《光纤通信系统》第二版_李履信_沈建华——习题解答

hc 1.24 m E g E g eV
1、GaAs 的发射波长为：
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1.24 0.867 m 1.43eV 1.24 1.292 m 0.96eV
2、InGaAsP 的发射波长为：
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3-6. 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？ 答：1、对 LD 驱动电路和偏置电路的要求是： ①输出的光脉冲峰值保持恒定； ②光脉冲的通断比应>>10； ③激光发射的时间必须远短于码元时间； ④采用阻尼电路以避免驰张振荡。 2、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 I D 亦可产生足够的光输出，因此需要
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传输网，传输速率达 2.5～10Gbit/s，中继距离可超过 100Km。 4、第四代光纤通信系统采用光放大器来增加中继距离，同时采 用波分复用/频分复用（WDM/FDM）技术来提高传输速率。 已完成的有单信道传输速率为 40Gbit/s，不采用电中继器，结合 先进的调制技术和编码技术等，实现传输距离达 10000Km 的试验。 20 世纪 90 年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光 纤 通信 的重 大 变革 。 目前 在实 验 室中 最 高的 系统 容 量已 经 达到 10Tbit/s 级。 5、第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性效应，抵消由 于光纤色散产生的脉冲展宽而产生的光孤子， 来实现光脉冲信号的保 形传输。 20 世纪 90 年代后，各国的试验都取得了重大的进展。例如在日 本，实验室中已经实现了将 80 Gbit/s 和 160Gbit/s 的数据分别传输了 500Km 和 200Km，目前已经开始有商用化的光孤子通信系统面世。
A
4
。瑞利散射系数 A，
所以 R 的大小与波长 和相对折射率差 有关。
2-3.光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？ 答：1、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。 2、色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误
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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。
2-4.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模 传输光纤中主要是什么色散？ 答：1、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； 2、单模光纤中主要是波导色散； 3、多模光纤中主要是模式间色散。 注：偏振模色散可以理解为特殊的模式色散，但在速率较低的系 统中影响较小。
m Dm L 1.5 nm 3Ps / nm Km 20 Km
=1.5×3×20 =90ps
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2-14. 为什么 G.653 光纤不适合于波分复用系统使用？ 答：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。
3-1. 比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。 答：一、半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的不同之处： 1、工作原理不同： LD 发射的是受激辐射光，LED 发射的是自发辐射光。 2、LED 不需要光学谐振腔，而 LD 需要。 3、和半导体激光器（LD）相比： （1）发光二极管（LED）输出光功率较小，光谱较宽，调制频 率较低。 （2）但 LED 性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制 造工艺简单，价格低廉。 4、LED 的主要应用场合是小容量（窄带） 、短距离通信系统。 5、LD 主要应用于大容量（宽带） 、长距离通信系统。 二、LD 和 LED 的相同之处： 1、使用的半导体材料相同； 2、结构相似； 3、LED 和 LD 大多采用双异质结（DH）结构； 4、都是把有源层夹在 P 型和 N 型限制层中间。 3-2. 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？ 答：1、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。
2
5
2-10. 某阶跃折射率光纤的参数为 n1=1.5，n2=1.485，现有一光波 在光纤端面轴线处，以 15°的入射角入射进光纤，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？ 解： 根据：no sin a
2 n12 n2
即： 1 sin a 1.5 1.485
2


1 NA
2

2


1 NAt / 2
光纤最大理论数值孔径 NAt 为：
2 NAt n12 n2 n1 2 1.45 2 0.01 0.212
d
2 1.31 m 3.141592654

1 5.56 m 0.212 / 2
2-13. 光谱线宽度为 1.5nm 光脉冲经过长为 20km，色散系数为 3ps/nm·km 的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？ 解：光脉冲被展宽了 m 为：
<< 光电子器件导论 >> 1-1. 光纤通信有哪些优点？
答：光纤通信具有下面一些优点： 1、传输容量大； 2、传输损耗小，中继距离长； 3、泄漏小，保密性好； 4、节约大量有色金属； 5、抗电磁干扰性能好； 6、重量轻，可挠性好，敷设方便。
习题解答
1-2. 比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。
答：五代光纤通信系统的主要特点与差别如下： 1、第一代光纤通信系统在 20 世纪 70 年代后期投入使用，工作 波长在 850nm 波长段的多模光纤系统。 光纤的衰减系统为 2.5~4.0 dB/Km ，系统的传输速率在 20 ～ 100Mbit/s 之间，实用的系统容量为脉冲编码调制（PCM）三次群， 20 世纪 80 年代初， 最高传输速率为 34Mbit/S， 中继距离为 8～10km。 工作波长在 1310nm 波长段的多模光纤系统投入使用，光纤衰减系数 为 0.55～1.0dB/Km，传输速率达 140Mbit/s，中继距离为 20~30Km。 2、第二代光纤通信系统在 20 世纪 80 年代中期投入使用，工作 波长在 1310nm 波长段的单模光纤通信系统。 光纤衰减系数为 0.～0.5 dB/Km，可传送准同步数字体系（PDH） 的各次群信号，最高传输速率可达 1.7Gbit/s，中继距离约为 50Km。 3、第三代光纤通信系统在 20 世纪 80 年代后期投入使用，工作 波长在 1550nm 波长段的单模光纤系统。 光纤衰减系数为 0.2 dB/Km，应用在同步数字体系（SDH）光纤
2-7.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：1、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。 如果一个传输模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层
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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 衰减常数 W=0 时，表示导模截止。 2、光纤单模传输的条件是：归一化频率 V≤2.405。 3、单模光纤中传输的是 LP01 模，对应的矢量模是 HE11 模。 4、其截止波长由下式计算： C
V2 1、光纤折射率分布为阶跃型时： g ， N 2
V 2 8.83 38.98 所以，导模的数量为： N 2 2
2
V2 2、 2 的平方律渐变型光纤时： g 2 ， N 4
V 2 8.83 19.49 所以，此时导模的数量为： N 4 4
10 Pi lg L Po
（dB/Km）
1550nm
Pi 10 lg 0.25dB / Km 5 1 25%P i
2-2. 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？ 答：1、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。 2、瑞利散射损耗 R 的大小为： R 取决于纤芯和包层的相对折射率差 。
2a
2a
2 9m 2 1.452 1.45 0.01 1.45 8.83 1.31m
2 n12 n2

2a

2 n12 n2 ）
n12 n1 n1
2
g V2 光纤中导模的数量： N g 2 2
2 2a n12 n 2
2.408
5、LP11 模对应的矢量模是 TE01,TM01,HE21。 2-8. 由光源发出的 1.31m 的光，在 a 9 m ， 0.01 ，
n1 1.45 ， 光纤折射率分布为阶跃型时， 光纤中导模的数量为多少？
若光纤折射率分布为 2 的渐变型时，其导模的数量为多少？ （传播模式的归一化频率 V 解： V
850 nm ， 2-6. 目前光纤通信为什么只选用以下三个波长段：
1310 nm ， 1550 nm ？
答： 850nm ， 1310nm ， 1550nm 附近是光纤传输损 耗较小或最小的波长“窗口” ，相应的损耗分别为：2～3dB/Km、0.5 dB/Km、 0.2 dB/Km。 而且在这些波段，目前有成熟的光器件（光源、光检测器等） 。
1-3. 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 和 1550nm 三种。 答：石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的波长区，即： 波长为 850nm、1310nm、1550nm。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。
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2-1. 光纤产生衰减的原因是什么？衰减对通信有什么影响？
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得：入射临界角（最大入射角） a 12.22 而现入射角 入 15 a 12.22 所以，入射光线不满足全反射条件，不能传输，是辐射模。 2-12. 已知光纤参数为： n1 1.45 ， 0.01 ， 1.31 m ，估 算光纤的模场直径。 解：模场直径 d
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加偏置电流 I B 。 3、 I B 的选择取原则是略小于阈值电流 I th 。 4、①太大的 I B 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； ②太小的 I B 需要较大的数据电流 I D 才能满足阈值条件。 3-8. 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？ 答：1、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： EXT
在一个光纤通信系统中，光源波长为 1550nm，光波经过 5Km 长 的光纤线路传输后， 其光功率下降了 25%， 求该光纤的衰减系数 为 多少？ 答：1、光纤产生衰减的原因是：光纤中存在损耗。 损耗包括：①吸收损耗；②散射损耗；③辐射损耗； 2、衰减限制了系统的传输距离。 3、
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2、激光器阈值电流是指：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。 3、激光器的阈值电流 I th 与激光器的使用温度、使用时间成正比 关系。
3-4. 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。 解：发射波长为：