《光纤通信系统》第二版-李履信-沈建华——习题解答

1光电子器件导论习题解答1-1.光纤通信有哪些优点？答：光纤通信具有下面一些优点：1、传输容量大；2、传输损耗小，中继距离长；3、泄漏小，保密性好；4、节约大量有色金属；5、抗电磁干扰性能好；6、重量轻，可挠性好，敷设方便。1-2.比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。答：五代光纤通信系统的主要特点与差别如下：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代后期投入使用，工作波长在850nm波长段的多模光纤系统。光纤的衰减系统为2.5~4.0dB/Km，系统的传输速率在20～100Mbit/s之间，实用的系统容量为脉冲编码调制（PCM）三次群，最高传输速率为34Mbit/S，中继距离为8～10km。20世纪80年代初，工作波长在1310nm波长段的多模光纤系统投入使用，光纤衰减系数为0.55～1.0dB/Km，传输速率达140Mbit/s，中继距离为20~30Km。2、第二代光纤通信系统在20世纪80年代中期投入使用，工作波长在1310nm波长段的单模光纤通信系统。光纤衰减系数为0.～0.5dB/Km，可传送准同步数字体系（PDH）的各次群信号，最高传输速率可达1.7Gbit/s，中继距离约为50Km。3、第三代光纤通信系统在20世纪80年代后期投入使用，工作波长在1550nm波长段的单模光纤系统。光纤衰减系数为0.2dB/Km，应用在同步数字体系（SDH）光纤2传输网，传输速率达2.5～10Gbit/s，中继距离可超过100Km。4、第四代光纤通信系统采用光放大器来增加中继距离，同时采用波分复用/频分复用（WDM/FDM）技术来提高传输速率。已完成的有单信道传输速率为40Gbit/s，不采用电中继器，结合先进的调制技术和编码技术等，实现传输距离达10000Km的试验。20世纪90年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。目前在实验室中最高的系统容量已经达到10Tbit/s级。5、第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性效应，抵消由于光纤色散产生的脉冲展宽而产生的光孤子，来实现光脉冲信号的保形传输。20世纪90年代后，各国的试验都取得了重大的进展。例如在日本，实验室中已经实现了将80Gbit/s和160Gbit/s的数据分别传输了500Km和200Km，目前已经开始有商用化的光孤子通信系统面世。1-3.为什么使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能选择850nm、1310nm和1550nm三种。答：石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的波长区，即：波长为850nm、1310nm、1550nm。为此光纤通信系统的工作波长只能是选择在这三个波长窗口。32-1.光纤产生衰减的原因是什么？衰减对通信有什么影响？在一个光纤通信系统中，光源波长为1550nm，光波经过5Km长的光纤线路传输后，其光功率下降了25%，求该光纤的衰减系数为多少？答：1、光纤产生衰减的原因是：光纤中存在损耗。损耗包括：①吸收损耗；②散射损耗；③辐射损耗；2、衰减限制了系统的传输距离。3、oiPPLlg10（dB/Km）KmdBPPnmii/25.0%251lg51015502-2.光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？答：1、瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，从而使折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点的尺寸比光波波长还要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。2、瑞利散射损耗R的大小为：4AR。瑞利散射系数A，取决于纤芯和包层的相对折射率差。所以R的大小与波长和相对折射率差有关。2-3.光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？答：1、光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。2、色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误4码。对于高速率长距离光纤通信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。2-4.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模传输光纤中主要是什么色散？答：1、从产生机理而言，光纤中的色散主要包括：材料色散、波导色散和模式间色散；2、单模光纤中主要是波导色散；3、多模光纤中主要是模式间色散。注：偏振模色散可以理解为特殊的模式色散，但在速率较低的系统中影响较小。2-6.目前光纤通信为什么只选用以下三个波长段：nm850，nm1310，nm1550？答：nm850，nm1310，nm1550附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为：2～3dB/Km、0.5dB/Km、0.2dB/Km。而且在这些波段，目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。2-7.何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射率光纤中线性极化模LP11模对应的是什么矢量模？答：1、对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。如果一个传输模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层5而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。所以一个传播模在包层中衰减常数W=0时，表示导模截止。2、光纤单模传输的条件是：归一化频率V≤2.405。3、单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。4、其截止波长由下式计算：408.222221nnaC5、LP11模对应的矢量模是TE01,TM01,HE21。2-8.由光源发出的m31.1的光，在ma9，01.0，45.11n，光纤折射率分布为阶跃型时，光纤中导模的数量为多少？若光纤折射率分布为2的渐变型时，其导模的数量为多少？（传播模式的归一化频率22212nnaV）解：21121222122nnnannaV83.845.101.045.145.131.19222mm光纤中导模的数量：222VggN1、光纤折射率分布为阶跃型时：g，22VN所以，导模的数量为：98.38283.8222VN2、2的平方律渐变型光纤时：2g，42VN所以，此时导模的数量为：49.19483.8422VN62-10.某阶跃折射率光纤的参数为n1=1.5，n2=1.485，现有一光波在光纤端面轴线处，以15°的入射角入射进光纤，试问该入射光线在光纤中是成为传导模还是辐射模？为什么？解：根据：2221sinnnnao即：22485.15.1sin1a得：入射临界角（最大入射角）22.12a而现入射角22.1215a入所以，入射光线不满足全反射条件，不能传输，是辐射模。2-12.已知光纤参数为：45.11n，01.0，m31.1，估算光纤的模场直径。解：模场直径2/12122tNANAd光纤最大理论数值孔径NAt为：212.001.0245.1212221nnnNAtmmd56.52/212.01141592654.331.122-13.光谱线宽度为1.5nm光脉冲经过长为20km，色散系数为3ps/nm·km的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？解：光脉冲被展宽了m为：KmKmnmPsnmLDmm20/35.1=1.5×3×20=90ps72-14.为什么G.653光纤不适合于波分复用系统使用？答：由于G.653光纤在1550nm工作波长处具有最低色散（零色散），多信道（波分复用）系统使用时易引起四波混频效应，影响系统的性能，所以G.653光纤不适合于波分复用系统使用。3-1.比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。答：一、半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的不同之处：1、工作原理不同：LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。2、LED不需要光学谐振腔，而LD需要。3、和半导体激光器（LD）相比：（1）发光二极管（LED）输出光功率较小，光谱较宽，调制频率较低。（2）但LED性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。4、LED的主要应用场合是小容量（窄带）、短距离通信系统。5、LD主要应用于大容量（宽带）、长距离通信系统。二、LD和LED的相同之处：1、使用的半导体材料相同；2、结构相似；3、LED和LD大多采用双异质结（DH）结构；4、都是把有源层夹在P型和N型限制层中间。3-2.为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温度、使用时间有什么关系？答：1、LD加正向偏置电压用以克服PN结中自建场的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。82、激光器阈值电流是指：满足克服谐振腔内损耗而产生激光的最小的外加激励电流。3、激光器的阈值电流thI与激光器的使用温度、使用时间成正比关系。3-4.已知半导体材料GaAs的Eg=1.43eV，InGaAsP的Eg=0.96eV，分别求由这两种材料组成的半导体激光器的发射波长。解：发射波长为：meVEEhcgg24.11、GaAs的发射波长为：meV867.043.124.112、InGaAsP的发射波长为：meV292.196.024.123-6.在光纤通信系统中对LD驱动电路和偏置电路有什么要求？在LD驱动电路中为什么一定要加偏置电流？偏置电流应加多大才合适？若偏置电流加得过大或过小对LD的调制特性会产生什么影响？答：1、对LD驱动电路和偏置电路的要求是：①输出的光脉冲峰值保持恒定；②光脉冲的通断比应10；③激光发射的时间必须远短于码元时间；④采用阻尼电路以避免驰张振荡。2、因为LD是阈值器件，只有外加驱动电流超过阈值后才能发出激光，为使得较小的数据电流DI亦可产生足够的光输出，因此需要9加偏置电流BI。3、BI的选择取原则是略小于阈值电流thI。4、①太大的BI会引起消光比性能下降，同时较高的电流也会产生较大的热量，以及寿命的缩短；②太小的BI需要较大的数据电流DI才能满足阈值条件。3-8.何谓LD输出光脉冲的消光比？消光比不合要求时，将会对整个系统产生什么影响？答：1、通断比（也称消光比），指光源器件发出光的“1”脉冲和“0”脉冲的比值，定义为：”码时平均输出光功率全“”码时平均输出光功率全“10EXT2、消光比不符合要求，也即在无输入的情况下，也会有残留光输出，对于接收机而言造成影响，降低系统的性能。3-11．光发送机中输入接口的作用是什么？对驱动电路有什么时候要求？答：1、作用：输入接口除了正常应该考虑信号幅度大小和阻抗外，特别应注意信号脉冲码型，即将原始信息变换为适宜于在光纤中传输的码型。2、对驱动电路的要求如下：①输出的光脉冲峰值必须保持恒定。②光脉冲的通断比（即消光比）应≥10，以免接收灵敏度受到损害。③电流脉冲加上后，激光发射的时间必须远短于每位码元的时间段。④如加上的电流脉冲有较高的码速，则输出的光脉冲有可能引起弛张振荡，这就必须予以阻尼，防止它对系统性能发生不良影响。103-13.在光发送电路中为什么要设置自动温度控制（ATC）电路？用ATC电路是控制LD的哪些因素？答：1、温度变化引起输出光功率的变化，固然可以通过APC电路进行调节，使LD输出光功率恢复正常值。但如果环境温度升高较多，使得thI增大较多，经APC调节后BI也增大较多，则LD的结温会升高过多，致使thI更高，造成恶性循环，以致把LD烧坏。因此，对LD管芯的工作温度采用ATC电路，使其恒定在20℃左右，对光源长期稳定工作是有利的。2、用ATC电路是控制LD的管芯温度。4-1.光纤通信系统对光检测器有什么要求？答：光纤通信系统对光检测器的基本要求是：1、波长段内响应度或灵敏度要高。2、具有足够的带宽和响应速度。3、由检测器引入的附加噪声必须最低，暗电流、漏电流和并联电导必