光纤最终版

4一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，折射率n1=1.5，相对折射率差△=1%，长度L=1km。

求：（1）光纤的数值孔径NA；（2）子午线线的最大时延差
（3）若将光纤的包层和涂覆层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差
答：（1）NA=sinθmax=√n12−n22≈n1√2∆
∴NA≈1.5√2×0.01≈0.212,θmax<π2
(2)△τmax=τmax−τmin≈△L n1/c
∴△τmax≈(0.01×1×103×1.5)/3×108=50×10−8s=50ns
(3)NA=sinθmax=√n12−n02n0=1
∴NA=√1.52−12≈1.118，θmax>π
2
，不符合物理意义∴NA=1
△τmax=τmax−τmin≈△Ln1
c （n1−n0
n0
）=2.5×10−6=2.5µs
5.在半导体激光器P-I曲线中，那些范围对应于荧光？那段范围对应于激光？
纵轴：输出功率
横轴：激光器驱动电流
受激辐射：激光输出自发辐
射：荧光输出
当注入电流较小，小于阈值
电流时，对应荧光。

当注入电
流达到阈值之后，对应激光。

2、一个Ge二极管，入射光波长λ=1.3μm，在这个波长下吸收系数α=104cm−1,入射角表面的反射R=...5 P+接触层的厚度为1μm，它所能得到的最大的量子效率为多少？
解：η=I P
e0
p0
=(1−r)e−α1 [1−e−αω]=(1−0.05)e−104∗104(1−e−10αω)
当e−αω越小，y越大，y max=0.95e−1=35%
12、一半导体激光器，谐振腔长L=300μm，工作性质的损耗系数α=1mm−1，谐振腔两端镜面的反射率R1R2=0.33×0.33，求激光器的阈值增益系统γth。

若后镜面的反射率提高到R2=1，求阈值时的增益以及阈值电流的变化。

答：已知L=30μm=0.3mm α=1
mm
R1R2=0.33×0.33=0.1089
由e(γtℎ−α)2l·R1R2=1 (γtℎ−α)2L=ln1
R1R2
(γtℎ−α)0.6=2.217
γtℎ=3.695+α即γtℎ=4.695
当R 2=1 R 1R 2=0.33×1
由e (γtℎ−α)2l ·R 1R 2=1 (γtℎ−α)2l =ln 1
R
1R 2
(γtℎ−α)0.6=1.109
γtℎ=1.848+α 即γtℎ=2.848 ∴γtℎ变小，阈值电流也变小
11、半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知GaAs 材料的E g =1.43eV ，某一InGaAsP 材料的E g =0.96eV ，,求它们的发射波长。

（eV 是能量单位，表示一个电子在1伏特电压差下所具有的能量） 答λ=ℎc E dir =3×108×4.136×10−15
1.43
=1.2408×10−6
1.43=0.87×10−6m =0.87μm λ
=
ℎc E dir
=
3×108×4.136×10−15
0.96
=
1.2408×10−6
0.96
=1.29×10−6m =1.29μm
5.一拉通型APD ，光在入射面上的反射率R=...3，零点场区厚度很小可以忽略，高场区和π区的厚度之和为35µm 。

当光波长λ=..85µm 时，材料的吸收系数14105.5-⨯=cm α，求：(1)量子效率；(2)APD 的平均雪崩增益G=1..，偏压下每微瓦入射光功率转换成多微安电流？
解：(1))1()1(1
αωαωη----=e e
R
01=ω %97)1)(1(=--=-αωηe R
(2)v
h e P IP R 0
0η== 97.0=η
w A h e h e R C v μμληη/66.024
.185
.097.000=⨯===
5.某线路速率622Mbit/s 的光再生段，其光接口各部分的参数如下：①光源为MLM 激光器，
发送功率(最坏值)为-3dB ，光纤均方根宽度为2nm ；②光缆衰减系数为..33dB/km ，光纤活动连接器损耗为..2dB/个，光纤熔接接头损耗为..1dB/个，光缆平均敷设长度为2km ，光纤色度色散系数为 2.2ps/km .nm ；③光接收机灵敏度(最坏值)为-28dBm 。

若光缆富余度取...5dB/km ，请确定该再生段的最长传输距离。

解：损耗受限最大传输距离
km
MC
Lf
aS af A P P P L m m CM
PM RM TM 2.5705.021
.033.022.0)28(321=++⨯----=++---=
色散受限最大传输距离km 02.4226222.2115
.01010660=⨯⨯⨯=⋅⋅=δεB D L m
则再生段最长传输距离为42.02km ，为色散限制系统。

4.已知(1)Si PIN 光电二极管，量子效率η=..7，波长λ=..85µm ， (2)Ge 光电二极管，η=..4，λ=1.6µm ，计算它们的响应度。

(1) )/(48.024
.185
.07.000W A h e h e R c v =⨯===
ληη (2))/(52.024
.16.14.000W A h e h e R c v =⨯===
ληη 1、一光电二极管，当λ=1.3μm 时，响应度为..6A/W 计算它的量子效率。

解：λ=1.3μm R=0.6A/W
由R=η•e0•λ
h•c 得η=R•h•C
e0•λ
=0.6×6.626×10−34×3×10
8
1.3×10−6×1.602×10−19
≈0.573
1.阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么？
当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即0＜V＜2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。

2.光与物质间的作用有哪三种基本过程？他们各自的特点是什么？
答：（1）自发辐射：处于高能级电子的自发行为与是否存在外界激励作用无关，自发辐射可以发生在一系列的能级之间，用此材料的发射光谱范围很宽，即使跃迂过程满足相同能级差，它们也是独立的，随机的辐射产生的光子能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位和偏振方向，而且向各空间各个角度传播，是一种非相关光。

（2）受激辐射：感应光子的能量等于向下跃迂的能级差，受激辐射产生的光子与感应光子全是全同光子，它们是相干的，受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程。

（3）受激吸收：受激吸收时需要消耗外来光能，受激吸收过程对应光子被吸收，生成电子一空穴对的光电转化过程。

3.什么是粒子数反转分布？
答：处于高能态的粒子数多余处于低能态的粒子数，N2>N1。

2.构成激光器必须具备哪些功能部件？
有源区、光反馈装置、频率选择元件、光束的方向选择元件、光波导。

3.在光线通信中，对光源的调制可以分为哪两类？特点是什么？
(1)直接调制：适用于电流注入型(LD、LED)，光强度调制，原理简单实现方便，传递信息转变成驱动电流控制发光，不适合高速长距。

(2)间接调制：适于任何类型，光源发光、调制功能分离，不因调制影响激光器，高速传输，性能好。

3、光纤放大器有哪些类型？
答：掺铒光放大器、喇曼光纤放大器。

4、EDFA能放大哪个波段的光信号？简述EDFA的结构和工作原理。

答：EDFA能对1550nm波段光进行放大；结构：由掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器、光滤波器组成。

工作原理：铒离子吸收泵浦光产生受激辐射光，使传输信号光得到放大。

6.EDFA的泵浦光源可选择那些波长？不同波长泵浦时各有什么特点？为什么？
答：常用泵浦光的波长为980nm或者1480nm。

980nm泵浦的EDFA噪声小、驱动电流小、增益平坦性好。

1480nm泵浦的EDFA噪声大。

原因：1480nm泵浦的方向泵浦，有高的量子转换效率。

7.喇曼光纤放大器突出的优点是什么？
答：1）增益介质为普通传输光纤，与光纤具有良好的兼容性；
2）增益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制；
3）增益高，串扰小，噪声系数低，频谱范围宽，温度稳定性好。

通过适当改变泵浦激光光波波长可达到在任意波段进行光放大的宽带放大器。

2.9.8.按照ITU-T规定两波长信道的波长间隔为..8nm，若光栅解复用器所用的光栅的周期为5μm，求：（1）两波长的主最大强度分开的角度？
（2）在衍射光栅和光纤和光纤终端之间需要的长度为多少便于安装？
9.干涉膜滤波器型双路解复用器结构结构如图9所示，干涉膜是长波通滤波器，对λ1波长的透射率是98%，对λ2波长的反射率是99%。

试求两个波长信道插入损耗和串扰是多少？。