光纖通信課后習(xí)題參考答案-鄧大鵬.doc
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光纖通信課后習(xí)題答案 第一章習(xí)題參考答案 1、第一根光纖是什么時(shí)候出現(xiàn)的？其損耗是多少？ 答：第一根光纖大約是1950年出現(xiàn)的。傳輸損耗高達(dá)1000dB/km左右。 2、試述光纖通信系統(tǒng)的組成及各部分的關(guān)系。 答：光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、中繼器和光接收機(jī)組成。 系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將生成的光信號(hào)注入光纖光纜，調(diào)制過(guò)的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖長(zhǎng)途傳輸后送入光接收機(jī)，光接收機(jī)將光纖送來(lái)的光信號(hào)還原成原始的電信號(hào)，完成信號(hào)的傳送。 中繼器就是用于長(zhǎng)途傳輸時(shí)延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離。 3、光纖通信有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？ 答：光纖通信具有容量大，損耗低、中繼距離長(zhǎng)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，保密性能好，體積小、重量輕，節(jié)省有色金屬和原材料等優(yōu)點(diǎn)；但它也有抗拉強(qiáng)度低，連接困難，怕水等缺點(diǎn)。 第二章 光纖和光纜 1．光纖是由哪幾部分組成的？各部分有何作用？ 答：光纖是由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層組成的。纖芯和包層是為滿足導(dǎo)光的要求；涂覆層的作用是保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性。 2．光纖是如何分類(lèi)的？階躍型光纖和漸變型光纖的折射率分布是如何表示的？ 答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖和漸變型光纖；按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖和單模光纖；按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖；按照ITU-T關(guān)于光纖類(lèi)型的建議，可以將光纖分為G.651光纖（漸變型多模光纖）、G.652光纖（常規(guī)單模光纖）、G.653光纖（色散位移光纖）、G.654光纖（截止波長(zhǎng)光纖）和G.655（非零色散位移光纖）光纖；按套塑（二次涂覆層）可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。 （2）階躍型光纖的折射率分布 漸變型光纖的折射率分布 3．階躍型光纖和漸變型光纖的數(shù)值孔徑NA是如何定義的？?jī)烧哂泻螀^(qū)別？它是用來(lái)衡量光纖什么的物理量？ 答：階躍型光纖的數(shù)值孔徑 漸變型光纖的數(shù)值孔徑 兩者區(qū)別：階躍型光纖的數(shù)值孔徑是與纖芯和包層的折射率有關(guān)；而漸變型光纖的數(shù)值孔徑只與纖芯內(nèi)最大的折射率和包層的折射率有關(guān)。 數(shù)值孔徑是衡量光纖的集光能力，即凡是入射到圓錐角φ0以內(nèi)的所有光線都可以滿足全反射條件，在芯包界面上發(fā)生全反射，從而將光線束縛在纖芯中沿軸向傳播。 4．簡(jiǎn)述光纖的導(dǎo)光原理。 答：光纖之所以能夠?qū)Ч饩褪抢美w芯折射率略高于包層折射率的特點(diǎn)，使落于數(shù)值孔徑角)內(nèi)的光線都能收集在光纖中，并在芯包邊界以內(nèi)形成全反射，從而將光線限制在光纖中傳播。 5．什么是傳導(dǎo)模？推導(dǎo)相位一致條件，并說(shuō)明其物理意義。 答：（1）能在光纖中長(zhǎng)距離傳播的模式稱(chēng)之為傳導(dǎo)模，簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)模。 （2） θ k0n1 A B A B 2a 即： 根據(jù)平面幾何知識(shí)，可化簡(jiǎn)為： （3）光波在有限空間傳播時(shí)，形成駐波。因此，當(dāng)光波橫向傳播一個(gè)周期時(shí)，其波相位變化2π的整數(shù)倍，才會(huì)相干加強(qiáng)形成駐波，否則相干抵消。 6．在均勻光纖中，為什么單模光纖的芯徑和相對(duì)折射率差Δ比多模光纖小？ 答：光纖單模傳輸?shù)臈l件是光纖的歸一化頻率V要小于次低階模的歸一化截止頻率Vc，即：；當(dāng)時(shí)，光纖進(jìn)行多模傳輸。 而 。 因此，單模光纖的芯徑a和相對(duì)折射率差Δ比多模光纖小。 7．均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=1.50，n2=1.45，光纖的長(zhǎng)度L=10Km。試求： （1）光纖的相對(duì)折射率差Δ； ?。?）數(shù)值孔徑NA； （3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和相對(duì)折射率差Δ。 解：（1） （2） （3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則相當(dāng)于包層的折射率n2=1，則 而最大為1，所以說(shuō)只要光纖端面的入射角在90O以內(nèi)，就可以在光纖中形成全反射。 8．已知階躍型光纖，纖芯折射率n1=1.50，相對(duì)折射率差Δ=0.5%，工作波長(zhǎng)λ0=1.31μm，試求： （1）保證光纖單模傳輸時(shí)，光纖的纖芯半徑a應(yīng)為多大？ （2）若a=5μm，保證光纖單模傳輸時(shí)，n2應(yīng)如何選擇？ 解：（1）因?yàn)槭请A躍型光纖，所以歸一化截止頻率Vc＝2.405； （2）若a=5μm，保證光纖單模傳輸時(shí)， 9．已知拋物線型漸變多模光纖，纖芯軸線處的最大折射率n(o)＝1.50，相對(duì)折射率Δ＝5%，纖芯半徑2a=50μm，工作波長(zhǎng)λ0=0.85μm。試求此光纖可傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)。 解：因?yàn)椋簰佄锞€型漸變多模光纖，α＝2 所以： 所以該拋物線型漸變多模光纖為多模傳輸，可傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)為： 10．證明：垂直極化波和水平極化波的反射系數(shù)和傳遞系數(shù)的表達(dá)式（略）。 垂直極化波： 水平極化波： 11．根據(jù)上題證明的結(jié)果，推導(dǎo)垂直極化波和水平極化波在全反射情況下介質(zhì)1和介質(zhì)2中場(chǎng)的表達(dá)式，并簡(jiǎn)要說(shuō)明介質(zhì)1和介質(zhì)2中波的特點(diǎn)。 答：垂直極化波在全反射情況下 令： 在介質(zhì)1中，既有入射波，又有反射波，并且入射波和反射波電場(chǎng)方向相同，因此合成波可在直角坐標(biāo)系下展開(kāi)，并表示為： 所以，全反射情況下介質(zhì)1中波的特點(diǎn)是沿X方向按三角函數(shù)規(guī)律變化，說(shuō)明能量在X方向上不傳播，波呈駐波分布。沿Z方向呈行波狀態(tài)，說(shuō)明合成波是沿Z方向傳播的，其相位傳播常數(shù)為 在介質(zhì)2中只有傳遞波： 由于： 所以： 因此，全反射情況下介質(zhì)2中波的特點(diǎn)是沿Z方向呈行波分布，且傳播常數(shù)與介質(zhì)1中的相同；隨X方向變化的因子是，說(shuō)明波的幅度隨離開(kāi)界面的距離按指數(shù)形式衰減，衰減的快慢由參數(shù)決定?！ ? 12．簡(jiǎn)述TEM波、TE波、TM波、EH波和HE波各自的特點(diǎn)。弱導(dǎo)光纖中存在哪些類(lèi)型的波？為什么不存在TEM波？ 答：（1）TEM波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向與波的傳播方向垂直，即在傳播方向上既沒(méi)有磁場(chǎng)分量也沒(méi)有電場(chǎng)分量，且三者兩兩相互垂直。TE波在傳播方向上只有磁場(chǎng)分量而沒(méi)有電場(chǎng)分量；TM波在傳播方向上只有電場(chǎng)分量而沒(méi)有磁場(chǎng)分量；EH波在傳播方向上既有磁場(chǎng)分量又有電場(chǎng)分量，但以電場(chǎng)分量為主；HE波在傳播方向上既有磁場(chǎng)分量又有電場(chǎng)分量，但以磁場(chǎng)分量為主。 （2）在弱導(dǎo)光纖中存在TE波、TM波、EH波和HE波四種波型。 （3）TEM波在傳播方向（Z方向）上既沒(méi)有電場(chǎng)分量，又沒(méi)有磁場(chǎng)分量。即Ez＝0、Hz＝0。如果光纖中存在TEM波，則根據(jù)Ez、Hz的表達(dá)式可以得到A＝B＝0，從而得到Er、Eφ、Hr、Eφ都為零，即光纖中不存在電磁場(chǎng)，所以光纖中根本不存在TEM波。 13．模的特性是用哪些參數(shù)來(lái)衡量的？各描述的是什么含義？ 答：模的特性可以用三個(gè)特征參數(shù)U、W和β來(lái)描述。其中： U表示導(dǎo)模場(chǎng)在纖芯內(nèi)部的橫向分布規(guī)律；W表示表示導(dǎo)模場(chǎng)在纖芯外部的橫向分布規(guī)律；U和W結(jié)合起來(lái)，就可以完整地描述導(dǎo)模的橫向分布規(guī)律。β是軸向的相位傳播常數(shù)，表明導(dǎo)模的縱向傳輸特性。 14．根據(jù)TE0n和TM0n模在弱導(dǎo)光纖中的特征方程 證明TE0n和Tm0n模在截止?fàn)顟B(tài)下有： 證明：根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，當(dāng)W→0時(shí)， 模式處于臨界狀態(tài)時(shí)，W＝0，對(duì)應(yīng)的徑向歸一化相位常數(shù)記為Uc。 若Uc＝0，則，成為不定型， 所以Uc≠0，只有 15．根據(jù)HEmn模在弱導(dǎo)光纖中的特征方程 試求：HE11、HE12、HE21和HE22模的歸一化截止頻率Vc。 解：（1）當(dāng)m＝1時(shí)，HE1n在臨界狀態(tài)下的特征方程 即：Uc＝0、3.83171、7.01559、10.17347、13.32369……， （2）當(dāng)m≥2時(shí)，HEmn在臨界狀態(tài)下的特征方程 即： 根據(jù)貝塞爾函數(shù)的遞推公式： 所以： Uc＝0，則，成為不定型， 所以：Uc≠0，此時(shí)只有 當(dāng)m=2時(shí)， Uc＝2.40483、5.52008、8.65373、11.79153……， 所以，HE11、HE12、HE21和HE22模的歸一化截止頻率Vc分別為： HE11?！ c＝0 HE12?！ c＝3.83171 HE21?！ c＝2.40483 HE22模 Vc＝5.52008 16．根據(jù)EHmn模在弱導(dǎo)光纖中的特征方程 試求：EH11、EH12、EH21和EH22模在遠(yuǎn)離截止時(shí)的徑向歸一化相位常數(shù)U值。 解：遠(yuǎn)離截止時(shí)，W→∞。 根據(jù)： 從而得到： U（EH11）＝μ21＝5.13562， U（EH12）＝μ22＝8.41724 U（EH21）＝μ31＝6.38016 U（EH22）＝μ32＝9.76102 17．如果在導(dǎo)弱光纖中存在EH21模，則光纖中至少還存在哪些模式？如果光纖中只讓HE11模存在，則光纖的歸一化頻率V必須滿足什么條件？ 答：如果在導(dǎo)弱光纖中存在EH21模，則光纖中至少還存在HE11、TE01、TM01三種模式。 如果光纖中只讓HE11模存在，則光纖的歸一化頻率V必須小于2.40483。 18．已知階躍型多模光纖，其纖芯半徑a=8μm，纖芯折射率n1=1.46，相對(duì)折射率差Δ=1%，工作波長(zhǎng)λ0=1.31μm。試求此階躍型光纖中可傳輸哪些模式？ 解： 所以，此階躍型光纖中可傳輸HE11、TE01、TM01、HE21、EH11、HE12、HE31、EH21、HE41、TE02、TM02、HE22、EH31、HE51、EH12、HE13、HE32共17種模式。 19．光纜的典型結(jié)構(gòu)有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？ 答：光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。 層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，加強(qiáng)構(gòu)件位于光纜的中心，屬中心加強(qiáng)構(gòu)件配置方式，制造較容易，光纖數(shù)量較少（例如12芯以下）時(shí)多采用這種結(jié)構(gòu)。 骨架式光纜中結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)光纖保護(hù)較好，耐壓、抗彎性能較好，節(jié)省了松套管材料和相應(yīng)的工序，但也對(duì)放置光纖入槽工藝要求高。 束管式結(jié)構(gòu)的光纜體積小、重量輕、制造容易、成本低，是更能發(fā)揮光纖優(yōu)點(diǎn)的光纜結(jié)構(gòu)之一。 帶狀式結(jié)構(gòu)光纜是一種空間利用率最高的光纜，優(yōu)點(diǎn)是可容納大量的光纖（一般在100芯以上），作為用戶光纜可滿足需要；同時(shí)每個(gè)單元的接續(xù)可以一次完成，以適應(yīng)大量光纖接續(xù)、安裝的需要。 20．光纜進(jìn)潮進(jìn)水有哪些危害？光纜在結(jié)構(gòu)上是如何防潮防水的？ 答：（1）水進(jìn)入光纜后，會(huì)在光纖中產(chǎn)生OH－吸收損耗，使信道總衰減增大，甚至使通信中斷；（2）水和潮氣進(jìn)入光纜后，使光纖材料的原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致光纖的抗拉強(qiáng)度降低；（3）會(huì)造成光纜中金屬構(gòu)件的腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致光纜強(qiáng)度降低；（4）水和潮氣進(jìn)入光纜后，遇到低溫時(shí)，水結(jié)冰后體積增大，可能壓壞光纖。 因此為了保證光纖的特性不致劣化，在光纖和光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工和維護(hù)中都采取了一系列的防水措施。一般直埋光纜從外到內(nèi)有聚乙烯外護(hù)套 、金屬護(hù)層、聚乙烯內(nèi)護(hù)套 、防水填充料、光纖松套管、油膏、光纖。 21．光纜型號(hào)是由哪幾部分構(gòu)成的？ 答：光纜的型號(hào)是由光纜的型式代號(hào)和光纖的規(guī)格兩部分構(gòu)成，中間用一短線分開(kāi)。 22．識(shí)別光纜型號(hào) GYFTY21-12J50/125（30409）B GYZT53-24D8/125（303）A 答：（1）GYFTY21-12J50/125（30409）B是非金屬加強(qiáng)構(gòu)件、填充式結(jié)構(gòu)、聚乙烯護(hù)套、雙鋼帶鎧裝、纖維外護(hù)層的通信用室外光纜，光纜內(nèi)有12根芯徑/包層直徑為50/125m的二氧化硅系多模漸變型光纖，在1.55m波長(zhǎng)上光纖的衰減系數(shù)不大于0.4dB/km，模式帶寬不大于900MHzkm，光纜的適用溫度范圍是-30℃～+50℃。 （2）GYZT53-24D8/125（303）A是金屬加強(qiáng)構(gòu)件、自承式填充式結(jié)構(gòu)、單鋼帶皺紋縱包、聚乙烯外護(hù)層的通信用室外光纜，光纜內(nèi)有24根模場(chǎng)直徑/包層直徑為8/125m的二氧化硅系單模光纖，在1.55m波長(zhǎng)上光纖的衰減系數(shù)不大于0.3dB/km，光纜的適用溫度范圍是-40℃～+40℃。 第三章 光纖的傳輸特性 1．簡(jiǎn)述石英系光纖損耗產(chǎn)生的原因，光纖損耗的理論極限值是由什么決定的？ 光纖損耗 吸收損耗 本征吸收 雜質(zhì)吸收 原子缺陷吸收 紫外吸收 紅外吸收 氫氧根（OH－）吸收 過(guò)渡金屬離子吸收 瑞利散射損耗 結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗 散射損耗 彎曲損耗 光纖彎曲損耗 光纖微彎損耗 答：（1） （2）光纖損耗的理論極限值是由紫外吸收損耗、紅外吸收損耗和瑞利散射決定的。 2．當(dāng)光在一段長(zhǎng)為10km光纖中傳輸時(shí)，輸出端的光功率減小至輸入端光功率的一半。 求：光纖的損耗系數(shù)α。 解：設(shè)輸入端光功率為P1，輸出端的光功率為P2。 則P1＝2P2 光纖的損耗系數(shù) 3．光纖色散產(chǎn)生的原因有哪些？對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)有何危害？ 答：（1）按照色散產(chǎn)生的原因，光纖的色散主要分為：模式（模間）色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散。 （2）在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，色散會(huì)引起光脈沖展寬，嚴(yán)重時(shí)前后脈沖將相互重疊，形成碼間干擾，增加誤碼率，影響了光纖的傳輸帶寬。因此，色散會(huì)限制光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。 4．為什么單模光纖的帶寬比多模光纖的帶寬大得多？ 答：光纖的帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，而色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即色散越大，帶寬越窄。由于光纖中存在著模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散四種，并且模式色散>>材料色散＞波導(dǎo)色散＞極化色散。由于極化色散很小，一般忽略不計(jì)。在多模光纖中，主要存在模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散；單模光纖中不存在模式色散，而只存在材料色散和波導(dǎo)色散。因此，多模光纖的色散比單模光纖的色散大得多，也就是單模光纖的帶寬比多模光纖寬得多。 5．均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為n1=1.50，n2=1.45，光纖的長(zhǎng)度L=10km。試求： （1）子午光線的最大時(shí)延差； （2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求子午光線的最大時(shí)延差。 解：（1） （2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則n2=1.0 6．一制造長(zhǎng)度為2km的階躍型多模光纖，纖芯和包層的折射率分別為n1=1.47，n2=1.45，使用工作波長(zhǎng)為1.31μm，光源的譜線寬度Δλ＝3nm，材料色散系數(shù)Dm＝6ps/nmkm，波導(dǎo)色散τw＝0，光纖的帶寬距離指數(shù)γ＝0.8。試求： （1）光纖的總色散； （2）總帶寬和單位公里帶寬。 解：（1） （2） 7．一制造長(zhǎng)度為2km的拋物線型漸變多模光纖，纖芯軸線處的折射率n(0)＝1.5，包層的折射率nC=1.48，使用工作波長(zhǎng)為0.85μm，光源的譜線寬度Δλ＝6nm，材料色散系數(shù)Dm＝15ps/nmkm，波導(dǎo)色散τw＝10 ps，光纖的帶寬距離指數(shù)γ＝0.9。試求： （1）光纖的總色散； （2）總帶寬和單位公里帶寬。 解：（1） （2） 8．某系統(tǒng)使用工作波長(zhǎng)λ0＝1.31μm，譜線寬度Δλ＝5nm的光源和長(zhǎng)度為3km的階躍型光纖，其纖芯的折射率n1=1.458，相對(duì)折射率差Δ＝0.8%，纖芯半徑a＝8μm，光纖的材料色散系數(shù)Dm＝8ps/nmkm，波導(dǎo)色散τw＝0，其帶寬速率比為0.8。試求光纖的模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬。 解： 第四章習(xí)題參考答案 1.光纖連接器的作用是什么？ 答：光纖連接器的作用是實(shí)現(xiàn)光纖之間活動(dòng)連接的光無(wú)源器件，它還具有將光纖與其它無(wú)源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動(dòng)連接的功能。 2.我國(guó)常用的光纖連接器有哪些類(lèi)型？ 答：我國(guó)常用的光纖連接器有FC、SC和ST三種類(lèi)型連接器。 3.光纖連接器的結(jié)構(gòu)有哪些種類(lèi)？分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 答：光纖連接器的結(jié)構(gòu)主要有套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)、球面定心結(jié)構(gòu)和透鏡耦合結(jié)構(gòu)。 套管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，加工技術(shù)能夠達(dá)到要求的精度，因而得到了廣泛應(yīng)用。雙錐結(jié)構(gòu)的精度和一致性都很好，但插針和基座的加工精度要求極高。V形槽結(jié)構(gòu)可以達(dá)到較高的精度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量多。球面定心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想巧妙，但零件形狀復(fù)雜，加工調(diào)整難度大。透鏡耦合結(jié)構(gòu)降低了對(duì)機(jī)械加工的精度要求，使耦合更容易實(shí)現(xiàn)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整元件多、接續(xù)損耗大。 4.光纖耦合器的作用是什么？ 答：光纖耦合器的作用是將光信號(hào)進(jìn)行分路、合路、插入、分配。 5.光纖耦合器常用的特性參數(shù)有哪些？如何定義這些參數(shù)。 答：光纖耦合器常用的特性參數(shù)主要有：插入損耗、附加損耗、分光比、方向性、均勻性、偏振相關(guān)損耗、隔離度等。 插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對(duì)全部輸入光功率的減少值。 附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對(duì)于全部輸入光功率的減小值。 分光比定義為耦合器輸出端口的輸出功率相對(duì)輸出總功率的百分比。 方向性定義為在耦合器正常工作時(shí)，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值。 均勻性定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。 偏振相關(guān)損耗是指當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)發(fā)生360變化時(shí)，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量。 隔離度是指某一光路對(duì)其他光路中的信號(hào)的隔離能力。 6.簡(jiǎn)述系統(tǒng)對(duì)波分復(fù)用器與解復(fù)用器要求的異、同點(diǎn)。 答：系統(tǒng)對(duì)波分復(fù)用器與解復(fù)用器共同的要求是：復(fù)用信道數(shù)量要足夠多、插入損耗小、串音衰減大和通帶范圍寬。波分復(fù)用器與波分解復(fù)用器的不同在于：解復(fù)用器的輸出光纖直接與光檢測(cè)器相連，芯徑與數(shù)值孔徑可以做得大些，因此制造低插入損耗的解復(fù)用器并不太難；而復(fù)用器的輸出光纖必須為傳輸光纖，不能任意加大芯徑和數(shù)值孔徑，而減小輸入光纖的芯徑和數(shù)值孔徑，又會(huì)增加光源到輸入光纖的耦合損耗，所以復(fù)用器的插入損耗一般比較大。 7.光開(kāi)關(guān)的種類(lèi)有哪些？有哪些新的技術(shù)有待開(kāi)發(fā)？ 答：光開(kāi)關(guān)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可分為機(jī)械式光開(kāi)關(guān)和非機(jī)械式光開(kāi)關(guān)，根據(jù)工作原理可分為機(jī)械式光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)、電光式光開(kāi)關(guān)和熱光式光開(kāi)關(guān)。 有哪些新的技術(shù)有待開(kāi)發(fā)？（隨著材料、技術(shù)的發(fā)展會(huì)有不同的答案，建議根據(jù)當(dāng)時(shí)的文獻(xiàn)進(jìn)行回答） 8.光隔離器的功能是什么？其主要技術(shù)參數(shù)是什么？ 答：光隔離器的功能是只允許光波向一個(gè)方向傳播，而阻止光波向其它方向特別是反方向傳播。 主要技術(shù)參數(shù)有：插入損耗、隔離度。 9.簡(jiǎn)述光隔離器的組成及各部分的作用。 答：?jiǎn)文９饫w隔離器由起偏器、檢偏器和法拉第旋轉(zhuǎn)器三部分組成，如圖所示： 入射光 反射光 起偏器 法拉第 旋轉(zhuǎn)器 檢偏器 起偏器的透振方向是垂直方向，即允許垂直偏振光順利通過(guò)；檢偏器的透振方向是45方向，即允許45方向上的偏振光順利通過(guò)；法拉第旋轉(zhuǎn)器使通過(guò)它的光的偏振方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45。 10.一個(gè)簡(jiǎn)單的光隔離器需要多少偏振器來(lái)阻擋錯(cuò)誤方向傳輸?shù)墓猓? 答：2個(gè)。 11.當(dāng)一束光注入光纖時(shí)，由于菲涅爾反射、瑞利散射等原因，會(huì)有部分光傳回到注入端（稱(chēng)之為后向光），用光環(huán)行器在注入端可以將后向光分離出來(lái)，請(qǐng)畫(huà)出連接圖。 答： 12.現(xiàn)有一束包含1550nm波長(zhǎng)的混合光，請(qǐng)用光纖光柵和光環(huán)行器設(shè)計(jì)一個(gè)光路將1550nm的光信號(hào)分離出來(lái)。 答： 第五章習(xí)題解答 1、比較LED和LD，并說(shuō)明各自適應(yīng)的工作范圍。 答：LED的發(fā)射光功率比LD要小，不適合長(zhǎng)距離系統(tǒng)；LED的光譜寬度比LD大得多，不適合長(zhǎng)距離系統(tǒng)；LED的調(diào)制帶寬比LD小得多，不適合長(zhǎng)距離系統(tǒng)；LED的溫度特性比LD好得多。所以，LED適應(yīng)于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)，而LD適應(yīng)于長(zhǎng)距離大容量光纖通信系統(tǒng)。 2、試說(shuō)明LED的工作原理。 答：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，Pp結(jié)之間的勢(shì)壘（相對(duì)于空穴）和Np結(jié)之間的勢(shì)壘（相對(duì)于電子）降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)（由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來(lái)的電子和空穴不會(huì)分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū)），在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其它衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。 3、試說(shuō)明LD的工作原理。 答：當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r(shí)，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會(huì)在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)生受激輻射放大（其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉），直至傳播到高反射率界面由被反射回有源層，再次向另一個(gè)方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高反射率界面的損耗后，就會(huì)向高反射率界面外面輸出激光。 4、為什么應(yīng)用單縱模LD光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率遠(yuǎn)大于使用LED光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率？ 答：因?yàn)閱慰v模LD的譜線寬度比LED的譜線寬度小得多，單縱模LD的調(diào)制帶寬比LED的調(diào)制帶寬大得多，所以單縱模LD光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率遠(yuǎn)大于使用LED光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率。 5、若激光物質(zhì)的禁帶寬度為0.8eV。試問(wèn)該激光物質(zhì)所能輻射的光波長(zhǎng)是多少？ 答： =1.24/0.85 （μm） =1.55 6、光與物質(zhì)的相互作用有哪幾種方式？ 答：光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，存在自發(fā)輻射、受激輻射及受激吸收三種基本過(guò)程。 7、什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？ 答：高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上電子數(shù)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。 8、在光纖通信系統(tǒng)中，光源為什么要加正向電壓？ 答：利用外加適當(dāng)?shù)恼螂妷嚎梢詫?shí)現(xiàn)發(fā)光物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而使物質(zhì)總體呈現(xiàn)發(fā)光過(guò)程。 9、光發(fā)送機(jī)主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？ 答：光發(fā)送機(jī)主要由光源、驅(qū)動(dòng)電路及輔助電路等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是為光源提供要求的驅(qū)動(dòng)電流；光源的主要作用是完成電光變換（光調(diào)制）；輔助電路主要完成自動(dòng)功率控制、自動(dòng)溫度控制及光源保護(hù)等功能。 10、光調(diào)制方式有哪些？目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)采用的是數(shù)字調(diào)制方式？還是模擬調(diào)制方式？ 答：光調(diào)制方式主要按照光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系及已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)兩種方式分類(lèi)。根據(jù)光源與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系，可以將光源的調(diào)制方式分為直接調(diào)制方式和外部（或間接）調(diào)制方式；根據(jù)已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)，可以將光源的調(diào)制方式分為模擬調(diào)制方式和數(shù)字調(diào)制方式。從調(diào)制的本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)采用的是模擬調(diào)制方式。 11、若歸一化調(diào)制信號(hào)波形為x(t)=sinΩt，試寫(xiě)出已調(diào)光信號(hào)的電場(chǎng)表達(dá)式和對(duì)應(yīng)的平均發(fā)送光功率表達(dá)式。 答： PT=＜eT2(t)＞ =KT2＜[1+msin(Ωt)]cos2(ωct+φ0)＞ = KT2/2＜[1+msin(Ωt)]＞+ KT2/2＜[1+msin(Ωt)] cos2(ωct+φ0)＞ = KT2/2 12、一個(gè)優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路一般要滿足哪些要求？ 答：能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流；有足夠快的響應(yīng)速度，最好大于光源的驅(qū)動(dòng)速度；保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。 13、在光發(fā)送機(jī)中，為什么要設(shè)置APC電路？ 答：主要是為了保持LD光發(fā)送機(jī)輸出的平均光功率達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)具有保護(hù)光源安全的作用。 14、在光發(fā)送機(jī)中，主要應(yīng)用哪些類(lèi)型的自動(dòng)功率控制電路？ 答：在光發(fā)送機(jī)中，主要應(yīng)用普通電參數(shù)自動(dòng)功率控制電路和光電反饋?zhàn)詣?dòng)功率控制電路。 15、為什么說(shuō)圖5.18電路具有連“0”保護(hù)作用？ 答：在輸入信號(hào)為連“0”時(shí)，A1和A3的輸出的增加基本相同，所以不會(huì)使光源的輸出光功率增加或增加很大，因此具有保護(hù)LD的功能。 16、在光發(fā)送機(jī)中，為什么要設(shè)置ATC電路？ 答：為了保證光發(fā)送機(jī)具有穩(wěn)定的輸出特性，對(duì)LD的溫度特性進(jìn)行控制是非常必要的，而且對(duì)LD的溫度控制也是保護(hù)LD的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。 17、試敘述在溫度升高時(shí)圖5.20電路的工作過(guò)程。 答：當(dāng)某種原因引起光源溫度升高時(shí)，熱敏電阻RT阻值降低，使由R1、R2、R3及RT組成的電橋失去平衡，A1放大器反向輸入端電位提高，使A1放大器輸出端電位降低，晶體三極管T提供的制冷電流增加。所以，半導(dǎo)體制冷器（Semiconductor Cooler，SCR）冷面溫度下降，致使安裝于半導(dǎo)體制冷器SCR冷面的LD溫度回落，直至基本恢復(fù)到原來(lái)的溫度。 第六章習(xí)題解答 1、在光纖通信系統(tǒng)中，使用最多的光電檢測(cè)器有哪些？它們分別使用于什么場(chǎng)合？ 答：在光纖通信系統(tǒng)中，使用最多的光電檢測(cè)器包括PINPD和APD兩種，它們分別使用于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)和長(zhǎng)距離大容量光纖通信系統(tǒng)。 2、光電檢測(cè)器是在什么偏置狀態(tài)下工作的？為什么要工作在這樣的狀態(tài)下？ 答：光電檢測(cè)器工作于負(fù)偏置狀態(tài)。只有工作于負(fù)偏置狀態(tài)，才能使材料的受激吸收占據(jù)主導(dǎo)地位，從而完成光電變換功能。 3、在PINPD中，I層半導(dǎo)體材料的主要作用是什么？ 答：通過(guò)擴(kuò)展受激吸收的區(qū)域提高光電變換的效率及通過(guò)一定的內(nèi)建電場(chǎng)提高器件的響應(yīng)速度。 4、簡(jiǎn)述PINPD的工作原理。 答：當(dāng)光照射到PIN光電二極管的光敏面上時(shí)，會(huì)在整個(gè)耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)作用下，這種光生載流子運(yùn)動(dòng)到電極。當(dāng)外部電路閉合時(shí)，就會(huì)在外部電路中有電流流過(guò)，從而完成光電的變換過(guò)程。 5、在APD中，一般雪崩倍增作用只能發(fā)生于哪個(gè)區(qū)域？ 答：高場(chǎng)區(qū)（即雪崩倍增區(qū)）。 6、簡(jiǎn)述APD的工作原理。 答：當(dāng)光照射到APD的光敏面上時(shí)，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)作用下，一次電子空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)到高場(chǎng)區(qū)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的碰撞電離過(guò)程而形成雪崩倍增現(xiàn)象，從而產(chǎn)生出大量的二次電子空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)的作用下，一次電子空穴對(duì)和二次電子空穴對(duì)一起運(yùn)動(dòng)到電極。當(dāng)外部電路閉合時(shí)，就會(huì)在外部電路中有電流流過(guò)，從而完成光電變換過(guò)程。 7、光電檢測(cè)器的響應(yīng)度和量子效率有什么樣的關(guān)系？這兩個(gè)參數(shù)相互獨(dú)立嗎？ 答： 響應(yīng)度從宏觀角度描述光電檢測(cè)器的光電變換效率，而量子效率則從微觀角度描述光電檢測(cè)器的光電變換效率。所以，響應(yīng)度和量子效率不是相互獨(dú)立的參數(shù)。 8、光電檢測(cè)器的暗電流由哪些部分組成？這些組成部分分別對(duì)PINPD和APD的暗電流有何影響？ 答：由表面暗電流和體內(nèi)暗電流組成。對(duì)于PINPD，表面暗電流遠(yuǎn)大于體內(nèi)暗電流。對(duì)于APD，由于倍增效應(yīng)的存在，其體內(nèi)暗電流遠(yuǎn)大于表面暗電流。 9、APD的倍增因子是否越大越好？為什么？ 答：當(dāng)M下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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