光纤通信简明教程参考答案 - 图文

（5）光纤的自聚焦现象

3-2 试分析阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。

阶跃折射率光纤的导光原理比较简单，如图3-1-3所示。

图3-1-3 阶跃折射率光纤的导光原理

按照光的全反射理论，如果光线满足θ1大于临界角由式（3-1-3）确定的θC ，将会在纤芯与包层界面上发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，又会再次发生全反射而返回纤芯中传输形成导波。

采用渐变型折射率光纤的目的是为了降低模间色散，其导光原理如图3-1-4所示。 图中给出了梯度折射率光纤中三条不同路径的光线沿光纤传播的情况，与轴线夹角大的光线经过的路径要长一些，然而它的折射率的较小，光线速度沿轴向的传播速度较大；而沿着轴线传播的光线尽管路径最短，但传播速度却最慢。这样如果选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。这样人们很容易理解为什么采用梯度折射率光纤可以降低模间色散。

图3-1-4 渐变型折射率光纤的导光原理

3-3 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，试计算光纤的数值孔径? 解：由NA?2n12?n2?n12?得

NA?1.482?1.462?0.24

5

3-4 什么是光纤的归一化频率?写出表达式。

光纤的归一化频率V是由U和W得出的一个重要参数，由光纤的结构和波长决定。

V?k0n1a2?

3-5 阶跃型光纤纤芯折射率n1=1.48，包层折射率n2=1.46，在工作波长为1.31μm条件下，要保证单模传输，纤芯半径应如何选择。 由V?k0n1a2?可知

a?V?02?n12??V?02?n?n2122?2.405?1.312?3.14?1.48?1.4622?2.09?m

纤芯半径应小于2.09μm

3-6 什么是渐变型光纤的最佳折射指数分布?写出平方律型折射指数分布光纤的折射指数表达式。

从渐变型光纤的导光原理可知：只要n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。利用渐变型光纤n随r变化的特点，可以减小模式色散。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。

折射指数选取平方律型分布形式

rn(r)?n(0)[1?2?()2]1/2 （3-3-1）

an2(0)?n2(a)式中： ?? 22n(0)n(0)——光纤轴线处（r=0）的折射率 a——纤芯半径

3-7 写出光纤的衰减系数表达式。衰减系数的单位是什么？

衰减常数α用单位长度光纤引起光功率衰减的分贝来表示，定义为

???10P(L)lg LP(0)单位为dB/km。

3-8 对于NA=0.275，n1=1.487的多模阶跃型光纤，一个光脉冲传输了8km，求光脉冲展宽了多少？ 解：??SI

6

Ln1L(NA)28?103?0.2752?????678.08ns 8cc2n13?10?2?1.4873-9 对于N1=1.487，Δ=1.71%的多模渐变型光纤，一个光脉冲传输了2km，求光脉冲展宽了多少？ 解：??GILN1?22?103?1.487?(1.71%)2???0.36ns

8c8?3?108

3-10 材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D的关系是什么？色散系数D工程通常采用什么单位？

材料色散和波导色散引起的时延差Δτ与色散系数D成正比，色散系数D工程上单位采用ps/(nm·km)。

3-11 普通单模光纤的零色散波长大约为多少？色散位移光纤(DSF) 是利用什么原理制成

的？

图3-6-3普通单模光纤的材料色散系数Dm、波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线，总色散在1.31μm附近为零，这个波长称为零色散波长。而在1.55μm附近色散系数D=15～18ps/(km·nm)。

在1.55μm附近的损耗最低，如果合理地设计光波导的结构就可以把零色散波长位移到1.55μm附近，这样1.55μm附近色散也最小，利用这种原理制成色散位移光纤(DSF)。无疑对长距离大容量的光纤通信是十分有利的。

图3-6-3 普通单模光纤的DM、Dw和D随波长的变化曲线

3-12 查阅资料，论述单模光纤的最新进展。

略

第四章习题

4-1 填空题

(1) 根据半导体的能带理论，能够被电子占据的能带为 、 ，不能被子占据的状态为 。

(2) 在半导体材料中掺杂其他原子，如果在半导体材料中掺杂负电荷的载体以产生大量的电

子，这种半导体称为 型半导体；掺杂的是正电荷的载体以产生大量的空穴，则称为 型半导体。

7

(3) 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时输出的光为 ，这个电流称为 电流。

(4) 半导体材料只有波长为λ＜λC的光入射时，才能使材料产生光子，所以λC称为 波长

(5) 由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了 ，又限制了 ，故它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低 答案：（1）价带 导带 禁带

（2）N P （3）激光 阈值 （4）截止

（5）光波 载流子

4-2 LED的光谱有什么特点，可以用于何种光纤系统？

发光二级管又称LED，广泛应用在各类电子设备中，也是光纤通信中经常使用的光源。它的优点在于较小的尺寸和较长的使用寿命。但它也具有发光亮度低，光谱宽等缺陷，故发光二极管(LED)通常使用在低速、短距离光通信系统。

4-3 试画出LED的光输出功率P与注入电流I的关系曲线，即P-I曲线。

LED是无阈值器件，它随注入电流的增加，输出光功率近似的线性增加。通常使用使用光输出功率P与注入电流I的关系，即P-I曲线，来描述LED的输出光功率特性，如图4-2-5所示。

图4-2-5 LED的P-I特性曲线

4-4 光纤通信对半导体激光器有哪些主要要求？

半导体激光器（LD）是光纤通信最主要的光源，非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统的基本要求有以下几点：

（1）光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为0.85μm、1.31μm或1.55μm。 （2）光源的谱线宽度较窄，Δλ=0.1～1.0nm。 （3）能提供足够的输出功率，可达到10mW以上。 （4）与光纤耦合效率高，30%～50%。

（5）能长时间连续工作，工作稳定，提供足够的输出光功率。

8