光检测器时，外界的一些杂散光或热运动亦会产生一些电子空穴对，光检测器还会产生一些电流，这种残留电流称为暗电流Id，暗电流也要产生散粒噪声。 漏电流噪声：光检测器表面物理状态不完善和加有偏置电压，也会引起很小的漏电流噪声，但这种噪声并非本征性噪声，可通过光检测器的合理设计，良好的结构和严格的工艺降低。 热噪声：热噪声是在有限温度下，导电媒质内自由电子和振动离子间热相互作用引起的一种随机脉动。一个电阻中的这种随机脉动，即使没有外加电压也表现为一种电流波动。在光接收机中，前端负载

30、电阻中产生的这种电流波动将叠加到光检测器产生的光电流中。放大器噪声：前端的前置放大器要增加噪声，而且其影响远远超过后级元器件产生的噪声。 2、分解式4.4.19，写出PIN光接收机与APD光接收机的信噪比表达式，分析在何种条件下何种光接收机信噪比占优势。 解：（1）S/RPIN=1 散粒噪声限制下S/RPIN=SNR随入射功率线性增加，只与量子效率、光子能量和带宽有关2 热噪声限制下S/RPIN=SNR随入射功率平方倍变化，增加负载电阻可以提高信噪比（2）S/RAPD=散粒噪声限制下S/RAPD=SNR下降了Gx倍2 噪声限制下S/RAPD=SNR降低了G2倍散粒噪声限制下：APD的SNR降低了GX倍，PIN占优。热噪声限制下：APD的SNR提高了G2 倍，APD占优。3、有一个光纤通信系统，光源为LED，输出功率：10mW，工作波长850nm，LED与光纤的耦合损耗为14 dB。系统光纤的总损耗20 dB，其他损耗10 dB。PIN光电二极管的R 00.5 AW，ID=2 nA，负载电阻RL=50 ，接收带宽Be=10