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相干光通信1引言卫星光通信的概念最早提出于20世纪60年代中期，但由于当时技术水平的限制．激光器件的研究刚刚起步，无法满足卫星光通信的要求。
直到80年代，随着光电技术与器件工艺的发展，卫星光通信的研究才开始逐渐受到重视。
卫通信按接收方式分为相干光通信系统和非相干通信系统。
早期的卫星光通信系统借鉴光纤通信技术采用了直接检测的系统方案，虽然能够实现中低速通信系统，但系统的发射功率和接收灵敏度都受到一定的限制。
随着信息时代的高速发展，卫星通信传输量剧增，宽带卫星通信技术成为卫星通信研究的热点。
建立卫星通信链路有两种选择：射频通信和光通信，目前通用的卫星射频通信系统受到传输容量、功耗、重量、体积等方面的严格限制，出现了1 Gbps以上通信的速率“瓶颈”，难以适应未来高速、宽带通信的需求；利用光频信号在空间传输实现通信被认为是解决该“瓶颈”的最佳方案。
2卫星相干光通信的原理及优势2.1卫星相干光通信的原理相干光通信中的“相干”是指光相干接收技术，根据本征激光器和信号光的频率不同，分为零差或外差接收。
图1为相干接收机的基本结构…，光信号经空间传输，由光学天线接收后，接收到的信号光同本征光混频，经光电检测器转换，输出电信号，解调处理，得到信号。
2.2相干光通信的优势相干光通信具有很多潜在优势，可以提高通信系统性能，接收机灵敏度高，而且能够在电域补偿光传输过程中的信号劣化；支持多种调制方式，多电平的调制方式可提高光通信链路的数据容量；波长的选择性好，频分复用方式实现更高速率传输，提升现有光通信的数据容量。
图1相干接收机原理图3国内外发展现状卫星相干光通信，由于技术和光电器件的原因，发展不是连续的。
1980年到1990年间，光相干检测技术是通信领域研究的热点，并有一系列相干通信理论文章发表及实验系统相继完成。
但因窄线宽高稳频激光器尚未成熟，不能实现工程上的应用。
1990年到1995年，随光纤通信中光放大器技术的发展，尤其是掺铒光纤放大器的实用化，相干检测原理及应用的研究渐少，各国研究机构都转向了直接检测的光通信系统，并相继实现了低速的星地、卫星间的通信试验。
光电子技术及应用（第2版）章节习题及自测题参考答案第一章习题参考答案一、单选题1.ABCD2.ABC3.ABC4.D5.B6.C7.B8.B9. A 10.A二、填空题11.500，30012.无线电波，.红外光，可见光和紫外光，X 射线，γ射线13.0.77---1000μm ，近红外，中红外和远红外14.泵浦源，谐振腔和激活介质15.频率，相位，振幅及传播方向16.受激辐射，实现粒子数反转，谐振腔；方向性好，相干性好，亮度高 17.935μm18.919.125103.1--⋅⋅⨯s m kg20.三、计算题21.解：（1）根据距离平方反比定律2/R I E e e =，太阳的辐射强度为sr W R E I e e /10028.3252⨯==。
得到太阳的总功率为W I e e 26108.34⨯==Φπ（2）太阳的辐射亮度为()sr cm W A I L e ./10989.127⨯== 太阳的辐射出射度为27/1025.6m W L M e e ⨯==π 太阳的温度为K M T e 57614==σ22.解：222z r r ='=，22cos cos z r z+'='=θθ，r d r dS '∆'=ϕ 由：2cos cos r BdS S d d dE θθ'='Φ'=2202222022)(2cos 2z R RB z r r d r z B r d r r B E R R+=+'''=''=⎰⎰ππθπ 23.解：设相干时间为τ，则相干长度为光束与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ 根据相干时间和谱线宽度的关系c L c v ==∆τ1 又因为00γλλv ∆=∆，λc v =0，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式：单色性=101200010328.6108.632-⨯===∆=∆nm nm L v v c λλλ 24.证明：若t=0时刻，单位体积中E 2能级的粒子数为n 20，则单位体积中在t→t+dt 时间内因自发辐射而减少的E2能级的粒子数为：2122122120A t dn A n dt A n e dt --==故这部分粒子的寿命为t ，因此E2能级粒子的平均寿命为212120020211A t tA n e dtn A τ∞-==⎰ 25.解：设两腔镜1M 和2M 的曲率半径分别为1R 和2R ，121m,2m R R =-=工作物质长0.5m l =，折射率 1.52η=根据稳定条件判据：（1） 其中（2） 由（1）解出2m 1m L '>>由（2）得所以得到： 2.17m 1.17m L >>第二章习题参考答案011 1 21L L ''⎛⎫⎛⎫<-+< ⎪⎪⎝⎭⎝⎭() l L L l η'=-+10.5(1)0.171.52L L L ''=+⨯-=+一、选择题1.ABCD2.D3.ABCD4.AC5.ABCD6.A7.A8.A9.A 10. B二、 是非题911.√ 12.× 13.× 14.× 15.√ 16.√三、 填空题17.大气气体分子及气溶胶的吸收和散射；空气折射率不均匀；晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电压后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小形变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。
信息光学习题答案第一章 线性系统分析1.1 简要说明以下系统是否有线性和平移不变性. （1）()();x f dxdx g =（2）()();⎰=dx x f x g （3）()();x f x g = （4）()()()[];2⎰∞∞--=αααd x h f x g（5）()()απξααd j f ⎰∞∞--2exp解：（1）线性、平移不变； （2）线性、平移不变； （3）非线性、平移不变； （4）线性、平移不变； （5）线性、非平移不变。
1.2 证明)()ex p()(2x comb x j x comb x comb +=⎪⎭⎫ ⎝⎛π证明：左边＝∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛n n n n x n x n x x comb )2(2)2(2122δδδ∑∑∑∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=--+-=-+-=-+-=+=n nn n n n n n x n x n x jn n x n x x j n x x j x comb x comb )()1()()()exp()()()exp()()exp()()(δδδπδδπδπ右边当n 为奇数时，右边＝0，当n 为偶数时，右边＝∑∞-∞=-n n x )2(2δ所以当n 为偶数时，左右两边相等。
1.3 证明)()(sin x comb x =ππδ 证明：根据复合函数形式的δ函数公式0)(,)()()]([1≠''-=∑=i ni i i x h x h x x x h δδ式中i x 是h(x)=0的根，)(i x h '表示)(x h 在i x x =处的导数。
于是)()()(sin x comb n x x n =-=∑∞-∞=πδπππδ1.4 计算图题1.1所示的两函数的一维卷积。
解：设卷积为g(x)。
当-1≤x ≤0时，如图题1.1(a)所示， ⎰+-+=-+-=xx x d x x g 103612131)1)(1()(ααα图题1.1当0 < x ≤1时，如图题1.1(b)所示， ⎰+-=-+-=13612131)1)(1()(xx x d x x g ααα 即 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤<+-≤≤--+=其它,010,61213101,612131)(33x x x x x x x g 1.5 计算下列一维卷积。
光电检测技术与应⽤课后答案第2章1、简述光电效应的⼯作原理。
什么是暗电流？什么是亮电流？P11答：暗电流指的是在⽆光照时，由外电压作⽤下P-N结内流过的单向电流；光照时，光⽣载流⼦迅速增加，阻值急剧减少，在外场作⽤下，光⽣载流⼦沿⼀定⽅向运动，形成亮电流。
2、简述光⽣伏特效应的⼯作原理。
为什么光伏效应器件⽐光电导效应器件有更快的响应速度？P15答：（1）光⽣伏特效应的⼯作基础是内光电效应.当⽤适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作⽤（不加外电场），光⽣电⼦拉向n区，光⽣空⽳拉向p区，相当于PN结上加⼀个正电压。
（2）光⽣伏效应中，与光照相联系的是少数载流⼦的⾏为，因为少数载流⼦的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件⽐以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。
3、简述光热效应⼯作原理。
热电检测器件有哪些特点？P15、P17第3章2、对于同⼀种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同⽽温度不同时情况⼜会如何？3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。
p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产⽣，这是因为p-n结在反偏电压下产⽣的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光⽣电流就会明显增加。
5、光电导器件响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件⼯作频率哪个⾼？实际使⽤时如何改善其⼯作频率响应？6、硅光电池的开路电压为什么随着温度的升⾼⽽下降？影响光电倍增管⼯作的环境因素有哪些？如何减少这些因素的影响？答：温度升⾼时，半导体的导电性将发⽣⼀定的变化，即少数载流⼦浓度随着温度的升⾼⽽指数式增⼤，相对来说多数载流⼦所占据的⽐例即越来越⼩，这就使得多数载流⼦往对⽅扩散的作⽤减弱，从⽽起阻挡作⽤的p-n结势垒⾼度也就降低。
光电子技术（第二版）答案详解第一章1. 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
解：因为， 且 ()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-===Ω⎰22000212cos 12sin c R R l l d d rdSd c πθπϕθθ 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=Ω=Φ220012c e e e R l l I d I π2. 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。
解：亮度定义:强度定义:ΩΦ=d d I ee可得辐射通量：Ω∆=Φd A L d s s e e θcos在给定方向上立体角为：20cos l A d c c θ∆=Ω则在小面源在∆A c 上辐射照度为：20cos cos l A L dA d E cs s e e e θθ∆=Φ=3.假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置面对的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面积为A d 的探测器表面上产生的辐照度。
答：由θcos dA d d L e ΩΦ=得θcos dA d L d e Ω=Φ，且()22cos r l A d d +=Ωθ则辐照度：()e e e L d rlrdrl L E πθπ=+=⎰⎰∞2002222ΩΦd d ee I =r r ee A dI L θ∆cos =l 0SR c第1.1题图L e ∆A s ∆A cl 0 θsθc第1.2题图4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？不是热辐射。
霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受到激发。
《信息光学》课程标准一、课程概述（一）课程性质信息光学是光电信息科学与工程专业的专业学习领域必修课程，是校企合作开发的基于工作过程专业（理论）课的课程。
信息光学是近40多年迅速发展起来的一门新兴学科，它是在全息术、光学传递函数和激光的基础上，从传统的、经典的波动光学中脱颖而出的。
与其他形态的信号处理相比，光学信息处理具有高度并行、大容量的特点。
信息光学已渗透到科学技术的诸多领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越广泛的应用。
（二）课程定位该课程在专业课程体系中属于光电信息科学的理论基础课程，旨在培养未来从事光信息处理和光全息技术人员的专业能力。
该课程使学生能够结合光学信息处理和光全息的相关知识，开拓理论用于实践的方法和创新思路，提高自身解决实际问题的能力。
前导课程：高等数学、普通物理学、物理光学和应用光学后续课程：光纤通信（三）课程设计思路旨在培养学生扎实的光信息理论知识，能够为将来成为高素质应用型光信息处理和光全息技术人才打下基础。
主要包括知识技能和职业应用技能：通过系统学习信息光学的傅立叶变换、基尔霍夫标量衍射理论，使学生掌握一定的光学成像和光学全息特性，空间滤波及光学处理的能力，并能具体运用到实际光学工程问题。
二、课程目标（一）课程工作任务目标本课程是光电信息科学与工程专业的主要专业课程之一，设置本课程的目的是让学生掌握信息光学的基本概念、基础理论及光信息处理的基本方法，了解光信息处理和光全息的发展近况和运用前景。
（二）职业能力目标突出基本职业能力和专业能力培养要求，使学生熟悉光信息处理和光全息的基本技术知识，能够针对具体的光信息工程问题进行分析，并设计和实施解决方案，为今后从事光信息方面的生产，科研和教学工作打下基础。
三、课程教学内容及学时安排(一)课程教学内容（二）学时安排表“学时分配”中，“其他”主要指看录像、现场参观、课堂讨论、习题等教学环节。
四、课程实施针对信息光学的课程特点和教学内容，以讲授法为引导与辅助，以角色扮演法、案例教学法、情境教学法和师生互动为主要内容，形成以学生为主、以教师为辅的教学模式。
---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---摘要随着近几年的信息技术发展，对大容量信息的要求日益增加，有限的频带资源需要高频谱效率的通信系统。
尽管波分复用满足了大容量的传输要求，但固定的频率栅格造成了频带资源的浪费。
为了提高频谱利用率，相干光正交频分复用技术开始研究，它是一种结合了正交频分复用和相干光检测的技术，在保证了高频谱利用率，强抗干扰能力的同时又提升了系统的灵活度，大大增加了中继距离。
本文主要对相干光正交频分复用的原理和关键技术作了阐述，并研究了光纤信道对其传输性能的影响。
主要内容包括理论和仿真两个方面。
首先，理论上研究了基于正交频分复用的传输系统，从逆快速傅里叶变换/快速傅里叶变换，循环前缀切入，分析了它的高频谱利用率和高效的算法。
其次，利用商用OptiSystem软件仿真了CO-OFDM背靠背及传输系统，分析了光纤链路对CO-OFDM系统性能的影响。
关键词：相干光检测，正交频分复用，色散作者：仇佳指导老师：高明义Design and research of coherent optical orthogonal frequency division multiplexing optical communication systemAbstractWith the development of information technology in recent years, the demand for large-capacity information is increasing. The limited frequency band resources require a highly spectrum-efficient communication system. Although wavelength division multiplexing meets large-capacity transmission requirements, fixed frequency grids cause waste of frequency band resources. In order to improve the spectrum utilization, coherent optical orthogonal frequency division multiplexing technology has begun to be studied. It is a technology that combines orthogonal frequency division multiplexing and coherent optical detection to ensure high spectrum utilization and strong anti-interference ability. At the same time, the flexibility of the system is increased, and the relay distance is greatly increased. This paper mainly describes the principle and key technologies of coherent optical orthogonal frequency division multiplexing, and studies the influence of fiber channel on its transmission performance. The main content includes both theoretical and simulation aspects. First of all, the transmission system based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing is theoretically studied. From the Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform, cyclic prefix cut-in, its high spectral efficiency and efficient algorithm are analyzed.Secondly, using commercial OptiSystem software to simulate the CO-OFDM back-to-back and transmission system, the influence of the optical fiber link on the performance of the CO-OFDM system is analyzed.Keywords: Coherent light detection, Orthogonal frequency division multiplexing, DispersionWritten by QiuJiaSupervised by Gao Mingyi第一章绪论1.1 引言我们生活在一个信息时代中，随着社会对于信息传递的要求日益增长，通信系统的结构也在日渐复杂和多元化。
光电技术第一章参考答案1辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？答：为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量。
光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
2 试写出 e φ、e M 、e I 、e L 等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。
答：辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号表示，其计量单位为焦耳（J ）。
e Q e Q 辐（射）通量e φ：在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，以符号e φ表示，其计量单位是瓦（W ），即 e φ =dt dQ e 。
辐（射）出（射）度：对面积为A 的有限面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量d e M e φ与之，该面元面积d 比，定义为辐（射）出（射）度e M 即M A e =dA d e φ。
其计量单位是瓦每平方米[W/m 2]。
辐（射）强度：对点光源在给定方向的立体角元e I Ωd 内发射的辐射通量e d φ，与该方向立体角元Ωd 之比，定义为点光源在该方向的辐（射）强度，即e I e I =Ωd de φ，辐射强度的计量单位是瓦特每球面度（W/sr ）。
光电子技术（第二版）答案详解第一章1. 设在半径为R C 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l o 处有一个辐射强度为I e 的点源S,如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射2.如图所示，设小面源的面积为 A,辐射亮度为L e ,面源法线与l o 的夹角为S ；被照面的面积为 A ，到面源 A s 的距离为l o 。
若c为辐射在被照面 A c 的入射角，试计算小面源在 A 上产生的辐射3. 假如有一个按朗伯余弦定律发射辐射的大扩展源（如红外装置 面对的天空背景），其各处的辐亮度L e 均相同，试计算该扩展源在面 积为A 的探测器表面上产生的辐照度。
则辐照度：E e L el 2—2d L ee eo . 222eI 1 de1 解：因为ledddSRc .d d2rsin o且2 1l 0厶1Rc1 0lo R c 2照度。
di eA r cos r d e d可得辐射通量：d e LL解：亮度定义：强度定义:I e在给定方向上立体角为：.A c cos cdl 2丨L e A s cos s COS cdA答：由L ed d dAcosL e d dA cos ，且 dA d cos l 2功率2 1 cos所以el e d2 l e 1第1.2题图A s cos dees 则在小面源在 A 上辐射照度为:E el r4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？不是热辐射。
霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受到激发。
当它由激发状态回复到正常状态会发光，这一过程称为电致发光过程。
6. 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长m随温度T的升高而减小。
试由普朗克热辐射公式导出m T 常数。
答：这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为 2.898 10-3m?K。
普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0,即可求的。
1. 半导体对光的吸收：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶 格吸收。
只有本征吸收和杂质吸收，能够直接产生非平衡载流子，引起光电 效应。
其余是光热效应。
2. 光生伏特器件的偏置电路：自偏置电路、零伏偏置、反向偏置3. 热辐射探测器件：热敏电阻、热电偶探测器、热电堆探测器、热释电器件。
4. 光电信息变换和处理：模拟光电变换和模数光电变换5. 光电倍增管的结构：（1）入射窗结构：端窗式和侧窗式（2）倍增极结构：聚 焦型和非聚焦型。
光窗、光电阴极、电子光学系统（电子透镜）、电子倍增系 统和阳极。
6.光敏电阻属于光电导器件，广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。
7. CCD 勺注入方式：光注入、电注入。
8. 已知禁带宽度Eg 求最大波长入maxhe 1 .24hv 亠 E g ■ LE g E g 9. 光电信息变换的基本形式：① 信息载荷于光源的方式；② 信息载荷于透明体的方式；③ 信息载荷于反射光的形式；④ 信息载荷于遮挡光的形式；⑤ 信息载荷于光学量化器的方式；⑥ 光通信方式的信息变换一类称为模拟量的光电信息变换，例如前 4种变换方式；另一类称为数字量 的光电信息变换，例如后2种变换方式。
10. 光电倍增管：阴极灵敏度定义光电倍增管阴极电流Ik 与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵 敏度，并记为I k S k , t =①ej若入射辐射为白光，则以阴极积分灵敏度，IK 与光谱辐射通量的积分之 比，记为SkI k S k = --------------------------------- 阳极灵敏度定义光电倍增管阳极输出电流 Ia 与入射光谱辐射通量之比为阳极的光 谱灵敏度，并记为若入射辐射为白光，则定义为阳极积分灵敏度，记为 Sa11. 黑体：能够完全吸收从任何角度入射的任何波长的辐射，并且在每一个方向 都能最大可能地发射任意波长辐射能的物体称为黑体。
显然，黑体的吸收系 数为1，发射系数也为112. 斯忒藩-波尔兹曼定律I aS a, x = ①e,x l a ： ：J e, xd 'S a :: 4 M e,s, d ■ - CT 5 42 n k _8 2 43 7=5.67 10 Wm K 15 h cM es 、 =1.3O9T 5灯0卫 W ・ cm-2 •卩 m-1 - K-5 13. 热释电效应：热电晶体材料因吸收光辐射能量而产生温升，导致晶体表面电 荷发生变化的现象。
