《光纤通信》计算综合分析练习题Word下载.docx
- 文档编号:20515538
- 上传时间:2023-01-23
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:191KB
《光纤通信》计算综合分析练习题Word下载.docx
《《光纤通信》计算综合分析练习题Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《光纤通信》计算综合分析练习题Word下载.docx(31页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
设计中取光功率代价为1db,光连接器衰减为1db,光纤富余度为0.1db/km,设备富余度为5.5db。
试求:
系统的最大中继距离。
11.弱导波阶跃光纤芯子和包层的折射指数分别为n1=1.5,n2=1.45,试计算:
(1)纤芯和包层的相对折射指数差Δ;
(2)光纤的数值孔径NA。
12.光波从空气中以角度133°
投射到平板玻璃表面上,这
里的1是入射光与玻璃表面之间的夹角。
根据投射到玻璃表面的角度,光束一部分被反射,另一部分发生折射,如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°
,请问
玻璃的折射率等于多少?
这种玻璃的临界角又是多少?
13.计算n11.48及n21.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。
如果光纤端面外介质折射率n1.00,则允许的最大入射角max为多少?
14.已知阶跃光纤纤芯的折射率为n11.5,相对折射(指数)差0.01,纤芯半径a25m,若01m,计算光纤的归一化频率V及其中传播的模数量M。
15.一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000个左右的传播模式。
试问:
(1)其纤芯直径为多少?
(2)在1310nm波长上可以支持多少个模?
(3)在1550nm波长上可以支持多少个模?
16.用纤芯折射率为n11.5,长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率f08MHz的光脉冲,经过该光纤后,信号延迟半个脉冲周期,试估算光纤的长度L。
17.有阶跃型光纤,若n11.5,01.31m,那么
(1)若0.25,为保证单模传输,光纤纤芯半径a应取多
大?
(2)若取芯径a5m,保证单模传输时,应怎么选择?
18.渐变光纤的折射指数分布为
1/2
r
nrn012
a
求光纤的本地数值孔径。
19.某光纤在1300nm处的损耗为0.6dB/km,在1550nm波长处的损耗为0.3dB/km。
假设下面两种光信号同时进入光纤:
1300nm波长的150W的光信号和1550nm波长的100W的光信号。
试问这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少?
以W为单位。
20.一段12km长的光纤线路,其损耗为1.5dB/km。
试回答:
(1)如果在接收端保持0.3W的接收光功率,则发送端的功率至少为多少?
(2)如果光纤的损耗变为2.5dB/km,则所需的输入光功率为多少?
21.有一段由阶跃折射率光纤构成的5km长的光纤链路,纤芯折射率n11.49,相对折射率差0.01。
(1)求接收端最快和最慢的模式之间的时延差;
(2)求由模式色散导致的均方根脉冲展宽;
(3)假设最大比特率就等于带宽,则此光纤的带宽距离积是多少?
22.有10km长NA0.30的多模阶跃折射光纤,如果其纤芯折射率为1.45,计算光纤带宽。
23.计算一个波长为1m的光子能量,分别对1MHz和
100MHz的无线电做同样的计算。
24.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I0.14W/cm2。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池,试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
25.如果激光器在0.5m上工作,输出1W的连续功率,试
计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
26.设PIN光电二极管的量子效率为80%,计算在1.3m和
1.55m波长时的响应度,说明为什么在1.55m处光电二极管比较灵敏。
27.假设我们想要频分复用60路FM信号,如果其中30路信号的每一个信道的调制指数mi3%,而另外30路信号的每一个信道的调制指数mi4%,试求出激光器的光调制指数。
28.假设一个SCM系统有120个信道,每个信道的调制指数为2.3%;
链路包括一根损耗为1dB/km的12km长的单模光纤,每端有一个损耗为0.5dB的连接器;
激光光源耦合进光纤的功率为2mW,光源的RIN=-135dB/Hz;
PIN光电二极管接收机的响应度为0.6A/W,B=5GHz,
ID=10nA,Req=50Ω,Ft=3dB。
试求本系统的载噪比。
29.假设一个有32个信道的FDM系统中每个信道的调制指数为4.4%,若RIN135dB/Hz,PIN光电二极管接收机的响应度为0.6A/W,B5GHz,ID10nA,Req50,Ft3dB。
(1)若接收光功率为10dBm,试求这个链路的载噪比;
(2)若每个信道的调制指数增加到7%,接收光功率减少
到13dBm,试求这个链路的载噪比。
30.一直有一个565Mb/s单模光纤传输系统,其系统总体要求如下:
(1)光纤通信系统的光纤损耗为0.1dB/km,有5个接头,平均每个接头损耗为0.2dB,光源的入纤功率为-3dBm,接收机灵敏度为-56dBm(BER=10-19)。
(2)光纤线路上的线路码型是5B6B,光纤的色散系数为2ps/(km.nm),光源光谱宽度为1.8nm。
求:
最大中继距离是多少?
注:
设计中选取色散(功率)代价为1dB,光连接器损耗
为1dB(发送和接收端各一个),光纤富于度为0.1dB/km,设备富于度为5.5dB。
31.一个二进制传输系统具有以下特性:
(1)单模光纤色散为15ps/(nm.km),损耗为0.2dB/km。
(2)发射机用1551nm的GaAs激光源,发射平均光功率为5mW,谱宽为2nm。
(3)为了正常工作,APD接收机需要平均1000个光子/比特。
(4)在发射机和接收机处耦合损耗共计3dB。
(1)数据速率为10和100Mb/s时,找出受损耗限制的最大传输距离。
(2)数据速率为10和100Mb/s时,找出受色散限制的最大传输距离。
(3)对这个特殊系统,用图表示最大传输距离与数据速率的关系,包括损耗和色散两种限制。
32.比较下面两个速率为100Mb/s的系统其损耗受限的最大传输距离。
系统1工作在850nm:
(1)GaAlAs半导体激光器:
0dBm(1mW)的功率耦合进光纤;
(2)硅雪崩光电二极管:
灵敏度为-50dBm;
(3)渐变折射率光纤:
在850nm处的损耗为3.5dBm/km;
(4)连接器损耗:
每个连接器为1dB。
系统2工作在1300nm:
(1)InGaAsPLED:
-13dBm的功率耦合进光纤;
(2)InGaAsPIN光电二极管:
灵敏度为-38dBm;
在300nm处的损耗为1.5dBm/km;
每个系统均要求6dB的系统富于度。
33.某光纤通信系统,其发送光功率为-4dBm,光接收机灵敏度为-40dBm,设备富余度为6dB,光缆富余度为0.1dB/km,光纤接头损耗为0.2dB/km,且不考虑色散的影响,求当无光缆配线架时,如果希望最长中继距离为
60km,此时的光缆的衰减系数为多大?
34.阶跃型光纤中,已知纤芯折射率n1=1.51,n2=1.49,纤
芯半径a=4μm,工作波长λ=1.31μm。
(1)相对折射指数差;
(2)光纤中传输的模式数量;
(3)每公里长度光纤的模式色散
35.一光纤通信系统的光纤损耗为0.35dB/km,光发射机的平均发送光功率为-1dBm,全程光纤平均接头损耗为0.05dB/km。
设计要求系统富裕度为6dB,无中继传输距离为70km。
(1)满足上述要求,光接收机灵敏度至少应取多少?
(2)若要求系统允许的最大接收功率为-10dBm,则光接收机的动态范围至少应取多少?
36.已知阶跃型光纤的n1=1.5,Δ=0.01,芯子半径a=10μm,波长λ0=1.5μm,试计算:
(1)数值孔径NA
(2)归一化频率
(3)入射光线的激励角范围
37.已知阶跃型光纤的n1=1.5,Δ=0.5%,λ0=1.3μm,若光纤中的导模数量N=2,试问至少纤芯半径为多大?
38.有一五次群单模光缆传输系统,线路码型为3B4B码,应用InGaAs-LD,其It<
50mA,标称波长为1310nm,光谱宽度为2nm,发送光功率为-2.3dBm,接收灵敏度为-38dBm,动态范围≥20dB。
采用的光缆其固有损耗为0.4dB/km,接头损耗为0.1dB/km,光连接器衰减为1dB,光纤色散系数≤2.0ps/nm·
km,光纤富余度为0.1dB/km。
若考虑1dB色散代价(ε取0.115),5dB设备富余度,试计算在系统设计时,最大中继距离为多少?
39.一无备用系统的光缆通信系统,在420km内共设10个中继器,各种设备的故障率如下:
设备种类
故障率(fit)
140Mb/s光端机
20000(一端)
140Mb/s中继器
7000(一线)
光缆200(一公里)
供电7500(一端)
(1)系统总故障率。
(2)平均无故障时间
40.已知均匀光纤的n1=1.51,Δ=0.01,工作波长λ0=0.85μ
m,当纤芯半径a=25μm。
(1)此光纤中传输的导模数是多少?
(2)若要实现单模传输,纤芯半径应为多少?
(3)系统中采用1∶1的主备比,在系统发送和接收端各存在一个转换设备,转换设备的故障率为200fit(一端),平均故障修复时间为4小时。
求:
①此系统的失效率。
②若系统的设计寿命为20年,则在此间系统的中断通信时间。
41.如果在无备用系统情况下,容许5000km光纤通信系统双向全程每年4次全程故障,那么280km的数字段双向全程每年允许出现的全程故障是多少次?
42.某激光器的输出光功率为500mw,问此功率可折合为多少dBm?
43.某种光纤的纤芯和包层的折射率分别是1.48和1.46,则
其临界传播角为?
44.光接收机的灵敏度Sr是指在满足给定误码率或信噪比条件下,接收机接受微弱信号的能力,工程上常用最低平均光功率Pmin来描述,现若有最低平均光功率Pmin为10mW,则其灵敏度Sr为?
45.光接收机的动态范围D是指在保证系统误码率指标要求
下,接收机的最低光功率Pmin和最大允许光功率Pmax之比,现知Pmin和Pmax分别是10W和100W,则其动态范围D为?
46.一阶跃折射率光纤,已知纤芯和包层的折射率分别是:
n1=1.486,n2=1.472,现仅考虑模式色散,则:
(1)每1km长度的脉冲宽度。
(2)假设输入光脉冲的宽度T与模式色散产生的展宽?
t相比可以忽略不计,在以上情况下计算可传输光脉冲的最大比特率。
47.一阶跃折射率光纤,已知纤芯和包层的折射率分别是:
n1=1.48,n2=1.46,求:
4)
其最大接收角θ0;
5)是否能得知相对折射率差?
的大小?
相对折射率差?
和
光纤与光源之间的耦合效率有何关系?
实际光纤对有什么要求?
48.已知某光纤参数如下:
a=4.0μm,?
=0.003,纤芯折射率为n1=1.48。
(1)此光纤能否传输波长λ=1.31μm的TE01和TM01
模?
说明理由。
(2)如要使TE01和TM01模能够传输,光波长应做怎样的调整?
49.已知某光纤参数如下:
a=6μm,?
=0.002,纤芯折射率为n1=1.5。
若干HEmn模的截止频率和若干EHmn模的截止频率如表1和表2。
(1)当光波长分别为λ1=1.55μm,λ2=1.31μm,λ3=0.85μm时,光纤中能传输哪些导波模?
(2)从
(1)中能看出波长与归一化频率、可传输的模式数量有何关系?
可传输的模式数量与归一化频率的近似关系表达式是?
(3)归一化频率的值一般还决定了包层传输的功率占总功率的比例,对于上例光波长为λ1=1.55μm而言,若假设总功率为1000dBm,则包层传输的功率P包层为多少?
表1若干HEmn模的截止频率
模式HEmn
HE21
HE22
HE23
HE24
HE31
HE32
HE33
HE34
截止频率Vc
2.04
5.52
8.65
11.7
3.83
7.01
10.1
13.
5
4
92
2
6
73
32
表2若干EHmn模的截止频率
模式EHmn
EH11
EH12
EH13
EH14
EH21
EH22
EH23
EH24
3.38
13.3
5.13
8.41
11.6
14.
24
7
20
79
50.已知某阶跃光纤参数如下:
?
=0.003,纤芯折射率为n1=1.46,其中光波长是λ=1.31μm,求单模传输时光纤具有的纤芯半径a。
51.对于单纵模激光器,定义边模抑制比MSR为主模功率P主与次边摸功率P边之比,它是半导体激光器频谱纯度的一种度量,若P主=10dBm,P边=1dBm,则MSR为?
52.光检测器的响应度R表明了光检测器将光信号转化成电信号的效率,现知光检测器的光电流Ip=1.0A,其入射光功率为Pin=1.4286W,则响应度R的大小为?
53.某LAN光纤链路工作波长λ=850nm,链路长度L=2000m,最大比特率为16Mb/s,采用线宽为20nm的LED光源,光设备的上升时间为8ns,10/100Mb/sLAN最大光缆长度如表1,用MMF(多模光纤)62.5/125μm的光纤。
表110/100Mb/sLAN最大光缆长度
LAN类型
波长
/nm
最大长度/m
最大损耗dB/km
带宽距离积
/Mb/s×
km
纤芯
50μm
62.5
μm
10Base
-F
850
1000
2000
3.75
500
160
100Bas
1300
1.5
e-FX
e-SX
(1)系统要求的上升时间Δtr。
(2)模式色散引起的脉冲展宽Δtmod,即光线模式上升时间。
(3)色度色散引起的脉冲展宽Δtch。
(4)求系统实际上升时间Δtsys。
(5)可以达到指定的比特率吗?
(6)如果光纤的带宽不能满足要求,你认为该如何解决?
注:
色度色散计算公式D(λ)=S0(λ-λ03)和Δtch=4λ
|D(λ)|ΔλL。
计算、综合、分析题练习答案
1.解:
由单模传输条件
得a2.4052.36m
2n12
由数值孔径的定义式有
22
NAn12n22n120.21
V2an12n222an125.03则模式数为mV12.65,
所以光纤中存在13个模式。
2)响应度R定义为光生电流IP与输入光功率Pin之比,即
因为入射光功率对应于单位时间内平均入射的光子数
Pin/(hfc)而入射光子以量子效率部分被吸收,并在外电路中产生光电流,则有响应度
e
hfc1.24
波长为1.3um时,0.751.30.79(A/W)_
1.24
波长为1.55um时,0.751.550.94(A/W)
由上式可知,在量子效率一定时,响应度与波长成正比。
所以由PIN在1.55um处的灵敏度高于在1.3um处。
3.解:
(1)NAn121.520.0050.15
(2)
n12n22
2n12
0.005;
n20.99
n1
n2
carcsin
(2)arcsin(0.99)84.3,n1
(3)M
V222;
V2
2an12n22
n1a22
4.解:
V
21.31
23.141.52
2.78(m)
0.005
(1)由量子效率的定义得
光生电子-空穴对
入射光子数
1=50%)
2)
由公式
=PIp0?
hef,得
Ip
P0e
hf
0.5
hc
719
1071.610191.31
348
6.62810343108
106
5.3108A
3)根据光电效应的产生条件
hf>
Eg可得
c1.24/Eg,
因GaAs的禁带宽度为
1.424ev,所以
c0.87m。
5.解:
(1)由于归一化频率
V2a
250
0.85
n12
1.45821.452
56.36
m)
(2)传播的模式总数M
(3)该光纤的数值孔径:
V2/21588
NAn12n220.153
(4)该光纤单模工作的波长:
2an12
2.4051
n222.613an12n222.61350n12
n2219.9(μ
6.解
已知
1)
因非全反射导致的等效损耗系数
(mm-1)
2)由
q=1,2,3⋯.
(Hz)
3)
7.解:
根据题意得
PS
3dBm,
0.5dB/个,M
PSPR2c
PR
8.解:
由题意得
故有
P13P2
-10lgPP10
由于
P01mw
9.51010(m)
fM
SR
1.5,
所以
3即SR
P1
P0
f
0.4dB/km
38
20.54
0.4
0.05
P2
3
66.7km
P1P2P1P2
38dBm,
4dB
Ls
1374
s0.05dB/km,
10-0.15
-0.15-0.15
P010-0.1510-0.15=0.70mw
mw
11-0.15
P2P110-0.150.23
33
9.
(1)见图,由折射定律可得n0sinα=n1sinβ
(1)
n1sin(90°
-β)=n2sinγ
(2)
要使光波
- 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 计算 综合分析 练习题