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1、光纤通信简明教程参考答案第一章习题1-1 什么是光纤通信? 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤,它是工作在电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少?光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。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0.81.8m，对应的频率为167375THz。1-2 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。1-3 通信系统的容量用BL积表示，B和L分别是什么含义?系统的通信容量用比特率距离积表示，B为比特率，L为中继间距。1-
2、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。(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 请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。略第二章习题2-1 一个频率为Hz的光源，其发射功率为10W，它一秒内发射多少个光子?解：2-2 如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播?（1） 对于石英光纤，纤芯的折射率，包层的折射率。（2） 对于塑料光纤，纤芯的折射率，包层
3、的折射率。解：由 得（1）（2）2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。油的折射率为1.3，玻璃的折射率为1.5 ，若单色光的波长可由光源连续调节，并观察到500nm与700nm这两个波长的单色光在反射中消失，求油膜的厚度。解：由于空气的折射率小于油的折射率，油的折射率小于玻璃的折射率，薄油膜的上、下两表面反射而形成相干光，由于两束光的路程不同而引起的光程差为2 n2e；由于薄油膜的上、下两表面反射光都发生位相突变而不引起额外的光程差。所以总的光程差为 当反射光因干涉而减弱，则有 由上式得 k1 ，k2=1，2，3 所以k1 =4，k2=3把n2=1.3代入得到油膜的厚度为干涉加强的光波波
4、长为：e=673.08nm 2-4 一波长为=600nm的单色平行光垂直照射一个光栅上，光栅常数为d=6m，问第二级明纹所对应的衍射角为多少?解：光衍射角满足光栅方程时： k=0,1,2 式中d=a+b，k=2得 2-5 一束线偏振光入射到偏振片上，光矢量方向与偏振化方向分别成30角和60角，问透过偏振片的光强之比是多少?解：利用马吕斯定律： 2-6 光从空气中入射到玻璃会发生光的反射和折射，已知玻璃的折射率n=1.48，空气的折射率近似为1，试求反射光为线偏振光时所对应的入射角。解：由布儒斯特定律可得2-7 有一介质，吸收系数为，透射光强分别为入射光强的10%、50%及80%时，介质的厚度各
5、多少?解：光束穿过厚度为z的介质后强度为可得： 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；2-8 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2-9 HeNe激光器的中心频率 Hz，自发辐射谱线宽度为 Hz，若想获得单模输出，腔长应为多少?解：纵模个数N为 当单模输出时N=1，即 Hz由得4m第三章习题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
6、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）0V2.405 （5）光纤的自聚焦现象3-2 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图3-1-3所示。图3-1-3 阶跃折射率光纤的导光原理按照光的全反射理论，如果光线满足1大于临界角由式（3-1-3）确定的C ，将会在纤芯与包
7、层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图3-1-4所示。图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况，与轴线夹角大的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。 图3-1-4 渐变型折射率光纤的导光原理3-3 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48
8、，包层折射率n2=1.46，试计算光纤的数值孔径?解：由得3-4 什么是光纤的归一化频率?写出表达式。光纤的归一化频率V是由U和W得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。3-5 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1.31m条件下，要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。由可知纤芯半径应小于2.09m3-6 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
9、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 （3-3-1）式中： n(0)光纤轴线处（r=0）的折射率a纤芯半径3-7 写出光纤的衰减系数表达式。衰减系数的单位是什么？衰减常数用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为单位为dB/km。3-8 对于NA=0.275，n1=1.487的多模阶跃型光纤，一个光脉冲传输了8km，求光脉冲展宽了多少？解：3-9 对于N1=1.487，=1.71%的多模渐变型光纤，一个光脉冲传输了2km，求光脉冲展宽了多少？解：3-10 材料色散和波导色散引起的时延差与色散系数D
10、的关系是什么？色散系数D工程通常采用什么单位？材料色散和波导色散引起的时延差与色散系数D成正比，色散系数D工程上单位采用ps/(nmkm)。3-11 普通单模光纤的零色散波长大约为多少？色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成的？图3-6-3普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线，总色散在1.31m附近为零，这个波长称为零色散波长。而在1.55m附近色散系数D=1518ps/(kmnm)。在1.55m附近的损耗最低，如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55m附近，这样1.55m附近色散也最小，利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无疑对
11、长距离大容量的光纤通信是十分有利的。图3-6-3 普通单模光纤的DM、Dw和D随波长的变化曲线3-12 查阅资料，论述单模光纤的最新进展。略第四章习题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 。(2) 在半导体材料中掺杂其他原子，如果在半导体材料中掺杂负电荷的载体以产生大量的电子，这种半导体称为 型半导体；掺杂的是正电荷的载体以产生大量的空穴，则称为 型半导体。(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C的光入射时，才能使材料产生光子，所以
12、C称为 波长 (5) 由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了 ，又限制了 ，故它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低答案：（1）价带 导带 禁带（2）N P（3）激光 阈值（4）截止（5）光波 载流子4-2 LED的光谱有什么特点，可以用于何种光纤系统？发光二级管又称LED，广泛应用在各类电子设备中，也是光纤通信中经常使用的光源。它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。但它也具有发光亮度低，光谱宽等缺陷，故发光二极管(LED)通常使用在低速、短距离光通信系统。4-3 试画出LED的光输出功率P与注入电流I的关系曲线，即P-I曲线。LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功
13、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4-4 光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求？半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统的基本要求有以下几点：（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85m、1.31m或1.55m。（2）光源的谱线宽度较窄，=0.11.0nm。（3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。（4）与光纤耦合效率高，30%50%。（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。4-5 半导体激光器也由三个部分构成，试分别加以说明。半导体激光器由如下三个部分组成：产生激光的工作物质（激活物质） 能够产生激光的工作物质，也就是处于粒子数反转分布状态的工作物质，它是产生激光的必要条件。能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激励源（泵浦源） 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒子数从低能级跃迁到高能级，使得在这种情况下受激辐射大于受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益
