上海大学理学院物理系光通信技术习题(含答案)

1光纤通信第一章1.3将两根1km长的光纤连接在一起。假设每根光纤的损耗为5dB,连接损耗为1dB。如果输入功率是2mW，计算由这两根光纤构成的传输线的输出功率。1.4一台接收机需要10mW的输入光功率。如果将系统的总损耗增加到50dB，试问光源需要发送的功率是多少？1.14假设有波长为0.8um的光束入射到光检测器上，每秒入射光子数为1010个。试计算检测器上的入射光功率。如果此光检测器将光转换成电流的效率是0.65mA/mW，试问产生的电流是多大？1.23为了正常工作，光接收机需要-34dBm的功率。假设从接收机到光源的系统总损耗为31dB。试问光源的发送功率（以mW为单位）需要多大？21.27-60dBm和60dBm的差值（以W表示）是多少？（注意在这种情况下，有无正负号是很关键的。）1.28考虑一个系统，连接器损耗为5dB，光纤损耗为25dB，耦合损耗（光源到光纤）是15dB，系统中有一个增益为10dB的放大器。试计算系统的总损耗（以dB为单位）。3第二章2.5用焦距为20mm、直径为10mm的透镜聚焦一束均匀的准直光束，假设波长为0.8um。试计算聚焦光斑的尺寸。2.8假设高斯光束的波长为0.8um，光斑尺寸为1mm，计算其发散角。如果用这束光对着月球，则在月球表面的光斑尺寸为多大？（地球和月球之间的距离为8108.3m。）在距离为1km和10km处，光斑尺寸又为多大？42.9一根6000km的海底玻璃光纤电话线路穿越大西洋，连接美国和法国。（a）通过这条线路传送信息需要多长时间？（b）通过卫星线路，将信息从美国传到法国需要多长时间？卫星在美国和法国之间的地面上空22000英里处。（c）如果两个人通过这两根不同的线路通话时，会感觉到传输时延吗？52.11假设一束光入射到两种电介质的分界面上，如图2.1所示。两种电介质的折射率分别为46.11n和2n=1.48.当入射角在00到090之间变化时，画出透射角随入射角变化的曲线。62.12假设一束光入射到两个电介质的分界面上，如图2.1所示。这两种电介质的折射率分别为48.11n和46.12n。当入射角在00到090之间变化时，画出透射角随入射角变化的曲线。（注意，当入射角接近06.80时，会发生不寻常的现象。）72.15假设高斯光束的光斑尺寸为，试推导此光束的半功率点半径表达式。（所谓半功率点是指功率下降到最大值一半的位置。）8第三章3.13一束平行偏振光以085的入射角从折射率为1.48的介质射入到折射率为1.465的介质，假设光波长为1300nm。（a）计算反射系数；（b）在传输介质中，离边界多远时，消逝电场衰减到在边缘时的10%？93.18试计算波长比零色散波长（假设是1300nm）低10nm时光纤的材料色散。3.20假设由材料色散引起的最大可接受脉冲展宽是3ps/km，光源谱宽是2nm。试问，工作波长最多可离零色散波长多远？1011第四章4.5设48.11n，46.132nn，工作波长为0.82um。计算出0TE模，1TE模，2TE模和3TE模截止时的中心薄膜厚度。画出每种模式截止时的横模分布图。124.9有一个放在空气中的对称电介质平板波导，46.1,48.121nn。画出（中心薄膜中的角度）等于075时包层模的光传输路径。当等于什么值时，不再存在包层膜?134.13有一个对称平板波导，48.11n（中心薄膜），46.12n（敷层和衬底材料），工作波长为1300nm。（a）当0TE模对应的光线角度为085时，计算中心薄膜厚度。（b）当2TE模对应的光线角度为085时，计算中心薄膜厚度。144.20有一个对称平板波导，465.11n，46.12n。计算单位长度上的多模脉冲展宽。如果这是波导中惟一的脉冲展宽机制（或至少是最主要的），试计算单位长度的脉冲展宽值、3-dB光带宽-距离积、归零码和非归零码的速率-距离积。在1550nm处，模式脉冲展宽与材料脉冲展宽哪一个更大些？15第五章5.10假设某一SI光纤工作波长为0.82um，5.11n，485.12n。如果纤芯半径为50um，则允许传播的模式有多少个？当工作波长变为1.2um时，又可以传播多少个模式？5.12对于一个抛物线型折射率分布光纤，画出（0,0）（1,0）（2,0）模式的横向场分布图。其中a=25um，波长为82.0um，46.1,48.121nn。要求在同一张图上画出上述三种模式的场分布图。165.16一根SI光纤只有在波长大于1.4um时才工作在单模状态。其中，465.11n，46.12n。试计算其纤芯半径，并分别求出在0.8um，0.85um和0.9um波长处的传播模式个数。（提示：参考模式图）5.23对于某一SI光纤，其归一化频率为2.2,纤芯直径为10um。画出其横平面内的光强度分布图，并计算在多大半径距离上场强降到峰值的10%。175.25某一光纤的NA=0.2588.某一光源在全锥角060范围内，可以耦合其发射光能量的75%；在全锥角为030时可以耦合其发射光能量的50%；在全锥角为015时只能耦合其发射光能量的25%。试求此光源与上述光纤之间的耦合效率。5.30假设某一单锋SI光纤的截止波长为1250nm，工作波长为1550nm，纤芯折射率为465.11n，相对折射率差为0.0034.计算此光纤的纤芯半径，同时计算在工作波长上的光斑尺寸。185.35考虑某一全波光纤，其特性如图5.13所示。系统的功率预算允许光纤损耗最大为24dB，计算并画出对应于工作波长在1280nm~1640nm区间内的光纤最大允许长度。1920第六章6.5假设LED的光功率与电流之间的关系为P=0.02i，最大容许的功率是10mW。LED加有直流偏置电流和频率为1MHz的交流电流。（a）画出光功率-电流曲线（也就是二极管的转换特性曲线）。（b）如果信号峰值功率为2mW，总的峰值功率是10mW，计算总的电流峰值、直流偏置电流、平均光功率和调制系数（也就是峰值信号功率/平均功率）。（c）如果调制系数是100%（即信号峰值功率不再是2mW）,重复上面的计算。（d）如果直流电流为50mA，交流电流峰值为75mA。画出交流信号两个周期内的输出光功率与时间的关系曲线。216.6假设某LED加上2V的电压，将产生100mA电流和2mW的光功率。试求此LED的电光转换效率。6.7假设某LED具有100MHz的3-dB电带宽（完全决定于其载流子寿命）。试求载流子寿命，并画出此二极管在0~500MHz范围内类似于图6.8的归一化频率响应曲线。226.9假设某半导体激光器的阈值电流为10mA，光功率和输入电流关系曲线的斜率为2mW/mA，用mA表示的总注入电流为i=20+sint。（a）写出输出功率的计算公式，并画出曲线。（b）如果电流变为i=10+sint，画出输出功率波形。236.10比较发光二极管与半导体激光器的优缺点。246.14某特殊的掺铒光纤放大器工作带宽超过20nm（1530nm~1550nm）。有多少10-GHz的信道能安置在这个区域内（即所谓复用）并被同时放大？6.26掺铒光纤放大器的泵浦波长为980nm，放大波长为1550nm。如果仅仅考虑一个980nm光子产生一个1550nm光子的能量损失，试计算此放大器的效率。256.29如果输入波长是1450nm，拉曼散射导致光频率有13.2THz的向下频移。计算输入信号的频率和向下频移后的输出频率。6.30根据6.7节的论述，单泵浦的拉曼放大器有6THz的带宽，带宽拉曼放大器的结构如图6.43所示。画出能同时放大S波段、C波段和L波段信号的带宽拉曼放大器结构图。计算每个泵浦激光器的中心波长。2627第七章7.12考虑一个如图7.8所示的PIN检测电路。假设电源电压为10V，负载电阻为2M，检测器的响应度为0.25A/W，暗电流为0.5nA。（a）在入射光功率为5uW~50uW范围内，画出二极管光电导区的电压-电流特性曲线，取功率间隔为5uW。（b）在此特性曲线画出负载线。（c）画出输出电压与入射光功率的对应关系。（d）当入射光功率为何值的时候检测器开始饱和。287.13假定一个PIN光电二极管的耗尽层宽度为30um，载流子的漂移速度为5410m/s，结电容为6pF。（a）计算渡越时间限制带宽。（b）不影响上面计算所得带宽的最大负载电阻是多少？（c）当负载电阻为10000时，其带宽为多大？7.15假设一个InGaAsAPD工作在1.55um，其量子效率为0.7，增益为100，试计算其响应度。要检测器产生20nA的光电流所需要的光功率为多大？29第八章8.3对多模SI光纤，多大的相对横向偏移会产生10dB的损耗？8.4将多模光纤换成V=2.4的单模光纤，重做习题8.3。308.8画出单模光纤的未对准角度与损耗（以dB为单位）的关系曲线。此单模光纤的参数为468.1,47.121nn，V=2.4,角度从00到04变化。首先，假设工作波长为0.8um，然后假设工作波长为1.3um。8.11画出习题8.8所描述的单模光纤端面间隙与损耗（以dB为单位）的关系曲线。波长分别为0.8um和1.3um，端面间隙从0到500um变化。31第九章9.1一个理想的四端口定向耦合器的分光比为4：1。（a）每个端口的输出功率与输入功率比是多少？（b）计算直通损耗、抽头损耗、方向性系数和附加损耗。329.2一个四端口定向耦合器的分光比为4:1，附加损耗等于2dB，耦合器的方向性系数是40dB。（a）每个端口的输出功率与输入功率比是多少？（b）计算直通损耗和抽头损耗。（c）计算由于耦合器的辐射、散射和吸收引起的损耗（用dB表示）。339.22一理想单模熔锥型定向耦合器的分光比为1:1，耦合系数1rad/mm。（a）耦合区的长度是多少？（b）如果分光比为10:1，重复上述问题。349.23一个理想熔锥型单模耦合器用做两个波长的解复用器，1和2在端口1输入。1的耦合系数是2rad/mm，这个波长的功率全部耦合到端口3。波长2全部传输到端口2。（a）计算互作用长度。（b）计算2的耦合系数值。（c）计算2的耦合长度cL。