南京邮电大学光纤习题解题指导(部分)

传输技术基础A习题解题指导南京邮电大学通信与信息工程学院2Chap.1No.1光纤通信有哪些优点？参见1.2.1。3Chap.1No.2比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。参见1.1，注意各代系统在传输容量和关键技术上的区别。4Chap.1No.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、1550nm三种。参见1.3.2，由于目前使用的光纤均为石英光纤，而石英光纤的损耗－波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长为850nm、1310nm、1550nm三个低损耗区。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。5Chap.2No.1光纤产生衰减的原因是什么？衰减对通信有什么影响？……则该光纤的衰减系数α为多少？光纤产生衰减的原因包括吸收、散射和辐射。衰减会导致信号功率损失，造成接收困难。α(1550nm)＝10lg(Pin/Pout)/L=10lg(4/3)/5≈0.25dB/km6Chap.2No.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？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。瑞利散射损耗的大小与成正比。4/17Chap.2No.3光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？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。色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误码。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。8Chap.2No.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？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。单模光纤中主要是波导色散；多模光纤中主要是模式间色散。注：偏振模色散可以理解为是特殊的模式色散，但在速率较低的系统中影响较小。9Chap.2No.5单模光纤的基本参数截止波长，模场直径的含义是什么？截止波长、模场直径的概念和含义分别参见2.4.1和2.4.2。10Chap.2No.6目前光纤通信为什么只选用以下三个波长段：λ＝850nm，λ＝1310nm，λ＝1550nm？因为目前使用的光纤材料是石英（SiO2），而石英光纤在850nm、1310nm和1550nm三处具有较小的传输损耗，适宜作为传输窗口。所以目前的光纤通信系统基本上都使用这三个波长。11Chap.2No.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？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。如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。所以一个传播模在包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。单模光纤传输条件：归一化频率V≤2.405单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。截止波长由下式计算LP11模对应的矢量模是TE01，TM01，HE21。4048.222221nnac12Chap.2No.8由光源发出的λ＝1.31μm的光，……光纤中导模的数量为多少？若……其导模的数量为多少？根据归一化频率计算公式V＝8.85根据p.47公式2-137和2-138计算可得对于阶跃型，导模数量为对于渐变型，导模数量为42V22V13Chap.2No.9一光线在离折射率分布为……，求（1）光线入射点的数值孔径；（2）理论最大数值孔径。参见2.5.2，最大理论数值孔径为入射点处局部数值孔径为)()0(22max,annNAt)()()(22anrnrNA14Chap.2No.10某阶跃折射率光纤的参数为……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？22210sinnnna此题包括光在空气与纤芯分界面以及纤芯与包层分界面两次反射，可以先由纤芯/包层分界面全反射条件求出临界角，再利用三角关系计算入射角，或直接利用教材上公式，将n1＝1.5，n2＝1.485代入可知，最大接收角为12.22°，而入射角大于临界角，所以入射光纤不满足全反射条件，不能传输，是辐射模。15Chap.2No.12已知光纤参数为：n1＝1.45，Δ＝0.01，λ＝1.31μm，估算光纤的模场直径。参见2.4.2，可知数值孔径的均值为2050=Δ2=1.nNAt16Chap.2No.13光谱线宽度为1.5nm的光脉冲经过长为20km，色散系数为3ps/km·nm的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？根据色散系数的定义可知，此情况下光脉冲的展宽为1.5nm×3ps/km·nm×20km=90nm。17Chap.2No.14为什么G.653光纤不适合于波分复用系统使用？参见2.6.4和2.6.5，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。18Chap.3No.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？半导体发光二极管（LED）有那些特性？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。19Chap.3No.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？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。激光器阈值电流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。激光器的阈值电流与温度和使用时间成正比关系。20Chap.3No.3半导体激光器输出的光脉冲为什么会产生驰张振荡和暂态过击现象？这两种现象有何危害？如何消除这两种现象？详见光发送电路部分，重点理解注入电流信号与阈值电子密度和光子密度之间的关系，以及由此产生的驰张振荡和暂态过击现象。解决方法是实现在光源电路中加入偏置电流，其选取原则是略小于阈值电流。21Chap.3No.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。可由计算出对应的光频率，其中h为普郎克常量，然后再将频率换算至对应的光波长。Ehf22Chap.3No.5目前光纤通信中为什么普遍采用双异质结结构的条形半导体激光器作为光源？比较增益波导型和折射率波导型两种条形激光器各有什么特点？异质结和同质结结构激光器在阈值电流密度上存在较大差别，参见3.1.1。增益波导型和折射率波导型激光器的区别参见3.1.1。23Chap.3No.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？对LD驱动电路和偏置电路的要求是输出的光脉冲峰值保持恒定光脉冲的通断比应＞＞10激光发射的时间必须远短于码元时间采用阻尼电路以避免张驰振荡因为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ID亦可产生足够的光输出，因此需要加偏置电流IB，IB的选取原则是略小于Ith。太小的IB需要较大的ID才能满足阈值条件；太大的IB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。24Chap.3No.7某数字光纤通信系统，在实际使用中发现LD的输出光功率慢慢下降，试分析其原因并提出解决办法。参见3.3.1，从阈值电流与使用时间及温度的关系可知，输出光功率下降的可能原因包括使用时间长和温度升高引起的阈值电流增加。采取的措施如温度引起的使用ATC致冷，如因受命引起的使用APC增加偏置电流。25Chap.3No.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？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。”码时平均输出光功率全“”码时平均输出光功率全“10EXT26Chap.3No.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？……某数字光纤通信系统中，信息码速为139.264Mbit/s，若采用5B6B码其线路码速为多少？若采用4B1H线路码速又为多少？线路码型的选取原则参见3.3.2。除扰码外，字变换码和插入码都会提高线路传输速率，本题中，5B6B码型：线路速率为139.264×6/5=167.1168Mbit/s4B1H码型：线路速率为139.264×(4+1)/4=174.08Mbit/s27Chap.3No.10目前在光纤通信系统中对光源的调制采用的PCM脉码强度直接调制方式有什么特点？直接调制的特点参见3.2.1。28Chap.3No.11光发送机中输入接口的作用是什么？对驱动电路有什么要求？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。对驱动电路要求：输出的光脉冲峰值必须保持恒定。光脉冲的通断比（即消光比）应≥10，以免接收灵敏度受到损害。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。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29Chap.3No.12在光发送电路中为什么要设置自动功率控制（APC）电路？用APC电路是控制LD的哪些因素？试述APC电路的工作原理。分析：APC工作原理见光发送电路部分。重点理解APC电路与阈值电流之间的关系。t输入电信号1Ib1Iin10IPIth1Ith21ex2exIth1和时输出光信号1exIb2Iin2输入电信号2Ith2和时输出光信号2ex30Chap.3No.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？试述ATC电路的工作原理。分析：此题知识点同前题ATC的工作原理见光发送电路部分，重点仍是阈值电流的变化。光功率P(mW)注入电流I(mA)t=20℃t=50℃31Chap.4No.1光纤通信系统对光检测器有什么要求？比较PIN和APD各自的特点。参见4.1，光纤通信系统对光检测器的基本要求是：波长段内响应度或灵敏度要高具有足够的带宽和响应速度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须最小较低的偏压或偏流，具有高可靠性和长寿命较小的几何尺寸，便于与光纤及其他电路组装APD具有雪崩效应，倍增电流较大，但是噪声也较大。32Chap.4No.2光电二极管为什么必须工作在反向偏压状态……光电管的响应时间与什么有关？参见4.1.1，在扩散区内，因为光生载流子的扩散速度比耗尽区内光生载流子的漂移速度慢得多，这部分光生载流子的扩散运动的时延，将使检测器输出电流脉冲后沿的拖尾加长，影响了光电二极管的响应时间，限制了光电转换速度。在反向偏压情况下，增加了耗尽区的宽度，缩小了耗尽区两侧扩散区的宽度，从而减小了光生电流中的扩散分量，反向偏压也增强了耗尽区内的电场，加快了光生载流子的漂移速度，有利于加快光电二极管的响应时间。33Chap.4No.3光电检测电路为什么会产生非线形失真？非线形失真对接收信号会产生什么影响？参见4.1.2，PIN主要特性中线性饱和部分。34Chap.4No.4何谓暗电流？暗电流是怎么产生的？暗电流的存在对信号的接收会产生什么影响？处于反向偏压下的半导体光电二极管，在无