大学三年级光纤通信第二版考试试题A卷及答案

2019-2020年中央广播电视大学三年级期末考试试卷《光纤通信(第二版)》考试试题A卷及答案1、一光电二极管，当入=1.3口m时，响应度为0.6A/w,计算它的量子效率。2、如果激光器在入=0.5口m上工作，输出1w的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。3、光与物质间的互作用过程有哪些？4、什么是粒子数反转?什么情况下能实现光放大？5、什么是激光器的阈值条件？6、由表达式E=hc/人说明为什么LED的FWHM功率谱宽在长波长中会变得更宽些。7、什么是雪崩倍增效应？8、设PIN光电二极管的量子效率为80%,计算在1.3rm和1.55rm波长时的响应度，并说明为什么在1.55rm处光电二极管比较灵敏。9、光检测过程中都有哪些噪声？9、激光器(LD)产生弛张振荡和自脉动现象的机理是什么？它的危害是什么？应如何消除这两种现象的产生?11、LD为什么能够产生码型效应?其危害及消除办法是什么？12、在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC?功率自动控制实际是控制LD的哪几个参数？13、在LD的驱动电路里，为什么要设定温度自动控制电路?具体措施是什么？控制电路实际控制的是哪几个参数？14、光接收机的前置放大器选择FET或BJT的依据是什么？15、为什么光接收机的前置放大器多采用跨组型？16、在数字光接收机中，设置均衡滤波网络的目的是什么？17、在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路？18、数字光接收机量子极限的含义是什么？19、已测得某数字光接收机的灵敏度为10pw，求对应的dBm值。20、在数字光纤通信系统中，选择码型时应考虑哪几个因素?试卷答案解析1、一光电二极管，当入=1.3um时，响应度为0.6A/w,计算它的量子效率。解：由于响应度为P=Ip/P。，则量子效率为Ihf hc仆,6.628x10-34x3x108H= 」二p「二0.6x =57.4%Pe 九e1.3x10-6x1.6x10-1902、如果激光器在入=0,5um上工作，输出1w的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。解：波长入=0.5um的光子能量为hc 6.63x10-34（J・s）x3x108m/s——= =3.978x10-19J九 0.5x10-6m则每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数为1W1Wx1s3.978x10-19Jx2.5x10（个）3、光与物质间的互作用过程有哪些?答：光与物质之间的三种相互作用包括受激吸收、自发辐射和受激辐射。(1)受激吸收。在正常状态下，电子处于低能级£。，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级门上，这种跃迁称为受激吸收。(2)自发辐射。在高能级门的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级片上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。(3)受激辐射。在高能级E的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低2能级E上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。24、什么是粒子数反转?什么情况下能实现光放大？答：假设能级片和与上的粒子数分别为\和1，在正常的热平衡状态下，低能级片上的粒子数\是大于高能级门上的粒子数N2的，入射的光信号总是被吸收。为了获得光信号的放大，必须将热平衡下的能级E。和E：上的粒子数N1和N：的分布关系倒过来，即高能级上的粒子数反而多于低能级上的粒子数，这就是粒子数反转分布。当光通过粒子数反转分布激活物质时，将产生光放大。5、什么是激光器的阈值条件？答：对于给定的器件，产生激光输出的条件就是阈值条件。在阈值以上，器件已经不是放大器，而是一个振荡器或激光器。6、由表达式E=hc/人说明为什么LED的FWHM功率谱宽在长波长中会变得更宽些。解：LED的FWHM功率谱宽是指光强下降一半的两点间波长变化范围。设长波长对应的中心波长和平均带隙分别为仁和E1,短波长对应的中心波长和平均带隙分别为九和£。已知〜>九，则E>E1,如图示，A\和△九分别为〜和九。对应的FWHM功率谱宽，易得AX1>AX。7、什么是雪崩倍增效应？答雪崩光电二极管工作时外加高反向偏压(约100〜150V),在PN结内部形成一高电场区，入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二

次电子空穴对。如此重复，使载流子和反向光生电流迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。8、设PIN光电二极管的量子效率为80%,计算在1.3rm和1.55rm波长时的响应度，并说明为什么在1.55rm处光电二极管比较灵敏。解对于PIN光电二极管，其响应度R定义为光生电流Ip(A)与输入光功率Pn(W)之比，即p=会(A/W)p=*(A/W)in in因为人射光功率P(w)对应于单位时间(秒)内平均入射的光子数p./(hf),而入射光子以量子效率n部分被吸收，并在外电路中产生光电湍，则有响应度hc1.24hc1.24波长为1.3日m时，p=0；；；.3x0.84（A/W）波长为1.55^m时，p=0,8X1,55x1（A/W）1.24由上式可知，在量子效率一定时，响应度P与波长入成正比。所以有PIN在1.55um处的灵敏度高于在1.3um处。9、光检测过程中都有哪些噪声？答光检测器的噪声主要包括由光生信号电流和暗电流产生的散粒噪声以及负载电阻产生的热噪声。热噪声来源于电阻内部载流子的不规则运动。散粒噪声源于光子的吸收或者光生载流子的产生，具有随机起伏的特性。光生信号电流产生的散粒噪声，称为量子噪声，这种噪声的功率与信号电流成正比，因此不可能通过增加信号光功率提高信噪比。在没有外界入射光的作用下，光检测器中仍然存在少量载流子的随机运动，从而形成很弱的散粒噪声，称为暗电流噪声。所以在有信号光作用的时间内，主要考虑量子噪声和热噪声；而在没有信号光的期间，主要考虑暗电流噪声和热噪声。10、激光器(LD)产生弛张振荡和自脉动现象的机理是什么？它的危害是什么？应如何消除这两种现象的产生？答当电流脉冲注人激光器后，输出光脉冲出现幅度逐渐衰减的振荡，称为弛张振荡。弛张振荡的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近弛张振荡频率时，波形失真严重，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际中最高调制频率应低于驰张振荡频率。某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下，当注入电流达到某个范围时，输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡，这种现象称为自脉动现象。自脉动频率可达2GHz，严重影响LD的高速调制特性。11、LD为什么能够产生码型效应?其危害及消除办法是什么？答半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲和输入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间，称为光电延迟时间。当光电延迟时间与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时，会使“0”码过后的第一个“1”码的脉冲宽度变窄，幅度减小。严重时可能使“1”码丢失，这种现象称为码型效应。码型效应的特点是在脉冲序列中，较长的连“0”码后出现“1”码，其脉冲明显变小而且连“0”码数目越多，调制速率越高，这种效应越明显。码型效应的消除方法是用适当的“过调制”补偿方法。12、在LD的驱动电路里，为什么要设置功率自动控制电路APC?功率自动控制实际是控制LD的哪几个参数？答在LD的驱动电路里，设置功率自动控制电路(APC)是为了调节LD的偏流，使输出光功率稳定。功率自动控制实际是控制LD的偏置电流、输出光功率、激光器背向光平均功率。13、在LD的驱动电路里，为什么要设定温度自动控制电路?具体措施是什么?控制电路实际控制的是哪几个参数？答在LD的驱动电路里，设置自动温度控制电路是因为半导体光源的输出特性受温度影响很大，特别是长波长半导体激光器对温度更加敏感，为保证输出特性的稳定，对激光器进行温度控制是十分必要的。温度控制装置一般由致冷器、热敏电阻和控制电路组成。致冷器的冷端和激光器的热沉接触，热敏电阻作为传感器，探测激光器结区的温度，并把它传递给控制电路，通过控制电路改变致冷量，使激光器输出特性保持恒定。控制电路实际控制的是：换能电桥的输出、三极管的基极电流和致冷器的电流。14、光接收机的前置放大器选择FET或BJT的依据是什么？答光接收机的前置放大器选择FE'I、或BJT的依据是噪声特性、放大量和带宽。前置放大器必须是低噪声放大器。FET主要特点是输入阻抗高、噪声小、但高频特性较差，适用于低速率传输系统；而BJT主要特点是输入阻抗低、噪声较大、电路时间常数RC小，因而码间干扰小，适用于高速率传输系统。15、为什么光接收机的前置放大器多采用跨组型？答在光接收机的前置放大器采用跨组型，是因为跨组型前置放大器改善了带宽特性及动态范围，并具有良好的噪声特性。16、在数字光接收机中，设置均衡滤波网络的目的是什么？答在数字光接收机中，设置均衡滤波网络的目的是对经光纤传输、光/电转换和放大后产生畸变（失真）的信号进行补偿，以减小或消除码间干扰，并使输出信号的波形（一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形）适合于判决，减小误码率。17、在数字光接收机中，为什么要设置AGC电路？答自动增益控制（AGC）使光接收机具有较宽的动态范围，以保证在入射光强度变化时输出电流基本恒定。由于使用条件不同，输入光接收机的光信号大小会发生变化，为实现宽动态范围，采用AGC是十分有必要的。AGC一般采用接收信号强度检测(一般设在放大器输出端)及直流运算放大器构成的反馈控制电路来实现。对于APD光接收机，AGC控制光检测器的偏压和放大器的增益；对于PIN光接收机，AGC只控制放大器的增益。18、数字光接收机量子极限的含义是什么？答光接收机可能达到的最高灵敏度，这个极限值是由量子噪声决定的，所以