光纤通信课后习题参考答案1-邓大鹏.pdf

光纤通信课后习题答案 第一章习题参考答案 1 第一根光纤是什么时候出现的 其损耗是多少 答 第一根光纤大约是 1950 年出现的 传输损耗高达 1000dB km 左右 2 试述光纤通信系统的组成及各部分的关系 答 光纤通信系统主要由光发送机 光纤光缆 中继器和光接收机组成 系统中光发送机将电信号转换为光信号 并将生成的光信号注入光纤光缆 调制过的光 信号经过光纤长途传输后送入光接收机 光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信 号 完成信号的传送 中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离 3 光纤通信有哪些优缺点 答 光纤通信具有容量大 损耗低 中继距离长 抗电磁干扰能力强 保密性能好 体积小 重量轻 节省有色金属和原材料等优点 但它也有抗拉强度低 连接困难 怕水等缺点 第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆 1 光纤是由哪几部分组成的 各部分有何作用 答 光纤是由折射率较高的纤芯 折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的 纤芯和包 层是为满足导光的要求 涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤 同时增加光 纤的柔韧性 2 光纤是如何分类的 阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的 答 1 按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤 按光 纤中传输的模式数量 可以将光纤分为多模光纤和单模光纤 按光纤的工作波长可以将光纤 分为短波长光纤 长波长光纤和超长波长光纤 按照 ITU T 关于光纤类型的建议 可以将 光纤分为 G 651 光纤 渐变型多模光纤 G 652 光纤 常规单模光纤 G 653 光纤 色散 位移光纤 G 654 光纤 截止波长光纤 和 G 655 非零色散位移光纤 光纤 按套塑 二 次涂覆层 可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤 2 阶跃型光纤的折射率分布 2 1 arn arn rn 渐变型光纤的折射率分布 21 21 arn ar a r n rn c m 3 阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径 NA 是如何定义的 两者有何区别 它是用来衡量 光纤什么的物理量 答 阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10 nNA 渐变型光纤的数值孔径 20 0s in 22 0 nnnNA c 两者区别 阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关 而渐变型光纤的数值 孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关 数值孔径是衡量光纤的集光能力 即凡是入射到圆锥角 0以内的所有光线都可以满足 全反射条件 在芯包界面上发生全反射 从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播 4 简述光纤的导光原理 答 光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点 使落于数值孔 径角 内的光线都能收集在光纤中 并在芯包边界以内形成全反射 从而将光线限制在光纤 中传播 5 什么是传导模 推导相位一致条件 并说明其物理意义 答 1 能在光纤中长距离传播的模式称之为传导模 简称导模 2 2 1 0 2 则 若 NN BA BA 即 2 1 0 N22 1010 NBBnkAAnk 根据平面几何知识 可化简为 2 1 0 cos2 10 NNank 3 光波在有限空间传播时 形成驻波 因此 当光波横向传播一个周期时 其波相 位变化 2 的整数倍 才会相干加强形成驻波 否则相干抵消 6 在均匀光纤中 为什么单模光纤的芯径和相对折射率差 比多模光纤小 答 光纤单模传输的条件是光纤的归一化频率 V 要小于次低阶模的归一化截止频率 Vc 即 VcV 当 VcV 时 光纤进行多模传输 而 2 2 2 1 0 10 anankV 因此 单模光纤的芯径 a 和相对折射率差 比多模光纤小 7 均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为 n1 1 50 n2 1 45 光纤的长度 L 10Km 试求 1 光纤的相对折射率差 2 数值孔径 NA 3 若将光纤的包层和涂敷层去掉 求裸光纤的 NA 和相对折射率差 k0n1 A B A B 2a 解 1 3 3 1 52 45 11 5 2n n n 2 22 2 1 2 2 2 1 2 0 39 0 03321 52 1 nNA 3 若将光纤的包层和涂敷层去掉 则相当于包层的折射率 n2 1 则 1 28 1 52 11 5 2n n n 2 22 2 1 2 2 2 1 1 1 2 0 2 8 121 52 1 nNA 而 sin 0 NA最大为 1 所以说只要光纤端面的入射角在 90O以内 就可以在光纤中 形成全反射 8 已知阶跃型光纤 纤芯折射率 n1 1 50 相对折射率差 0 5 工作波长 0 1 31 m 试求 1 保证光纤单模传输时 光纤的纤芯半径 a 应为多大 2 若 a 5 m 保证光纤单模传输时 n2应如何选择 解 1 因为是阶跃型光纤 所以归一化截止频率 Vc 2 405 m m n a anV 34 3 2 31 1 5 0250 1 405 2 22 405 2 405 22 2 0 1 1 0 2 若 a 5 m 保证光纤单模传输时 4967 1 22 0215 121nn 0 22 2n n n 22 0 2 2 31 1 550 1 405 2 2 2 405 2 405 22 2 12 2 1 2 2 2 1 2 2 0 1 1 0 m man anV 9 已知抛物线型渐变多模光纤 纤芯轴线处的最大折射率 n o 1 50 相对折射率 5 纤芯半径 2a 50 m 工作波长 0 0 85 m 试求此光纤可传输的模式数 解 因为 抛物线型渐变多模光纤 2 所以 3 4 2 2 1405 2 2 1405 2 Vc 4 36 87 522550 1 85 0 2 2 2 1 0 m m aonV 所以该抛物线型渐变多模光纤为多模传输 可传输的模式数为 1918 2 6 87 22 2 22 22 V N 10 证明 垂直极化波和水平极化波的反射系数和传递系数的表达式 略 垂直极化波 coscos coscos 2211 2211 nn nn R coscos cos2 2211 11 nn n T 水平极化波 coscos coscos 2112 2112 nn nn R coscos cos2 2112 11 nn n T 11 根据上题证明的结果 推导垂直极化波和水平极化波在全反射情况下介质 1 和介质 2 中场的表达式 并简要说明介质 1 和介质 2 中波的特点 答 垂直极化波在全反射情况下 1s i nc o s 1 2 2 2 1 2 n n j 1 coscos coscos cos sinsin 2 2211 2211 1 2 1 2 c arctgj e nn nn R 令 1 2 1 2 2 2 1 1 cos sinsin c n n arctg 1 1 2 j eR则 在介质 1 中 既有入射波 又有反射波 并且入射波和反射波电场方向相同 因此合成 波可在直角坐标系下展开 并表示为 11 11111 1101 2 010111 cos2 zkj x zjkxjkjzjkxjk z zxzx exkE eeeEeeEEEE 所以 全反射情况下介质 1 中波的特点是沿 X 方向按三角函数规律变化 说明能量在 X 方向上不传播 波呈驻波分布 沿 Z 方向呈行波状态 说明合成波是沿 Z 方向传播的 其相位传播常数为 sin 1101 nkk z 在介质 2 中只有传递波 cos 2 coscos cos2 1 2 1 2 2 cos sinsin 2 2 2 1 11 2211 112 c jarctg j e nn n nn n eTT zjkxjkj zx eeeTEE 222 2 012 21 2 01 zkjx z eeTE 由于 2 1 2 1 2 102202 s inco s n n njknkk x sinsin 11102202 zz knknkk 所以 21 2 1 2 1 2 10 2 sin 012 zkj n n nkx z eeTEE 因此 全反射情况下介质 2 中波的特点是沿 Z 方向呈行波分布 且传播常数与介质 1 中的相同 随 X 方向变化的因子是 2 1 2 1 2 10 sin n n nkx e 说明波的幅度随离开界面的距离按指 数形式衰减 衰减的快慢由参数 2 1 2 1 2 10 sin n n nk 决定 12 简述 TEM 波 TE 波 TM 波 EH 波和 HE 波各自的特点 弱导光纤中存在哪些类型 的波 为什么不存在 TEM 波 答 1 TEM 波的电场和磁场方向与波的传播方向垂直 即在传播方向上既没有磁场 分量也没有电场分量 且三者两两相互垂直 TE 波在传播方向上只有磁场分量而没有电场 分量 TM 波在传播方向上只有电场分量而没有磁场分量 EH 波在传播方向上既有磁场分 量又有电场分量 但以电场分量为主 HE 波在传播方向上既有磁场分量又有电场分量 但 以磁场分量为主 2 在弱导光纤中存在 TE 波 TM 波 EH 波和 HE 波四种波型 3 TEM 波在传播方向 Z 方向 上既没有电场分量 又没有磁场分量 即 Ez 0 Hz 0 如果光纤中存在 TEM 波 则根据 Ez Hz的表达式可以得到 A B 0 从而得到 Er E Hr E 都为零 即光纤中不存在电磁场 所以光纤中根本不存在 TEM 波 13 模的特性是用哪些参数来衡量的 各描述的是什么含义 答 模的特性可以用三个特征参数 U W 和 来描述 其中 U 表示导模场在纤芯内部的横向分布规律 W 表示表示导模场在纤芯外部的横向分布 规律 U 和 W 结合起来 就可以完整地描述导模的横向分布规律 是轴向的相位传播常 数 表明导模的纵向传输特性 14 根据 TE0n和 TM0n模在弱导光纤中的特征方程 WWK WK UUJ UJ 0 1 0 1 证明 TE0n和 Tm0n模在截止状态下有 0 0 c UJ 证明 根据贝塞尔函数的性质 当 W 0 时 2 ln 0 W WK W 1 2 11 2 1 1 1 W WK 模式处于临界状态时 W 0 对应的径向归一化相位常数记为 Uc 0 1 lim 2 ln 1 limlim 0 2 00 0 1 0 0 1 cc WWW cc c UJU W W W W WWK WK UJU UJ 若 Uc 0 则 0 0 00 0 0 1 0 1 J J UJU UJ cc c 成为不定型 所以 Uc 0 只有 0 0 c UJ 15 根据 HEmn模在弱导光纤中的特征方程 WWK WK UUJ UJ m m m m11 试求 HE11 HE12 HE21和 HE22模的归一化截止频率 Vc 解 1 当 m 1 时 HE1n在临界状态下的特征方程 W W W W WWK WK UJU UJ WWW cc c 2 lnlim 1 2 ln limlim 00 1 0 0 1 0 0 0 1c c UJ U 即 Uc 0 3 83171 7 01559 10 17347 13 32369 2 当 m 2 时 HEmn在临界状态下的特征方程 12 1 2 1 2 1 2 2 2 1 limlim 1 2 0 1 0 1 m W mW W m WWK WK UJU UJ m m W m m W cmc cm 即 cmcmc UJmUJU 1 12 根据贝塞尔函数的递推公式 2 11cmccmccm UJUUJUUmJ 所以 0 2 2 cmc cmccmccmc UJU UJUUJUUJU Uc 0 则 0 0 00 0 11 m m cmc cm J J UJU UJ 成为不定型 所以 Uc 0 此时只有 0 2 cm UJ 当 m 2 时 0 0 c UJ Uc 2 40483 5 52008 8 65373 11 79153 所以 HE11 HE12 HE21和 HE22模的归一化截止频率 Vc 分别为 HE11模 Vc 0 HE12模 Vc 3 83171 HE21模 Vc 2 40483 HE22模 Vc 5 52008 16 根据 EHmn模在弱导光纤中的特征方程 WWK WK UUJ UJ m m m m11 试求 EH11 EH12 EH21和 EH22模在远离截止时的径向归一化相位常数 U 值 解 远离截止时 W 根据 W m W e W WK 2 lim 0 1 limlim 11 WWWK WK UUJ UJ W m m W m m 从而得到 0 1 UJm U EH11 21 5 13562 U EH12 22 8 41724 U EH21 31 6 38016 U EH22 32 9 76102 17 如果在导弱光纤中存在 EH21模 则光纤中至少还存在哪些模式 如果光纤中只让 HE11 模存在 则光纤的归一化频率 V 必须满足什么条件 答 如果在导弱光纤中存在 EH21模 则光纤中至少还存在 HE11 TE01 TM01三种模式 如果光纤中只让 HE11模存在 则光纤的归一化频率 V 必须小于 2 40483 18 已知阶跃型多模光纤 其纤芯半径 a 8 m 纤芯折射率 n1 1 46 相对折射率差 1 工作波长 0 1 31 m 试求此阶跃型光纤中可传输哪些模式 解 92 701 02446 1 31 1 2 2 2 1 0 m m anV 所以 此阶跃型光纤中可传输 HE11 TE01 TM01 HE21 EH11 HE12 HE31 EH21 HE41 TE02 TM02 HE22 EH31 HE51 EH12 HE13 HE32共 17 种模式 19 光缆的典型结构有哪几种 各有什么特点 答 光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式 骨架式 束管式和带状式 四种 层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式 加强构件位于光缆的中心 属中心加强 构件配置方式 制造较容易 光纤数量较少 例如 12 芯以下 时多采用这种结构 骨架式光缆中结构简单 对光纤保护较好 耐压 抗弯性能较好 节省了松套管材料和 相应的工序 但也对放置光纤入槽工艺要求高 束管式结构的光缆体积小 重量轻 制造容易 成本低 是更能发挥光纤优点的光缆结 构之一 带状式结构光缆是一种空间利用率最高的光缆 优点是可容纳大量的光纤 一般在 100 芯以上 作为用户光缆可满足需要 同时每个单元的接续可以一次完成 以适应大量光纤 接续 安装的需要 20 光缆进潮进水有哪些危害 光缆在结构上是如何防潮防水的 答 1 水进入光缆后 会在光纤中产生 OH 吸收损耗 使信道总衰减增大 甚至使 通信中断 2 水和潮气进入光缆后 使光纤材料的原子结构产生缺陷 导致光纤的抗拉强 度降低 3 会造成光缆中金属构件的腐蚀现象 导致光缆强度降低 4 水和潮气进入光 缆后 遇到低温时 水结冰后体积增大 可能压坏光纤 因此为了保证光纤的特性不致劣化 在光纤和光缆结构设计 生产 运输 施工和维护 中都采取了一系列的防水措施 一般直埋光缆从外到内有聚乙烯外护套 金属护层 聚乙烯 内护套 防水填充料 光纤松套管 油膏 光纤 21 光缆型号是由哪几部分构成的 答 光缆的型号是由光缆的型式代号和光纤的规格两部分构成 中间用一短线分开 22 识别光缆型号 GYFTY21 12J50 125 30409 B GYZT53 24D8 125 303 A 答 1 GYFTY21 12J50 125 30409 B 是非金属加强构件 填充式结构 聚乙烯护 套 双钢带铠装 纤维外护层的通信用室外光缆 光缆内有 12 根芯径 包层直径为 50 125 m 的二氧化硅系多模渐变型光纤 在 1 55 m 波长上光纤的衰减系数不大于 0 4dB km 模式带 宽不大于 900MHz km 光缆的适用温度范围是 30 50 2 GYZT53 24D8 125 303 A 是金属加强构件 自承式填充式结构 单钢带皱纹纵 包 聚乙烯外护层的通信用室外光缆 光缆内有 24 根模场直径 包层直径为 8 125 m 的二氧 化硅系单模光纤 在 1 55 m 波长上光纤的衰减系数不大于 0 3dB km 光缆的适用温度范围 是 40 40 第第三三章章 光纤光纤的传输特性的传输特性 1 简述石英系光纤损耗产生的原因 光纤损耗的理论极限值是由什么决定的 答 1 2 光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗 红外吸收损耗和瑞利散射决定的 2 当光在一段长为 10km 光纤中传输时 输出端的光功率减小至输入端光功率的一半 求 光纤的损耗系数 解 设输入端光功率为 P1 输出端的光功率为 P2 则 P1 2P2 光纤的损耗系数 kmdB P P kmP P L 3 0 2 lg 10 10 lg 10 2 2 2 1 3 光纤色散产生的原因有哪些 对数字光纤通信系统有何危害 答 1 按照色散产生的原因 光纤的色散主要分为 模式 模间 色散 材料色散 波导色散和极化色散 2 在数字光纤通信系统中 色散会引起光脉冲展宽 严重时前后脉冲将相互重叠 形成码间干扰 增加误码率 影响了光纤的传输带宽 因此 色散会限制光纤通信系统的传 输容量和中继距离 4 为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多 答 光纤的带宽特性是在频域中的表现形式 而色散特性是在时域中的表现形式 即色 散越大 带宽越窄 由于光纤中存在着模式色散 材料色散 波导色散和极化色散四种 并 且模式色散 材料色散 波导色散 极化色散 由于极化色散很小 一般忽略不计 在多 模光纤中 主要存在模式色散 材料色散和波导色散 单模光纤中不存在模式色散 而只存 在材料色散和波导色散 因此 多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多 也就是单模光纤 的带宽比多模光纤宽得多 5 均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为 n1 1 50 n2 1 45 光纤的长度 L 10km 试求 1 子午光线的最大时延差 2 若将光纤的包层和涂敷层去掉 求子午光线的最大时延差 解 1 1 sin 2 11 11 n n C Ln n C L n C L c M 光纤损耗 吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 原子缺陷吸收 紫外吸收 红外吸收 氢氧根 OH 吸收 过渡金属离子吸收 瑞利散射损耗 结构不完善引起的散射损耗 散射损耗 弯曲损耗 光纤弯曲损耗 光纤微弯损耗 s1 721 45 1 50 1 103 50 110 5 km km 2 若将光纤的包层和涂敷层去掉 则 n2 1 0 1 sin 2 11 11 n n C Ln n C L n C L c M s521 0 1 50 1 103 50 110 5 km km 6 一制造长度为 2km 的阶跃型多模光纤 纤芯和包层的折射率分别为 n1 1 47 n2 1 45 使用工作波长为 1 31 m 光源的谱线宽度 3nm 材料色散系数 Dm 6ps nm km 波 导色散 w 0 光纤的带宽距离指数 0 8 试求 1 光纤的总色散 2 总带宽和单位公里带宽 解 1 ns skm km n n C Ln M 2 1351 45 1 47 1 103 47 12 1 5 2 11 pskmnmkmnmpsLDm m 3623 6 ns wmM 2 135036 02 135 222 2 总 2 MHz ns BT26 3 2 135 441 0 441 0 M H zLBB T 68 5226 3 8 0 7 一制造长度为 2km 的抛物线型渐变多模光纤 纤芯轴线处的折射率 n 0 1 5 包层的折 射率 nC 1 48 使用工作波长为 0 85 m 光源的谱线宽度 6nm 材料色散系数 Dm 15ps nm km 波导色散 w 10 ps 光纤的带宽距离指数 0 9 试求 1 光纤的总色散 2 总带宽和单位公里带宽 解 1 34 1 1 52 48 11 5 02n n 0n 2 22 2 2 c 2 ps skm km C Ln M 898 103 0134 05 12 2 1 0 2 1 5 2 2 pskmnmkmnmpsLDm m 18026 15 ps wmM 91810180898 2 22 2 总 2 MHz ps BT480 918 441 0 441 0 MHzLBB T 8962480 9 0 8 某系统使用工作波长 0 1 31 m 谱线宽度 5nm 的光源和长度为 3km 的阶跃型光 纤 其纤芯的折射率 n1 1 458 相对折射率差 0 8 纤芯半径 a 8 m 光纤的材料 色散系数 Dm 8ps nm km 波导色散 w 0 其带宽速率比为 0 8 试求光纤的模式畸变 带宽和波长色散带宽 解 ns skm km C Ln M 7 116 8 0 103 458 13 5 1 MH z ns BM78 3 7 116 441 0 441 0 GHz kmnmkmnmpsLD B m c 68 3 35 8 441 0 441 0 第四章习题参考答案 1 光纤连接器的作用是什么 答 光纤连接器的作用是实现光纤之间活动连接的光无源器件 它还具有将光纤与 其它无源器件 光纤与系统和仪表进行活动连接的功能 2 我国常用的光纤连接器有哪些类型 答 我国常用的光纤连接器有 FC SC 和 ST 三种类型连接器 3 光纤连接器的结构有哪些种类 分析各自的优缺点 答 光纤连接器的结构主要有套管结构 双锥结构 V 形槽结构 球面定心结构和 透镜耦合结构 套管结构设计合理 加工技术能够达到要求的精度 因而得到了广泛应用 双锥结 构的精度和一致性都很好 但插针和基座的加工精度要求极高 V 形槽结构可以达到较 高的精度 但其结构复杂 零件数量多 球面定心结构设计思想巧妙 但零件形状复杂 加工调整难度大 透镜耦合结构降低了对机械加工的精度要求 使耦合更容易实现 但 其结构复杂 体积大 调整元件多 接续损耗大 4 光纤耦合器的作用是什么 答 光纤耦合器的作用是将光信号进行分路 合路 插入 分配 5 光纤耦合器常用的特性参数有哪些 如何定义这些参数 答 光纤耦合器常用的特性参数主要有 插入损耗 附加损耗 分光比 方向性 均匀性 偏振相关损耗 隔离度等 插入损耗定义为指定输出端口的光功率相对全部输入光功率的减少值 附加损耗定义为所有输出端口的光功率总和相对于全部输入光功率的减小值 分光比定义为耦合器输出端口的输出功率相对输出总功率的百分比 方向性定义为在耦合器正常工作时 输入端非注入光端口的输出光功率与总注入光 功率的比值 均匀性定义为在器件的工作带宽范围内 各输出端口输出功率的最大变化量 偏振相关损耗是指当传输光信号的偏振态发生 360 变化时 器件各输出端口输出光 功率的最大变化量 隔离度是指某一光路对其他光路中的信号的隔离能力 6 简述系统对波分复用器与解复用器要求的异 同点 答 系统对波分复用器与解复用器共同的要求是 复用信道数量要足够多 插入损 耗小 串音衰减大和通带范围宽 波分复用器与波分解复用器的不同在于 解复用器的 输出光纤直接与光检测器相连 芯径与数值孔径可以做得大些 因此制造低插入损耗的 解复用器并不太难 而复用器的输出光纤必须为传输光纤 不能任意加大芯径和数值孔 径 而减小输入光纤的芯径和数值孔径 又会增加光源到输入光纤的耦合损耗 所以复 用器的插入损耗一般比较大 7 光开关的种类有哪些 有哪些新的技术有待开发 答 光开关根据驱动方式可分为机械式光开关和非机械式光开关 根据工作原理可 分为机械式光开关 液晶光开关 电光式光开关和热光式光开关 有哪些新的技术有待开发 随着材料 技术的发展会有不同的答案 建议根据当 时的文献进行回答 8 光隔离器的功能是什么 其主要技术参数是什么 答 光隔离器的功能是只允许光波向一个方向传播 而阻止光波向其它方向特别是反方 向传播 主要技术参数有 插入损耗 隔离度 9 简述光隔离器的组成及各部分的作用 答 单模光纤隔离器由起偏器 检偏器和法拉第旋转器三部分组成 如图所示 起偏器的透振方向是垂直方向 即允许垂直偏振光顺利通过 检偏器的透振方向是 45 方向 即允许 45 方向上的偏振光顺利通过 法拉第旋转器使通过它的光的偏振方向顺时 针旋转 45 10 一个简单的光隔离器需要多少偏振器来阻挡错误方向传输的光 答 2 个 11 当一束光注入光纤时 由于菲涅尔反射 瑞利散射等原因 会有部分光传回到注入 端 称之为后向光 用光环行器在注入端可以将后向光分离出来 请画出连接图 答 入射光 反射光 起偏器 法拉第 旋转器 检偏器 12 3 12 现有一束包含 1550nm 波长的混合光 请用光纤光栅和光环行器设计一个光路将 1550nm 的光信号分离出来 答 12 3 混合光 反射型光栅反射 波长1550nm 1550nm光信号 第五章习题解答 1 比较 LED 和 LD 并说明各自适应的工作范围 答 LED 的发射光功率比 LD 要小 不适合长距离系统 LED 的光谱宽度比 LD 大得多 不 适合长距离系统 LED 的调制带宽比 LD 小得多 不适合长距离系统 LED 的温度特性比 LD 好得多 所以 LED 适应于短距离小容量光纤通信系统 而 LD 适应于长距离大容量光 纤通信系统 2 试说明 LED 的工作原理 答 当给 LED 外加合适的正向电压时 Pp 结之间的势垒 相对于空穴 和 Np 结之间的势 垒 相对于电子 降低 大量的空穴和电子分别从 P 区扩散到 p 区和从 N 区扩散到 p 区 由 于双异质结构 p 区中外来的电子和空穴不会分别扩散到 P 区和 N 区 在有源区形成粒子 数反转分布状态 最终克服受激吸收及其它衰减而产生自发辐射的光输出 3 试说明 LD 的工作原理 答 当给 LD 外加适当的正向电压时 由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现 象 那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播 边发 生受激辐射放大 其余自发辐射光子均被衰减掉 直至传播到高反射率界面由被反射回有 源层 再次向另一个方向传播受激辐射放大 如此反复 直到放大作用足以克服有源层和高 反射率界面的损耗后 就会向高反射率界面外面输出激光 4 为什么应用单纵模 LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用 LED 光纤通信系统的传输速 率 答 因为单纵模 LD 的谱线宽度比 LED 的谱线宽度小得多 单纵模 LD 的调制带宽比 LED 的调制带宽大得多 所以单纵模 LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用 LED 光纤通信系 统的传输速率 5 若激光物质的禁带宽度为 0 8eV 试问该激光物质所能辐射的光波长是多少 答 1 24 0 85 1 55 g E 24 1 0 m 6 光与物质的相互作用有哪几种方式 答 光与物质的相互作用时 存在自发辐射 受激辐射及受激吸收三种基本过程 7 什么是粒子数反转分布 答 高能级上的电子数多于低能级上电子数 这种现象称为粒子数反转分布状态 8 在光纤通信系统中 光源为什么要加正向电压 答 利用外加适当的正向电压可以实现发光物质的粒子数反转分布状态 从而使物质总体呈 现发光过程 9 光发送机主要由哪些部分组成 各部分的作用是什么 答 光发送机主要由光源 驱动电路及辅助电路等构成 驱动电路的主要作用是为光源提供 要求的驱动电流 光源的主要作用是完成电光变换 光调制 辅助电路主要完成自动功率 控制 自动温度控制及光源保护等功能 10 光调制方式有哪些 目前的数字光纤通信系统采用的是数字调制方式 还是模拟调制方 式 答 光调制方式主要按照光源与调制信号的关系及已调制信号的性质两种方式分类 根据光 源与调制信号的关系 可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部 或间接 调制方式 根据已调制信号的性质 可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式 从调制 的本质上来说 目前的数字光纤通信系统采用的是模拟调制方式 11 若归一化调制信号波形为 x t sin t 试写出已调光信号的电场表达式和对应的平均发 送光功率表达式 答 PT eT2 t KT2 1 msin t cos2 ct 0 KT2 2 1 msin t KT2 2 1 msin t cos2 ct 0 KT2 2 12 一个优良的驱动电路一般要满足哪些要求 答 能够提供较大的 稳定的驱动电流 有足够快的响应速度 最好大于光源的驱动速度 保证光源具有稳定的输出特性 13 在光发送机中 为什么要设置 APC 电路 答 主要是为了保持 LD 光发送机输出的平均光功率达到稳定 同时具有保护光源安全的作 用 14 在光发送机中 主要应用哪些类型的自动功率控制电路 答 在光发送机中 主要应用普通电参数自动功率控制电路和光电反馈自动功率控制电路 15 为什么说图 5 18 电路具有连 0 保护作用 答 在输入信号为连 0 时 A1 和 A3 的输出的增加基本相同 所以不会使光源的输出光 功率增加或增加很大 因此具有保护 LD 的功能 16 在光发送机中 为什么要设置 ATC 电路 答 为了保证光发送机具有稳定的输出特性 对 LD 的温度特性进行控制是非常必要的 而 且对 LD 的温度控制也是保护 LD 的一项关键措施 17 试叙述在温度升高时图 5 20 电路的工作过程 答 当某种原因引起光源温度升高时 热敏电阻 RT阻值降低 使由 R1 R2 R3及 RT组成 的电桥失去平衡 A1 放大器反向输入端电位提高 使 A1 放大器输出端电位降低 晶体三 极管 T 提供的制冷电流增加 所以 半导体制冷器 Semiconductor Cooler SCR 冷面温度 下降 致使安装于半导体制冷器 SCR 冷面的 LD 温度回落 直至基本恢复到原来的温度 cos sin 1 0 2 1 ttmKte cTT 第六章习题解答 1 在光纤通信系统中 使用最多的光电检测器有哪些 它们分别使用于什么场合 答 在光纤通信系统中 使用最多的光电检测器包括 PINPD 和 APD 两种 它们分别使用于 短距离小容量光纤通信系统和长距离大容量光纤通信系统 2 光电检测器是在什么偏置状态下工作的 为什么要工作在这样的状态下 答 光电检测器工作于负偏置状态 只有工作于负偏置状态 才能使材料的受激吸收占据主 导地位 从而完成光电变换功能 3 在 PINPD 中 I 层半导体材料的主要作用是什么 答 通过扩展受激吸收的区域提高光电变换的效率及通过一定的内建电场提高器件的响应速 度 4 简述 PINPD 的工作原理 答 当光照射到 PIN 光电二极管的光敏面上时 会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激辐 射现象 从而产生电子空穴对 在外加电场作用下 这种光生载流子运动到电极 当外部电 路闭合时 就会在外部电路中有电流流过 从而完成光电的变换过程 5 在 APD 中 一般雪崩倍增作用只能发生于哪个区域 答 高场区 即雪崩倍增区 6 简述 APD 的工作原理 答 当光照射到 APD 的光敏面上时 由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对 在 外加电场作用下 一次电子空穴对运动到高场区 经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增 现象 从而产生出大量的二次电子空穴对 在外加电场的作用下 一次电子空穴对和二次电 子空穴对一起运动到电极 当外部电路闭合时 就会在外部电路中有电流流过 从而完成光 电变换过程 7 光电检测器的响应度和量子效率有什么样的关系 这两个参数相互独立吗 答 响应度从宏观角度描述光电检测器的光电变换效率 而量子效率则从微观角度描述光电 检测器的光电变换效率 所以 响应度和量子效率不是相互独立的参数 8 光电检测器的暗电流由哪些部分组成 这些组成部分分别对 PINPD 和 APD 的暗电流有 何影响 答 由表面暗电流和体内暗电流组成 对于 PINPD 表面暗电流远大于体内暗电流 对于 APD 由于倍增效应的存在 其体内暗电流远大于表面暗电流 9 APD 的倍增因子是否越大越好 为什么 答 当 M MOPT时 随着 M 的增加 系统的信噪比 S N 也随着增大 当 M 增大到 MOPT 时 系统的信噪比 S N 达到最大 如果 M 再增大时 由于噪声功率 N 的增加超过了信 号功率 S 的增加 使得系统的信噪比 S N 开始变小 所以 在实际应用中倍增因子并不 是越大越好 而是应该取最佳值 10 在非相干检测方式或直接功率检测方式中 什么说光电检测器实际是一个平方率检测 器 若光接收机接收的光信号电场为 试用理论证明之 ttmxKte cTR cos 1 2 1 24 1 答 在非相干检测方式或直接功率检测方式中 实际上是从解调信号的平方项中接收有用信 号的 所以 常常称光电检测器为平方率检测器 从推导过程可以看出 有用信号是从平方项而来的 所以说 光电检测器实际是一个平 方率检测器 11 主要有哪些类型的相干检测方式 答 非相干检测方式和相干检测方式 12 试画出光接收机的方框组成 并说明各部分的作用 答 光电检测器的主要作用是将接收的光信号变换成包括基本调制信号分量的电信号 前置 放大器的主要作用是低噪声接收 功率放大器 又称为主放大器 主要作用是信号幅度放大 到适合再生的电信号 均衡滤波器作用是低通滤波和将信号波形变换成无码间干扰的信号波 形 再生器的作用是将接收的信号恢复成标准数字信号 AGC 电路主要作用是稳定光接收 机输出的信号幅度 高压变换器是为 APD 提供合适的电压 同时通过调整平均倍增因子大 小 来进一步稳定光接收机的输出信号幅度 13 光接收机有哪些主要指标 它们的定义是什么 答 光纤通信系统主要包括光接收机灵敏度和光接收机动态范围两个指标 所谓光接收机灵敏度 是指在一定误码率或信噪比 有时还要加上信号波形失真量 条 件下光接收机需要接收的最小平均光功率 而光接收机动态范围 是指在一定误码率或信噪 比 有时还要加上信号波形失真量 条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围 14 出现在光电检测器上的噪声有哪些 哪些是属于光电检测器本身产生的噪声 答 光电检测器上的噪声包括光检测噪声 有可能与信号强度相关的噪声 暗电流噪声及 背景辐射噪声 光检测噪声和暗电流噪声属于光电检测器本身产生的噪声 15 为什么经过噪声处理后 光接收机的放大器通道可以看成线性通道 答 在噪声分析中 光接收机放大器的噪声已经归类到前置放大器 所以 光接收机的放大 器通道可以看成线性通道 16 为了避免使用烦琐费时的数值计算技术 在计算误码率时通常将概率密度函数近似为什 么函数 答 为了简化计算 一般均将概率密度函数近似成高斯函数来进行相应的分析 17 什么是理想光接收机 为什么理想光接收机的灵敏度又称为理想光接收机的量子极限 答 光电检测器暗电流为零 放大器无噪声和系统带宽无限大的光接收机称为理想光接收机 tEttDxttmxCtBmxA ttmxKttmx ttmxKttmxK tetety ccc cTc cTcT RRPD cos2cos cos 1 2cos 2 1 2 1 1cos 1 cos1cos1 2 1 2 2 2 1 10 22 2 2 1 10 2 210 光电检测器 直接功率检测方式原理组成 前置放大器 功率放大器 均衡滤波器 再生器 AGC 电路 高压变换器 因为理想光接收机灵敏度仅仅受到光检测器量子噪声的影响 所以又称为理想光接收机的量 子极限 18 影响光接收机灵敏度的主要因素有哪些 答 输入和输出信号波形 非理想均衡滤波 直流光和背景光和判决阈值等 第七章 光放大器 复习思考题答案 1 10 1 光放大器在光纤通信中有哪些重要用途 答 1 利用光放大器代替原有的光电光再生中继器 能够大幅度延长系统传输距离 2 在波分复用系统中 它一方面可以同时实现多波长的低成本放大 另一方面 可 以补偿波分复用器 波分解复用器 光纤光缆等无源器件带来的损耗 3 光放大器在接入网中使用 可以补偿由于光分支增加带来的损耗 使得接入网服 务用户增加 服务半径扩大 4 光孤子通信必须依靠光放大器放大光信号 使光脉冲能量大到可以在光纤中满足 孤子传输条件 从而实现接近无穷大距离的电再生段传输 5 光放大器在未来的光网络中必将发现越来越多的新用途 2 光放大器按原理可分为几种不同的类型 答 光放大器按原理不同大体上有三种类型 1 掺杂光纤放大器 就是将稀土金属离子掺于光纤纤芯 稀土金属离子在泵浦源的 激励下 能够对光信号进行放大的一种放大器 2 传输光纤放大器 就是利用光纤中的各种非线性效应制成的光放大器 3 半导体激光放大器 其结构大体上与激光二极管 Laser Diode LD 相同 如果 在法布里 派罗腔 Fabry Perot cavity F P 两端面根本不镀反射膜或者镀增透膜则形成行 波型光放大器 半导体光放大器就是行波光放大器 3 光放大器有哪些重要参数 答 光放大器参数主要有 1 增益 2 增益带宽 3 饱和输出光功率 4 噪声 指数 4 简述掺杂光纤放大器的放大原理 答 在泵浦源的作用下 掺杂光纤中的工作物质粒子由低能级跃迁到高能级 得到了粒 子数反转分布 从而具有光放大作用 当工作频带范围内的信号光输入时 信号光就会得到 放大 这就是掺杂光纤放大器的基本工作原理 只是掺杂光纤放大器细长的纤形结构使得有 源区能量密度很高 光与物质的作用区很长 有利于降低对泵浦源功率的要求 5 EDFA 有哪些优缺点 答 EDFA 之所以得到迅速的发展 源于它的一系列优点 1 工作波长与光纤最小损耗窗口一致 可在光纤通信中获得广泛应用 2 耦合效率高 因为是光纤型放大器 易于与光纤耦合连接 也可用熔接技术 与传输光纤熔接在一起 损耗可降至 0 1dB 这样的熔接反射损耗也很小 不易自激 3 能量转换效率高 激光工作物质集中在光纤芯子 且集中在光纤芯子中的近 轴部分 而信号光和泵浦光也是在近轴部分最强 这使得光与物质作用很充分 4 增益高 噪声低 输出功率大 增益可达 40dB 输出功率在单向泵浦时可达 14dBm 双向泵浦时可达17dBm 甚至可达20dBm 充分泵浦时 噪声系数可低至3 4dB 串话也很小 5 增益特性不敏感 首先是 EDFA 增益对温度不敏感 在 100 C 内增益特性保 持稳定 另外 增益也与偏振无关 6 可实现信号的透明传输 即在波分复用系统中可同时传输模拟信号和数字信 号 高速率信号和低速率信号 系统扩容时 可只改动端机而不改动线路 EDFA 也有固有的缺点 1 波长固定 只能放大 1 55 m 左右的光波 换用其他基质的光纤时 铒离子 能级也只能发生很小的变化 可调节的波长有限 只能换用其它元素 2 增益带宽不平坦 在 WDM 系统中需要采用特殊的手段来进行增益谱补偿 6 EDFA 有光纤通信中哪些应用 答 EDFA 在光纤通信中可以作用 1 光功率放大器 2 光前置放大器 3 光线路 放大器 4 本地网光放大器 7 EDFA 有哪些泵浦方式 答 1 同向泵浦 2 反向泵浦 3 双向泵浦 8 简述喇曼光放大器的放大原理 答 当入射激光功率增加到一定值时 光纤呈现非线性 入射激光发生散射 将一部分 入射功率转移到另一较低的频率 如果这个低频光与高频光相比的频率偏移量由介质的振动 模式所决定 这就是光纤中的受激喇曼散射 受激喇曼散射时 strokes 光显著增强 强度甚 至可以和入射光功率相比拟 且具有一定的方向性和相干性 这时候如果泵浦光和信号光 信 号光波长在泵浦光的喇曼增益带宽内 通过光耦合器输入光纤 当这两束光在光纤中一起传 输时 泵浦光的能量通过 SRS 效应转移给信号光 使信号光得到放大 泵浦光和信号光分 别在光纤的两端输入 在反向传输的过程中同时能实现弱信号的放大 这就是喇曼光纤放大 器的工作原理 9 喇曼光纤放大器可分为哪两种 它们各有什么特点 答 光纤喇曼放大器可分为两类 分立式喇曼放大器 Raman Amplifier RA 和分布 式喇曼放大器 Distributed Raman Fiber DRA 分立式喇曼放大器所用的光纤增益介质比较短 一般在 10km 以内 泵浦功率要求很高 一般在几瓦到几十瓦特 可产生 40dB 以上的高增益 像 EDFA 一样用来对信号光进行集中 放大 因此主要用于 EDFA 无法放大的波段 分布式喇曼放大器要求的光纤比较长 可达 100km 左右 泵浦源功率可降低至几百毫 瓦 主要辅助 EDFA 用于 WDM 通信系统的中继放大 分布式光纤喇曼技术可大大降低信 号的入射功率 同时保持适当的光信噪比 10 喇曼光纤放大器的有哪些优缺点 答 FRA 具有以下优点 1 增益波长由泵浦光波长决定 只要泵浦源的波长适当 理论上可以得到任意波长 的信号放大 增益谱调节方式可通过优化配置泵浦光波长和强度来实现 这样的 FRA 就可 扩展到 EDFA 不能使用的波段 为波分复用进一步增加容量拓宽了空间 2 增益介质可以为传输光纤本身 如此实现的 FRA 称为分布式放大 因为放大是沿 光纤分布作用而不是集中作用 光纤中各处的信号光功率都比较小 从而可降低各种光纤非 线性效应的影响 这一点与 EDFA 相比优势相当明显 因为增益介质是光纤本身 即使泵浦 源失效 也不会增加额外的损耗 而 EDFA 只能放大它能放大的波段 对不能放大的波段由 于光纤掺杂的作用会大大增加信号光的损耗 将来如果发展到全波段 只能用波分复用器将 信号分开 让它放大它只能放大的波段 其它波段则需要另外的光放大器 使得 EDFA 插入 损耗小的优点消失 在分布式 FRA 却能够在线放大 不需要引入其它介质 3 噪声指数低 可提升原系统的信噪比 它配合 EDFA 使用可大大提升传输系统的 性能 降低输入信号光功率或增加中继距离 4 喇曼增益谱比较宽 在普通光纤上单波长泵浦可实现 40nm 范围的有效增益 如 果采用多个泵浦源 则可容易地实现宽带放大 5 FRA 的饱和功率比较高 有利于提高信号的输出光功率 6 喇曼放大的作用时间为飞秒 10 15s 级 可实现超短脉冲的放大 FRA 主要有以下缺点 1 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高 分立式要用几瓦到几十瓦 分布式要用 到几百毫瓦 正是因为这些因素才限制了 FRA 的发展 不过目前已经有了功率达几十瓦的 高功率半导体激光器 不过目前价格还比较昂贵 它也是决定 FRA 能否迅速商品化的主要 前提 2 作用距离太长 增益系数偏低 分立式 FRA 作用距离为几公里 放大可达 40dB 分布式喇曼放大器作用距离为几十到上百公里 增益只有几个 dB 到十几个 dB 这就决定 了它只能适合于长途干线网的低噪声放大 3 对偏振敏感 泵浦光与信号光方向平行时增益最大 垂直时增益最小为 0 由于 目前使用的普通光纤都不保偏 模式混扰的原因使得表现为增益偏振无关 11 喇曼光纤放大器使用过程一定要注意安全 我们在平时维护过程中应从哪几个方面 引起注意 答 喇曼光纤放大器一般有几组不同波长高功率激光器同时泵浦 泵浦总功率甚至超过 30dBm 所以在使用时特别要注意光缆线路安全 仪表设备安全和人身安全 目前商用的喇曼放大器一般都是后向泵浦 泵浦光从信号光的输入端反向输出 这与 我们平时维护其他设备完全不同 后向泵浦光功率一般很高 超出了机房一般光功率计 包括光谱分析仪的测试范围 不要试图直接测试泵浦光的输出功率 泵浦光波长在光纤里传 输损耗较小 如果喇曼光纤放大器没有断开 100km 之外的光时