光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏

光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏第一章习题参考答案

1、第一根光纤是什么时候显现的？其损耗是多少？

答：第一根光纤大约是1950年显现的。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：光纤通信系统要紧由光发送机、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，调制过的光信号通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。

中继器确实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，节约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不处的涂覆层组成的。纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是爱护光纤不受水汽的腐蚀和机械擦伤，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能够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，能够将光纤分为多模光纤和单模

光纤；按光纤的工作波长能够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，能够将光纤分为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）能够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 () 21???≥<=a r n a r n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121?????≥

区不？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?==n NA φ

渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0sin 220?===n n n NA c φ

两者区不：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φ0以内的所有光线都能够满足全反射条件，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：光纤之因此能够导光确实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，并讲明其物理意义。

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）

A A'

2,1,0 2）　＝（则：若：ΛN N B A B

A π=Φ-ΦΦ=Φ'' 即： ()

() 2,1,0 N 221010Λ=='--'N B B n k A A n k πδ 按照平面几何知识，可化简为：

() 2,1,0 cos 210Λ==-N N a n k πδθ

（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2π的整数倍，才会相干加大形成驻波，否则相干抵消。

6．在平均光纤中，什么缘故单模光纤的芯径和相对折射率差Δ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： Vc V <；当 Vc V >时，光纤进行多模传输。

而 ?=?=22210

10a n a n k V λπ。

因此，单模光纤的芯径a 和相对折射率差Δ比多模光纤小。

7．平均光纤纤芯和包层的折射率分不为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Δ；

（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Δ。

解：（1）%3.31.5245.11.5 2n n -n 22

2212221=?-=?＝ （2） 0.39 0.03321.521=??=?=n NA （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

%1.281.5211.5 2n n -n 22

2212

221=?-=?＝ 1.12 0.28121.521=??=?=n NA 而 sin 0φ=NA 最大为1，因此讲只要光纤端面的入射角在90O 以内，就能够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Δ=0.5%，工作波长λ0=1.31μm ，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=5μm ，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，因此归一化截止频率Vc ＝2.405； ()m m n a a n V μπμπλλπ34.3231.1%5.0250.1405.222405.2 405.2220110=???=??<∴

.1%22.0215.121n n 0.22% 2n n -n %22.02

231.1550.1405.222405.2 405.22212212221220110=?-?=?->?

＝πμμπλλπm m a n a n V 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Δ＝5%，纤芯半径2a=50μm ，工作波长λ0=0.85μm 。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，α＝2

因此： 3.4 2

21405.2 21405.2=+?=+?=αVc

()4.36.87%522550.185.022210>=????=?=m m a o n V μμπλπ　Θ 因此该抛物线型渐变多模光纤为多模传输，可传输的模式数为：

19182

6.87222 222

2=?+=?+=V N αα 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：

cos cos cos cos 2

2112211θθθθn n n n R +-=

cos cos cos 2221111θθθn n n T +=

水平极化波： cos cos cos cos 21122112θθθθn n n n R +-=

cos cos cos 2211211θθθn n n T += 11．按照上题证明的结果，推导垂直极化波和水平极化波在全反射情形下介质1和介质2中场的表达式，并简要讲明介质1和介质2中波的特点。

答：垂直极化波在全反射情形下

1sin cos 122212-???? ??-=θθn n j Θ 1cos cos cos cos cos sin sin 2221122111212????????-?+-=∴θθθθθθθc arctg j e n n n n R ＝　

令：12122211cos sin sin θθθc n n arctg -???? ??=Φ

112Φ?=j e R 则　

在介质1中，既有入射波，又有反射波，同时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：

()()11111111101201011

1cos 2 Φ---Φ--Φ+=+='+=z k j x z jk x jk j z jk x jk z z x z x e x k E e e e E e e E E E E

因此，全反射情形下介质1中波的特点是沿X 方向按三角函数规律变化，讲明能量在X 方向上不传播，波呈驻波分布。沿Z 方向呈行波状态，讲明合成波是沿Z 方向传播的，其相位传播常数为 sin 1101θβn k k z ==

在介质2中只有传递波： cos 2 cos cos cos 212122cos sin sin 2221112

211112θθθθθθθc jarctg j e n n n n n n e T T -Φ-=+== z jk x jk j z x e e e T E E 2222012--Φ= ()

21201Φ---=z k j x z e e T E α

由于： 21212102202sin cos ????

??--==n n n jk n k k x θθ sin sin 11102202βθθ====z z k n k n k k 因此： () 2121212102sin 012Φ--???? ??-?-=z k j n n n k x z e e T E E θ

因此，全反射情形下介质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2121210sin ???? ??-?-n n n k x e

θ，讲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2121210sin ???? ??-n n n

k θ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？什么缘故不存在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重量也没有电场重量，且三者两两相互垂直。TE 波在传播方向上只有磁场重量而没有电场重量；TM 波在传播方向上只有电场重量而没有磁场重量；EH 波在传播方向上既有磁场重量又有电场重量，但以电场重量为主；HE 波在传播方向上既有磁场重量又有电场重量，但以磁场重量为主。

（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）上既没有电场重量，又没有磁场重量。即Ez ＝0、Hz ＝0。如果光纤中存在TEM 波，则按照Ez 、Hz 的表达式

能够得到A ＝B ＝0，从而得到Er 、E φ、Hr 、E φ都为零，即光纤中不存在电磁场，因此光纤中全然不存在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：模的特性能够用三个特点参数U 、W 和β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，就能够完整地描述导模的横向分布规律。β是轴向的相位传播常数，表明导模的纵向传输特性。

14．按照TE0n 和TM0n 模在弱导光纤中的特点方程

()()()()W WK W K U UJ U J 0101=- 证明TE0n 和Tm0n 模在截止状态下有：() 00=c U J

证明：按照贝塞尔函数的性质，当W →0时，

() 2ln 0W W K = ()() W 1 2!112111=??? ???-=W W K 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 。 ()()()()()01lim 2ln 1lim lim 020001001=?∞==?==-→→→c c W W W c c c U J U W W W W W WK W K U J U U J 若Uc ＝0，则()()()()0

00000101-=?-=-J J U J U U J c c c ，成为不定型， 因此Uc ≠0，只有() 00=c U J

15．按照HEmn 模在弱导光纤中的特点方程 ()()()()W WK W K U UJ U J m m m m 11--= 试求：HE11、HE12、HE21和HE22模的归一化截止频率Vc 。

解：（1）当m ＝1时，HE1n 在临界状态下的特点方程 ()()()()∞==?==→→→W W W W W WK W K U J U U J W W W c c c 2ln lim 12ln lim lim 0010010 ()???==∴ 001c c U J U 即：Uc ＝0、3.83171、7.01559、10.17347、13.32369……，

（2）当m ≥2时，HEmn 在临界状态下的特点方程 ()()()()()()()1212!1212!221lim lim 12

0101-=??? ???-???? ???-==--→-→-m W m W W m W WK W K U J U U J m m W m m W c m c c m 即：()()()　c m c m c U J m U J U 112--= 按照贝塞尔函数的递推公式：()()() 211c m c c m c c m U J U U J U U mJ +-+=

因此：

()()()

() 022=?c m c c m c c m c c m c U J U U J U U J U U J U －－ ＋＝

Uc ＝0，则()()()()0

000011=?=--m m c m c c m J J U J U U J ，成为不定型， 因此：Uc ≠0，现在只有 () 02=-c m U J 当m=2时，() 00=c U J

Uc ＝2.40483、5.52008、8.65373、11.79153……，

因此，HE11、HE12、HE21和HE22模的归一化截止频率Vc 分不为： HE11模 Vc ＝0

HE12模 Vc ＝3.83171

HE21模 Vc ＝2.40483

HE22模 Vc ＝5.52008

16．按照EHmn 模在弱导光纤中的特点方程

()()()()W WK W K U UJ U J m m m m 11++=- 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 →∞。

按照：()W m W e W W K -∞→=2lim π

()()()()01lim lim 11===-∞→+∞→+W

W WK W K U UJ U J W m m W m m 从而得到： () 01=+U J m U （EH11）＝μ21＝5.13562，

U （EH12）＝μ22＝8.41724

U （EH21）＝μ31＝6.38016

U （EH22）＝μ32＝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、TE 01、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=8μm ，纤芯折射率n1=1.46，相对折射率差Δ=1%，工作波长λ0=1.31μm 。试求此阶跃型光纤中可传输哪些模式？ 解：92.701.02446.131.122210=????=

?=m m

a n V μμπλπ 因此，此阶跃型光纤中可传输HE11、TE01、TM01、HE21、EH11、H E12、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：光缆的差不多结构按缆芯组件的不同一样能够分为层绞式、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，加大构件位于光缆的中心，属中心加大构件配置方式，制造较容易，光纤数量较少（例如12芯以下）时多采纳这种结构。

骨架式光缆中结构简单，对光纤爱护较好，耐压、抗弯性能较好，节约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（一样在100芯以上），作为用户光缆可满足需要；同时每个单元的接续能够一次完成，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 －吸取损耗，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、施工和爱护中都采取了一系列的防水措施。一样直埋光缆从外到内

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．识不光缆型号

GYFTY21-12J50/125（30409）B

GYZT53-24D8/125（303）A

答：（1）GYFTY21-12J50/125（30409）B是非金属加大构件、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50/125μm的二氧化硅系多模渐变型光纤，在1.5 5μm波长上光纤的衰减系数不大于0.4dB/km，模式带宽不大于900MHz·k m，光缆的适用温度范畴是-30℃～+50℃。

（2）GYZT53-24D8/125（303）A是金属加大构件、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8/125μm的二氧化硅系单模光纤，在1.55μm波长上光纤的衰减系数不大于0.3dB/km，光缆的适用温度范畴是-40℃～+40℃。

第三章 光纤的传输特性

1．简述石英系光纤损耗产生的缘故，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取损耗、红外吸取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α。

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()km dB P P km P P L /3.02lg 1010lg 102

221==＝

α 3．光纤色散产生的缘故有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？ 答：（1）按照色散产生的缘故，光纤的色散要紧分为：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，严峻时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，阻碍了光纤的传输带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。 光纤损耗

吸取损耗 本征吸取

杂质吸取 紫外吸取 红外吸取 氢氧根（OH －）吸取 过渡金属离子吸取 散射损耗 弯曲损耗 光纤微弯损耗

4．什么缘故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，同时模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。由于极化色散专门小，一样忽略不计。在多模光纤中，要紧存在模式色散、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，也确实是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。

5．平均光纤纤芯和包层的折射率分不为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） 1sin 21111???? ??-=-=n n C Ln n C L n C L c M θτ () s 1.72145.150.110350.1105μ=??? ??-??=km km （2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则n2=1.0

1sin 21111???? ??-=-=n n C Ln n C L n C L c M θτ () s 5210.150.110350.1105μ=??? ??-??=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不为

n1=1.47，n2=1.45，使用工作波长为1.31μm ，光源的谱线宽度Δλ＝3nm ，材料色散系数Dm ＝6ps/nm ·km ，波导色散τw ＝0，光纤的带宽距离指数γ＝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 s km km n n C Ln M 2.135145.147.1/10347.1215211=??? ??-??=???? ??-=

τ ()ps km nm km nm ps L D m m 3623/6=???=???=λτ ()ns w m M 2.135036.02.135 )(2222=+=++=ττττ总

（2）()MHz ns B T 26.3 2.135441.0 441.0===

τ ()MHz L B B T 68.5226.3 8.0=?=?=γ

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0.85μm ，光源的谱线宽度Δλ＝6nm ，材料色散系数Dm ＝15ps/nm ·km ，波导色散τw ＝10 p s ，光纤的带宽距离指数γ＝0.9。试求：

（1）光纤的总色散；

（2）总带宽和单位公里带宽。

解：（1）()()%34.11.5248.11.5 02n n -0n 22222

c 2=?-=?＝ ()ps s km km C Ln M 898/1030134.05.1221)0(2152

2=????=??=τ ()ps km nm km nm ps L D m m 18026/15=???=???=λτ ()()ps w m M 91810180898 )(2222=++=++=ττττ总

（2）()MHz ps

B T 480 918441.0 441.0==

=τ ()MHz L B B T 8962480 9.0=?=?=γ 8．某系统使用工作波长λ0＝1.31μm ，谱线宽度Δλ＝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Δ＝0.8%，纤芯半径a ＝8μm ，光纤的材料色散系数Dm ＝8ps/nm ·km ，波导色散τw ＝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 s km km C Ln M 7.116%8.0/103458.1351=???=??=

τ ()MHz ns B M 78.3 7.116441.0 441.0===τ ()GHz km nm km nm ps L D B m c 68.3 35/8441.0 441.0=???=???=λ

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、光纤与系统和外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：光纤连接器的结构要紧有套管结构、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专门好，但插针和基座的加工精度要求极高。V形槽结构能够达到较高的精度，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要紧有：插入损耗、附加损耗、分光比、方向性、平均性、偏振有关损耗、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有关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。

平均性定义为在器件的工作带宽范畴内，各输出端口输出功率的最大变化量。

偏振有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畴宽。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截了当与光检测器相连，芯径与数值孔径能够做得大些，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，因此复用器的插入损耗一样比较大。

7.光开关的种类有哪些？有哪些新的技术有待开发？

答：光开关按照驱动方式可分为机械式光开关和非机械式光开关，按照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、技术的进展会有不同的答案，建议按照当时的文献进行回答）

8.光隔离器的功能是什么？其要紧技术参数是什么？

答：光隔离器的功能是只承诺光波向一个方向传播，而阻止光波向其它方向专门是反方向传播。

要紧技术参数有：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，即承诺垂直偏振光顺利通过；检偏器的透振方向是45

°方向，即承诺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、瑞利散射等缘故，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能够将后向光分

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

第五章习题解答

1、比较LED 和LD ，并讲明各自适应的工作范畴。

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。因此，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、试讲明LED 的工作原理。

入射光

反射光

起偏器 法拉第 旋转器 检偏器

答：当给LED 外加合适的正向电压时，Pp 结之间的势垒（有关于空穴）和Np 结之间的势垒（有关于电子）降低，大量的空穴和电子分不从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可不能分不扩散到P 区和N 区），在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸取及其它衰减而产生自发辐射的光输出。

3、试讲明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第一发生自发辐射现象，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不处输出激光。

4、什么缘故应用单纵模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L D 的调制带宽比LED 的调制带宽大得多，因此单纵模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 。试咨询该激光物质所能辐射的光波长是多少？

答：

=1.24/0.85

=1.55

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、受激辐射及受激吸取三种差不多过程。

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。 g

E 24.1

0≈λ（μm ）

8、在光纤通信系统中，光源什么缘故要加正向电压？

答：利用外加适当的正向电压能够实现发光物质的粒子数反转分布状态，从而使物质总体出现发光过程。

9、光发送机要紧由哪些部分组成？各部分的作用是什么？

答：光发送机要紧由光源、驱动电路及辅助电路等构成。驱动电路的要紧作用是为光源提供要求的驱动电流；光源的要紧作用是完成电光变换（光调制）；辅助电路要紧完成自动功率操纵、自动温度操纵及光源爱护等功能。

10、光调制方式有哪些？目前的数字光纤通信系统采纳的是数字调制方式？依旧模拟调制方式？

答：光调制方式要紧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。按照光源与调制信号的关系，能够将光源的调制方式分为直截了当调制方式和外部（或间接）调制方式；按照已调制信号的性质，能够将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。从调制的本质上来讲，目前的数字光纤通信系统采纳的是模拟调制方式。

11、若归一化调制信号波形为x(t)=sin Ωt ，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(Ωt)]cos2(ωct+φ0)＞

= KT2/2＜[1+msin(Ωt)]＞+ KT2/2＜[1+msin(Ωt)] cos2(ωct+φ0)＞

= KT2/2

12、一个优良的驱动电路一样要满足哪些要求？

答：能够提供较大的、稳固的驱动电流；有足够快的响应速度，最好大于光源的驱动速度；保证光源具有稳固的输出特性。

13、在光发送机中，什么缘故要设置APC 电路？

[])

cos()sin(1)(02/1φω+Ω+=t t m K t e c T T

答：要紧是为了保持LD光发送机输出的平均光功率达到稳固，同时具有爱护光源安全的作用。

14、在光发送机中，要紧应用哪些类型的自动功率操纵电路？

答：在光发送机中，要紧应用一般电参数自动功率操纵电路和光电反馈自动功率操纵电路。

15、什么缘故讲图5.18电路具有连“0”爱护作用？

答：在输入信号为连“0”时，A1和A3的输出的增加差不多相同，因此可不能使光源的输出光功率增加或增加专门大，因此具有爱护LD的功能。

16、在光发送机中，什么缘故要设置ATC电路？

答：为了保证光发送机具有稳固的输出特性，对LD的温度特性进行操纵是专门必要的，而且对LD的温度操纵也是爱护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：当某种缘故引起光源温度升高时，热敏电阻RT阻值降低，使由R 1、R2、R3及RT组成的电桥失去平稳，A1放大器反向输入端电位提升，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。因此，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，直至差不多复原到原先的温度。

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？它们分不使用于什么场合？

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，它们分不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？什么缘故要工作在如此的状态下？

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取占据主导地位，从而完成光电变换功能。

3、在PINPD 中，I 层半导体材料的要紧作用是什么？

答：通过扩展受激吸取的区域提升光电变换的效率及通过一定的内建电场提升器件的响应速度。

4、简述PINPD 的工作原理。

答：当光照耀到PIN 光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区邻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，一样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：当光照耀到APD 的光敏面上时，由于受激吸取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，通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？ 24.1ηλ

ρ=

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。因此，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？这些组成部分分不对PINPD 和APD 的暗电流有何阻碍？

答：由表面暗电流和体内暗电流组成。关于PINPD ，表面暗电流远大于体内暗电流。关于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？什么缘故？

答：当M

10、在非相干检测方式或直截了当功率检测方式中，什么讲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。

答：在非相干检测方式或直截了当功率检测方式中，实际上是从解调信号的平方项中接收有用信号的。因此，常常称光电检测器为平方率检测器。

[]t t mx K t e c T R ωcos )(1)(2

/1+=()()()()[]{()[]}[]{[]}

[]t

E t t Dx t t mx C t Bmx A t t mx K t t mx t t mx K t t mx K t e t e t y c c c c T c c T c T R R PD ωωωωαωααωαωαααααcos 2cos )(cos )(1)(2cos 2121)(1cos )(1cos 1cos 12/1222/1102222/1102210+++++=??? ??-++++=++++=++=