光纤通信习题课与复习

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1、复习要点复习要点 1) 实验操作(光纤熔接、OTDR、器件测量）。 2）No.2： 光纤结构、G.652/655、光缆类型、模式概念、截止波长、 数值孔径NA、光纤损耗和色散的机理、计算公式、光纤带宽的 计算、主要的非线性常识； 3）No.3: 激光器形成的必要条件、异质结LD、单纵模激光器的设计原 理、LD与LED区别、LD主要特性、线路编码类型、mBnB、 APC或ATC原理； 4）No.4: PIN/APD工作原理、主要特性、接收机的主要指标与计算； 5）No.5 连接器/衰减器/耦合器的功能、关键技术指标、光纤耦合器 的原理 作业布置作业布置 1)实验操作 2)P55 4,7,8,10

2、,13; 3)P85 1,4, 9,12,13; 4)P116 5,7; 5)P129 2,4,5; 考试题型: 填空30+选择10+简答30+计算分析30 实验操作 1. 简单说明光时域反射仪OTDR的工作原理 光传输过程中，瑞利散射光功率与传输光功率成正比例。 通过检测与传输光相反方向的瑞利散射光功率和时延来确定光 纤相关参数的方法，称为后向散射法。基于后向散射法的原理 设计的测量仪器 即OTDR。 其工作曲线如右图: （a）为输入端反射区（或盲区） （b）为恒定斜率区，可用以确定 损耗系数； （c）接头或局部缺陷引起的损耗， 可用于确定缺陷位置和接头损耗； （d）连接器或介质缺陷引起的反

3、射； （e）输出端反射区，用以确定光纤的长度。 实验操作 2. 简述900um光纤手动熔接操作的步骤与注意事项 *操作步骤: 光纤剥皮(裸光纤25mm)清洁成端(17.5mm) 装热缩套管 V形槽定位夹持熔接机参数选择 间隙调整 对芯（水平+垂直）熔接熔纤取出,复位热缩封装 电极 电极 光纤光纤 *注意事项: 1）控制切割长度和端面质量; 2）成端光纤保持清洁; 3）熔接损耗小于0.02 dB; 4) 热缩套管与光纤包层重叠10mm； 5）其它； 第二章作业 4.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多 模传输光纤中主要存在什么色散？ 答:从产生机理而言，光纤中的色散主要包括材料色散

4、、 波导色散和模式间色散、偏振模色散等。 单模光纤中主要是材料色散； 多模光纤中主要是模式间色散。 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：如果一个传播模，在包层中不衰减，表明该模的能量可 以透过包层辐射出去，该传播模被截止了。如果一个传播模在 包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。 LP11模对应的矢量模是TE01，TM01，HE21。 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？ 答：单模光纤传输条件：归一化频率V2.405 单模光纤中传输的是

5、LP01模，对应的矢量模是HE11模。 截止波长： 例：在某阶跃折射率多模光纤的纤芯折射率n1=1.50，相对 折射率差0.005,长度L=1 km，要实现1310nm的单模传输 ，纤芯半径a的尺寸应该如何设计？ 答：要实现1310nm的单模传输，必须满足模式截止条件： 10.某阶跃折射率光纤的参数为n1=1.5,n2=1.485,现有光纤从端面 轴线处15入射进进光纤纤，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？ 答：根据临界全反射条件： 入射角15大于最大临界角12.2，所以入射光纤不满足全反射条 件，是辐射模! 8、由光源发出1.31m的光，在a=9um，=0.01，n1=

6、 1.45，光纤折射率为阶跃分布时，光纤中导模的数量为多少？ 对=2的渐变光纤，其导模数量为多少？ 答：归一化频率V： 对于阶跃型，导模数量为V2/239 对于渐变型，导模数量为V2/419 11.光脉冲经过长为20km,纤芯折射率1.5，包层折射率1.485的阶 跃光纤的多模传输后，其脉冲最大展宽为多大？ 答：考虑临界入射和直线传播两种极限情况： 13、光谱线宽度为1.5nm的光脉冲经过长为20km，色散系数为 3ps/kmnm的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？ 答： 例1.已知阶跃型光纤的n1=1.5，=1，工作波=1.3m， 光纤长度L=1km，光纤中的导模数量M=2。求： 光纤的数

7、值孔径NA。 光纤的纤芯半径a。 计算光纤带宽（只考虑模式色散,不计 dn1/d） 解： NAn1(2)1/2=1.5*(2*0.01) 1/2= 0.21 阶跃多模光纤，g-，M=V2/2 = V=2 V=2*3.14*a*NA/ = a= 2* 1.3/(2*3.14*0.21)= 1.97m (g-） *0.4247=0.4247* Ln1/C =0.42*1000*1.5*0.01/3x108= 2.1ns f3dB =187/=187/2.1=89 MHZ(数字信号允许速119Mb/s) 第三章作业 1、比较半导体激光器和发光二极管的异同。半导体激光器 （LD）有哪些特性？半导体发光

8、二极管（LED）有那些特性？ 答：LD和LED都可以用作通信光源。LD原理是受激辐射，而 LED是自发辐射。 LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电路，其发出的 光谱线窄，适宜于高速率系统； LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低 的场合。 4、已知半导体材料GaAs的Eg1.43eV，InGaAsP的Eg= 0.96eV，分别求由这两种材料组成半导体激光器的发射波长。 答： 9、在数字光纤通信系统中，选择线路码型时要考虑哪几个 因素？ mBnB字变换码和mB1H插入码各有什么特点？他们对系 统的码速率提高多少？ 某数字光纤通信系统中，信息码速为139.264Mbit/s，若

9、采 用5B6B码线路码速为多少？若采用4B1H线路码速又为多少？ 答：码型选择应该考虑的因素： 1）传输码型有足够的定时含量，减少连“0”和连“1”数， 便于时钟提取。 2）传输码型应有不中断业务进行误码检测的能力。 3）传输码型应力求降低线路传输的码率，或线路传输码率的 提高应尽可能的少。 4）抗干扰性好，实施简单和经济，无误码增殖等。 mBnB特点详细见P76；mB1H特点:在线检测和传送管理信息 5B6B码型：线路速率为139.2646/5=167.1168Mbit/s 4B1H码型：线路速率为139.264(4+1)/4=174.08Mbit/s 13、在光发送电路中为什么要设置自动温

10、度控制（ATC）电路 ？用ATC电路控制LD的哪些因素？试述ATC电路的工作原理 答：原因： 1）温度升高，阈值电流上升，光功率下降； 2）温度过高导致激光器工作不稳定，容易烧毁激光器 控制半导体制冷器的制冷效果（工作电流） 原理如图：叙述清楚工作过程即可 第四章作业 5、试述APD的工作原理。何谓“雪崩效应”？拉通型雪崩光 电二极管有什么特点？APD的电流增益系数G与什么有关？ 答：在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强 电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能 ，与晶格的原子发生碰撞电离，形成二次电子空穴对，产生 的二次电子空穴在强电场中又被加速，再次碰撞，再次电

11、离，如此循环下去，形成连锁反应，致使耗尽层内的载流子 数雪崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是 雪崩倍增效应。 雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电 流增益的半导体光电转换器件。 RAPD特点：光电转换效率高，响应速度快，附加噪声低等 APD的电流增益系数G与外加偏压、入射波长、温度等有关 7、何谓动态范围？何谓接收机灵敏度？灵敏度如何表示？ 在保证误码率的条件下：Pmax=0.2uW,Pmin=13.6nW,求该 接收机的动态范围值和灵敏度值。 灵敏度：接收机调整到最佳状态时接收微弱光信号的能力 动态范围：灵敏度与过载功率之间的差值 答： 例题一：PIN光接收机

12、的灵敏度Pr为-35dBm, 动态范围为 15dB,若接收到的光功率为20W，问系统能否正常工作？ 例题二: 一个GaAs PIN光电二极管平均每三个入射光子产 生一个电子空穴对.假设所有的电子都被收集: 1)计算该器件的量子效率. 2)在0.8um波段接收功率是10-7W,计算平均输出光电流. 解: 第五章作业 4、光纤耦合器有哪几种？叙述熔锥型光纤耦合器的原理。 答：从使用角度来看，光纤耦合器可以分为3端口和4端口 光纤耦合器、星形耦合器和波分复用/解复用器（合波器/分 波器） 。 熔锥型光纤耦合器的原理： 光纤a(直通臂)传输的输出光功率为Pa，光纤b(耦合臂)的 输出光功率为Pb，根据耦合理论得到 Pa=cos2(CL) ；Pb=sin2(CL) 式中，L为耦合器有效作用长度，C为取决于光纤参数和 光波长的耦合系数。 通过选择合适的工作长度来实现输出功率与波长的相关。 1 2 P 0 P1 P2 5、怎么定义光纤耦合器的插入损耗、附加损耗、耦合比和 串音？。 答： 插入损耗等于指定端口输出光功率之和与输入光功率之比 的分贝值，用 附加损耗：全部输入端口的输入光功率与全部输出光功率 的比值的分贝值。 耦合比：某一个输入端口的输出光功率与全部输出光功率 的比值。 串音：一个输入端口的光功率与耦合器泄露到其它输出（ 入）端口的光功率的比值。