光纤通信参考答案-电子版cufn.docx

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1、光纤通信习题与思思考题答答案（参参考）1-1光光纤通信信的优缺缺点各是是什么？答 与传传统的金金属电缆缆通信、磁磁波无线线电通信信相比，光光纤通信信具有如如下有点点：（1）通通信容量量大。首首先，光光载波的的中心频频率很高高，约为为210144Hz，最最大可用用带宽一一般取载载波频率率的100%，则则容许的的最大信信号带宽宽为2000000 GHHz（220 TTHz）；如果微微波的载载波频率率选择为为20 GHzz，相应应的最大大可用带带宽为22GHzz。两者者相差1100000倍。其其次，单单模光纤纤的色散散几乎为为零，其其带宽距距离（乘乘）积可可达几十十GHzz*kmm；采用用波分复复用

2、（多多载波传传输）技技术还可可使传输输容量增增加几十十倍至上上百倍。目目前，单单波长的的典型传传输速率率是100 Gbbs，一一个采用用1288个波长长的波分分复用系系统的传传输速率率就是11.288 Tbbs。（2）中中继距离离长。中中继距离离受光纤纤损耗限限制和色色散限制制，单模模光纤的的传输损损耗可小小于0.2 ddBkkm，色色散接近近于零。（3）抗抗电磁干干扰。光光纤由电电绝缘的的石英材材料制成成，因而而光纤通通信线路路不受普普通电磁磁场的干干扰，包包括闪电电、火花花、电力力线、无无线电波波的干扰扰。同时时光纤也也不会对对工作于于无线电电波波段段的通信信、雷达达等设备备产生干干扰。这

3、这使光纤纤通信系系统具有有良好的的电磁兼兼容性。（4）传传输误码码率极低低。光信信号在光光纤中传传输的损损耗和波波形的畸畸变均很很小，而而且稳定定，噪声声主要来来源于量量子噪声声及光检检测器后后面的电电阻热噪噪声和前前置放大大器的噪噪声。只只要设计计适当，在在中继距距离内传传输的误误码率可可达100-9甚至至更低。此外，光光纤通信信系统还还具有适适应能力力强、保保密性好好以及使使用寿命命长等特特点。当然光纤纤通信系系统也存存在一些些不足：(1) 有些光器器件(如如激光器器、光纤纤放大器器)比较较昂贵。(2) 光纤的机机械强度度差。为为了提高高强度，实实际使用用时要构构成包含含多条光光纤的光光缆

4、，在在光缆中中要有加加强件和和保护套套。(3) 不能传送送电力。有有时需要要为远处处的接口口或再生生的设备备提供电电能，光光纤显然然不能胜胜任。为为了传送送电能，在在光缆系系统中还还必须额额外使用用金属导导线。(4) 光纤断裂裂后的维维修比较较困难，需需要专用用工具。1-2 光光纤通信信系统由由哪几部部分组成成?简述述各部分分作用。答 光纤通通信系统统由发射射机、接接收机和和光纤线线路三个个部分组组成(参参看图114)。发射射机又分分为电发发射机和和光发射射机。相相应地，接接收机也也分为光光接收机机和电接接收机。电电发射机机的作用用是将信信(息)源输出出的基带带电信号号变换为为适合于于信道传传

5、输的电电信号，包包括多路路复接、码码型变换换等：光光发射机机的作用用是把输输入电信信号转换换为光信信号，并并用耦合合技术把把光信号号最大限限度地注注入光纤纤线路。光光发射机机由光源源、驱动动器、调调制器组组成，光光源是光光发射机机的核心心。光发发射机的的性能基基本取决决于光源源的特性性；光源源的输出出是光的的载波信信号，调调制器让让携带信信息的电电信号去去改变光光载波的的某一参参数(如如光的强强度)。光光纤线路路把来自自于光发发射机的的光信号号，以尽尽可能小小的畸变变(失真真)和衰衰减传输输到光接接收机。光光纤线路路由光纤纤、光纤纤接头和和光纤连连接器组组成。光光纤是光光纤线路路的主体体，接头

6、头和连接接器是不不可缺少少的器件件。光接接收机把把从光纤纤线路输输出的产产生畸变变和衰减减的微弱弱光信号号还原为为电信号号。光接接收机的的功能主主要由光光检测器器完成，光光检测器器是光接接收机的的核心。电电接收机机的作用用一是放放大，二二是完成成与电发发射机相相反的变变换，包包括码型型反变换换和多路路分接等等。1-3 假设设数字通通信系统统能够在在高达11%的载载波频率率的比特特率下工工作，试试问在55 GHHz的微微波载波波和1.55mm的光载载波上能能传输多多少644 kbb/s的的话路?解 在55GHzz微波载载波上能能传输的的64 kb/s的话话路数在1.555的光光载波上上能传输输的

7、644kb/s的话话路数1-4 简简述未来来光网络络的发展展趋势及及关键技技术。答 未未来光网网络发展展趋于智智能化、全全光化。其其关键技技术包括括：长波波长激光光器、低低损耗单单模光纤纤、高效效光放大大器、WWDM复复用技术术和全光光网络技技术。1-5 光网网络的优优点是什什么?答 光网网络具有有如下的的主要优优点：(1) 可以极极大地提提高光纤纤的传输输容量和和结点的的吞吐量量，以适适应未来来宽带(高速)通信网网的要求求。(2) 光交叉叉连接器器(oXXC)和和光分插插复用器器(OAADM)对信号号的速率率和格式式透明，可可以建立立一个支支持多种种业务和和多种通通信模式式的、透透明的光光传

8、送平平台。(3) 以波分分复用和和波长选选路为基基础，可可以实现现网络的的动态重重构和故故障的自自动恢复复，构成成具有高高度灵活活性和生生存性的的光传送送网。光网状网网具有可可重构性性、可扩扩展性、透透明性、兼兼容性、完完整性和和生存性性等优点点，是目目前光纤纤通信领领域的研研究热点点和前沿沿。2-1 均匀光光纤芯与与包层的的折射率率分别为为:n11=1.50，nn2=1.45,试计算算：(1) 光纤纤芯与包包层的相相对折射射率差为多少少?(2)光光纤的数数值孔径径NA为为多少?(3)在在1米长的的光纤上上，由子子午线的的光程差差所引起起的最大大时延差差为多少少?解 （11）由纤纤芯和包包层的

9、相相对折射射率差=（n11-n2）/nn1得到（2）（3）2-2 已知均均匀光纤纤芯的折折射率nn1=1.50，相相对折射射率差=0.001，芯芯半径225。试试求：（1） LP011、LPP02、LLP111和LPP12模的的截止波波长各为为多少？（2） 若，计算算光纤的的归一化化频率以以及其中中传输的的模数量量各等于于多少？解 (1) 由公公式(22.299)可得得：其中，来来自于PP23表表2.11。因为为所以对于LPP01，不存在在。对于LPP11，对于LPP02，对于LPP12，(2) 2-3均匀光光纤，若若n1=1.50，试计算：(1) 若=0.25，为为了保证证单模传传输，其其芯

10、半径径应取多多大？(2) 若取，为为保证单单模传输输，应取取多大？解 (1) 由单单模传输输条件推导出其中，则(2) 当时，解得。2-4 目前前光纤通通信为什什么采用用以下三三个工作作波长：，？答，附附近是光光纤传输输损耗较较小或最最小的波波长“窗口”，相应应的损耗耗分别为为233dB/km、00.5ddB/kkm、00.2ddB/kkm，而而且在这这些波段段目前有有成熟的的光器件件（光源源、光检检测器等等）。2-5 光光纤通信信为什么么向长波波长、单单模光纤纤方向发发展?答 长波波长、单单模光纤纤比短波波长、多多模光纤纤具有更更好的传传输特性性。（1） 单模光纤纤没有模模式色散散，不同同成分

11、光光经过单单模光纤纤的传播播时间不不同的程程度显著著小于经经过多模模光纤时时不同的的程度。（2） 由光纤损损耗和波波长的关关系曲线线知，随随着波长长增大，损损耗呈下下降趋势势，且在在1.555处有有最低损损耗值；而且11.311和1.55处处的色散散很小。故故目前长长距离光光纤通信信一般都都工作在在1.555。2-6 光光纤色散散产生的的原因及及其危害害是什么么?答 光纤纤色散是是由光纤纤中传输输的光信信号的不不同成分分光的传传播时间间不同而而产生的的。光纤色散散对光纤纤传输系系统的危危害有：若信号号是模拟拟调制的的，色散散将限制制带宽；若信号号是数字字脉冲，色色散将使使脉冲展展宽，限限制系统

12、统传输速速率（容容量）。2-7 光光纤损耗耗产生的的原因及及其危害害是什么么?答 光纤纤损耗包包括吸收收损耗和和散射损损耗。吸收损耗耗是由SSiO22材料引引起的固固有吸收收和由杂杂质引起起的吸收收的。散射损耗耗主要由由材料微微观密度度不均匀匀引起的的瑞利散散射和光光纤结构构缺陷（如如气泡）引引起的散散射产生生的。光纤损耗耗使系统统的传输输距离受受到限制制，大损损耗不利利于长距距离光纤纤通信。2-8 阶跃折折射率光光纤中nn1=1.52,n2=1.49。（1） 光纤浸在在水中（nn0=1.33），求求光从水水中入射射到光纤纤输入端端面的最最大接收收角；（2） 光纤放置置在空气气中，求求数值孔孔

13、径。解 （1）如如图2.4所示示，由得由 得 由 得（2）2-9 一阶跃跃折射率率光纤，折折射率nn1=1.5，相相对折射射率差=1%，长长度L=1kmm。求：（1） 光纤的数数值孔径径；（2） 子午线的的最大时时延差；（3） 若将光纤纤的包层层和涂敷敷层去掉掉，求裸裸光纤的的NA和和最大时时延差。解 （11）（2）（3）若若将光纤纤的包层层和涂敷敷层去掉掉，则此此时n11=1.5，nn2=1.00，所以以2-100 一阶阶跃折射射率光纤纤的相对对折射率率差=00.0005，nn1=1.5，当当波长分分别为00.855、1.31、11.555时，要要实现单单模传输输，纤芯芯半径应应小于多多少？

14、解 由单单模传输输的条件件推导出当时，同理，当当时，；当当时，。2-111 已知知光纤的的纤芯直直径2=50，=0.01，nn1=1.45，=0.85，若光纤的折射率分布分别为阶跃型和=2的渐进型，求它们的导模数量。若波长改变为1.31，导模数量如何变化？解 （11）=00.855时，故得导模模数量：阶跃型渐进型（2）若若波长改改变为11.311，则=225，故故得阶跃型3133渐进型15662-122 一个个阶跃折折射率光光纤，纤纤芯折射射率n11=1.42558，包包层折射射率n22=1.42005.该该光纤工工作在11.3和和1.555两个个波段上上。求该该光纤为为单模光光纤时的的最大纤

15、纤芯直径径。解 由截截止波长长得时单模模传输，由由已知条条件得，则则即该光纤纤为单模模光纤时时，最大大纤芯直直径为。2-133 具有有光功率率的一个个非常窄窄的脉冲冲（理想想情况下下一个单单位冲击击函数），被被输入光光纤并产产生一个个输出波波形。输输出脉冲冲相应于于光纤的的冲击响响应。假假设脉冲冲输出是是高斯型型：其中，是是脉冲宽宽度的均均方根值值。证明明FWHHM(半半峰值宽宽度)带带宽证明 因因为冲击击响应，故故即为频率率响应，设设时为半半峰值宽宽度，则则因为所以即即得FWWHM带带宽2-144 考考虑100 kmm长，NNA=00.300的多模模阶跃折折射率光光纤。如如果纤芯芯折射率率为

16、1.4500，计算算光纤带带宽。解10 km光光纤产生生的时间间延迟(即脉冲冲展宽)为则即该100 kmm光纤的的带宽。2-155 光波波从空气气中以角角度投射射到平板板玻璃表表面上，这这里的是是人射光光线与玻玻璃表面面之间的的夹角。根根据投射射到玻璃璃表面的的角度，光光束一部部分被反反射，另另一部分分发生折折射。如如果折射射光束和和反射光光束之间间的夹角角正好为为，请问问玻璃的的折射率率等于多多少?这这种玻璃璃的临界界角又为为多少?解 如图所所示的角角度对应应关系，得得到入射射角，折折射角，由由斯涅尔尔定律得得所以，玻玻璃折射射率这种玻璃璃的临界界角2-166 计算=1.448及=1.446

17、的阶阶跃折射射率光纤纤的数值值孔径。如如果光纤纤端面外外介质折折射率=1.000，则则允许的的最大入入射角为为多少？解 光纤纤数值孔孔径若光纤端端面外介介质折射射率=11.000，则允允许的最最大入射射角为2-177 弱导导阶跃光光纤纤芯芯和包层层折射率率指数分分别为=1.55，=11.455，试计计算：（1） 纤芯和包包层的相相对折射射率差；（2） 光纤的数数值孔径径NA。解 （11）相对对折射率率差（2）光光纤的数数值孔径径2-188 已知知阶跃光光纤纤芯芯的折射射率=11.5，相相对折射射率差=0.001，纤纤芯半径径。若，计计算光纤纤的归一一化频率率及其中中传播的的模数量量。解 由得得

18、光纤包包层折射射率则光纤归归一化频频率对于阶跃跃光纤，传传播的模模数量2-199 一根根数值孔孔径为00.200的阶跃跃折射率率多模光光纤在8850 nm波波长上可可以支持持10000个左左右的传传播模式式。试问问：（1） 其纤芯直直径为多多少?（2） 在13110 nnm波长长上可以以支持多多少个模模?（3） 在15550 nnm波长长上可以以支持多多少个模模?解 （11）对于于阶跃光光纤，传传输的模模数量，则则根据公式式得（2）在在13110 nnm波长长上，归归一化频频率则传播模模数量（3）在在15550 nnm波长长上，归归一化频频率则传播模模数量2-200 用纤纤芯折射射率=11.5

19、，长长度未知知的弱导导光纤传传输脉冲冲重复频频率的光光脉冲，经经过该光光纤后，信信号延迟迟半个脉脉冲周期期，试估估算光纤纤的长度度L。解 信号号延迟时时间则光纤长长度2-211 有阶阶跃型光光纤，若若=1.5，那那么（1） 若=0.25，为为保证单单模传输输，光纤纤纤芯半半径应取取多大?（2） 若取纤芯芯半径=5，保保证单模模传输时时，应怎怎么样选选择?解 （1）由由单模传传输条件件得而，则则（2）当当=5时，则即所以2-222 渐变变型光纤纤的折射射指数分分布为求光纤的的局部数数值孔径径。解 光纤纤的局部部数值孔孔径为2-233 某光光纤在113000 nmm波长处处的损耗耗为0.6 ddB

20、/kkm，在在15550 nnm波长长处的损损耗为00.3 dB/km。假假设下面面两种光光信号同同时进入入光纤：13000 nnm波长长的1550W的的光信号号和15550 nm波波长的1100WW的光信信号。试试问：这这两种光光信号在在8 kkm和20 km处处的功率率各是多多少?以以W为单单位。解 （11）对于于13000 nnm波长长的1550W的的光信号号，在88 kmm处损耗耗值为则8 kkm处功功率值为为在20 km处处损耗值值为则20 km处处功率值值为（2）对对于15550 nm波波长的1100WW的光信信号，在在8 kkm处损损耗值为为则8 kkm处功功率值为为在20 km

21、处处损耗值值为则20 km处处功率值值为2-244 一段段12 km长长的光纤纤线路，其其损耗为为1.55 dBBkmm。试问问：（1） 如果在接接收端保保持0.3W的的接收光光功率，则则发送端端的功率率至少为为多少?（2） 如果光纤纤的损耗耗变为22.5 dBkm，则则需要的的输入光光功率为为多少?解 （11）光纤纤线路总总损耗为为则发送端端功率最最小值为为（2）光光纤的损损耗变为为2.55 dBBkmm时，光光纤线路路总损耗耗为则发送端端功率最最小值为为2-255 有一一段由阶阶跃折射射率光纤纤构成的的5 kkm长的的光纤链链路，纤纤芯折射射率=11.499，相对对折射率率差=00.011

22、。（1） 求接收端端最快和和最慢的的模式之之间的时时延差；（2） 求由模式式色散导导致的均均方根脉脉冲展宽宽；（3） 假设最大大比特率率就等于于带宽，则则此光纤纤的带宽宽距离积积是多少少?解 （11）由得得光纤包包层折射射率则接收端端最快和和最慢的的模式之之间的时时延差（2）（3）带宽距离离积为：。3-1 设激光光器激活活物质的的高能级级和低能能级的能能量各为为和，频率率为，相相应能级级上的粒粒子密度度各为和和。试计计算：（1） 当=30000 MHzz，=3300 K时，=？（2） 当，=3300 K时，=？（3） 当，若=0.11，环境境温度=？（按按波尔兹兹曼分布布规律计计算）解 由波波

23、尔兹曼曼条件得得，其中中。（1）=30000 MMHz，=300 K时，所以（2）当当，=3000 KK时，所以（3）当当，=0.1时，求求得3-2 某激光光器采用用GaAAs为激激活媒质质，问其其辐射的的光波频频率和波波长各为为多少?解 GaaAs禁禁带宽度度为=11.4224 eeV，由由（为普朗朗克常数数，=66.622810-334 JJs），可可得以GGaAss为激活活媒质的的激光器器的辐射射光波频频率和波波长分别别为3-3 半导体体激光器器（LDD）有哪哪些特性性?答 LDD的主要要特性有有：（1） 发射波长长和光谱谱特性：发射波波长；激激光振荡荡可能存存在多种种模式(多纵模模)，

24、即即在多个个波长上上满足激激光振荡荡的相位位条件，表表现为光光谱包含含多条谱谱线。而而且随着着调制电电流的增增大，光光谱变宽宽，谱特特性变坏坏。（2） 激光束空空间分布布特性：远场光光束横截截面成椭椭圆彤。（3） 转换效率率和输出出功率特特性：（4） 频频率特性性：在接接近驰张张频率处处，数字字调制要要产生驰驰张振荡荡，模拟拟调制要要产生非非线性失失真。（5） 温度度特性：3-4 比较半半导体激激光器（LLD）和和发光二二极管（LLED）的的异同。答 LDD和LEED的不不同之处处：工作原理理不同，LLD发射射的是受受激辐射射光，LLED发发射的是是自发辐辐射光。LLED不不需要光光学谐振振腔

25、，而而LD需需要。和和LD相相比，LLED输输出光功功率较小小，光光谱较宽宽，调制制频率较较低。但但发光二二极管性性能稳定定，寿命命长，输输出功率率线性范范围宽，而而且制造造工艺简简单，价价格低廉廉。所以以，LEED的主主要应用用场合是是小容量量（窄带带）短距距离通信信系统；而LDD主要应应用于长长距离大大容量（宽宽带）通通信系统统。LD和LLED的的相同之之处：使用的半半导体材材料相同同、结构构相似，LLED和和LD大大多采用用双异质质结（DDH）结结构，把把有源层层夹在PP型和NN型限制制层之间间。3-5 计算一一个波长长的光子子的能量量等于多多少?同时计计算频率率=1 MHzz和=110

26、000 MHHz无线线电波的的能量。解 光子子的能量量为对于1 MHzz无线电电波对于10000 MHzz无线电电波3-6 太阳向向地球辐辐射光波波，设其其平均波波长，射射到地球球外面大大气层的的光强大大约为=0.44 W/cm22。若大大气层外外放一个个太阳能能电池，计计算每秒秒钟到达达太阳能能电池上上每平方方米板上上的光子子数是多多少。解 波长长的光子子能量为为每秒钟到到达太阳阳能电池池上每平平方米板板上的能能量为则每秒钟钟到达太太阳能电电池上每每平方米米板上的的光子数数为(个)3-7试试说明AAPD和和PINN在性能能上的主主要区别别.答 AAPD和和PINN在性能能上的主主要区别别有：

27、(1)AAPI)具有雪雪崩增益益，灵敏敏度高，有有利于延延长系统统传输距距离。(2)AAPD的的响应时时间短。(3)AAPD的的雪崩效效应会产产生过剩剩噪声，因因此要适适当控制制雪崩增增益。(4)AAPD要要求较高高的工作作电压和和复杂的的温度补补偿电路路，成本本较高。3-8 根据光光隔离器器的工作作原理，构构成一个个三端口口光环形形器的结结构，并并说明各各元件的的作用。答 三三端口光光环形器器的结构构图如下下图所示示。在三端口口光环行行器中，端端口1输输入的光光信号只只从端口口2输出出，端口口2输入入的光信信号只从从端口33输出，端端口3输输入的光光信号只只由端口口1输出出。因为为每一对对端

28、口相相当于一一个光隔隔离器，信信号不能能逆行传传输，三三端口光光环行器器相当于于由3个个光隔离离器组合合而成，主主要用于于光分插插复用器器中。3-9 半导导体激光光器的发发射光子子的能量量近似等等于材料料的禁带带宽度，已已知GaaAs材材料的EEg=1.43eeV，某某一InnGaAAsP材材料的EEg=0.96eeV，求求它们的的发射波波长。解 对对于GaaAs材材料的LLD对于InnGaAAsP材材料的LLD3-100 一一个半导导体激光光器发射射波长为为1.33m，谐谐振腔具具有“箱式”结构，腔腔长l=1500m，宽宽=220mm，厚dd=1.0ppm，介介质的折折射率nn=4。假假设谐

29、振振腔周围围的壁能能完全地地反射光光，则谐谐振腔模模式满足足式中，mm，s，qq是整数数，为11，2，33，它们们分别表表示各个个方向上上的模数数。求：(1)谐谐振腔允允许的纵纵模模数数；(2)设设m=11，s=1，计计算纵模模的波长长间隔。解 (1)将将题中相相应参数数代人式式有则当m=1，ss=1时时，q有有最大值值为q=9100，即谐谐振允许许的纵模模模数为为9100。(2)3-111 短短波长LLED由由材料GGa1-xA11xAs制制成，其其中x表表示成分分数。这这样的材材料的带带隙能量量Eg(eeV)=1.4244+1.2666x+00.2666x2已知z必必须满足足0x0.377

30、，求这这样的LLED能能覆盖的的波长范范围。解由Egg(eVV)=11.4224+11.2666x+0.2266xx2，得1.4224Eg1.93由=11.24/Eg，得0.644m0.877 m3-122考虑在在Eg(eVV)=00.9 eV，TT=3220 KK，r=0.5nss，直流流驱动为为70 mA条条件下的的LEDD，内量量子效率率为455%。LLED的的输出被被耦合到到n1=1.48，nn2=1.47，a=0.3 dB/km和l=30 km的渐变折射率光纤，耦合到光纤的效率为1。(1)计计算光纤纤输出功功率；(2)LLED在在频率ff下被幅幅度调制制，计算算能在这这个通信信链路运

31、运用的最最高频率率。解(1)取正面发发光型LLED，由由工作电电流为770 mmA，查查P56图图3.16得得LEDD发光功功率Pi 3 mmW因为耦合合为1，所以以人纤功功率为00.03 mW。因为所以，光光纤输出出功率即光纤输输出功率率为3.8 w。(2)因因为当f = fc=1/2re时，有所以即最高频频率为7700 MHzz。3-133考虑由由表面发发射LEED激励励的阶跃跃折射率率光纤。假假设LEED是朗朗伯源，具具有强度度分布，I()=B cos()。求出下列表达式：(1)LLED总总输出功功率： (2)耦合到到光纤的的功率： (3)LEDD入射到到光纤的的耦合效效率：解(1)(2

32、) (3) 3-14利用用上题结结果证明明c与数值值孔径NNA的平平方成正正比。如如果纤芯芯半径aa=255m，纤芯折射射率n11=1.5，包包层n2=1.4788，B=2000 W/(cmm2S)。求求耦合功功率和耦耦合效率率。解 由由上题结结果有而NA=n0sinnc，c为临界界角，即即maxx，所以以因此而n0为为常数，所所以c与NAA的平方方成正比比。耦合功率率和耦合合效率分分别为： 3-15 一个个GaAAs PPIN光光电二极极管，平平均每三三个入射射光子产产生一个个电子一一空穴对对，假设设所有的的电子都都被收集集。 (1)计算该该器件的的量子效效率； (2)设在00.8m波段段接

33、收功功率是110-77W，计计算平均均输出光光电流； (3)计算这这个光电电二极管管的长波波长截止止点c。(超超过此波波长光电电二极管管将不工工作)。解 (1)由由量子效效率的定定义得(2)由由公式，得得(3) 根据光光电效应应的产生生条件hhfEEg可得c=1.24/Eg，因GGaAss的禁带带宽度为为1.4424 eV，所所以c=0.87m。3-166 一一个APPD工作作在155肛肛rfll波段，且且量子效效率为003，增增益为1100，渡渡越时间间为100 pss。(1)计计算该检检测器的的3 ddB带宽宽；(2)如如果接收收到的光光功率是是0.11m，计计算输出出光电流流；(3)在在

34、(2)条件下下，计算算10 MHzz带宽时时的总均均方根噪噪声电流流：解 (1)(2)AAPD输输出的光光电流(3)从从P644表3.4中查查参数，取取APDD暗电流流Id=155 nAA；取附附加噪声声指数xx=0.5，取取RL=1kk，不计计电放大大器的噪噪声，即即F=11。 3-117 一光电电二极管管，当=1.3mm时，响响应度为为0.66 A/w，计计算它的的量子效效率。解 由由于响应应度为=Ip/P0，则量量子效率率为 3-118 如果激激光器在在=0.5mm上工作作，输出出1 ww的连续续功率，试试计算每每秒从激激活物质质的高能能级跃迁迁到低能能级的粒粒子数。解 波波长=0.5m

35、m的光子子能量为为则每秒从从激活物物质的高高能级跃跃迁到低低能级的的粒子数数为3-199 光光与物质质间的互互作用过过程有哪哪些?答 光光与物质质之间的的三种相相互作用用包括受受激吸收收、自发发辐射和和受激辐辐射。 (1)受激吸吸收。在在正常状状态下，电电子处于于低能级级E。，在在入射光光作用下下，它会会吸收光光子的能能量跃迁迁到高能能级E22上，这这种跃迁迁称为受受激吸收收。 (2)自发辐辐射。在在高能级级E2的电子子是不稳稳定的，即即使没有有外界的的作用，也也会自动动地跃迁迁到低能能级E11上与空空穴复合合，释放放的能量量转换为为光子辐辐射出去去，这种种跃迁称称为自发发辐射。 (3)受激辐

36、辐射。在在高能级级E2的电子子，受到到入射光光的作用用，被迫迫跃迁到到低能级级E2上与空空穴复合合，释放放的能量量产生光光辐射，这这种跃迁迁称为受受激辐射射。 3-220 什么是是粒子数数反转?什么情情况下能能实现光光放大？答 假假设能级级E1和E2上的粒粒子数分分别为NN1和N2，在正正常的热热平衡状状态下，低低能级EE1上的粒粒子数NN1是大于于高能级级E2上的粒粒子数NN2的，入入射的光光信号总总是被吸吸收。为为了获得得光信号号的放大大，必须须将热平平衡下的的能级EE。和EE：上的的粒子数数N1和和N：的的分布关关系倒过过来，即即高能级级上的粒粒子数反反而多于于低能级级上的粒粒子数，这这

37、就是粒粒子数反反转分布布。 当光通通过粒子子数反转转分布激激活物质质时，将将产生光光放大。 3-21什么么是激光光器的阈阈值条件件?答对于给给定的器器件，产产生激光光输出的的条件就就是阈值值条件。在在阈值以以上，器器件已经经不是放大器器，而是是一个振振荡器或或激光器器。 3-22 由表表达式EE=hcc/说明为为什么LLED的的FWHMM功率谱谱宽在长长波长中中会变得得更宽些些。解 LLED的的FWHHM功率率谱宽是是指光强强下降一一半的两两点间波波长变化化范围。设设长波长长对应的的中心波波长和平平均带隙隙分别为为和，短波波长对应应的中心心波长和和平均带带隙分别别为和。已知知，则，如如图示，和

38、分别为和。对应的FWHM功率谱宽，易得。3-233 试试画出AAPD雪雪崩二极极管的结结构示意意图，并并指出高高场区及及耗尽区区的范围围。解 雪崩崩二极管管的结构构示意图图如下图图 3-224什么么是雪崩崩倍增效效应?答 雪雪崩光电电二极管管工作时时外加高高反向偏偏压(约约10001550 VV)，在在PN结结内部形形成一高高电场区，入入射光功功率产生生的电子子空穴对对经过高高场区时时不断被被加速而而获得很很高的能能量，这这些高能量的的电子或或空穴在在运动过过程中与与价带中中的束缚缚电子碰碰撞，使使晶格中中的原子子电离，产产生新的电子子空穴对对。新的的电子空空穴对受受到同样样加速运运动，又又与

39、原子子碰撞电电离，产产生电子子空穴对，称为为二次电电子空穴穴对。如如此重复复，使载载流子和和反向光光生电流流迅速增增大，这这个物理理过程称为雪崩崩倍增效效应。 325设设PINN光电二二极管的的量子效效率为880，计计算在和和波长时时的响应应度，并并说明为为什么在在处光电电二极管管比较灵灵敏。解 对于于PINN光电二二极管，其其响应度度R定义义为光生生电流与与输入光光功率之之比，即即 因为人人射光功功率Piin(ww)对应应于单位位时间（秒秒）内平平均入射射的光子子数Piin/(hfcc)，而而入射光光子以量量子效率率部分被被吸收，并并在外电电路中产产生光电电流，则则有响应应度由上式可可知，在

40、在量子效效率一定定时，响响应度与波长长成正比。所以以有PIIN在11.555m处的灵灵敏度高高于在11.3m处。 3-26 光检检测过程程中都有有哪些噪噪声？答 光光检测器器的噪声声主要包包括由光光生信号号电流和和暗电流流产生的的散粒噪噪声以及及负载电电阻产生生的热噪噪声。热热噪声来来源于电电阻内部部载流子子的不规规则运动动。散粒粒噪声源源于光子子的吸收收或者光光生载流流子的产产生，具具有随机机起伏的的特性。光光生信号号电流产产生的散散粒噪声声，称为为量子噪噪声，这这种噪声声的功率率与信号号电流成成正比，因因此不可可能通过过增加信信号光功功率提高高信噪比比。在没没有外界界入射光光的作用用下，光

41、光检测器器中仍然然存在少少量载流流子的随随机运动动，从而而形成很很弱的散散粒噪声声，称为为暗电流流噪声。所所以在有有信号光光作用的的时间内内，主要要考虑量量子噪声声和热噪噪声；而而在没有有信号光光的期间间，主要要考虑暗暗电流噪噪声和热热噪声。 4-1 激光器器(LDD)产生生弛张振振荡和自自脉动现现象的机机理是什什么？它的危危害是什什么？应如何何消除这这两种现现象的产产生?答当电流流脉冲注注人激光光器后，输输出光脉脉冲出现现幅度逐逐渐衰减减的振荡荡，称为为弛张振振荡。弛弛张振荡荡的后果果是限制制调制速速率。当当最高调调制频率率接近弛弛张振荡荡频率时时，波形形失真严严重，会会使光接接收机在在抽样

42、判判决时增增加误码码率，因因此实际际中最高高调制频频率应低低于驰张张振荡频频率。 某些激激光器在在脉冲调调制甚至至直流驱驱动下，当当注入电电流达到到某个范范围时，输输出光脉脉冲出现现持续等等幅的高高频振荡荡，这种种现象称称为自脉脉动现象象。自脉脉动频率率可达22 GHHz，严严重影响响LD的高高速调制制特性。 4-2 LDD为什么么能够产产生码型型效应?其危害害及消除除办法是是什么？答 半半导体激激光器在在高速脉脉冲调制制下，输输出光脉脉冲和输输入电流流脉冲之之间存在在一个初初始延迟迟时间，称称为光电电延迟时时间。当当光电延延迟时间间与数字字调制的的码元持持续时间间T/2为相相同数量量级时，会

43、会使“0”码过后后的第一一个“1”码的脉脉冲宽度度变窄，幅幅度减小小。严重重时可能能使“1”码丢失失，这种种现象称称为码型型效应。码码型效应应的特点点是在脉脉冲序列列中，较较长的连连“0”码后出出现“1”码，其其脉冲明明显变小小而且连连“0”码数目目越多，调调制速率率越高，这这种效应应越明显显。码型型效应的的消除方方法是用用适当的的“过调制制”补偿方方法。 4-3在LDD的驱动动电路里里，为什什么要设设置功率率自动控控制电路路APCC?功率率自动控控制实际际是控制制LD的的哪几个个参数？答在LDD的驱动动电路里里，设置置功率自自动控制制电路(APCC)是为为了调节节LD的的偏流，使使输出光光功

44、率稳稳定。功功率自动动控制实实际是控控制LDD的偏置置电流、输输出光功功率、激激光器背背向光平平均功率率。 4-44 在在LD的的驱动电电路里，为为什么要要设定温温度自动动控制电电路?具具体措施施是什么么?控制制电路实实际控制制的是哪哪几个参参数？答 在在LD的的驱动电电路里，设设置自动动温度控控制电路路是因为为半导体体光源的的输出特特性受温温度影响响很大，特特别是长长波长半半导体激激光器对对温度更更加敏感感，为保保证输出出特性的的稳定，对对激光器器进行温温度控制制是十分分必要的的。 温度控控制装置置一般由由致冷器器、热敏敏电阻和和控制电电路组成成。致冷冷器的冷冷端和激激光器的的热沉接接触，热热敏电阻阻作为传传感器，探探测激光光器结区区的温度度，并把把它传递递给控制制电路，通通过控制制电路改改变致冷冷量，使使激光器器输出特特性保持持恒定。 控制电电路实际际控制的的是：换换能电桥桥的输出出、三极极管的基基极电流流和致冷冷器的电电