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光纤通信课后习题解答第5章光源与光发送机习题解答98 习题解答1、比较LED 和LD ，并说明各自适应的工作范围。
答：LED 的发射光功率比LD 要小，不适合长距离系统；LED 的光谱宽度比LD 大得多，不适合长距离系统；LED 的调制带宽比LD 小得多，不适合长距离系统；LED 的温度特性比LD 好得多。
所以，LED 适应于短距离小容量光纤通信系统，而LD 适应于长距离大容量光纤通信系统。
2、试说明LED 的工作原理。
答：当给LED 外加合适的正向电压时，Pp 结之间的势垒（相对于空穴）和Np 结之间的势垒（相对于电子）降低，大量的空穴和电子分别从P 区扩散到p 区和从N 区扩散到p 区（由于双异质结构，p 区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P 区和N 区），在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其它衰减而产生自发辐射的光输出。
3、试说明LD 的工作原理。
答：当给LD 外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大（其余自发辐射光子均被衰减掉），直至传播到高反射率界面由被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。
如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。
4、为什么应用单纵模LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用LED 光纤通信系统的传输速率？答：因为单纵模LD 的谱线宽度比LED 的谱线宽度小得多，单纵模LD 的调制带宽比LED 的调制带宽大得多，所以单纵模LD 光纤通信系统的传输速率远大于使用LED 光纤通信系统的传输速率。
5、若激光物质的禁带宽度为0.8eV 。
试问该激光物质所能辐射的光波长是多少？答：=1.24/0.85=1.55 6、光与物质的相互作用有哪几种方式？答：光与物质的相互作用时，存在自发辐射、受激辐射及受激吸收三种基本过程。
光纤优点：1、频带宽、传输容量大2、损耗小，中继距离长3、重量轻、体积小4、抗电磁干扰性能好5泄露小、保密性好6、节约金属材料光纤系统结构分为：点对点、一点对多点、网络拓扑结构光通网分：LAN MAN WAN光的本质？为什么相位差是（2πΔZ）/λ？光的本质是一种电磁波。
光波沿Z方向传播的数字表达Ex =E0COS(wt-kz+φ0 )，对于每一个wt是相同的，故被ΔZ分开的两点间的相位差Δφ可用kΔz简单表示，因为对于没一点wt是相同的。
假如相位差是0或2π的整数倍，则两个点是同相位，于是相位差Δφ=kΔz。
光纤结构：光纤是由Si02制成的纤芯和包层组成，为了保护光纤外面还增加尼龙外层。
包层的作用：把光纤限制在纤芯内。
尼龙外层：增强光纤的肉人心、机械强度和耐老话特性。
折射率的径向分布，光纤分为：阶跃光纤（SI）渐变光纤（GI）实用光纤分为：多模光纤(MM)、单模光纤（SM）常用单模光纤：标准单模光纤、色散单模光纤、非零色散移位光纤光纤传光原理：基于光的折射反射、描述光纤特性参数有：衰减、色散、带宽模式色散的产生:在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同经光探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽光连接器把两个光纤端面结合在一起，以实现光纤与光纤之间可拆卸连接的器件，对这种器件的基本要求是使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合进接收光纤。
跳线用于终端设备和光缆线路及各种光无源器件之间的互连，以构成光纤传输系统光耦合器的功能把一个或多个光输入分配给多个或一个光输出。
T形、星形、方向、波分。
光滤波器是从包含多个波长的输入光信号中提取出所需要波长的信号。
波分复用器把多个不同波长的发射机输出的光信号复合在一起，并注入一根光纤。
解复用器把一根光纤输出的多个波长的复合光信号，用解复用器还原成单个不同波长信号，并分配给不同的接收机。
光开关接通或断开光信号，转换光路，实现光信号的交换。
1．光放大器包括哪些种类？简述它们的原理和特点。
EDFA有哪些优点？答：光放大器包括半导体光放大器、光纤放大器（由可分为非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器）。
1）半导体光放大器它是根据半导体激光器的工作原理制成的光放大器。
将半导体激光器两端的反射腔去除，就成为没有反馈的半导体行波放大器。
它能适合不同波长的光放大，缺点是耦合损耗大，增益受偏振影响大，噪声及串扰大。
2）光纤放大器（1）非线性光纤放大器强光信号在光纤中传输，会与光纤介质作用产生非线性效应，非线性光纤放大器就是利用这些非线性效应制作而成。
包括受激拉曼放大器（SRA）和受激布里渊放大器（SBA）两种。
（2）掺杂光纤放大器（常见的有掺铒和掺镨光纤放大器）在泵浦光作用下，掺杂光纤中出现粒子数反转分布，产生受激辐射，从而使光信号得到放大。
EDFA优点：高增益、宽带宽、低噪声及放大波长正好是在光纤的最低损耗窗口等。
2．EDFA的泵浦方式有哪些？各有什么优缺点？答：EDFA的三种泵浦形式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
同向泵浦：信号光和泵浦光经WDM复用器合在一起同向输入到掺铒光纤中，在掺铒光纤中同向传输；反向泵浦：信号光和泵浦在掺铒光纤中反向传输；双向泵浦：在掺铒光纤的两端各有泵浦光相向输入到掺铒光纤中。
同向泵浦增益最低，而反向泵浦比同向泵浦可以提高增益3dB~5dB。
这是因为在输出端的泵浦光比较强可以更多地转化为信号光。
而双向泵浦又比反向泵浦输出信号提高约3dB，这是因为双向泵浦的泵功率也提高了3dB。
其次，从噪声特性来看，由于输出功率加大将导致粒子反转数的下降，因此在未饱和区，同向泵浦式EDFA 的噪声系数最小，但在饱和区，情况将发生变化。
不管掺铒光纤的长度如何，同向泵浦的噪声系数均较小。
最后，考虑三种泵浦方式的饱和输出特性。
同向EDFA 的饱和输出最小。
双向泵浦EDFA 的输出功率最大，并且放大器性能与输出信号方向无关，但耦合损耗较大，并增加了一个泵浦，使成本上升。
第五章〔正弦载波数字调制系统〕习题及其答案【题5－1】设发送数字信息为，试分别画出 2ASK 、2FSK 、2PSK 及2DPSK 信号的波形示意图。
【答案5－1】2ASK 、2FSK 、2PSK 及2DPSK 信号的波形如下列图所示。
【题5－2】确定某2ASK 系统的码元传输速率为103Band ，所用的载波信号为()6cos 410A π⨯。
1〕设所传送的数字信息为011001，试画出相应的2ASK 信号波形示意图； 2〕求2ASK 信号的带宽。
【答案5－2】1〕由题中的确定条件可知310B R Baud =因此一个码元周期为3110s B T s R -==载波频率为664102102s f Hz ππ⨯==⨯载波周期为61102T s -=⨯所以一个码元周期内有2000个载波周期。
如下列图所示我们画出2ASK 信号的波形图，为简便，我们用两个载波周期代替2000个载波周期。
2〕依据2ASK 的频谱特点，可知其带宽为 222000B B R Hz T ===【题5－3】设某2FSK 调制系统的码元传输速率为1000Baud ，已调信号的载频为1000Hz 或 2000 HZ 。
1〕假设发送数字信息为011010，试画出相应的ZFSK 信号波形；2〕摸索讨这时的2FSK 信号应选择怎样的解调器解调？3〕假设发送数字信息是等可能的，试画出它的功率谱密度草图。
【答案5－3】1〕由题意可画出ZFSK 信号波形如下列图所示。
2〕由于ZFSK 信号载波频差较小，频谱有较大重叠，接受非相干解调时上下两个支路有较大串扰，使解调性能降低。
由于两个载频人与人构成正交信号，接受相干解调可减小相互串扰，所以应接受相干解调。
3〕该2FSK 信号功率谱密度草图如下列图所示。
【题5－4】假设在某2DPSK 系统中，载波频率为 2400 Hz ，码元速率为 1200 Band ，确定相对码序列为11000101ll 。
1〕试画出2DPSK 信号波形〔注：相对偏移ϕ∆，可自行假设〕；2〕假设接受差分相干解调法接收该信号时，试画出解调系统的各点波形；3〕假设发送信息符号0和1的概率分别为0.6和0.4，试求2DPSK 信号的功率谱密度。
《光纤通信原理》习题及参考答案第1讲光纤通信概述1-1光纤通信是为传输媒质。
以为载波的通信方式。
光纤的工作波长为、和。
1-2光纤通信有哪些优点？第2讲光纤光缆的结构和分类2-1 光纤的主要材料是，结构从内到外依次是、、和。
其中是光纤导光部分。
2-2 光纤中的纤芯折射率必须包层折射率，单模光纤和多模光纤中中两者的相对折射率差一般分别为和。
2-3 单模光纤纤芯直径一般为，多模光纤纤芯直径为，光纤包层直径一般为。
2-4光缆结构包括、和。
常用光缆有、、、等结构。
第3讲光纤的导光原理2-5光纤的数值孔径NA＝sin i n 它的含义是什么？2-6某阶跃折射率光纤的纤芯折射率n1=1.50,相对折射率差Δ＝0.01,试求：1)光纤的包层折射率n2＝？2）该光纤数值孔径NA＝？2-7 阶跃光纤中相对折射率差Δ＝0.005, n1=1.50,当波长分别为0.85μm和1.31μm时，要实现单模传输，纤芯半径a应小于多少？2-8 在渐变多模光纤中，n1=1.50,Δ＝0.01,λ=0.85μm,a=60μm,试计算光纤能传输的模式数量N＝？第4讲光纤的损耗特性2-9 光纤主要的传输特性是和。
2-10 什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？2-11 当工作波长λ=1.31μm，某光纤的损耗为0.5dB/km,如果最初射入光纤的光功率是0.5mW，试问经过4km以后，以dB为单位的功率电平是多少？2-12 为什么光纤工作波长选择1.55μm、1.31μm、0.85μm三个窗口？第5讲光纤的色散特性2-13 什么叫光纤色散？试分析造成光脉冲展宽的原因？2-14 为什么光纤通信向长波长、单模传输方向发展？2-15 某激光二极管（LD）的谱线宽度Δλ1＝1.5nm,某发光二极管(LED)谱线宽度Δλ2＝40nm，某单模光纤在波长1.5μm时材料色散系数为20ps/km.nm,求经1 km光纤传播不同光源的光脉冲展宽值。
光纤通信光检测器答案5★第一篇：光纤通信光检测器答案5第五章习题一、填空1、光电检测器是完成（光/电转换）功能的有源器件，常用的光电检测器主要有（PIN光电二极管）和（APD雪崩光电二极管），为了使光电检测器还具有放大微弱信号功能以提高检测灵敏度一般将其与（场效应管-FET）配合使用。
2、光电检测器进行光电转换使基于（光电）效应，它的原理是：由于光的（受激吸收）（受激吸收/受激辐射/自发辐射）将（价带）（价带/导带/禁带）的电子激发到（导带）（导带/价带/禁带），产生光生载流子，受内建电场的作用，光生载流子两边漂移在载PN结两边形成电动势。
3、APD主要应用物理学中的（雪崩倍增）效应来提高光电的转换放大倍数的。
它的基本原理是：光子照射产生的（光生载流子）经过高压区的电场被加速，与晶体中的（原子）相碰撞，激发出新的（光生载流子），并且继续发生这样的碰撞电离，使得（载流子数目）迅速加大。
二、选择1.PIN用于灵敏度要求（B）的地方，其价格（B）；APD 用于灵敏度要求（A）的地方，其价格（A）。
A 高B 不高2、对光检测器的基本要求是高的（A），低的（B）和快的（C）。
A 响应度B 附加噪声C 响应速度第二篇：光纤通信技术试题及答案试题1《光纤通信技术》综合测试1一、(20分)填空题：光纤通信的主要优点有、、、、和。
2光纤的数值孔径是表示定义式为。
光纤损耗的理论极限值是由和一起构成的。
4激光器由、和三部分组成。
5光复用技术有：技术、技术、技术、技术和技术。
光接收机的主要指标是和。
二、（30分）选择题：目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是：[] A B C D 0.850.800.850.80、1.20、1.51、1.31、1.20、1.80、1.80、1.55、1.70 ；；。
下面说法正确的是：[]A 光纤通信只能用于数字通信，不能用于模拟通信；B 光纤通信不能用于数字通信，只能用于模拟通信；C 光纤通信即可以用于数字通信，也可用于模拟通信；D 光纤通信不能用于数字通信，也不能用于模拟通信。
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。
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5GHz的微波载波和 1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？解：根据题意，求得在5GHz的微波载波下，数字通信系统的比特率为50Mb/s，则能传输781路64kb/s的音频信道。
第5章 复习思考题参考答案5-1 光探测器的作用和原理是什么答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图5-4 光接收机的作用是什么答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
第二章1.定性描述渐变型多模光纤带宽远远优于阶跃型多模光纤的原因。
答：阶跃型多模光纤以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的路径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
而渐变型多模光纤有自聚焦作用，虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢。
斜光线大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但传输快。
通过合理设计折射率分布，不同入射角度入射的光线以相同的轴向速度在光纤中传输，同时到达输出端，即所有光线具有相同的空间周期，从而降低模间色散，增加了光纤传输带宽。
2.已知多模阶跃型光纤，纤芯折射率为n 1=1.5，光纤芯经2a=50μm ，相对折射率差Δ=0.01，求：（1）光纤数值孔径NA.和收光角；（2）归一化频率V 和导模总数N ？（λ=1.3μm ）；（3）当Δ=0.001时，光纤芯经2a 为多大时光纤可单模工作？解：1/201/2121/21(1)sin 0.21arcsin(2)2/25.6/2328(3)7.432(2)12.2(2)(2)c c NA n NA n V a N V a mn n V n πλλµπθθ====≈=⋅≈=≈⋅<≈⋅∆∆⋅∆⋅。
3.已知阶跃型光纤的纤芯折射率n 1=1.5，相对折射率差Δ=0.001，芯半径a=5μm ，试求LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？解：c c 11c 02c 12 3.832,0.55501356,0.416.3802,0.33VVV c c c c m m mLp Lp Lp µµµλλλλ=======：：：对于对于对于4.什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。
解释为什么石英光纤在1310nm 有最低的色散？答：色散是在光纤中传输的光信号，不同频率成分和模式成分的光有不同传播速度而产生的一种物理效应。
现代移动通信蔡跃明第三版思考题与习题参考答案chapter_5第五章思考题与习题1. 分集技术的基本思想是什么？答：分集技术是⼀项典型的抗衰落技术，其基本思想是通过查找和利⽤⾃然界⽆线传播环境中独⽴的,⾼度不相关的多径信号来提⾼多径衰落信道下的传输可靠性。
2. 合并⽅式有哪⼏种？哪⼀种可以获得最⼤的输出信噪⽐？为什么？答：合并⽅法主要有：选择合并、最⼤⽐合并、等增益合并。
最⼤⽐合并能获得最⼤信噪⽐，这是因为合并时对每⼀⽀路的信号都加以利⽤，⽽且给予不同的加权，信噪⽐⼤的⽀路加权⼤，这⼀路在合并器输出中的贡献也就⼤；反之，信噪⽐⼩的⽀路加权⼩，贡献也就⼩，最⼤⽐合并输出可得到的最⼤信噪⽐为各⽀路信噪⽐之和。
3. 要求DPSK 信号的误⽐特率为310-时，若采⽤2M =的选择合并，要求信号平均信噪⽐是多少dB ？没有分集时⼜是多少？采⽤最⼤⽐值合并时重复上述⼯作。
解：(1)由已知条件可知2310b P -≤ 0.03b P ≤因为⼆进制DPSK 误码率与信噪⽐之间符合/012b N b P e ε-= 采⽤2M =的选择合并,信号平均信噪⽐0ln 2 4.41bi b P dB N εγ==-=(2)没有分集时310b P -≤ln 27.93bb P dB N εγ==-=（3）最⼤⽐合并输出可得到的最⼤信噪⽐为各⽀路信噪⽐之和，所以每⼀条⽀路的信噪⽐1 3.962i dB γγ==4. 简述⼏种传统的⾃适应均衡算法的思想。
答：（1）LMS ⾃适应均衡算法LMS 算法基于最⼩均⽅误差准则，使均衡器的输出信号与期望输出信号之间的均⽅误差2()E e n 最⼩。
LMS 算法是线性⾃适应滤波算法，⼀般来说它包含两个过程：⼀是滤波过程，包括计算线性滤波器输出对输⼊信号的响应，通过⽐较输出结果与期望响应产⽣估计误差。
⼆是⾃适应过程，根据估计误差⾃动调整滤波器参数。
这两个过程⼀起⼯作组成⼀个反馈环。
⾸先有⼀个横向滤波器，该部件的作⽤在于完成滤波过程；其次有⼀个对横向滤波器抽头权重进⾏⾃适应控制过程的算法。
光纤通信课后习题参考答案光纤通信课后习题答案第一章习题参考答案1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是1950年出现的。
传输损耗高达1000dB/km左右。
2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。
答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。
中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。
第二章光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布n?r????n1?n2r?a r?a?2??r???nm?1?2?????n?r????a???????nc渐变型光纤的折射率分布r?a r?a7．均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10Km。
试求：（1）光纤的相对折射率差Δ；（2）数值孔径NA；（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差Δ。
第一章基本理论1、阶跃型折射率光纤的单模传输原理是什么？答：当归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，即0＜V＜2.40483时，此时管线中只有一种传输模式，即单模传输。
2、管线的损耗和色散对光纤通信系统有哪些影响？答：在光纤通信系统中，光纤损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一，在很大程度上决定着传输系统的中继距离；光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
3、光纤中有哪几种色散？解释其含义。
答：（1）模式色散：在多模光纤中存在许多传输模式，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，而产生了模式色散。
（2）材料色散：由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。
（3）波导色散：统一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此引起的色散称为波导色散。
5、光纤非线性效应对光纤通信系统有什么影响？答：光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面可引起传输信号的附加损耗，波分复用系统中信道之间的串话以及信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。
6、单模光纤有哪几类？答：单模光纤分为四类：非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤、截止波长位移单模光纤、非零色散位移单模光纤。
12、光缆由哪几部分组成？答：加强件、缆芯、外护层。
*、光纤优点：巨大带宽（200THz）、传输损耗小、体积小重量轻、抗电磁干扰、节约金属。
*、光纤损耗：光纤对光波产生的衰减作用。
引起光纤损耗的因素：本征损耗、制造损耗、附加损耗。
*、光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，导致信号的畸变。
引起光纤色散的因素：光信号不是单色光、光纤对于光信号的色散作用。
色散种类：模式色散（同波长不同模式）、材料色散（折射率）、波导色散（同模式，相位常数）。
第5章 复习思考题
参考答案
5-1 光探测器的作用和原理是什么
答：光探测器的作用是利用其光电效应把光信号转变为电信号。
光探测器的原理是，假如入射光子的能量h ν超过禁带能量E g ，只有几微米宽的耗尽区每次吸收一个光子，将产生一个电子-空穴对，发生受激吸收，如图5.1.1（a ）所示。
在PN 结施加反向电压的情况下，受激吸收过程生成的电子-空穴对在电场的作用下，分别离开耗尽区，电子向N 区漂移，空穴向P 区漂移，空穴和从负电极进入的电子复合，电子则离开N 区进入正电极。
从而在外电路形成光生电流P I 。
当入射功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而把光信号转变成电流信号。
5-2 简述半导体的光电效应
答：在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）c E 的电子跃迁到低能带（价带）v E 上，就将其间的能量差（禁带能量）v c g E E E -=以光的形式放出，如图4.2.2所示。
这时发出的光，其波长基本上由能带差E ∆所决定。
图4.2.2 光的自发辐射、受激发射和吸收
反之，如果把能量大于hv 的光照射到占据低能带v E 的电子上，则该电子吸收该能量后被激励而跃迁到较高的能带c E 上。
在半导体结上外加电场后，可以在外电路上取出处于高能带c E 上的电子，使光能转变为电流，这就是光接收器件的工作原理。
5-3 什么是雪崩增益效应
答：光生的电子-空穴对经过APD 的高电场区时被加速，从而获得足够的能量，它们在高速运动中与P 区晶格上的原子碰撞，使晶格中的原子电离，从而产生新的电子-空穴对，如图5.2.4所示。
这种通过碰撞电离产生的电子-空穴对，称为二次电子-空穴对。
新产生的二次电子和空穴在高电场区里运动时又被加速，又可能碰撞别的原子，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度探测器。
图5.2.4 APD雪崩倍增原理图
5-4 光接收机的作用是什么
答：光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光信号，并放大、整形、再生成原输入信号。
它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为电信号的光电探测器。
5-5 光纤通信中最常用的光电探测器是哪几种？比较它们的优
缺点
答：光纤通信中最常用的光电探测器是PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD），以及高速接收机用到的单向载流子光电探测器（UTC-PD）、波导光电探测器（WG-PD）和行波光电探测器（TW-PD）。
PIN光电二极管的响应时间由光生载流子穿越耗尽层的宽度W所决定。
增加W可使更多的光子被吸收，从而增加量子效率，但是载流子穿越W的时间增加，响应速度变慢。
雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度高。
因工作速度高，并能提供内部增益，已广泛应用于光通信系统中。
在PIN光电二极管中，对光电流作出贡献的包括电子和空穴两种载流子，在耗尽层（吸收层）中的电子和空穴各自独立运动都会影响光响应，由于各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴则要停留很长时间，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴。
另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的空穴在输运过程中形成堆积，产生空间电荷效益，进一步使电位分布发生变形，从而阻碍载流子从吸收层向外运动。
而单行载流子光电探测器（UTC-PD），只有电子充当载流子，空穴不参与导电，电子的迁移率远高于空穴，因而其载流子渡越时间比PIN的小。
波导型探测器（Waveguide PD，WG-PD）和行波型探测器（Traveling Wave PD，TW-PD）采用边耦合方式，光行进方向与载流子的渡越方向互相垂直，如图5.2.11（c）和（d）所示，吸收区长度沿光的行进方向，吸收效率提高了；而载流子渡越方向不变，渡越距离和所需时间不变，这样就很好地解决了吸收效率和电学带宽之间对吸收区厚度要求的矛盾。
边耦合光电探测器比面入射探测器（PIN和APD）可以获得更高的3 dB响应带宽。
入射光
吸收层P
I
N
(a) PIN-PD
吸收层
(c) WG-PD
入射光
价带
导带
电子
空穴
νh P I
N
(b)PIN探测器能带图
吸收层
Lλ信号
=
(d) TW-PD
入射光
P
I
N
V-
V-
入射光
图5.2.11 面入射光电探测器和边耦合光电探测器（WG-PD、TW-PD）的比较
5-6 PIN和APD探测器的主要区别是什么
答：雪崩光电二极管（APD）利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增，所以灵敏度比PIN 高。
5-7 单行载流子光电探测器（UTC-PD）为什么能够在高速系统中使用
答：因为UTC-PD结构使光生空穴不能扩散形成光生电流，只有电子能够形成光生电流，而UTC-PD结构又使电子在收集层中的迁移速度非常快，所以能够在高速系统中使用。
另外在收集层中减少的空间电荷与常规的PIN管相比，允许大的工作电流密度通过，这样就在取得高速响应的同时，实现了大的饱和电流输出。
图5.2.12 电子载流子光电探测器（UTC-PD）
5-8 简述波导型探测器（WG-PD）和行波型探测器（TW-PD）的工作原理
答：在WG-PD中，光垂直于电流方向入射到探测器的光波导中，然后在波导中传播，传播过程中光不断被吸收，光强逐渐减弱，同时激发价带电子跃迁到导带，产生光生电子-空穴对，实现了对光信号的探测。
其次，WG-PD的光吸收是沿波导方向进行的，其光吸收长度远大于传统型光电探测器。
WG-PD的吸收长度是探测器波导的长度，一般可大于10 μm，而传统型探测器的吸收长度是InGaAs本征层的厚度，仅为1 μm。
所以WG-PD结构的内量子效率高于传统型结构PD。
但是，和面入射探测器相比，WD-PD的光耦合面积非常小，导致光耦合效率较低，同时也增加了和光纤耦合的难度。
为此，可采用分支波导结构增加光耦合面积，如图5.2.11（a）所示。
吸收层吸收层吸收层L λ信号=L λ信号=L λ信号=n 1
n 2
n 3
PD 长
吸收区L n 1n 2n 3>>折射率单模波导
(多模波导)光匹配层单模波导光经过光匹配层进入 吸收层(分支波导)PD (a)(VMP TW-PD)串行光反馈速度匹配周期分布式行波探测器
（b）
图5.2.11 增加光耦合面积的分支波导探测器
行波探测器如图5.2.11（b ）所示，它的波导长度等于探测信号的波长。
行波探测器是在波导探测器的基础上发展起来的，它的响应不受与有源面积有关的RC 常数的限制，而主要由光的吸收系数、光的群速度和电的相速度不匹配决定。
这种器件的长度远大于吸收长度，但它的带宽基本与器件长度无关，所以具有更大的响应带宽积。
串行或并行光馈送的TW-PD 可得到高速和大饱和光电流的器件，如图5.2.16所示。
图5.2.16 光串行馈送速度匹配周期分布式行波探测器（VMP TW-PD ）
5-9 数字光接收机主要由哪几部分组成
答：数字光接收机的原理由三部分组成，即由光电探测和前置放大器部分、主放大（线性信道）部分以及数据恢复部分组成。
图5.3.1 数字光接收机
5-10 说明前置放大器和主放大器的功能区别
答：接收机前端的光电探测器将微弱的光信号转换为电信号，紧随其后的低噪声前置放大器，放大光电二极管产生的微弱电信号，以供主放大器进一步放大和处理。
线性放大器由主放大器、均衡滤波器和自动增益控制电路组成。
自动增益控制电路的作用是在接收机平均入射光功率很大时把放大器的增益自动控制在固定的输出电平上。
低通滤波器的作用是减小噪声，均衡整形电压脉冲，避免码间干扰。
5-11 光接收机中存在哪些噪声
答：光接收机的两种基本噪声是散粒噪声和热噪声，另外还有激光器引起的强度噪声。
5-12 通常数字光接收机要求BER是多少
答：通常数字光接收机要求BER = 10-9。
5-13 接收机灵敏度的定义是什么
答：接收机灵敏度定义为保证比特误码率为109-时，要求的最小平均接收光功率（
P）。
rec 5-14 监测光纤通信系统性能好坏通常采用什么最直观简单的方法
答：在实验室观察码间干扰判断系统性能好坏的最直观、最简单的方法是眼图分析法。
均衡滤波器输出的随机脉冲信号输入到示波器的Y轴，用时钟信号作为外触发信号，就可以观察到眼图。
眼图的张开度受噪声和码间干扰的影响，当输出端信噪比很大时，张开度主要受码间干扰的影响。
因此，观察眼图的张开度就可以估计出码间干扰的大小，这给均衡电路的调整提供了简单而适用的观测手段。
