光子学与光通信导论——复习
光线通信复习资料.doc
求解Bessel方程的过程，实际上就是根据边界条件和场分布选择适当的Bessel函数的过程。
解的形式其中峙计〃导波模的径向归一优相位秫时•⑶-启”；1己归导波模的径向归一化衰祛常数定义尸*奇•峙/诚-MI.(颖y称为光钎的旧一尤兼率，与光纤的结构券数和工作波长有关所以有V专T^FA=咨博 -归一化频率V,结构参数AU、W、V是无傲纲参数1. 假设一阶跃折射率光纤，其参数a = 6/m， A =0.002, nl = l.5,当光波长X分别为1.55pm, 1.3呻和().85pm时，求光纤中可以传输哪些导模？= ^lllxl.5x j2x0.0021.55=2.307(2.405 所以，光纤中导模只有作口模;= ±^xl.5xV2x0.002 =4.210.85・.・3.832〈V = 4.21(5,二光纤中的导模只有HE.},TE^,TM(II,HE2}.EH}pHEyi,HEn模。
V =籍^农;=籍农整^= ^^xl 5x^2x0 002 = 275・.・24)必=275(3 832光纤中的导模只有/坞! .7^： .73^ .吗挨?2. 一阶跃折射率光纤，其纤芯半径a=25P m,折射率nl=1.5,相对折射率差A=I%,长度L=lkm°求：(1) 光纤的NA；<2)子午光纤的最大时延差；(3)若将光纤的包层和涂敷去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。
Ar InGaAs -PW ：玄旧带宽= ---------- ------ = \AGHz2才 I &[ + C RC INA =』莆=71.5^1.02 =0.5 =白"2n^c1.5x1 n > = --------- x 0.5"3x10，=1.25*10七a-40^f. A-0W3. 射率用,・148.试I 司此光v可希 r.—.— X 148X 40X 10472X 0 003«22X L 131X10^B TB.^7W tl «m«-R,ntJl»l< -240$.昱X/<240$・故不It 侍倍波*为 1 32“的 Wnw.m«T7Z ；1in7W tl «.具«ut 液长为A =冷叩应= ^-x1 48x4 0x10^72 x 0 003 = 1 20 次旧入射光波*S3干! 20sM ・才诡作拾・例2：已知Si-PIN 光电二极管的耗尽区宽度为40um, InGaAs-PIN 光电二极管的耗尽区宽度为4um,两者的 光生载流子漂移速度为105m/s,结电容为IpF,负载电 Mrt *f , c — zx -IS. 、4-rrf •fd.1▼一 A” ■，.息夕 q1例题3Si-PIN 光电二极管具有直径为0.4mm 的光敏面，当波 长700nm 的红光以强度O.】mW ，cm2入射时，产生56.6 nA 的光电流’求该光电二极管的响应度和睛子效率• 解：因入射光强I-0.lmW/cm2,所以入射光功率为已顼二 ^OWcm^CO.lxlO^W/cm^i126X 107W=0.126〃W响应度：^ = H=156.6x10，A ，/iL26x1(T'W,« 0 45A/W扯子效率:{6.63x10^1.s)(3x!0t m/s“045A/W ， ---------------- ------------------- ------ = 0 8=80% :Ar = NA = J M； =n, V2A = I.5x 72x0.01 = 0.21 2〃|C n 】L A =需网 = 5x10%(1.6xW19C|(700xl0^mi例题4PIN 光电二极管的分布电容是5pF,由电子•空穴渡越时 间限制的上升时间是2ns,计算3dB 带宽和不会显著增 加上升时间的最大负栽电阻。
光通信复习题(二).doc
光通信一、填空:1、通信系统的容量通常用GHz • km表示,对于光纤通信系统，若仅从光纤的角度考虑，容量受带宽限制。
2、G652光纤有三个低损耗传输窗口，分别为850nm、1310nm与1550nm。
3、多模光纤的色散主要是材料色散和波导色散，单模光纤色散主要包括：(1)材料色散，(2)波导色散。
在阶跃折射率分布光纤中只传输单模的条件是归一化频率V小于Z405,此单模为—模。
5、在光纤通信系统中，光功率通常用dBm来表示，如果耦合进光纤中的光功率为-13 dBm,则相当于0.05 mW光功率。
6、光纤从横截面上看由3部分组成，即：(1), (2), (3)o7、光纤的数值孔径代表光纤的接收和传输光的能力。
8、光缆中护层的作用主要是避免光纤受__机械和环境的破坏。
9、色散位移单模光纤与G.652光纤的不同之处是其工作频率为 1.94x 10的14次方HZ,其目的是将零色散区域移到损耗较低的波长。
10、从通信的角度看单模光纤与多模光纤在性能上的主要区别为单模色散小，通信容量大。
11、在光通信中，表征光纤性能的两个主要参数是(1) 色散，(2) 损耗。
12、非零色散位移光纤与色散位移光纤的区别是工作区域有适量色散,其目的是抑制非线性效应。
13、渐变折射率分布多模光纤相对于阶跃折射率分布多模光纤的优点是色散较小。
14、在由于光纤通信中采用介质波导来传输信号，而且光信号又是集中在纤芯中传输的，因此光纤通信具有很强的一抗电磁干扰一能力。
15、从折射率的角度对光纤进行分类，可分为：和16一量子效率一是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。
17单模光纤的群速度色散导致的光脉冲展宽与(1)光源的频谱宽度及(2)调制带宽有关。
18、从光纤的集光能力考虑，希望数值孔径越大 (填“大”或“小”)越好，而从通信速率角度考虑，则希望数值孔径越小 (填“大”或“小”)越好。
19、单模光纤有色度色散、及偏振模色散色散,后者一般只在高速系统中才考虑。
光通信复习及(3)幻灯片PPT
A P S P R 2 c N s fL M
其中N为光纤接头数，假设每盘光纤长度为Lf，
则有： N LL f 1
则传输距离为：
LP SP Rf 2 sc L f sM
例，某光接收机的灵敏度为-42dBm,光源为50μw(-13dBm) 的平均光功率耦合进光纤，功率富裕度为6dB,发送机和接收 机的连接器损耗为1dB,光纤损耗（包含接头损耗） αf=3.5dB/km求传输距离。
解
A P S P R ( 1 ) ( 3 4 ) 2 d 9 B
A P SP R2 cN s fLM
2 13 .5L6
得 L=6km
2.数字系统的设计
2）色散系统的上升时间
当光纤损耗很小的时候，色散是限制传输距离的主要因素。 上升时间：系统在阶跃脉冲作用下，从幅值的10%上升到
90% 所需的响应时间。 链路总的脉冲展宽时间tsys：每种因素引起的脉冲展宽时间ti的
输入 P
C
M 端 机
电信号 光信号
光信号 电信号
输光
光
光输
入发 中 接出
接送
继
收接
口机
器
机口
P 输出
C
M 端 机
5.2 数字光纤通信系统组成原理图
用户输入的电信号是模拟信号（如声音、图 像），这些电信号在PCM端机中被转换为数字信
号。 PCM编码过程包括：抽样、量化、编码
图5.3 PCM 编码 过程
平方和的平方根。 tsys N ti212 1
限制数据速率的几个因素： 发送机展宽时间ttx：主要由光源和驱动电路决定； 接收机展宽时间trx：主要由光检测器响应和接收机 前端3dB带宽决定。如果光接收机的3dB电带宽Brx用 兆赫兹表示，则接收机前端的展宽时间可用纳秒表 示为：
光通信复习及课件53050
由于温度变化和工作时间加长，LD的输出光功率会发生变
化。为保证输出光功率的稳定， 必须改进电路设计。图4.8是利
用反馈电流使输出光功率稳定的LD驱动电路，其主体和图4.7相
同，只是由V3支路为LD提供的偏置电流Ib受到激光器背向输出
光平均功率和输入数字信号均值
U
的控制。
in
+U
PD
LD
检测器
输出监测
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方 向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源 最重要的技术指标。
2. 直接光强调制的数字光发射机主要电路有:调制电路、控制
电路和线路编码电路
采用激光器作光源时，还有偏置电路
对调制电路和控制电路的要求如下：
(1) 输出光脉冲的通断比(全“1”码平均光功率和全“0”码平 均光功率的比值，或消光比EXT的倒数)应大于10，以保证足 够的光接收信噪比。
(4) 应采用自动功率控制(APC)和自动温度控制(ATC)， 以 保证输出光功率有足够的稳定性 .
3. 电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码，而光
源不能发射负脉冲， 要变换为适合于光纤传输的单极性码。
双极性码：双极性一般指的是用正、负电平脉冲代表0、1 单极性码：一般情况下是指单极性非归零，即0、1分别由脉 冲的有无来代表 。
发射光束的方向性要好，即远场的辐射角要小，以利于提 高光源与光纤之间的耦合效率。
(3) 允许的调制速率要高或响应速度要快， 以满足系统的 大传输容量的要求。
(4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定 性好， 可靠性高，寿命长。
(5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格 便宜。
光通信复习讲义及课件
图 4.3 光脉冲瞬态响应波形
张弛振荡和电光延迟的后果是限制调制速率。
当最高调制频率接近张弛振荡频率时，波形失真严重，会 使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调 制频率应低于张弛振荡频率。
2.
这些特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在电 路的设计时要给予充分考虑。
1. 电光延迟和张弛振荡现象
半导体激光器在高速脉冲调制下，输出光脉冲瞬态响应波 形如图4.3所示。
输出光脉冲和注入电流脉冲之间存在一个初始延迟时间， 称为电光延迟时间td，其数量级一般为 ns。
当电流脉冲注入激光器后，输出光脉冲会出现幅度逐渐衰 减的振荡， 称为张弛振荡，其振荡频率fr(=ωr/2π)一般为0.5~2 GHz。
(4) 器件应能在常温下以连续波方式工作， 要求温度稳定 性好， 可靠性高，寿命长。
(5) 此外，要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格 便宜。
以上各项中，调制速率、谱线宽度、输出光功率和光束方 向性，直接影响光纤通信系统的传输容量和传输距离，是光源 最重要的技术指标。
2. 直接光强调制的数字光发射机主要电路有:调制电路、控制
光源是实现电/光转换的关键器件，在很大程度上决定着 光发射机的性能。
电路的设计应以光源为依据，使输出光信号准确反映输入 电信号。
输入 接口
电信号输入
驱动 电路
光源
光调 制器
光信号输出
保护 电路
自动 偏置
图 4.2 数字光发射机方框图
1.
对通信用光源的要求如下
(1) 发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致，即中心波 长应在0.85 μm、 1.31 μm和1.55 μm附近。
光纤通信复习题（共5篇）
光纤通信复习题（共5篇）第一篇：光纤通信复习题1光通信系统组成及各部分作用2光通信系统分类及主要特点3光通信三个窗口是什么？为什么选择这三个窗口？4查阅相关资料，说明当前光纤通信商用和实验室速率（单信道，多信道）5查阅相关资料，说明当前光纤通信研究最新技术6光源的基本要求，主要参数，注意事项7什么是受激吸收、受激辐射、自发辐射8什么是粒子数反转分布9说明LED工作原理说明LD工作原理比较LED与LD各自特点对光检测器有什么要求，主要参数，注意事项什么是光电效应说明PIN 工作原理说明APD工作原理比较PIN与APD各自特点光源与光检测器使用时各加什么偏压？为什么？光纤是由哪几部分组成，各部分作用是什么？光纤如何分类的？松套光纤和紧套光纤含义是什么？画出多模阶跃、多模渐变、单模阶跃光纤折射率分布示意图光在光纤中全反射条件是什么？简述光纤导光原理光纤主要参数含义是什么？光纤主要传输特性是什么？什么是光纤损耗？造成光纤损耗原因是什么?什么是光纤色散？产生色散原因有哪些？对数字通信有什么危害？ 27 光纤损耗的测量方法有哪几种？其测量原理是什么？简述其测量原理28 说明光纤带宽测量原理常用光缆有哪几种结构形式？各有什么优点？HRX、HRDL、HRDS含义是什么？BERav、DM、SES、ES含义是什么？抖动含义是什么？衡量单位是什么？什么叫抖动峰——峰值？33 抖动三项性能指标含义是什么？光性能参数pt ext 灵敏度动态范围定义单位标准光线路码型基本要求mBnB码概念 , 编码方法光端机基本组成及各部分作用光发送电路组成、作用、原理APC ,ATC电路原理光接收电路组成各部分作用、原理Pt, EXT ,S ,D指标测试原理线路施工中现场测试内容方法光缆通信系统日常维护主要内容44 光缆线路防护内容光缆线路防雷电措施46 光缆线路防强电措施第二篇：光纤通信复习题光纤通信复习题一、填空题1、利用光波作为载波的通信方式称为（）。
光子学与光通信导论——复习
光子学与光通信导论第一章 绪论光子学内涵从电子学到光子学光子的特性从牛顿力学到相对论光的波动性与粒子性光电效应1.维恩位移定律：例题：1．用波长为400 nm 的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24 V ，试求该金属的红限和逸出功。
解: 由爱因斯坦方程，得 等号两边同除以普朗克常量h ，得 等号左边等于红限ν 0，所以因为所以：代入数值，得根据逸出功A 与红限ν 0的关系，可求得逸出功2．有一钾薄片，距光源3米，此光源功率为1瓦。
钾原子以原子半径为0.5A 。
(0.05nm)的圆面积来吸收光能量，并发射光电子。
光电子脱离钾表面的脱出功为1.8eV 。
问按波动的观点，钾原子要从光源吸收到这么些光能量，需要多长时间？解 钾原子面积上照到的光能量为： 2a 21mueV =h eV ca0-=λνKcm C T ax m ⋅==⋅2898.00λhX ckT B ⋅==⋅⋅2014.01max λsJ h ck C h X c kT BB ⋅⨯=⋅=⋅==⋅⋅-3401max 10626.62014.0λ221mu h A -=νhmu h A 22-=νhmu c 220-=λν.Hz 10514Hz10992Hz 10507Hz1063624110601Hz 10004100031414143419780⨯=⨯-⨯=⨯⨯⨯-⨯⨯=---........νeV1.87=J 10992J 10636105141934140--⨯=⨯⨯⨯==...h A ν()秒焦耳瓦米米/107134)105.0(232210--⨯=⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯=ππP逸出光电子所需的时间：显然用光波动理论无法解释光电效应第二章 波粒二象性及测不准原理光压光学黏胶几率波测不准原理 1.光是波、也是粒子：• 光是波 它具有波长 λ 和频率ν • 光是粒子 它具有能量 E 和动量 Р 动量光子质量光子质量与波长成反比 例题：1.用强光照射 Na 原子 (原子量为 23, 原子直径 1 A), 若要求光子产生的压力比重力产生的压力大 10 倍, 试求入射的光强度为多少? 解 按题意写出式中 m = 23 M p, g = 10 (m / Sec 2)为重力加速度, S 为 Na 原子的截面积。
20120525光通信概论总复习
光通信概论总复习1、原子的三种基本跃迁过程是：（1）自发辐射；（）（2）受激辐射；（）（3）自发接受；（）（4）受激吸收。
（）2、光纤型光放大器可分为：（1）光纤拉曼放大器（）（2）掺铒光纤放大器（）（3）光纤布里渊放大器（）（4）半导体光放大器（）3、下面说法正确的是：（1）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须等于纤芯的折射率；( ) （2）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于纤芯的折射率；( ) （3）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须小于纤芯的折射率；( ) （4）为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于涂覆层的折射率。
( )4、光纤的单模传输条件是归一化频率满足：（1）V<2.405 ；( )（2）V>2.405 ；( )（3）V<3.832 ；( )（4）V>3.832 。
( )5、STM-4一帧的传输速率是（）。
[1]9×270×8×8000；（）[2]9×270×8×8000×4；（）[3]9×270×8；（）[4]9×270×8×4。
（）6、光纤通信主要应用的3个波长是：（1）850nm；( )（2）1310nm；( )（3）1550nm；( )（4）上述全部（）6、下面说法正确的是：（1） F-P激光器的谱线宽度大于DFB激光器的线宽；( )（2）DFB激光器的线宽大于LED的线宽；( )（3）白炽灯的线宽大于DFB激光器的线宽；( )（4）LED的线宽小于DBR激光器的线宽。
( )7、下面说法正确的是：损耗对光纤通信系统传输距离的限制可用光纤放大器克服；（）当损耗限制比色散限制距离短时，称这种光纤通信系统为色散限制系统；（）色散对光纤通信系统传输距离的限制可用光纤放大器克服；（）色散对光纤通信系统传输距离的限制可用光纤非线性克服。
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式中m = 23 Mp,g = 10 (m / Sec2)为重力加速度, S为Na原子的截面积。将各参数代入上式得：
这就是说当光强达到0.147(瓦/毫米2)时, Na原子上受到的光压力是重力的十倍。
2.中子的平均动能为kBT,试求在300K温度下，中子的德布洛意波长= ?
解利用其中代入得
光子学与光通信导论
第一章绪论
光子学内涵
从电子学到光子学
光子的特性
从牛顿力学到相对论
光的波动性与粒子性
光电效应
1.维恩位移定律：
例题：
1． 用波长为400 nm的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24 V，试求该金属的红限和逸出功。
解:由爱因斯坦方程，得
等号两边同除以普朗克常量h，得
1.问题己知其一光学系统的ABCD参量，输入光束的光腰落在RP1上，在RP2上的复光束参量为q2。试证：
证明：
2.将He—Ne激光器6328A的激光束用10x倍的显微镜会聚、并注入到芯径为4μm的单模光纤中。问光腰到薄透镜之间的距离U取多少为宜?
解：设He—Ne激光器为平凹型的半共焦腔，其输出激光的光腰正好落在平面镜处，腔长d = z0= 24cm，10x倍物镜的焦距f = 6.5mm。
谐振腔的性质：
谐振腔具有三方面的重要性质：稳定性、单一性和自洽性。见书P57
1.谐振腔的单一性，一个稳定的谐振腔总可找到一个高斯光束与之相匹配。
2.谐振腔的自洽性一个稳定的谐振腔总内可以找到了一个本征模式，使之在腔内往返一周之后能够<自再现>。
第五章光波导和光纤
平面光波导
石英光纤
阶跃光纤模式理论
光纤的损耗与色散
等号左边等于红限n0，所以
因为
所以：
代入数值，得
根据逸出功A与红限n0的关系，可求得逸出功
2．有一钾薄片，距光源3米，此光源功率为1瓦。钾原子以原子半径为0.5A。(0.05nm)的圆面积来吸收光能量，并发射光电子。光电子脱离钾表面的脱出功为1.8eV。问按波动的观点，钾原子要从光源吸收到这么些光能量，需要多长时间？
解：
若上题的原子为铒原子，发射的中心波长为1500nm。试求原子发射的自然谱宽(即)为多少?
解：
在通讯技术中测不准原理的例子：
1.天线射束的张角
2.脉冲宽度与频谱
第三章激光的产生和性质
受激辐射理论
激光振荡原理
激光泵浦技术
激光谐振腔
典型激光器
激光的性质
光纤放大器（选学）
一．受激吸收、自发辐射与受激辐射
即量子体系中，位置与动量及时间与能量(或频率)不能同时测准的物理量。
例题：
1.子弹(50克)和电子的速度均为300米/秒，测速度的不确定度0.01%，若测速度与测位置在同一实验中同时进行。试确定测子弹与测电子位置的不确定度各等多少?
电子
子弹
2.原子受激之后在任何时刻都可能产生辐射，实验测出原子辐射的平均寿命为秒。试求辐射光子的频率不确定度?
二．激光振荡条件：
例题：指数增益系数
假设激光棒直径为10mm激光束从中央轴线来回反射十次之反溢出端面。试光束的发散角?
和激光棒的放大增益?
解光束角为
三．Fabry-Perot谐振腔
设计一个窄线宽的干涉滤波器
要求滤波器的工作波长=1550nm，自由光谱区 ，半高度全宽 ，试设计滤波器的主要参数。求精细度F
计算：(1)利用z0，求出激光器的光腰半径
(2)现在我们用f = 6.5mm的10x倍的显微物镜来变换光斑大小。利用表二中的象距和放大率公式将计算结果列于表三。
类透镜介质(多模光纤)中的高斯光束
光纤芯径2a=50微米
光纤中心折射率
芯半径处折射率
光波长为
1)
2)
显然，在类透镜介质中的高斯光束不随z而扩大，不同于自由空间的双曲线光束。
均匀介质高斯光束
高斯光束的ABCD定律
谐振腔的自洽性
类透镜介质射线矩阵举例：
类透镜介质构成的(多模)光纤，其芯子直径a=50μm，折射率分布为：(当r=0有n(0)=1.465，r=a/2，n(a/2)=1.42 )
试求此类透镜介质的焦距=?
解
光的传播-----射线光学举例：
例题求球透镜的焦点位置
我们从第一个参考面RP1输入平行于Z轴的光线，经球面透镜折射进入玻璃球镜传播2R/n距离之后，从后球面折射出来再传播距离x。按照矩阵乘法的规则可以写出总的射线传输矩阵M。
入射光平行Z轴，焦点在Z轴上，求焦平面应有A=0即得
因此：0.43-0.57x = 0得焦点位置：
半球面透镜在光学中是很有用的。其折射率为n，半径为r，求半球面透镜的焦矩?
解采用在介质中传输距离缩短和将折射率移到射线状态的列矢量中去的方法，我们可写出：
因此求得焦距为：
高斯光束传播的ABCD定律---应用举例
特种光纤技术
一．平面光波导
1.导波模式
定义：波导空间的一种稳定场分布，即在波的传播过程中，一个模式场在波导截面上的分布保持其形状不变，改变的只是相位，或者损耗的衰减因子。
1. 对称平板波导中的波导模
2.非对称波导中的波导模
石英光纤举例：
设阶跃光纤在波长为1.06微米时，要求直径d = ?微米，成为单模光纤?
求F-P的间隔距离d(腔内为空气n=1，正入射 )
求反射膜的R
四．激光的性质
1.波列长度与辐射谱宽、相干长度与相干时间的关系
光谱的时间相干性
相干时间τ与光谱频宽
相干长度L =c×τ= c /Δν
空间相干性
2.亮度与光子Байду номын сангаас并度
光子简并度每个模的平均粒子数<q>即为：
第四章光的传播
射线光学
谐振腔的稳定性
中子的质量代入
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级
3.电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的电压为100仟伏，求这台电子显微镜的波长理论极限?
解
2.测不准原理(Uncertainty Principle)
海森堡的测不准关系式(德国物理学家1927年提出）
海森堡根据波粒二象性和实验上不能同时测准位置与动量的实验事实得出：
解钾原子面积上照到的光能量为：
逸出光电子所需的时间：
显然用光波动理论无法解释光电效应
第二章波粒二象性及测不准原理
光压
光学黏胶
几率波
测不准原理
1.光是波、也是粒子：
•光是波它具有波长λ和频率ν
•光是粒子它具有能量E和动量Р
动量
光子质量
光子质量与波长成反比
例题：
1.用强光照射Na原子(原子量为23,原子直径1 A),若要求光子产生的压力比重力产生的压力大10倍,试求入射的光强度为多少?