光纤通信课后第5章习题答案
光纤通信 课后答案 人民邮电出版社
《光纤通信》人民邮电出版社课后答案第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么？答：当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即0＜V＜2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响？答：在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离；光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散？解释其含义。
答：（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。
（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。
（3）波导色散：统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响？答：光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。
6、单模光纤有哪几类？答：单模光纤分为四类：非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
12、光缆由哪几部分组成？答：加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点：巨大带宽（200THz）、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗：光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素：本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素：光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类：模式色散（同波长不同模式）、材料色散（折射率）、波导色散（同模式，相位常数）。
《光纤通信》原荣 第三版 第5章 复习思考题参考答案
第5章 复习思考题参考答案5-1 光探测器的作用和原理是什么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图5-4 光接收机的作用是什么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
光纤通信原理习题答案
第二章1.定性描述渐变型多模光纤带宽远远优于阶跃型多模光纤的原因。
答：阶跃型多模光纤以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的路径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
而渐变型多模光纤有自聚焦作用，虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢。
斜光线大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但传输快。
通过合理设计折射率分布，不同入射角度入射的光线以相同的轴向速度在光纤中传输，同时到达输出端，即所有光线具有相同的空间周期，从而降低模间色散，增加了光纤传输带宽。
2.已知多模阶跃型光纤，纤芯折射率为n 1=1.5，光纤芯经2a=50μm ，相对折射率差Δ=0.01，求：（1）光纤数值孔径NA.和收光角；（2）归一化频率V 和导模总数N ？（λ=1.3μm ）；（3）当Δ=0.001时，光纤芯经2a 为多大时光纤可单模工作？解：1/201/2121/21(1)sin 0.21arcsin(2)2/25.6/2328(3)7.432(2)12.2(2)(2)c c NA n NA n V a N V a mn n V n πλλµπθθ====≈=⋅≈=≈⋅<≈⋅∆∆⋅∆⋅。
3.已知阶跃型光纤的纤芯折射率n 1=1.5，相对折射率差Δ=0.001，芯半径a=5μm ，试求LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？解：c c 11c 02c 12 3.832,0.55501356,0.416.3802,0.33VVV c c c c m m mLp Lp Lp µµµλλλλ=======：：：对于对于对于4.什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。
解释为什么石英光纤在1310nm 有最低的色散？答：色散是在光纤中传输的光信号，不同频率成分和模式成分的光有不同传播速度而产生的一种物理效应。
光纤通信课后答案
全书习题参考答案第1章概述1.1 填空题（1）光导纤维（2）掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用(WDM) 非零色散光纤(NIDSF) 光电集成(OEIC)（3）0.85µm 1.31µm 1.55µm 近红外（4）光发送机 光接收机 光纤链路（5）光纤 C=BW×log2(1+SNR) 信道带宽（6）大 大（7）带宽利用系数（8）可重构性可扩展性透明性兼容性完整性生存性1.2 解：利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。
即以光波为载频，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。
1.3 解：（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输距离长（3）抗电磁干扰能力强，无串音（4）抗腐蚀、耐酸碱（5）重量轻，安全，易敷设（6）保密性强(7) 原料资源丰富1.4 解：在光纤通信系统中，最基本的三个组成部分是光发送机、光接收机和光纤链路。
光发送机由电接口、驱动电路和光源组件组成。
其作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。
光接收机是由光检测器组件、放大电路和电接口组成。
其作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。
光纤链路由光纤光缆、光纤光缆线路(接续)盒、光缆终端盒、光纤连接器和中继器等构成。
光纤光缆用于传输光波信息。
中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。
光缆线路盒：将光缆连接起来。
光缆终端盒：将光缆从户外引入到室内，将光缆中的光纤从光缆中分出来。
光纤连接器：连接光纤跳线与光缆中的光纤。
1.5解：“掺铒光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NIDSF)+光电集成(OEIC)”正成为国际上光纤通信的主要发展方向。
1.6 解：第一阶段（1966~1976年），实现了短波长（0.85µm）、低速（45或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。
第二阶段（1976~1986年），光纤以多模发展到单模，工作波长以短波（0.85um）发展到长波长，实现了波长为1.31µm、传输速率为140~165Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50~100km。
光纤通信课后习题解答第5章光源与光发送机习题解答
光纤通信课后习题解答第5章光源与光发送机习题解答98 习题解答1、比较LED 和LD ，并说明各自适应的工作范围。
答：LED 的发射光功率比LD 要小，不适合长距离系统；LED 的光谱宽度比LD 大得多，不适合长距离系统；LED 的调制带宽比LD 小得多，不适合长距离系统；LED 的温度特性比LD 好得多。
所以，LED 适应于短距离小容量光纤通信系统，而LD 适应于长距离大容量光纤通信系统。
2、试说明LED 的工作原理。
答：当给LED 外加合适的正向电压时，Pp 结之间的势垒（相对于空穴）和Np 结之间的势垒（相对于电子）降低，大量的空穴和电子分别从P 区扩散到p 区和从N 区扩散到p 区（由于双异质结构，p 区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P 区和N 区），在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其它衰减而产生自发辐射的光输出。
3、试说明LD 的工作原理。
答：当给LD 外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大（其余自发辐射光子均被衰减掉），直至传播到高反射率界面由被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。
如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。
4、为什么应用单纵模LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用LED 光纤通信系统的传输速率？答：因为单纵模LD 的谱线宽度比LED 的谱线宽度小得多，单纵模LD 的调制带宽比LED 的调制带宽大得多，所以单纵模LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用LED 光纤通信系统的传输速率。
5、若激光物质的禁带宽度为0.8eV 。
试问该激光物质所能辐射的光波长是多少？答：=1.24/0.85=1.55 6、光与物质的相互作用有哪几种方式？答：光与物质的相互作用时，存在自发辐射、受激辐射及受激吸收三种基本过程。
光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏
光纤通信课后习题答案第一章习题参考答案1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是1950年出现的。
传输损耗高达1000dB/km左右。
2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。
答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。
中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。
3、光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节省有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。
第二章光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤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将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布() 21⎩⎨⎧≥<=arnarnrn渐变型光纤的折射率分布()211⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛∆-=arnararnrncmα3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径2sin1∆==nNAφ渐变型光纤的数值孔径()()2-sin22∆===nnnNAcφ两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
《光纤通信》课后习题答案
《光纤通信》课后习题答案习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻璃表面之间的夹角。
根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。
由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。
由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到sin /sin sin67/sin33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来）其中利用了空气折射率1i n =。
这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=（自己用matlab 算出来） 2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。
如果光纤端面外介质折射率1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ=允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算（1）纤芯和包层的相对折射率?；（2）光纤的数值孔径NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -?=≈光纤的数值孔径为0.38NA =4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01?=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。
解：光纤的归一化频率002233.3V a n ππλλ==?=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。
《光纤通信》第5章课后习题答案
1．光放大器包括哪些种类？简述它们的原理和特点。
EDFA有哪些优点？答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器它是根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器。
将半导体激光器两端的反射腔去除，就成为没有反馈的半导体行波放大器。
它能适合不同波长的光放大，缺点是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
2）光纤放大器（1）非线性光纤放大器强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就是利用这些非线性效应制作而成。
包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里渊放大器（SBA）两种。
（2）掺杂光纤放大器（常见的有掺铒和掺镨光纤放大器）在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好是在光纤的最低损耗窗口等。
2．EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？答：EDFA的三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦：信号光和泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光和泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤的两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这是因为在输出端的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。
而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这是因为双向泵浦的泵功率也提高了3dB。
其次，从噪声特性来看，由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因此在未饱和区，同向泵浦式EDFA 的噪声系数最小，但在饱和区，情况将发生变化。
不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦的噪声系数均较小。
最后，考虑三种泵浦方式的饱和输出特性。
同向EDFA 的饱和输出最小。
双向泵浦EDFA 的输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
光纤通信原理参考答案
光纤通信原理参考答案光纤通信原理参考答案第⼀章习题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。
1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。
略第⼆章习题2-1 有⼀频率为Hz 13103?的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J ，持续时间是τ=10ns(1ns=10-9s)。
此激光束的圆形截⾯半径为r=1cm 。
求：(1) 激光波长； (2) 平均能流密度； (3) 平均能量密度； (4) 辐射强度；（1）m c513810103103-=??==νλ（2）213229/1018.3)10(1010100ms J S W S ?==?=--πτ（3）s m J c S w 25813/1006.11031018.3?=??== （4）213/1018.3ms J S I ?==2-2 以单⾊光照射到相距为0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m 。
（1）从第⼀级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm ，求单⾊光的波长；（2）若⼊射光的波长为6×10-7m ，求相邻两明纹间的距离。
《光纤通信》课后习题答案
习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃外表上，这里的1θ是入射光与玻璃外表之间的夹角。
根据投射到玻璃外表的角度，光束一局部被反射，另一局部发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃外表之间的夹角1θ=33°，那么入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。
由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。
由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到sin /sin sin 67/sin 33y i y n θθ==〔自己用matlab 算出来〕其中利用了空气折射率1i n =。
这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=〔自己用matlab 算出来〕 2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。
如果光纤端面外介质折射率 1.00n =，那么允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ==允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算〔1〕纤芯和包层的相对折射率∆；〔2〕光纤的数值孔径NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -∆=≈光纤的数值孔径为0.38NA4．阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射〔指数〕差0.01∆=，纤芯半径25a m μ=，假设01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。
解：光纤的归一化频率2233.3V a n ππλλ=⋅=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。
《光纤通信》课后习题答案
（2）若取芯径 a = 5m m ，保证单模传输时，则
8
1 λ0 V 1 λ0 2.405 = ∆ < ≈ 0.002 2 2π n1a 2 2π n1a
2
2
8．渐变光纤的折射指数分布为
a r = − ∆ n r n 0 1 2 ( ) ( ) a
2π
λ1
2 = a n12 − n2
2π
λ1
a ⋅ NA ，得到纤芯直径为
a=
2M 1 0.85 2000 λ1 V1 λ ⋅ = 1 ⋅ = ≈ 30.27 2π NA 2π 2π 0.20 NA
（2）当 λ2 = 1.31m m ，有
2M 1 λ2 2M 2 λ1 ⋅ =⋅ 2π 2π NA NA
2π
λ0
= ∆ 33.3 a ⋅ n1 2
光纤中传播的模数量
M≈ V2 = 554 2
5．一根数值孔径为 0.20 的阶跃折射率多模光纤在 850nm 波长上可以支持 1000 个左右的传播模式。试问： （1）其纤芯直径为多少？ （2）在 1310nm 波长上可以支持多少个模？ （3）在 1550nm 波长上可以支持多少个模? 解： （1）由 V1=
/10 = Po Pi 10−α L= 150 × 10
2 n12 − n2 ≈ 0.38
4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为 n1 = 1.5 ，相对折射（指数）差 ∆ =0.01 ，纤芯 半径 a = 25m m ，若 λ0 = 1m m ，计算光纤的归一化频率 V 及其中传播的模数量 M 。 解：光纤的归一化频率
= V 2π
λ0
2 a n12 −= n2
θ r = 57 °。由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为
《光纤通信》第5章作业答案
C．有源反馈技术D．采用共振泵浦
答案：A
6．EDFA的工作波长正好落在（）范围。（）
A．0.8~1.0μmB．1.5~1.53μmC．1.53~1.56μmD．1.56~1.58μm
答案：C
三、判断题
1．EDFA的增益指输出功率与输入功率之比。当铒的浓度超过一定值时，过量铒会产生聚合，引起反转浓度减少，出现增益饱和效应，增益反而降低。（）
答案：受激拉曼光放大器，受激布里渊光放大器
4．常选EDFA泵浦激光的波长为nm和nm。
答案：980，1480
5．EDFA的输入信噪声比与输出信噪比叫。
答案：噪声系数。
6．掺铒光纤激光器的结构包括三部分，分别为：、和。
答案：增益介质，光学谐振腔，泵浦源。
7．光纤激光器的工作条件是增益介质。
答案：粒子数反转。
答案：B
3．如何使SOA实现粒子数反转？（）
A．光泵浦B．反向偏置电压C．正向偏置电压D．不加电压
答案：C
4．当强泵浦激光注入时，可利用在中发生的交叉增益调制、交叉相位调制和四波混频来制成波长变换器。（）
A．SBAB．EDFA C．EPFA D．SOA
答案：D
5．提高DBR光纤光栅激光器的吸收效率，可用下列哪种方法？（）
第5章光放大器
一、填空题
1．损耗和色散是影响光纤通信最大中继距离的两个重要因素，为保证长途光纤信号传输质量的可靠性，必须要在线路的适当位置设立中继站，传统的中继器采用的是形式的中继器。
答案：光电混合
2．研究最早而推广最慢的光放大器为，目前已投入市场的光放大器是。
答案：半导体光放大器，EDFA
3．常见的非线性效应光放大器有和两种。
光纤通信课后第5章习题答案
第5章 复习思考题参考答案5-1 光探测器的作用和原理是什么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图5-4 光接收机的作用是什么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
《光纤通信》课后习题答案
习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻璃表面之间的夹角。
根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。
由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。
由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到sin /sin sin 67/sin 33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来）其中利用了空气折射率1i n =。
这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=（自己用matlab 算出来） 2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。
如果光纤端面外介质折射率 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ==允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算（1）纤芯和包层的相对折射率∆；（2）光纤的数值孔径NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -∆=≈光纤的数值孔径为0.38NA4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01∆=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。
解：光纤的归一化频率002233.3V a n ππλλ=⋅=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。
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第5章 复习思考题参考答案
5-1 光探测器的作用和原理是什么
答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变
成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后
被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高
能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应
答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图
5-4光接收机的作用是什么
答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
5-5光纤通信中最常用的光电探测器是哪几种？比较它们的优
缺点
答：光纤通信中最常用的光电探测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD），以及高速接收机用到的单向载流子光电探测器（UTC-PD）、波导光电探测器（WG-PD）和行波光电探测器（TW-PD）。
PIN光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。
增加W可使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。
雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度高。
因工作速度高，并能提供内部增益，已广泛应用于光通信系统中。
在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子，在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。
另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。
而单行载流子光电探测器（UTC-PD），只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。
波导型探测器（Waveguide PD，WG-PD）和行波型探测器（Traveling Wave PD，TW-PD）采用边耦合方式，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直，如图5.2.11（c）和（d）所示，吸收区长度沿光的行进方向，吸收效率提高了；而载流子渡越方向不变，渡越距离和所需时
间不变，这样就很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。
边耦合光
电探测器比面入射探测器（PIN 和APD ）可以获得更高的3 dB 响应带宽。
(a) PIN-PD (c) WG-PD
入射光价带
导带νh (b)PIN 探测器能带图
(d) TW-PD
入射光P I N 图5.2.11 面入射光电探测器和边耦合光电探测器（WG-PD 、TW-PD ）的比较
5-6 PIN 和APD 探测器的主要区别是什么
答：雪崩光电二极管（APD ）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度比PIN 高。
5-7 单行载流子光电探测器（UTC-PD ）为什么能够在高速系统中使用
答：因为UTC-PD 结构使光生空穴不能扩散形成光生电流，只有电子能够形成光生电流，而UTC-PD 结构又使电子在收集层中的迁移速度非常快，所以能够在高速系统中使用。
另外在收集层中减少的空间电荷与常规的PIN 管相比，允许大的工作电流密度通过，这样就在取得高速响应的同时，实现了大的饱和电流输出。
图5.2.12 电子载流子光电探测器（UTC-PD ）
5-8 简述波导型探测器（WG-PD ）和行波型探测器（TW-PD ）的工作原理
答： 在WG-PD 中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子-
空穴对，实现了对光信号的探测。
其次，WG-PD 的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。
WG-PD 的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10 μm ，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs 本征层的厚度，仅为1 μm 。
所以WG-PD 结构的内量子效率高于传统型结构PD 。
但是，和面入射探测器相比，WD-PD 的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。
为此，可采用分支波导结构增加光耦合面积，如图5.2.11（a ）所示。
n 3>单模波导光经过光匹配层
进入 吸收层(分支波导)PD
(a)(VMP TW-PD)
串行光反馈速度匹配周期分布式行波探测器（b）
图5.2.11 增加光耦合面积的分支波导探测器
行波探测器如图5.2.11（b ）所示，它的波导长度等于探测信号的波长。
行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC 常数的限制，而主要由光的吸收系数、光的群速度和电的相速度不匹配决定。
这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。
串行或并行光馈送的TW-PD 可得到高速和大饱和光电流的器件，如图5.2.16所示。
图5.2.16 光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（VMP TW-PD ）
5-9 数字光接收机主要由哪几部分组成
答：数字光接收机的原理由三部分组成，即由光电探测和前置放大器部分、主放大（线
性信道）部分以及数据恢复部分组成。
图5.3.1 数字光接收机
5-10 说明前置放大器和主放大器的功能区别
答：接收机前端的光电探测器将微弱的光信号转换为电信号，紧随其后的低噪声前置放大器，放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。
线性放大器由主放大器、均衡滤波器和自动增益控制电路组成。
自动增益控制电路的作用是在接收机平均入射光功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。
低通滤波器的作用是减小噪声，均衡整形电压脉冲，避免码间干扰。
5-11 光接收机中存在哪些噪声
答：光接收机的两种基本噪声是散粒噪声和热噪声，另外还有激光器引起的强度噪声。
5-12 通常数字光接收机要求BER是多少
答：通常数字光接收机要求BER = 10-9。
5-13 接收机灵敏度的定义是什么
答：接收机灵敏度定义为保证比特误码率为109-时，要求的最小平均接收光功率（
P）。
rec
5-14 监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观简单的方法
答：在实验室观察码间干扰判断系统性能好坏的最直观、最简单的方法是眼图分析法。
均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的Y轴，用时钟信号作为外触发信号，就可以观察到眼图。
眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。
因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。