上海大学理学院物理系光通信技术习题含答案.docx
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上海大学理学院物理系光通信技术习题含答案
光纤通信
第一章
1.3将两根1km长的光纤连接在一起。
假设每根光纤的损耗为5dB,连接损耗为1dB。
如果输入功率是2mW,计算由这两根光纤构成的传输线的输出功率。
1.4一台接收机需要10mW的输入光功率。
如果将系统的总损耗增加到50dB,试问光源需要发送的功率是多少?
1.14假设有波长为0.8um的光束入射到光检测器上,每秒入射光子数为
个。
试计算检测器上的入射光功率。
如果此光检测器将光转换成电流的效率是0.65mA/mW,试问产生的电流是多大?
1.23为了正常工作,光接收机需要-34dBm的功率。
假设从接收机到光源的系统总损耗为31dB。
试问光源的发送功率(以mW为单位)需要多大?
1.27-60dBm和60dBm的差值(以W表示)是多少?
(注意在这种情况下,有无正负号是很关键的。
)
1.28考虑一个系统,连接器损耗为5dB,光纤损耗为25dB,耦合损耗(光源到光纤)是15dB,系统中有一个增益为10dB的放大器。
试计算系统的总损耗(以dB为单位)。
第二章
2.5用焦距为20mm、直径为10mm的透镜聚焦一束均匀的准直光束,假设波长为0.8um。
试计算聚焦光斑的尺寸。
2.8假设高斯光束的波长为0.8um,光斑尺寸为1mm,计算其发散角。
如果用这束光对着月球,则在月球表面的光斑尺寸为多大?
(地球和月球之间的距离为
m。
)在距离为1km和10km处,光斑尺寸又为多大?
2.9一根6000km的海底玻璃光纤电话线路穿越大西洋,连接美国和法国。
(a)通过这条线路传送信息需要多长时间?
(b)通过卫星线路,将信息从美国传到法国需要多长时间?
卫星在美国和法国之间的地面上空22000英里处。
(c)如果两个人通过这两根不同的线路通话时,会感觉到传输时延吗?
2.11假设一束光入射到两种电介质的分界面上,如图2.1所示。
两种电介质的折射率分别为
和
=1.48.当入射角在
到
之间变化时,画出透射角随入射角变化的曲线。
2.12假设一束光入射到两个电介质的分界面上,如图2.1所示。
这两种电介质的折射率分别为
和
。
当入射角在
到
之间变化时,画出透射角随入射角变化的曲线。
(注意,当入射角接近
时,会发生不寻常的现象。
)
2.15假设高斯光束的光斑尺寸为
,试推导此光束的半功率点半径表达式。
(所谓半功率点是指功率下降到最大值一半的位置。
)
第三章
3.13一束平行偏振光以
的入射角从折射率为1.48的介质射入到折射率为1.465的介质,假设光波长为1300nm。
(a)计算反射系数;(b)在传输介质中,离边界多远时,消逝电场衰减到在边缘时的10%?
3.18试计算波长比零色散波长(假设是1300nm)低10nm时光纤的材料色散。
3.20假设由材料色散引起的最大可接受脉冲展宽是3ps/km,光源谱宽是2nm。
试问,工作波长最多可离零色散波长多远?
第四章
4.5设
,
,工作波长为0.82um。
计算出
模,
模,
模和
模截止时的中心薄膜厚度。
画出每种模式截止时的横模分布图。
4.9有一个放在空气中的对称电介质平板波导,
。
画出
(中心薄膜中的角度)等于
时包层模的光传输路径。
当
等于什么值时,不再存在包层膜?
4.13有一个对称平板波导,
(中心薄膜),
(敷层和衬底材料),工作波长为1300nm。
(a)当
模对应的光线角度为
时,计算中心薄膜厚度。
(b)当
模对应的光线角度为
时,计算中心薄膜厚度。
4.20有一个对称平板波导,
,
。
计算单位长度上的多模脉冲展宽。
如果这是波导中惟一的脉冲展宽机制(或至少是最主要的),试计算单位长度的脉冲展宽值、3-dB光带宽-距离积、归零码和非归零码的速率-距离积。
在1550nm处,模式脉冲展宽与材料脉冲展宽哪一个更大些?
第五章
5.10假设某一SI光纤工作波长为0.82um,
,
。
如果纤芯半径为50um,则允许传播的模式有多少个?
当工作波长变为1.2um时,又可以传播多少个模式?
5.12对于一个抛物线型折射率分布光纤,画出(0,0)(1,0)(2,0)模式的横向场分布图。
其中a=25um,波长为
um,
。
要求在同一张图上画出上述三种模式的场分布图。
5.16一根SI光纤只有在波长大于1.4um时才工作在单模状态。
其中,
,
。
试计算其纤芯半径,并分别求出在0.8um,0.85um和0.9um波长处的传播模式个数。
(提示:
参考模式图)
5.23对于某一SI光纤,其归一化频率为2.2,纤芯直径为10um。
画出其横平面内的光强度分布图,并计算在多大半径距离上场强降到峰值的10%。
5.25某一光纤的NA=0.2588.某一光源在全锥角
范围内,可以耦合其发射光能量的75%;在全锥角为
时可以耦合其发射光能量的50%;在全锥角为
时只能耦合其发射光能量的25%。
试求此光源与上述光纤之间的耦合效率。
5.30假设某一单锋SI光纤的截止波长为1250nm,工作波长为1550nm,纤芯折射率为
,相对折射率差为0.0034.计算此光纤的纤芯半径,同时计算在工作波长上的光斑尺寸。
5.35考虑某一全波光纤,其特性如图5.13所示。
系统的功率预算允许光纤损耗最大为24dB,计算并画出对应于工作波长在1280nm~1640nm区间内的光纤最大允许长度。
第六章
6.5假设LED的光功率与电流之间的关系为P=0.02
i,最大容许的功率是10mW。
LED加有直流偏置电流和频率为1MHz的交流电流。
(a)画出光功率-电流曲线(也就是二极管的转换特性曲线)。
(b)如果信号峰值功率为2mW,总的峰值功率是10mW,计算总的电流峰值、直流偏置电流、平均光功率和调制系数(也就是峰值信号功率/平均功率)。
(c)如果调制系数是100%(即信号峰值功率不再是2mW),重复上面的计算。
(d)如果直流电流为50mA,交流电流峰值为75mA。
画出交流信号两个周期内的输出光功率与时间的关系曲线。
6.6假设某LED加上2V的电压,将产生100mA电流和2mW的光功率。
试求此LED的电光转换效率。
6.7假设某LED具有100MHz的3-dB电带宽(完全决定于其载流子寿命)。
试求载流子寿命,并画出此二极管在0~500MHz范围内类似于图6.8的归一化频率响应曲线。
6.9假设某半导体激光器的阈值电流为10mA,光功率和输入电流关系曲线的斜率为2mW/mA,用mA表示的总注入电流为i=20+sin
t。
(a)写出输出功率的计算公式,并画出曲线。
(b)如果电流变为i=10+sin
t,画出输出功率波形。
6.10比较发光二极管与半导体激光器的优缺点。
6.14某特殊的掺铒光纤放大器工作带宽超过20nm(1530nm~1550nm)。
有多少10-GHz的信道能安置在这个区域内(即所谓复用)并被同时放大?
6.26掺铒光纤放大器的泵浦波长为980nm,放大波长为1550nm。
如果仅仅考虑一个980nm光子产生一个1550nm光子的能量损失,试计算此放大器的效率。
6.29如果输入波长是1450nm,拉曼散射导致光频率有13.2THz的向下频移。
计算输入信号的频率和向下频移后的输出频率。
6.30根据6.7节的论述,单泵浦的拉曼放大器有6THz的带宽,带宽拉曼放大器的结构如图6.43所示。
画出能同时放大S波段、C波段和L波段信号的带宽拉曼放大器结构图。
计算每个泵浦激光器的中心波长。
第七章
7.12考虑一个如图7.8所示的PIN检测电路。
假设电源电压为10V,负载电阻为2M
,检测器的响应度为0.25A/W,暗电流为0.5nA。
(a)在入射光功率为5uW~50uW范围内,画出二极管光电导区的电压-电流特性曲线,取功率间隔为5uW。
(b)在此特性曲线画出负载线。
(c)画出输出电压与入射光功率的对应关系。
(d)当入射光功率为何值的时候检测器开始饱和。
7.13假定一个PIN光电二极管的耗尽层宽度为30um,载流子的漂移速度为5
m/s,结电容为6pF。
(a)计算渡越时间限制带宽。
(b)不影响上面计算所得带宽的最大负载电阻是多少?
(c)当负载电阻为10000
时,其带宽为多大?
7.15假设一个InGaAsAPD工作在1.55um,其量子效率为0.7,增益为100,试计算其响应度。
要检测器产生20nA的光电流所需要的光功率为多大?
第八章
8.3对多模SI光纤,多大的相对横向偏移会产生10dB的损耗?
8.4将多模光纤换成V=2.4的单模光纤,重做习题8.3。
8.8画出单模光纤的未对准角度与损耗(以dB为单位)的关系曲线。
此单模光纤的参数为
,V=2.4,角度从
到
变化。
首先,假设工作波长为0.8um,然后假设工作波长为1.3um。
8.11画出习题8.8所描述的单模光纤端面间隙与损耗(以dB为单位)的关系曲线。
波长分别为0.8um和1.3um,端面间隙从0到500um变化。
第九章
9.1一个理想的四端口定向耦合器的分光比为4:
1。
(a)每个端口的输出功率与输入功率比是多少?
(b)计算直通损耗、抽头损耗、方向性系数和附加损耗。
9.2一个四端口定向耦合器的分光比为4:
1,附加损耗等于2dB,耦合器的方向性系数是40dB。
(a)每个端口的输出功率与输入功率比是多少?
(b)计算直通损耗和抽头损耗。
(c)计算由于耦合器的辐射、散射和吸收引起的损耗(用dB表示)。
9.22一理想单模熔锥型定向耦合器的分光比为1:
1,耦合系数
rad/mm。
(a)耦合区的长度是多少?
(b)如果分光比为10:
1,重复上述问题。
9.23一个理想熔锥型单模耦合器用做两个波长的解复用器,
和
在端口1输入。
的耦合系数是2rad/mm,这个波长的功率全部耦合到端口3。
波长
全部传输到端口2。
(a)计算互作用长度。
(b)计算
的耦合系数值。
(c)计算
的耦合长度
。
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