光纖通信復習題

考試題型1.填空題:10小題,每小題3分,共考試題型1.填空題:10小題,每小題3分,共30分2.簡答題:4小題,每小題10分,共40分3.計算題:3小題,每小題10分,共30分填空題樣體參考1.1966年7月，英籍華人高錕博士從理論上分析證明了用光纖作為傳輸介質以實現(xiàn)光通信的可能性。2.光放大器是基于受激輻射或受激散射原理，實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件，其機制與激光器完全相同。3.光纖通信的最低損耗波長是1.55m，零色散波長是1.31m。4.光纖耦合器是實現(xiàn)光信號的合路/分路功能的器件。5.在單模光纖中，由于光纖的雙折射率特性使兩個正交偏振分量以不同的群速度傳輸，也將導致光脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為偏振模色散。6.在一根光纖中同時傳輸多個不同波長的光載波信號稱為光波分復用。7.光纜大體上都是由纜芯、加強元件和護層三部分組成的。8.光纖通信是以光波為載頻率，以填空題樣體參考1.1966年7月，英籍華人高錕博士從理論上分析證明了用光纖作為傳輸介質以實現(xiàn)光通信的可能性。2.光放大器是基于受激輻射或受激散射原理，實現(xiàn)入射光信號放大的一種器件，其機制與激光器完全相同。3.光纖通信的最低損耗波長是1.55m，零色散波長是1.31m。4.光纖耦合器是實現(xiàn)光信號的合路/分路功能的器件。5.在單模光纖中，由于光纖的雙折射率特性使兩個正交偏振分量以不同的群速度傳輸，也將導致光脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為偏振模色散。6.在一根光纖中同時傳輸多個不同波長的光載波信號稱為光波分復用。7.光纜大體上都是由纜芯、加強元件和護層三部分組成的。8.光纖通信是以光波為載頻率，以光纖為傳輸媒質的一種通信方式。9.允許單模傳輸?shù)淖钚〔ㄩL稱為截至波長。10.光纖的色散和損耗是限制光纖通信線路中繼距離的主要因素。11.激光器工作必須離開熱平衡狀態(tài)，因此必須使用外部能源泵浦，以實現(xiàn)__粒子數(shù)反轉_，這是激光器工作的先決條件。簡答題樣體參考1.什么是光纖的色散？光纖的色散分為哪幾種？在單模光纖中有哪些色散？2.簡述光纖的損耗機理。3.光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述光纖通信系統(tǒng)的工作過程。4.簡述LD和LED的工作原理？5.簡述LD與LED的差別。6.說明APD與PIN的工作原理及主要區(qū)別。7.簡述摻鉺光纖放大器的基本構成及各部分的功能。8.簡述數(shù)字光纖通信系統(tǒng)碼型選擇應滿足的主要條件及擾碼的作簡答題樣體參考1.什么是光纖的色散？光纖的色散分為哪幾種？在單模光纖中有哪些色散？2.簡述光纖的損耗機理。3.光纖通信系統(tǒng)由哪幾部分組成？簡述光纖通信系統(tǒng)的工作過程。4.簡述LD和LED的工作原理？5.簡述LD與LED的差別。6.說明APD與PIN的工作原理及主要區(qū)別。7.簡述摻鉺光纖放大器的基本構成及各部分的功能。8.簡述數(shù)字光纖通信系統(tǒng)碼型選擇應滿足的主要條件及擾碼的作用。9.光端機主要由哪幾部分構成？各部分的作用分別是什么？10.光發(fā)送電路的基本組成及主要性能指標是什么？11.光接收電路的基本組成及主要性能指標是什么？12.簡述如何測量光端機的平均發(fā)送光功率？13.簡述如何測量光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率？14.簡述如何測量光接收機靈敏度及動態(tài)范圍？15.簡述為什么光纖令牌環(huán)局域網是一種自愈網？16.簡述全光通信網的關鍵技術。計算題樣體參考1.假設階躍折射率光纖n11.48，n21.478，工作波長為1320nm，試求單模傳輸時光纖的纖芯半徑、數(shù)值孔徑以及光纖端面光線容許的最大入射角。解：1n2n222aV單模光纖要求：V2.405，故a6.565m1n2n220.077NAn2n21.4821.47821n200sin0.558，即104.4162.假設有一光纖的折射率n11.45，相對折射率差0.002，試問：纖芯半徑a3m或5m時，此光纖在820nm波長上是單模光纖還是計算題樣體參考1.假設階躍折射率光纖n11.48，n21.478，工作波長為1320nm，試求單模傳輸時光纖的纖芯半徑、數(shù)值孔徑以及光纖端面光線容許的最大入射角。解：1n2n222aV單模光纖要求：V2.405，故a6.565m1n2n220.077NAn2n21.4821.47821n200sin0.558，即104.4162.假設有一光纖的折射率n11.45，相對折射率差0.002，試問：纖芯半徑a3m或5m時，此光纖在820nm波長上是單模光纖還是多模光纖？解：（1）a3m時:12an230.821.45220.0022.10812.4048V故此光纖在820nm波長上是單模光纖。（2）a5m時：12an250.821.45220.0023.51352.4048V故此光纖在820nm波長上是多模光纖。3.若要制造一石英纖芯的階躍多模光纖，其歸一化頻率V75，數(shù)值孔徑NA0.30，工作波長0.85m，如果n11.45，問包層折射率2為多少？纖芯半徑應為多大？n解：因為NAn2n2，12所以nn2NA)21.4520.30221(1.42750.8534m。220.30VaNA4.均勻光纖芯與包層的折射率分別為n11.50，n21.40，試計算：（1）光纖芯與包層的相對折射率差。（2）光纖的數(shù)值孔徑NA。（3）在1m長的光纖上，由子午線的光程差引起的最大時延差max。解：（1）1n23.若要制造一石英纖芯的階躍多模光纖，其歸一化頻率V75，數(shù)值孔徑NA0.30，工作波長0.85m，如果n11.45，問包層折射率2為多少？纖芯半徑應為多大？n解：因為NAn2n2，12所以nn2NA)21.4520.30221(1.42750.8534m。220.30VaNA4.均勻光纖芯與包層的折射率分別為n11.50，n21.40，試計算：（1）光纖芯與包層的相對折射率差。（2）光纖的數(shù)值孔徑NA。（3）在1m長的光纖上，由子午線的光程差引起的最大時延差max。解：（1）1n211.501.400.0671.50nn（2）NAn2n21.5021.402120.539（3）cNA)2max1Ln(0.323ns25.假設有一均勻多模光纖n11.50，相對折射率差0.01，工作波長為1m，纖芯直徑2a60m，試求：（1）光纖的數(shù)值孔徑NA是多少？(2)歸一化頻率(3)模式數(shù)量N(4)光纖傳輸100m，最大時延是多少，其最大傳輸容量多大？解：NA＝n(2)1/2=0.2121V＝kaNA=400T＝(100/3108)n=50ns)1B＝1/T=20MHz6.某光纖在1.55m的材料色散系數(shù)是8psnmkm，若使用譜寬()2nm的光源，試問：10km長時該光纖的材料色散時延差是多少？材料色散帶寬是多少？解：材料色散時延差L103(ns103nsn(L)D())82100.16ns。n材料色散帶寬Bn(L)L10MHz3n(L)441441441()2756MHz。D()0.16n7.硅PIN光電二極管具有直徑為0.4mm光接受面積，當波長700nm(3)模式數(shù)量N(4)光纖傳輸100m，最大時延是多少，其最大傳輸容量多大？解：NA＝n(2)1/2=0.2121V＝kaNA=400T＝(100/3108)n=50ns)1B＝1/T=20MHz6.某光纖在1.55m的材料色散系數(shù)是8psnmkm，若使用譜寬()2nm的光源，試問：10km長時該光纖的材料色散時延差是多少？材料色散帶寬是多少？解：材料色散時延差L103(ns103nsn(L)D())82100.16ns。n材料色散帶寬Bn(L)L10MHz3n(L)441441441()2756MHz。D()0.16n7.硅PIN光電二極管具有直徑為0.4mm光接受面積，當波長700nm的紅光以強度0.1mW/cm入射時，產生56.6nA的光電流。計算它2的響應度和量子效率。（h1034Js，e6.631019C）1.60解：入射功率：Pcm2(0.02)2107W0.1mW/1.26in響應度：RI/P0.45A/Wphin量子效率：(I/e)/(P/hv)0.880%phin8.一個GaAsPIN光電二極管平均每三個人入射光子產生一個電子空穴對。假設所有的電子都被收集。（1）計算該器件的量子效率。（2）在0.8m波段接收功率是10W，計算平均輸出光電流。7解：（1）130.333（2）IPhPPPininqIhcqIqhcP108A2.222nApin9.一個GaAs-PIN光電二極管（已知GaAs材料Eg1.43eV），平均每三個入射光子產生一個電子-空穴對。假設所有的電子都被收集，那么（h8.一個GaAsPIN光電二極管平均每三個人入射光子產生一個電子空穴對。假設所有的電子都被收集。（1）計算該器件的量子效率。（2）在0.8m波段接收功率是10W，計算平均輸出光電流。7解：（1）130.333（2）IPhPPPininqIhcqIqhcP108A2.222nApin9.一個GaAs-PIN光電二極管（已知GaAs材料Eg1.43eV），平均每三個入射光子產生一個電子-空穴對。假設所有的電子都被收集，那么（h1034Js，e6.631019C）：1.6（1）試計算該器件的量子效率；（2）當在0.8m波段，接收功率是10W時，計算平均輸出光電流及7響應度；（3）計算這個光電二極管的長波長截至點c（超過此波長時光電二極管將不工作）。解：(1)產生的光生電子空穴對數(shù)入射的光子數(shù)0.33(2)IPehf0.331070.8106.631061019341081.621nA3RI/P0.21A/W(3)1.24cE(eV)0.867mg10.一個二進制光纖傳輸系統(tǒng)采用LD發(fā)射機，工作波長為1.55μm，耦合入光纖的光功率為0dBm。單模光纖在該波長處的衰減系數(shù)α=0.2dB/km。假設光接收機靈敏度NR=1000個光子/比特。若忽略色散的影響，當系統(tǒng)傳輸速率為2.5Gbit/s時，確定系統(tǒng)能提供的最長傳輸距離。(h=6.626×10-34J·S)解：根據(jù)光纖衰減系數(shù)的定義α=10lgLPTPR式(1)中L為光纖長度，P和P分別為系統(tǒng)發(fā)射和接收到的平均功率。TR∵P=NRhυRRb式中R表示系統(tǒng)傳輸速率，υRI/P0.21A/W(3)1.24cE(eV)0.867mg10.一個二進制光纖傳輸系統(tǒng)采用LD發(fā)射機，工作波長為1.55μm，耦合入光纖的光功率為0dBm。單模光纖在該波長處的衰減系數(shù)α=0.2dB/km。假設光接收機靈敏度NR=1000個光子/比特。若忽略色散的影響，當系統(tǒng)傳輸速率為2.5Gbit/s時，確定系統(tǒng)能提供的最長傳輸距離。(h=6.626×10-34J·S)解：根據(jù)光纖衰減系數(shù)的定義α=10lgLPTPR式(1)中L為光纖長度，P和P分別為系統(tǒng)發(fā)射和接收到的平均功率。TR∵P=NRhυRRb式中R表示系統(tǒng)傳輸速率，υ表示光波頻率。b將式(2)代入式(1)，經變換后得L=10lg10lgNRT將題中已知參量代入式(3)，得到hcPNRThPbRbRL=10lg0.2100103155.10610002.51096.62610343108175km即系統(tǒng)能提供的最長傳輸距離約為175公里。11.一長距離單模光纖通信系統(tǒng)，工作波長在1.55m，光發(fā)射機發(fā)射功率為P2dBm，光纖損耗為0.3dBkm，熔解損耗為0.2dBkm，T//發(fā)射機和接收機端的連接損耗都為1dB。當傳輸比特率為800Mbits/時，APD接收機所需的平均功率為60dBm。假定功率余量為6dB，求此系統(tǒng)無需中繼器所能傳輸?shù)淖铋L距離。（不考慮色散代價）解：最大允許鏈路損耗=-2-(-60)=58dB光纖損耗（光纖＋熔接）=(0.3dB+0.2dB)×L最大傳輸距離：Lmax(58126)/0.5100km12.一段30km長的光纖線路，其損耗為0.5dBkm。（1）如果在接收端保持0.3W的接收功率，則發(fā)送端的功率至少為多少？（2）如果光纖的損耗變?yōu)?.25dBkm，則所需的輸入光功率又為多少？解：（1）由題意得：10lgP發(fā)射機和接收機端的連接損耗都為1dB。當傳輸比特率為800Mbits/時，APD接收機所需的平均功率為60dBm。假定功率余量為6dB，求此系統(tǒng)無需中繼器所能傳輸?shù)淖铋L距