1．光纤通信的优缺点各是什么？
答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。
缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。
2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？
答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。
光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。
模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。光源是LED 或LD ，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。
光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。
光检测器将光信号转化为电流信号。常用的器件有PIN 和APD 。然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。
光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。
光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km 一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km 时，每隔2km 将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。 6．简述WDM 的概念。
答：波分复用的基本思想是将工作波长略微不同、各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入到同一根光纤中进行传输。
3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算
（1）纤芯和包层的相对折射率∆； （2）光纤的数值孔径NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为
22
122
10.032n n n -∆=≈
光纤的数值孔径为
0.38NA ≈
5．一根数值孔径为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?
解：（1
）由111
22V a NA ππλλ==⋅，得到纤芯直径为
11130.2722V a NA λλ
ππ=
⋅==≈
（2）当2 1.31m λμ=，有
1
222λλππ= 得到模的个数为
()()
2
2
1212
220.8510004211.31M M λλ==⨯= （3）当2 1.55m λμ=，得到模的个数为
()()
2
2
1312
220.8510003541.55M M λλ==⨯= 7．有阶跃型光纤，若1 1.5n =，0 1.31m λμ=，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5a m μ=，保证单模传输时，∆应怎么选择？
解：（1
）由归一化频率00
22V a n ππλλ==⋅
a =
为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求 2.405V <，则要求光纤纤芯半径
0.47a m μ<=≈
（2）若取芯径5a m μ=，保证单模传输时，则
22
001111 2.4050.0022222V n a n a λλππ⎛⎫⎛⎫∆=<≈ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
10．一段12km 长的光纤线路，其损耗为1.5/dB km 。试回答：
（1）如果在接收端保持0.3W μ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2.5/dB km ，则所需的输入光功率为多少？ 解：（1）根据损耗系数定义
10lg i o
P L P α=
得到发送端的功率至少为
/10 1.8100.310L o i P P W αμ--==⨯
（2）如果光纤的损耗变为2.5/dB km ，则所需的输入光功率为
/103100.310L o i P P W αμ--==⨯
4．光与物质间的相互作用过程有哪些？
答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？
答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。 6．什么是激光器的阈值条件？
答：阈值增益为
12
11ln 2th G L r r α=+
其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2）
9．一个GaAsPIN 光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子空穴对。假设所以的电子都被收集，那么
（1）计算该器件的量子效率；
（2）在0.8m μ波段接收功率是710W -，计算平均是输出光电流；
（3）计算波长，当这个光电二极管超过此波长时将停止工作，即长波长截止点c λ。 解：（1）量子效率为1/30.33η==
（2）由量子效率//p p in in I e I hv
P hv
P e
η=
=
⋅得到 8/ 2.21022/p p in in I e e
I P A nA P hv
hc
ηλ-=
=
=⨯=
（3）GaAsPIN 的禁带宽度为 1.424g E eV =，则截止波长为
1.24 1.24
()0.871.424
g m m E λμμ=
== 10．什么是雪崩增益效应？
答：一次光生载流子穿过一个具有非常高的电场高场区。在这个高场区，光生电子－空穴可以获得很高的能量。他们高速碰撞在价带上的电子，使之电离，从而激发出新的电子－空穴对。新产生的的载流子同样由电场加速，并获得足够的能量，从而导致更多的碰撞电离产生，这种现象叫雪崩效应。 12．光检测过程中都有哪些噪声？
答：量子噪声，暗电流噪声，漏电流噪声和热噪声。
补充题1．一束光在介质中传播时，其光强I 随传播距离z 的变化通常表示为()0G z
I I e α-=，其中0I 为初
始光强，G 为光强增益系数，α为光强损耗系数。试推到这个式子，并说明此式成立条件。
解：设光束通过厚度为dz 的一层介质时，其光强由I 变为I dI +，在光放大时0dI >，可写成
dI GIdz =，即/dI I Gdz =，若G 为常数，则积分得到0Gz I I e =；
在衰减时，0dI <，可写成dI Idz α=-，即/dI I dz α=-，若α为常数，则积分得到0z I I e α-=；
所以，当光放大和光衰减同时存在时，便有()0G z
I I e α-=。
显然，此式成立的条件是：,G α都与,I z 无关。
《光纤通信》第4章课后习题及答案
