《光纖通信》第3章課后習(xí)題答案

1．計(jì)算一個(gè)波長為的光子能量，分別對1MHz和100MHz的無線電做同樣的計(jì)算。解：波長為的光子能量為對1MHz和100MHz的無線電的光子能量分別為2．太陽向地球輻射光波，設(shè)其平均波長，射到地球外面大氣層的光強(qiáng)大約為。如果恰好在大氣層外放一個(gè)太陽能電池，試計(jì)算每秒鐘到達(dá)太陽能電池上每平方米板上的光子數(shù)。解：光子數(shù)為3．如果激光器在上工作，輸出1W的連續(xù)功率，試計(jì)算每秒從激活物質(zhì)的高能級躍遷到低能級的粒子數(shù)。解：粒子數(shù)為4．光與物質(zhì)間的相互作用過程有哪些？答：受激吸收，受激輻射和自發(fā)輻射。5．什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？什么情況下能實(shí)現(xiàn)光放大？答：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是指高能級粒子布居數(shù)大于低能級的粒子布居數(shù)。處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)（叫激活介質(zhì)）可實(shí)現(xiàn)光放大。6．什么是激光器的閾值條件？答：閾值增益為其中是介質(zhì)的損耗系數(shù)，分別是諧振腔反射鏡的反射系數(shù)。當(dāng)激光器的增益時(shí)，才能有激光放出。（詳細(xì)推導(dǎo)請看補(bǔ)充題1、2）7．由表達(dá)式說明為什么LED的FWHM功率譜寬度在長波長中會(huì)變得更寬些？證明：由得到，于是得到，可見當(dāng)一定時(shí)，與成正比。8．試畫出APD雪崩二極管結(jié)構(gòu)示意圖，并指出高場區(qū)及耗盡層的范圍。解：先把一種高阻的P型材料作為外延層，沉積在P+材料上（P+是P型重?fù)诫s），然后在高阻區(qū)進(jìn)行P型擴(kuò)散或電離摻雜（叫π層），最后一層是一個(gè)N+（N+是N型重?fù)诫s）層。高場區(qū)是P區(qū)，耗盡區(qū)是Pπ區(qū)。9．一個(gè)GaAsPIN光電二極管平均每三個(gè)入射光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對。假設(shè)所以的電子都被收集，那么（1）計(jì)算該器件的量子效率；（2）在波段接收功率是，計(jì)算平均是輸出光電流；（3）計(jì)算波長，當(dāng)這個(gè)光電二極管超過此波長時(shí)將停止工作，即長波長截止點(diǎn)。解：（1）量子效率為（2）由量子效率得到（3）GaAsPIN的禁帶寬度為，則截止波長為10．什么是雪崩增益效應(yīng)？答：一次光生載流子穿過一個(gè)具有非常高的電場高場區(qū)。在這個(gè)高場區(qū)，光生電子－空穴可以獲得很高的能量。他們高速碰撞在價(jià)帶上的電子，使之電離，從而激發(fā)出新的電子－空穴對。新產(chǎn)生的的載流子同樣由電場加速，并獲得足夠的能量，從而導(dǎo)致更多的碰撞電離產(chǎn)生，這種現(xiàn)象叫雪崩效應(yīng)。11．設(shè)PIN光電二極管的量子效率為80%，計(jì)算在和波長時(shí)的響應(yīng)度，說明為什么在處光電二極管比較靈敏。解：時(shí)的響應(yīng)度為；時(shí)的響應(yīng)度為。因?yàn)轫憫?yīng)度正比于波長，故在處光電二極管比處靈敏。12．光檢測過程中都有哪些噪聲？答：量子噪聲，暗電流噪聲，漏電流噪聲和熱噪聲。補(bǔ)充題1．一束光在介質(zhì)中傳播時(shí)，其光強(qiáng)隨傳播距離的變化通常表示為，其中為初始光強(qiáng)，為光強(qiáng)增益系數(shù)，為光強(qiáng)損耗系數(shù)。試推到這個(gè)式子，并說明此式成立條件。解：設(shè)光束通過厚度為的一層介質(zhì)時(shí)，其光強(qiáng)由變?yōu)?，在光放大時(shí)，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；在衰減時(shí)，，可寫成，即，若為常數(shù)，則積分得到；所以，當(dāng)光放大和光衰減同時(shí)存在時(shí)，便有。顯然，此式成立的條件是：都與無關(guān)。補(bǔ)充題2．設(shè)LD的光學(xué)諧振腔長為，諧振腔前、后鏡片的光強(qiáng)反射系數(shù)分別為，諧振腔介質(zhì)的光強(qiáng)損耗系數(shù)為，諧振腔的光強(qiáng)增益系數(shù)為，試證明：激光所要求的諧振條件（閾值增益條件）為解：在諧振腔內(nèi)任取一點(diǎn)，此點(diǎn)光強(qiáng)，該光強(qiáng)向右傳播到前鏡片，經(jīng)反射后向左傳播到后鏡片，再經(jīng)過反射向右傳播回到點(diǎn)，則光強(qiáng)變?yōu)轱@然，產(chǎn)生激光的條件為返回點(diǎn)的光強(qiáng)要大于點(diǎn)發(fā)出的光強(qiáng)即，得到，因而記，是諧振腔的總損耗，只有增益時(shí)，才能產(chǎn)生激光，故把叫激光器的閾值條件。1．光放大器包括哪些種類？簡述它們的原理和特點(diǎn)。EDFA有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：光放大器包括半導(dǎo)體光放大器、光纖放大器（由可分為非線性光纖放大器和摻雜光纖放大器）。1）半導(dǎo)體光放大器它是根據(jù)半導(dǎo)體激光器的工作原理制成的光放大器。將半導(dǎo)體激光器兩端的反射腔去除，就成為沒有反饋的半導(dǎo)體行波放大器。它能適合不同波長的光放大，缺點(diǎn)是耦合損耗大，增益受偏振影響大，噪聲及串?dāng)_大。2）光纖放大器（1）非線性光纖放大器強(qiáng)光信號在光纖中傳輸，會(huì)與光纖介質(zhì)作用產(chǎn)生非線性效應(yīng)，非線性光纖放大器就是利用這些非線性效應(yīng)制作而成。包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里淵放大器（SBA）兩種。（2）摻雜光纖放大器（常見的有摻鉺和摻鐠光纖放大器）在泵浦光作用下，摻雜光纖中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，從而使光信號得到放大。EDFA優(yōu)點(diǎn)：高增益、寬帶寬、低噪聲及放大波長正好是在光纖的最低損耗窗口等。2．EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：EDFA的三種泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦：信號光和泵浦光經(jīng)WDM復(fù)用器合在一起同向輸入到摻鉺光纖中，在摻鉺光纖中同向傳輸；反向泵浦：信號光和泵浦在摻鉺光纖中反向傳輸；雙向泵浦：在摻鉺光纖的兩端各有泵浦光相向輸入到摻鉺光纖中。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。這是因?yàn)樵谳敵龆说谋闷止獗容^強(qiáng)可以更多地轉(zhuǎn)化為信號光。而雙向泵浦又比反向泵浦輸出信號提高約3dB，這是因?yàn)殡p向泵浦的泵功率也提高了3dB。其次，從噪聲特性來看，由于輸出功率加大將導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的下降，因此在未飽和區(qū)，同向泵浦式EDFA的噪聲系數(shù)最小，但在飽和區(qū)，情況將發(fā)生變化。不管摻鉺光纖的長度如何，同向泵浦的噪聲系數(shù)均較小。最后，考慮三種泵浦方式的飽和輸出特性。同向EDFA的飽和輸出最小。雙向泵浦EDFA的輸出功率最大，并且放大器性能與輸出信號方向無關(guān)，但耦合損耗較大，并增加了一個(gè)泵浦，使成本上升。3．一個(gè)EDFA功率放大器，波長為1542nm的輸入信號功率為2dBm，得到的輸出功率為，求放大器的增益。解：G=10log10（Pout/Pin）=10log10Pout-10log10Pin=27-2=25dB4．簡述FBA與FRA間的區(qū)別。為什么在FBA中信號與泵浦光必須反向傳輸？答：FBA與FRA間的區(qū)別：1、FRA是同向泵浦，F(xiàn)BA是反向泵浦；2、FRA產(chǎn)生的是光學(xué)聲子，F(xiàn)BR產(chǎn)生的是聲學(xué)聲子，3、FRA比FBA的閾值功率大；4、FRA比FBA的增益帶寬大。在SBA中，泵浦光在光纖的布里淵散射下，產(chǎn)生低頻的斯托克斯光，方向與泵浦光傳播方向相反。如果這個(gè)斯托克斯光與信號光同頻、同相，那么信號光得到加強(qiáng)。故要使信號光得到放大，信號光應(yīng)與泵浦光方向相反。5．一個(gè)長250μm的半導(dǎo)體激光器用做F-P放大器，有源區(qū)折射率為4，則放大器通帶帶寬是多少？此題可能有誤，半導(dǎo)體光放大器的通帶帶寬目前還沒找到公式計(jì)算。6．EDFA在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用形式有哪些？答：（1）作為光中繼器，用EDFA可代替半導(dǎo)體光放大器，對線路中的光信號直接進(jìn)行放大，使得全光通信技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。（2）作為前置放大器，由于EDFA具有低噪聲特點(diǎn)，因而如將它置于光接收機(jī)的前面，放大非常微弱的光信號，則可以大大提高接收機(jī)靈敏度。（3）作為后置放大器，將EDFA置于光發(fā)射機(jī)的輸出端，則可用來提高發(fā)射光功率，增加入纖功率，延長傳輸距離。7．EDFA的主要性能指標(biāo)有哪些？說明其含義？答：（1）增益，是指輸出功率與輸入功率之比G=Pout/Pin，如果用分貝作單位定義為G=10log10（Pout/Pin）；（2）噪聲系數(shù)，是指輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比Fn＝（SNR）in/（SNR）out。8．分別敘述光放大器在四種應(yīng)用場合時(shí)各自的要求是什么？答：（1）在線放大器：當(dāng)光纖色散和放大器自發(fā)輻射噪聲的累積，尚未使系統(tǒng)性能惡化到不能工作時(shí)，用在線放大器代替光電光混合中繼器是完全可以的。特別是對多信道光波系統(tǒng)，節(jié)約大量設(shè)備投資。（2）后置放大器：將光放大器接在光發(fā)送機(jī)后，以提高光發(fā)送機(jī)的發(fā)送功率，增加通信距離。（3）前置放大器：將光放大器接在光接收機(jī)前，以提高接收機(jī)功率和信噪比，增加通信距離。（4）功率補(bǔ)償放大器：功率補(bǔ)償放大器的運(yùn)用場合：A.用于補(bǔ)償局域網(wǎng)中的分配損耗，以增大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；B.將光放大器用于光子交換系統(tǒng)等多種場合。9．?dāng)⑹鯯OA