光纤通信_第二版_刘增基_参考答案要点.pdf
《光纤通信_第二版_刘增基_参考答案要点.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光纤通信_第二版_刘增基_参考答案要点.pdf(12页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、230 1-1光纤通信的优缺点各是什么? 答与传统的金属电缆通信、磁波无线电通信相比,光纤通信具有如下有点: (1)通信容量大。首先,光载波的中心频率很高,约为210 14Hz,最大可用带宽一般取载波频率的 10% ,则容许的 最大信号带宽为20000 GHz (20 THz) ;如果微波的载波频率选择为20 GHz ,相应的最大可用带宽为2GHz 。两者相差10000 倍。其次,单模光纤的色散几乎为零,其带宽距离(乘)积可达几十GHz*km ;采用波分复用(多载波传输)技术还可使 传输容量增加几十倍至上百倍。目前,单波长的典型传输速率是10 Gbs,一个采用128 个波长的波分复用系统的传输
2、 速率就是1.28 Tb s。 (2)中继距离长。中继距离受光纤损耗限制和色散限制,单模光纤的传输损耗可小于0.2 dB km ,色散接近于零。 (3)抗电磁干扰。光纤由电绝缘的石英材料制成,因而光纤通信线路不受普通电磁场的干扰,包括闪电、火花、电 力线、无线电波的干扰。同时光纤也不会对工作于无线电波波段的通信、雷达等设备产生干扰。这使光纤通信系统具有良 好的电磁兼容性。 (4)传输误码率极低。光信号在光纤中传输的损耗和波形的畸变均很小,而且稳定,噪声主要来源于量子噪声及光 检测器后面的电阻热噪声和前置放大器的噪声。只要设计适当,在中继距离内传输的误码率可达10 -9 甚至更低。 此外,光纤通
3、信系统还具有适应能力强、保密性好以及使用寿命长等特点。 当然光纤通信系统也存在一些不足: (1) 有些光器件 ( 如激光器、光纤放大器) 比较昂贵。 (2) 光纤的机械强度差。为了提高强度,实际使用时要构成包含多条光纤的光缆,在光缆中要有加强件和保护套。 (3) 不能传送电力。有时需要为远处的接口或再生的设备提供电能,光纤显然不能胜任。为了传送电能,在光缆系 统中还必须额外使用金属导线。 (4) 光纤断裂后的维修比较困难,需要专用工具。 1-2 光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用。 答光纤通信系统由发射机、接收机和光纤线路三个部分组成( 参看图 1 4) 。发射机又分为电发射机和光发射
4、机。 相应地, 接收机也分为光接收机和电接收机。电发射机的作用是将信( 息) 源输出的基带电信号变换为适合于信道传输的电 信号,包括多路复接、码型变换等:光发射机的作用是把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注 入光纤线路。光发射机由光源、驱动器、调制器组成,光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本取决于光源的特性; 光源的输出是光的载波信号,调制器让携带信息的电信号去改变光载波的某一参数( 如光的强度 ) 。光纤线路把来自于光发 射机的光信号,以尽可能小的畸变( 失真 ) 和衰减传输到光接收机。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是 光纤线路的主体,接头和连接器是
5、不可缺少的器件。光接收机把从光纤线路输出的产生畸变和衰减的微弱光信号还原为电 信号。光接收机的功能主要由光检测器完成,光检测器是光接收机的核心。电接收机的作用一是放大,二是完成与电发射 机相反的变换,包括码型反变换和多路分接等。 1-3假设数字通信系统能够在高达1% 的载波频率的比特率下工作,试问在5 GHz 的微波载波和1.55m的光载波 上能传输多少64 kb/s的话路 ? 解在 5GHz微波载波上能传输的64 kb/s的话路数 9 3 5 101% 781() 64 10 k 路 在 1.55m的光载波上能传输的64kb/s 的话路数 8 6 7 8 3 10 () 1% 1.55 10
6、 3.0242 10 () 64 10 k路 1-4 简述未来光网络的发展趋势及关键技术。 答未来光网络发展趋于智能化、全光化。其关键技术包括:长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM 复用技术和全光网络技术。 1-5 光网络的优点是什么? 答光网络具有如下的主要优点: (1) 可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量,以适应未来宽带( 高速 ) 通信网的要求。 (2) 光交叉连接器(oXC)和光分插复用器(OADM) 对信号的速率和格式透明,可以建立一个支持多种业务和多种通信模 式的、透明的光传送平台。 231 (3) 以波分复用和波长选路为基础,可以实现网络的动态重构和故障的自
7、动恢复,构成具有高度灵活性和生存性的光 传送网。 光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点,是目前光纤通信领域的研究热点和前 沿。 2-3均匀光纤,若n1=1.50 , 0 1.30 m,试计算: (1) 若=0.25 ,为了保证单模传输,其芯半径应取多大? (2) 若取5am,为保证单模传输,应取多大? 解 (1) 由单模传输条件 22 12 2 2.405 a Vnn 推导出 22 12 2.405 2 a nn 其中,1.3 m, 211 1.125nnn,则 6 22 2.405 1.3 10 0.501 21.51.125 am (2) 当5am时, 22
8、 12 2.405 2 nn a 解得 12 1 0.0016 nn n 。 2-4 目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长: 1 0.85 m, 2 1.31 m, 3 1.55 m? 答 1 0.85 m, 2 1.31 m, 3 1.55 m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 23dB/km、0.5dB/km 、0.2dB/km ,而且在这些波段目前有成熟的光器件(光源、光检测器等)。 2-8阶跃折射率光纤中n1=1.52,n 2=1.49 。 (1)光纤浸在水中(n0=1.33 ),求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角; (2)光纤放置在空气中,求数值孔径
9、。 解(1)如图 2.4 所示,由 12 sinsin90 c nn 得 2 1 1.49 sin0.98 1.52 c n n 由 22 cossin1 cc 得cos0.198 c 232 由 01 sincos cc nn 得 1 0 cos1.52 0.198 sin0.226 1.33 c c n n 13 c (2) 2222 12 1.521.490.3NAnn 2-9一阶跃折射率光纤,折射率n1=1.5 ,相对折射率差=1% ,长度 L=1km 。求: (1)光纤的数值孔径; (2)子午线的最大时延差; (3)若将光纤的包层和涂敷层去掉,求裸光纤的NA和最大时延差。 解( 1)
10、 22 121 20.212NAnnn (2) 1 max 8 1.5 1000 0.0150 3 10 n L ns c (3)若将光纤的包层和涂敷层去掉,则此时n1=1.5 , n2=1.0 ,所以 222 12 1.511.118NAnn 112 max 2 2.5 n Lnn s cn 2-10一阶跃折射率光纤的相对折射率差=0.005 ,n1=1.5 ,当波长分别为0.85m、1.31m、1.55m时, 要实现单模传输,纤芯半径a应小于多少? 解由单模传输的条件 22 12 2 2.405 a Vnn 推导出 22 12 2.405 2 a nn 22 121 20.15nnn 当0
11、.85 m时, 6 22 12 2.4052.4050.85 10 2.164 20.15 2 am nn 同理,当1.31 m时,3.343am;当1.55 m时,3.955am。 2-12 一个阶跃折射率光纤,纤芯折射率n1=1.4258 ,包层折射率n2=1.4205. 该光纤工作在1.3m和 1.55m两 个波段上。求该光纤为单模光纤时的最大纤芯直径。 解由截止波长 233 22 12 2 2.405 c a nn 得 c时单模传输,由已知条件得 1.30 c m,则 2222 12 2.4052.405 1.3 21.39.53 1.42581.4205 am nn 即该光纤为单模光
12、纤时,最大纤芯直径为9.53 m。 2-18 已知阶跃光纤纤芯的折射率 1 n=1.5 ,相对折射率差=0.01 ,纤芯半径25am。若 0 1 m,计算光 纤的归一化频率V及其中传播的模数量M。 解由 12 1 nn n 得光纤包层折射率 21 (1)n(1 0.01) 1.51.485n 则光纤归一化频率 22622 126 22 25 101.51.48533.2 10 Vann 对于阶跃光纤,传播的模数量 22 33.2 551.12 22 V M 2-21有阶跃型光纤,若 1 n=1.5 , 0 1.31 m,那么 (1)若=0.25 ,为保证单模传输,光纤纤芯半径a应取多大 ? (
13、2)若取纤芯半径a=5m,保证单模传输时,应怎么样选择? 解(1)由单模传输条件 22 12 2 2.405 a Vnn 得 22 12 2.405 2 a nn 而1.31 m, 211 1.125nnn,则 6 22 2.405 1.31 10 0.5015 21.51.125 am (2)当a=5m时, 22 12 2.4052.405 1.31 0.0995 225 nn a 则 22222 21 0.09951.50.09952.2400nn 即 234 2 2.24n 所以 12 1 1.52.24 0.0016 1.5 nn n 3-1 设激光器激活物质的高能级和低能级的能量各为
14、 2 E和 1 E, 频率为f, 相应能级上的粒子密度各为 2 N和 1 N。 试计算: (1)当f=3000 MHz,T=300 K 时, 21 NN=? (2)当1 m,T=300 K 时, 21 NN=? (3)当1 m,若 21 NN=0.1 ,环境温度T=?(按波尔兹曼分布规律计算) 解由波尔兹曼条件得 21 EEhf,其中 34 6.62810hJs。 (1)f=3000 MHz,T=300 K 时, 34924 21 6.628 103 102.0 10EEhf 所以 24 221 23 1 2 10 exp()exp()0.9995 1.381 10300 NEE NkT (2
15、)当1 m,T=300 K 时, 348 19 216 6.628 103 10 1.988 10 10 hc EE 所以 21221 1 exp()1.45 10 NEE NkT (3)当1 m, 21 NN =0.1 时,求得 19 1421 34 21 1.988 10 6.25 10 (K) ln()1.381 10ln(0.1) EE T kNN 3-2 某激光器采用GaAs为激活媒质,问其辐射的光波频率和波长各为多少? 解 GaAs禁带宽度为 g E=1.424 eV ,由 g hfE(h为普朗克常数,h=6.628 10 -34 J s) ,可得以GaAs为激活 媒质的激光器的辐
16、射光波频率和波长分别为 19 8 34 1.424 1.6 10 3.44 10 6.62810 g E fMHz h 1.241.24 0.87 1.424 gg chc m fEE 3-3 半导体激光器(LD)有哪些特性 ? 235 答 LD的主要特性有: (1)发射波长和光谱特性:发射波长1.24 g E;激光振荡可能存在多种模式( 多纵模 ) ,即在多个波长上满足激 光振荡的相位条件,表现为光谱包含多条谱线。而且随着调制电流的增大,光谱变宽,谱特性变坏。 (2)激光束空间分布特性:远场光束横截面成椭圆彤。 (3)转换效率和输出功率特性: d Pe Ihf () d thth hf PP
17、II e (4)频率特性:在接近驰张频率 r f处,数字调制要产生驰张振荡,模拟调制要产生非线性失真。 (5)温度特性: 0 0 exp() th T II T 3-4 比较半导体激光器(LD)和发光二极管(LED )的异同。 答 LD和 LED的不同之处: 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。LED不需要光学谐振腔,而 LD需要。 和 LD相比, LED输出光功率较小, ,光谱较宽,调制频率较低。但发光二极管性能稳定,寿命长,输出功率线性范围宽,而且制造工艺简 单,价格低廉。所以,LED的主要应用场合是小容量(窄带)短距离通信系统;而LD主要应用于长距离大容量(
18、宽带)通信 系统。 LD和 LED的相同之处: 使用的半导体材料相同、结构相似,LED和 LD大多采用双异质结(DH )结构,把有源层夹在P型和 N型限制层之间。 3-5 计算一个波长1 m的光子的能量等于多少?同时计算频率f=1 MHz 和f=1000 MHz 无线电波的能量。 解光子的能量为 348 19 6 6.628 10(J s)3 10/ 1.9884 10 1 10 p hcm s EhfJ 对于 1 MHz 无线电波 34628 0 6.628 10(J s) 1 106.63 10EhfHzJ 对于 1000 MHz无线电波 34625 0 6.628 10(J s) 100
19、0 106.63 10EhfHzJ 3-6 太阳向地球辐射光波,设其平均波长0.7m,射到地球外面大气层的光强大约为I=0.4 W/cm 2。若大气 层外放一个太阳能电池,计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数是多少。 解波长0.7m的光子能量为 348 19 06 6.62810(J s)3 10/ 2.84 10 0.7 10 hcms EJ m 每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的能量为 22 10.4/14000EsWcmmJ 236 则每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数为 22 19 0 4000 1.4 10 2.84 10 E E ( 个) 3-7试说明 APD和
20、 PIN 在性能上的主要区别. 答 APD 和 PIN 在性能上的主要区别有: (1)API)具有雪崩增益,灵敏度高,有利于延长系统传输距离。 (2)APD 的响应时间短。 (3)APD 的雪崩效应会产生过剩噪声,因此要适当控制雪崩增益。 (4)APD 要求较高的工作电压和复杂的温度补偿电路,成本较高。 3-9 半导体激光器的发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度,已知GaAs 材料的Eg=1.43eV ,某一InGaAsP 材料的 Eg=0.96eV,求它们的发射波长。 解对于 GaAs材料的 LD 1.241.24 0.867 1.43 g m E 对于 InGaAsP材料的 LD 1.24
21、1.24 1.29 0.96 g m E 3-11短波长 LED由材料 Ga1-xA1xAs 制成,其中x 表示成分数。这样的材料的带隙能量 Eg(eV)=1.424+1.266x+0.266x 2 已知 z 必须满足0x0.37 ,求这样的LED能覆盖的波长范围。 解由 Eg(eV)=1.424+1.266x+0.266x 2,得 1.424 Eg1.93 由 =1.24/Eg,得 0.64 m 0.87 m 3-15 一个 GaAs PIN 光电二极管,平均每三个入射光子产生一个电子一空穴对,假设所有的电子都被收集。 (1)计算该器件的量子效率; (2)设在 0.8 m波段接收功率是10
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光纤通信 第二 刘增基 参考答案 要点
链接地址:https://www.31doc.com/p-5206342.html