光纤通信原理习题答案.pdf

第二章第二章 1 1 1 1 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 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 2 2 2 2 已知多模阶跃型光纤已知多模阶跃型光纤 纤芯折射率为纤芯折射率为 n n n n1 1 1 1 1 5 1 5 1 5 1 5 光纤芯经光纤芯经 2a 502a 502a 502a 50 mmmm 相对相对 折射率差折射率差 0 01 0 01 0 01 0 01 求 求 1 1 1 1 光纤数值孔径 光纤数值孔径 NA NA NA NA 和收光角和收光角 2 2 2 2 归一化频 归一化频 率率 V V V V 和导模总数和导模总数 N N N N 1 3 1 3 1 3 1 3 mmmm 3 3 3 3 当当 0 001 0 001 0 001 0 001 时时 光纤芯经光纤芯经 2a2a2a2a 为为 多大时光纤可单模工作 多大时光纤可单模工作 解 解 1 2 0 1 2 1 2 1 2 1 1 sin0 21 arcsin 2 2 25 6 2328 3 7 43 2 2 12 2 2 2 c c NAn NA n Va N V am n n V n 3 3 3 3 已知阶跃型光纤的纤芯折射率已知阶跃型光纤的纤芯折射率 n n n n1 1 1 1 1 5 1 5 1 5 1 5 相对折射率差 相对折射率差 0 001 0 001 0 001 0 001 芯半 芯半径径 a 5a 5a 5a 5 mmmm 试求 试求 LP02LP02LP02LP02 LP11LP11LP11LP11 和和 LP12LP12LP12LP12 模的截止波长各为多少 模的截止波长各为多少 解 解 c c 11 c 02 c 12 22 3 832 0 55 501356 0 41 6 3802 0 33 V V V V c c c c an m m m Lp Lp Lp 对于 对于 对于 4 4 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 石英光纤在石英光纤在 1310nm1310nm1310nm1310nm 有最低的色散 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 Lp01 消除了模间色散 只存在模内色散 主要 由材料色散和波导色散组成 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 03 0 04 m 因 此总色散在 1310nm 附近为零 5 5 已知已知 G 652G 652G 652G 652 光纤在光纤在 1 311 311 311 31 mmmm 波长 色散系数为波长 色散系数为 2ps km2ps km2ps km2ps km nm nm nm nm 在 在 1 551 551 551 55 mmmm 波长波长 色散系数为色散系数为 18ps 18ps 18ps 18ps kmkmkmkm nmnmnmnm 对于半导体激光器的线宽均对于半导体激光器的线宽均为为 1nm1nm1nm1nm 的传输系统 请计算传输的传输系统 请计算传输 100km100km100km100km 两个波长能够传输的最高速率是两个波长能够传输的最高速率是 多少 多少 解 解 1 1 13 18 BL D m mD 光纤色散对系统传输速率的限制 对波长D 2ps Km nm 1nm L 100Km B 5Gbps 对1 55波长ps Km nm 1nm L 100Km B 5 9Gbps 6 6 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 种因素 为什么 答答 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 7 7 波长为波长为 1 551 551 551 55 mmmm 的的 2mW2mW2mW2mW 光功率光功率 注入注入 100km100km100km100km 的的 G 652G 652G 652G 652 单模光纤传输单模光纤传输 损耗系数采用 损耗系数采用 0 35dB km0 35dB km0 35dB km0 35dB km 计算传输后输出光功率 分别采用线性单计算传输后输出光功率 分别采用线性单 位 位 mWmWmWmW WWWW 和对数单位 和对数单位 dBmdBmdBmdBm dBdBdBdB 进行计算 并体会对数单位 进行计算 并体会对数单位 应用的优点 应用的优点 解 解 用线性单位计算 用线性单位计算 用对数单位用对数单位 8 8 应用光时域后向散射仪应用光时域后向散射仪 OTDROTDROTDROTDR 测量光纤测量光纤 得到一断点信息得到一断点信息 反回脉冲反回脉冲 与发出脉冲之间的延时为与发出脉冲之间的延时为 30303030 s s s s 计算光纤断点位置 计算光纤断点位置 已知纤芯折射率已知纤芯折射率 n1 1 5n1 1 5n1 1 5n1 1 5 光速 光速 c 3c 3c 3c 3 108108108108 m sm sm sm s 解 解 t 3000m 2n C L 9 9 已知多模光纤长已知多模光纤长 10km10km10km10km 输入光脉冲宽度为 输入光脉冲宽度为 1ns1ns1ns1ns 近似为高斯型脉冲 经 近似为高斯型脉冲 经 过测量输出光脉冲宽度为过测量输出光脉冲宽度为 1 2ns1 2ns1 2ns1 2ns 计算光纤的传输带宽 计算光纤的传输带宽 解 解 1 4 3430 35 4 3430 08 P P P P kmdB kmkmdB kmkmdB kmkmdB km 1 4 343 P P P P dB kmkmdB kmkmdB kmkmdB kmkm exp 2 exp 0 08 100 0 0006 outinP PPLmW i 30 35 10032 outin PPdB km LdBm i 3 in P dBmdBm 2222 21 3dB 1 210 663 0 4410 441 0 665 0 663 fGHz 第三章第三章 1 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电光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电光 转换之间的关系 转换之间的关系 答 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 2 2 推导推导 LEDLED 的的 3dB3dB 调制带宽的公式 调制带宽的公式 3 2 63 2 6 并分析说明提高工作速率 并分析说明提高工作速率 的方法 的方法 解 解 2 22 22 3d 3d 3 111 1 4 11 1 3 2 3 2 cc B B c HdB ii c c H f f 当下降为一半时定义为调制带宽 即 所以同时 所以 3 3 论述半导体激光器论述半导体激光器 LDLD 的工作原理的工作原理 分析分析 LDLD 产生激光的增益条件和相产生激光的增益条件和相 位条件 由此位条件 由此 LDLD 的采用的典型结构有哪几种 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 4 4 解释解释 LDLD 的阈值电流的形成机理 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 5 5 什么是什么是 LDLD 的纵模和横模 的纵模和横模 LDLD 产生单纵模和单横模需要满足什么条件 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 6 6 描述描述 LDLD 的的 P IP I 特性曲线 并详细分析该曲线的工作特征 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 I Ith 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 7 7 阐述阐述 LDLD 的噪声形成的机理 以及对光纤通信系统的影响 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 8 8 简述简述 PINPIN 和和 APDAPD 的工作原理以及一般的结构 并比较它们的异同及其应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 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 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 9 9 分析环行器图分析环行器图 3 4 123 4 12 工作原理 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 第四章第四章 1 分析图4 2 5 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 完成电路设计 11 0 0 CCLEDCEVVVIR I 信号 0 和 1 对应于三极管 T1 的截止和饱和状态 0 T1截止 LED 不发光 1 T1饱和 LED 发光 根据输出光信号幅度的要求确定电流大小 2 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 22 2 psss tf dfqf isI 2 热噪声 是在温度作用下载流子热运动引起的噪声电流 224 TTT L kT tf dff iT R 3 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 2 2 I RINf RP 3 如图为一个PON 的光路 下行OLT 到ONU 光波长为1 55 m 上行ONU 到 OLT 光波长为1 31 m 分别计算上下行的传输损耗 其中光纤损耗 0 4dB Km 1 31 m 0 25dB Km 1 55 m 3dB 分配器的插入损耗 为0 5dB 3dB 分配器将光功率按50 50 分配 3dB 分配器正向和反向传 输分配损耗相同 解 下行传输损耗为0 25 10 3 3 0 5 2 7 5 7 14 5 dB 上行传输损耗为0 4 10 3 0 5 2 12 1 13 dB 4 100Mbps 数字光纤传输系统 NRZ 码 要求BER 小于10 9 采用PIN 为光 电探测器和前置放大器为接收机部件 其中热噪声 T 0 1 A 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 解 6 0 1 0 9 0 67 T PIN qRAA WW rP 即 41 7dBm 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制 5 2 已知基带模拟信号传输带宽为0 10MHz 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20 C 负载电阻为1k W R 0 9A W 解 热噪声占主导地位 SNR 60dB 10 6 F 6dB 3 98 22 223 6 236 10 210 52 4 0 910 10 4 1 38 10293 3 98 10 10 6 437 10 7 947 10 0 81 2 819 102 819 1015 5 APDLnin in in in SNRRkTFf R P P P PWWdBm 5 3 为什么说模拟信号光纤传输的关键在于光发射机 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