光纤作业

1-1 什么是光纤通信?

光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么?

目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm，对应的频率为167～375THz。 1-3 BL积中B和L分别是什么含义?

系统的通信容量用BL积表示，其含义是比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。

1-4 光纤通信的主要优点是什么?

光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。主要有：

(1) 通信容量大 (2) 中继距离远

(3) 抗电磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻

(5) 资源丰富，节约有色金属和能源。

光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显著。 1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。

一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。

第二章

2-11 有一介质，吸收系数为??0.32cm，透射光强分别为入射光强的10%、50%及80%时，介质的厚度各多少?

解：光束穿过厚度为z的介质后强度为

?1I?I0e??z

可得： z??1?lnI I0当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为7.196cm； 当透射光强分别为入射光强的50%时，介质的厚度为2.166cm； 当透射光强分别为入射光强的10%时，介质的厚度为0.607cm；

2-12 一个频率为6?10Hz的光源，其发射功率为10W，它一秒内发射多少个光子? 解：

14P?10W,??6?1014Hz P1019N???2.52?10h?6.626?10?34?6?1014

2-13 构成激光器的三个基本条件是什么? 构成一个激光器需要如下三个要素如图所示：

（1） 激光工作物质 （2） 激励

（3） 光学谐振腔

第三章

3-1 填空题

(1) 通信用的光纤绝大多数用 材料制成。

折射率高的中心部分叫 ，折射率稍低的外层称为 。 (2) 表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为 ，用 表示。 (3) 在阶跃型光纤中， 模是最低工作模式， 是第一高阶模。 (4) 阶跃型光纤的单模传输条件是 。

(5) 渐变型光纤中不同射线具有相同轴向速度的现象称为 。

答案： （1）石英，纤芯，包层

（2）数值孔径，NA （3）LP01，LP11

（4）0＜V＜2.405

（5）光纤的自聚焦现象

3-5 什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。

从渐变型光纤的导光原理可知：只要n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。利用渐变型光纤n随r变化的特点，可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。

折射指数选取平方律型分布形式

rn(r)?n(0)[1?2?()2]1/2 （3-3-1）

an2(0)?n2(a)式中： ?? 22n(0)n(0)——光纤轴线处（r=0）的折射率 a——纤芯半径

3-6 什么是单模光纤的衰减系数？写出表达式。

衰减常数α用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为

???10P(L)lg LP(0)单位为dB/km。

3-7什么是光纤的色散?为什么说光纤的色散会限制系统的通信容量? 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散，也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。 光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。 3-8 色散的大小用什么来表示?其单位是什么?

对于单模光纤，色散的大小用时延差来表示，色散系数D工程上单位采用ps/(nm·km)。

3-9 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，在工作波长为1.31μm条件下，要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。 由V?k0n1a2?可知

a?V?02?n12??V?02?n?n2122?2.405?1.312?3.14?1.48?1.4622?2.09?m

纤芯半径应小于2.09μm

3-10阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，试计算光纤的数值孔径? 解：由NA?2n12?n2?n12?得

NA?1.482?1.462?0.24

3-11阶跃型光纤纤芯折射率为1.5，包层折射率为1.48，纤芯半径为2μm，问当工作波长为1.31μm时，此光纤可传输的模式是什么?

由V?k0n1a2?可知： V=2.38，所以只传输单基模LP01

5-2 光缆的纤芯是如何构成的?

根据不同用途和不同的使用环境，光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构如何，都是由缆芯、加强元件和外护层所组成。 5-4 光纤分路器及耦合器的作用是什么?

在光纤通信系统或光纤测试中，经常要遇到需要从光纤的主传输信道中取出一部分光，作为监测、控制等使用，这就用到光纤分路器；也有时需要把两个不同方向来的光信号合起来送入一根光纤中传输，这就用光纤耦合器来完成。 5-5 光纤通信系统中为什么必须采用光隔离器?

某些光器件，像LD及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器来阻止反射光。

5-6 波分复用器的作用是什么，主要有哪几种类型?

波分复用器把不同波长的光信号复合注入到一根光纤中，或者相反地把复合的多波长信号解复用，把不同波长的信号分离出来。

波分复用器的种类很多，有棱镜色散型、衍射光栅型及干涉滤光型等。

5-10 LD发光的峰值波长为1.31μm，试求有源层材料的带隙Eg为多少焦耳，多少eV? Eg?1.23985?0.94645eV?5.9153?10?20J

1.31

第四章

4-1 填空题

(1) 根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为 、 、 ，不能被子占据的状态为 。 (3) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为 ，这个电流称为 电流。

(4) 半导体材料只有波长为λ＜λC的光入射时，才能使材料产生光子，所以λC称为 波长 答案：（1）满带 价带 导带 禁带

（3）激光 阈值 （4）截止

4-4 试画出发光二极管的特性曲线。

LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功率近似的线性增加。通常使用使用光输出功率P与注入电流I的关系，即P-I曲线，来描述LED的输出光功率特性，如图4-2-5所示。

图4-2-5 LED的P-I特性曲线

4-5什么是半导体的光电效应?

半导体材料的光电效应是指光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即光电子－空穴对，它们总起来称作光生载流子。

光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。从而在电阻R上有信号电压输出。这样，就实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。

4-6光电检测器的响应度和量子效率描述的是什么?二者有什么联系?

响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量。但是，它们的分析角度不同。二者的关系为 第五章 6-1 填空题

（1）实现光源调制的方法有两类： 和 。 （2）消光比定义为 。

（3）LD与单模光纤的耦合效率 可达 。 LED与单模光纤的耦合效率 可达 。

（4）LED与多模光纤的耦合结构主要有 、 和 。 （5）在光接收机中，与光电检测器相连的放大器称为 ，它是 的放大器。

（6）信号电平超过判决门限电平，则判为 码。低于判决门限电平，则判为 码。 （7）工程上光接收机的灵敏度常用 表示，单位是 。 答案：（1）直接调制 间接调制；

（2）消光比定义为：EXT=全“0”码时的平均光功率/全“1”码时的平均光功率； （3）较高 30%-50% 较低 1% （4）球透镜 柱透镜 GRIN透镜 （5）前置放大器 低噪声、高增益； （6）“1” “0”

（7）光功率的相对值 dBm

6-3 试画出LD数字信号的直接调制原理图。

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