光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏

1、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

2、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()()m00 1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

3、；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n r =n1n2r ar a渐变型光纤的折射率分布n r = r a n 1-2d a nc1 2r ar a3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na =sinf0=n12d渐变型光纤的数

4、值孔径na =sinf0= n (0)2-n2c=n(0)2d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 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

5、传播的模式称之为传导模，简称导模。（2）ab2ak nba若：f =fa b则：f -f =2 np （n0,1,2 l ） a b 即： (knaa-2d)-knbb=2np (n=0,1,2 l 0 1 0 1)122 2222 22102根据平面几何知识，可化简为：2 k n a cos q-d=np 0 1(n=0,1,2 l)（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

6、的归一化截止频率 vc，即：v vc时，光纤进行多模传输。而v =k n a 2d = 0 12pl0n a 2d1。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 n =1.50，n =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 。解：（1）dn - n1 22n1=1.5 2 -1.452 1.5 22=3.3%（2）na =n12 d =1.5 2 0.033 =0.39（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则相当于包层的折射

7、率 n =1，则dn - n1 22n1=1.5 2 -12 2 1.5 2=28.1%na =n12 d =1.5 2 0.281 =1.12而na =sinf0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 n =1.50，相对折射率差 =0.5%，工作波长 =1.31m， 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=5m，保证光纤单模传输时，n 应如何选择？解：（1）因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频率 vc2.405；1.50 5 mm 2p2 2202p1q v =2pl0n a 2

8、d 2.405 1a 2.405n 2 d1l02p=2.405 1.50 2 0.5%1.31mm2p=3.34(mm)（2）若 a=5m，保证光纤单模传输时，v =2pl0n a 2 d 2.405 12.405 l 0 n a 2pd 122= 2.405 1.31mm 22=0.22%dn - n1 22n1n211 -2 d =1.5 1 -2 0.22% =1.49679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=50m，工作波长 =0.85m。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：vc =2.

9、405 1 +2a2=2.405 1 + =3.42q v =2pl0n(o)a2d = 1.50 25mm 2 5% =87.6 3.40.85 mm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： a v 2 2 87.6 2n = = =1918a+2 2 2 +2 210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：n cos q -n cos qr = 1 1 2 2n cos q +n cos q1 1 2 22n cos qt = 1 1 n cos q +n cos q1 1 22水平极化波：n cos q -n cos q r = 2

10、1 1 2n cos q +n cos q 2 1 1 2 n22()212n cos qt = 1 1 n cos q +n cos2 1 1q211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q cos q =-j2n 1 2sin2q -11n cos q -n cos q r = 1 1 2 2n cos q +n cos q 1 1 2 2 1 ej 2 arctgsinq -sin1cos q12qc令：f =arctg1n 1n22sin2q -sin1co

11、s q12qc则 r =1 ej 2 f1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：e =e +e =e e -jk1 x x e -jk1 z z +e e 1 1 01 01=2 e cos(k x +f )e-jk1zz-f1 01 1x 1j 2 f1 e jk1 x xe-jk z1 z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b=k =k n sinq 1z 0 1

12、 1在介质 2 中只有传递波：t =t ej 2 f22n cos q= 1 1 n cos q +n cos1 1 2q2=2n cos q1 1ejarctgsinq -sin1cos q12qcn12-n22e =e te2 01j 2 f2 e -jk 2 x x e -jk 2 z z=e t e01-axe-j (k z -2f 1 z2)由于：k2 x=k n cos0 2q =-jk n 2 0 1sin2nq - 2n12k2 z=k n sin0 2q =k n sin 2 0 1q =k11 z=b2zzz zr r 0n0n() ( )0n0n1( ) ( )1所以：e

13、 =e t e 2 01-xkn 0 1sin2q-1n2n12e-j(k z -2f 1 z2)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e-xkn 0 1sin2q-1n2n12，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k n0 1sin q-1n2n12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

14、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 e 0、 h 0。如果光纤中存在 tem 波，则根据 e 、h 的表达式可以得到 ab0，从而得到 e 、 e 、h 、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

15、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 te 和 tm 模在弱导光纤中的特征方程j (u) k (w)- 1 = 1uj u wk w0 0证明 te 和 tm 模在截止状态下有：j (u0c)=0证明：根据贝塞尔函数的性质，当 w0 时，k (w)=ln 02w1 2 1k w = 1 -1 ! =2 w w模式处于临界状态时，w0，

16、对应的径向归一化相位常数记为 uc。( )( )( )()mnm -1 = m -111 12 21221nln=lim=lim=lim ln =w c( )cmnm -2( )( )( )=lim=lim( )( )( )m -1( )c m cm()( )()j (u) k (w) - 1 c =lim 1u j u w 0 wk w c 0 c 0 u j (u)=0 c 0 c=limw 01ww ln2w1=lim = w 0 w 2若 uc0，则-j (u) j (0) 0 1 c =- 1 =-u j u 0 j 0 0 c 0 c 0，成为不定型，所以 uc0，只有j (u0c

17、)=015根据 he 模在弱导光纤中的特征方程j (u)k (w)uj (u)wk (w)m m试求：he 、he 、he 和 he 模的归一化截止频率 vc。 解：（1）当 m1 时，he 在临界状态下的特征方程2j 0 (uc) k 0 (w) w 2u j (u) w 0 wk (w)w0 1 w 0 wc 1 c 1w u =0 j u =01 c即：u 0、3.83171、7.01559、10.17347、13.32369，（2）当 m2 时，he 在临界状态下的特征方程1 2 m -2 ! j u k w 2 w 1 m -1 c m -1 =u j u w 0 wk w w 0

18、1 2 2 m -1w m -1 ! 2 w 即：u jcm(uc)=2(m-1)jm -1(u)c根据贝塞尔函数的递推公式：2 mjm(uc)=u jcm -1(uc)+u jcm +1(uc)所以：u j (u)uj (u)uj (u)c m c c m2 c c m c u j u =0c m2 cuc0，则j (u) j (0)0 m -1 c = m -1 =u j u 0 j 0 0 c m c m，成为不定型，所以：uc0，此时只有jm -2(uc)=0c11 12 212211122122mnm +1 = m +111 12 2122()( )11 2112 2221 3122

19、 32212111 01 011110111 01 01 21 11 12 31 2141 02 02 22 31 51 12 13 32当 m=2 时，j (u0c)=0u 2.40483、5.52008、8.65373、11.79153，所以，he 、he 、he 和 he 模的归一化截止频率 vc 分别为： he 模 vc0he 模 vc3.83171he 模 vc2.40483he 模 vc5.5200816根据 eh 模在弱导光纤中的特征方程-j (u)k (w)uj (u)wk (w)m m试求：eh 、eh 、eh 和 eh 模在远离截止时的径向归一化相位常数 u 值。 解：远离

20、截止时，w。根据：lim kw m(w)=p2we-w-j (u) k (w) 1m +1 = lim m +1 = lim =0 uj u w wk w w wm m从而得到：jm +1(u)=0u（eh ） 5.13562，u（eh ） 8.41724u（eh ） 6.38016u（eh ） 9.7610217如果在导弱光纤中存在 eh 模，则光纤中至少还存在哪些模式？如果光纤中只让 he 模存在，则光纤的归一化频率 v 必须满足什么条件？11答：如果在导弱光纤中存在 eh 模，则光纤中至少还存在 he 、te 、tm 三种模式。 如果光纤中只让 he 模存在，则光纤的归一化频率 v 必须

21、小于 2.40483。18已知阶跃型多模光纤，其纤芯半径a=8m，纤芯折射率 n =1.46，相对折射率差 =1%， 工作波长 =1.31m。试求此阶跃型光纤中可传输哪些模式？解：v =2pl02pn a 2 d = 1.46 4 mm 2 0.01 =7.921.31mm所以，此阶跃型光纤中可传输 he 、te 、tm 、he 、eh 、he 、he 、eh 、 he 、te 、tm 、he 、eh 、he 、eh 、he 、he 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

22、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

23、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

24、别光缆型号gyfty21-12j50/125（30409）bgyzt53-24d8/125（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 50/125m 的二氧化硅系多模渐变型光纤，在 1.55m 波长上光纤的衰减系数不大于 0.4db/km，模式带 宽不大于 900mhzkm，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

25、 24 根模场直径/包层直径为 8/125m 的二氧 化硅系单模光纤，在 1.55m 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。121 212第三章光纤的传输特性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）本征吸收紫外吸收红外吸收光纤损耗吸收损耗散射损耗弯曲损耗氢氧根（oh）吸收 杂质吸收过渡金属离子吸收 原子缺陷吸收瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗 光纤弯曲损耗光纤微弯损耗（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

26、功率的一半。 求：光纤的损耗系数 。解：设输入端光功率为 p ，输出端的光功率为 p 。则 p 2p光纤的损耗系数10 p 10 2 p a lg 1 = lg 2l p 10km p 2 2=0.3(db/ km )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

27、：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 n =1.50，n =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

28、时延差。 52 c5( )12mw 5cmwc2解：（1）tm=cn1lsinqc-l ln n = 1 1 -1c c n2n1=10km 1.50 1.503 10 km 1.45-1=1.72 (ms)（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则 n =1.0tml l ln n = - = 1 1 -1c c c nsin q 2n n1 1=10km 1.50 1.503 10 km 1.0-1=25 ms 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 n =1.47，n =1.45， 使用工作波长为 1.31m，光源的谱线宽度 3nm，材料色散系数 d 6ps/nmk

29、m，波 导色散 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）tm=ln n 2km 1.47 1.47 1 1 -1= c n2 3 10 km / s 1.45-1=135.2(ns) tm=d dll=6ps / nm km 3nm 2 km =36 (ps) mt总= tm2+(tm+t) 2 = 135.2 2 +0.036 2 =135.2(ns) w（2）b =t0.441 0.441=t 135.2ns=3.26(mhz)b =b lg=3.26 2 0.8 =5.68(mhz )t7一制造长度为 2km 的抛物线型渐变多模光

30、纤，纤芯轴线处的折射率 n(0)1.5，包层的折 射率 n =1.48，使用工作波长为 0.85m，光源的谱线宽度 6nm，材料色散系数 d 15ps/nmkm，波导色散 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）dn(0)2-n2 2n (0)2=1.5 2 -1.482 1.5 22=1.34%tm1 ln (0) 1 2km 1.5 0.0134 = d = 2 c 2 3 10 5 km / s2=898(ps)0.44101mw( )tm=d dll=15ps / nm km 6 nm 2 km =180 (ps) mt

31、总= tm2+(tm+tw)2= 8982+(180+10)2=918(ps)（2）b =t0.441t= =480(mhz ) 918 psb =b lg t=480 20.9=896 (mhz )8某系统使用工作波长 1.31m，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 n =1.458，相对折射率差 0.8%，纤芯半径 a8m，光纤的材料 色散系数 d 8ps/nmkm，波导色散 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：tm=ln 3km 1.458 1 d=c 3 10 5 km / s0.8% =116.7 (ns)b

32、=m0.441 0.441=t 116.7 ns=3.78(mhz )b =c0.441 0.441= =3.68 ghz d dll 8 ps / nm km 5nm 3kmm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

33、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

34、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 光功率的最大变化量。变化时，器件各输出端口输出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

35、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

36、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：入射光起偏器法拉第旋转器检偏器反射光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，

37、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：1 2312.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混合光反射型光栅反射 波长1550nm31550nm 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

38、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

39、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。t ttc 0ttc 0t4、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

40、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：l01 .24eg=1.24/0.85=1.55 （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

41、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)=sint，试写出已

42、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：e (t ) =k 1+msin(wt ) t tp =e 2(t)1/2cos(w t +f) c 0=k 21+msin(t)cos2( t+ )= k 2/21+msin(t)+ k 2/21+msin(t) cos2( t+ )= k 2/212、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t1 2

43、 3 t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

44、光源温度升高时，热敏电阻 r 阻值降低，使由 r 、r 、r 及 r 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。optopt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

45、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、

46、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：r=hl1.24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？