光纤通信系统复习题答案

第1章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。3、光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节省有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。第2章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。3．阶跃型光纤的数值孔径NA是如何定义的？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径2sin10nNA数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。4．简述光纤的导光原理。答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。7．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。解：（1）%3.31.5245.11.52nn-n222212221＝（2）0.390.03321.521nNA（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则相当于包层的折射率n2=1，则%1.281.5211.52nn-n222212221＝1.120.28121.521nNA而sin0NA最大为1，所以说只要光纤端面的入射角在90O以内，就可以在光纤中形成全反射。19．光缆的典型结构有哪几种？各有什么特点？答：光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，加强构件位于光缆的中心，属中心加强构件配置方式，制造较容易，光纤数量较少（例如12芯以下）时多采用这种结构。骨架式光缆中结构简单，对光纤保护较好，耐压、抗弯性能较好，节省了松套管材料和相应的工序，但也对放置光纤入槽工艺要求高。束管式结构的光缆体积小、重量轻、制造容易、成本低，是更能发挥光纤优点的光缆结构之一。带状式结构光缆是一种空间利用率最高的光缆，优点是可容纳大量的光纤（一般在100芯以上），作为用户光缆可满足需要；同时每个单元的接续可以一次完成，以适应大量光纤接续、安装的需要。21．光缆型号是由哪几部分构成的？（光缆的型式代号不用记！）答：光缆的型号是由光缆的型式代号和光纤的规格两部分构成，中间用一短线分开。22．识别光缆型号（光缆的型式代号不用记！）GYFTY21-12J50/125（30409）BGYZT53-24D8/125（303）A答：（1）GYFTY21-12J50/125（30409）B是非金属加强构件、填充式结构、聚乙烯护套、双钢带铠装、纤维外护层的通信用室外光缆，光缆内有12根芯径/包层直径为50/125µm的二氧化硅系多模渐变型光纤，在1.55µm波长上光纤的衰减系数不大于0.4dB/km，模式带宽不大于900MHz·km，光缆的适用温度范围是-30℃～+50℃。（2）GYZT53-24D8/125（303）A是金属加强构件、自承式填充式结构、单钢带皱纹纵包、聚乙烯外护层的通信用室外光缆，光缆内有24根模场直径/包层直径为8/125µm的二氧化硅系单模光纤，在1.55µm波长上光纤的衰减系数不大于0.3dB/km，光缆的适用温度范围是-40℃～+40℃。1．简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。2．当光在一段长为10km光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。求：光纤的损耗系数α。解：设输入端光功率为P1，输出端的光功率为P2。则P1＝2P2光纤的损耗系数kmdBPPkmPPL/3.02lg1010lg102221＝3．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。（2）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散材料色散＞波导色散＞极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。光纤损耗吸收损耗本征吸收杂质吸收紫外吸收红外吸收氢氧根（OH－）吸收过渡金属离子吸收瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗散射损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗第3章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。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。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=1.556、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。7、什么是粒子数反转分布？答：高能级上的电子数多于低能级上电子数，这种现象称为粒子数反转分布状态。8、在光纤通信系统中，光源为什么要加正向电压？答：利用外加适当的正向电压可以实现发光物质的粒子数反转分布状态，从而使物质总体呈现发光过程。10、光调制方式有哪些？答：根据光源与调制信号的关系，可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部（或间接）调制方式；13、在光发送机中，为什么要设置APC电路？答：主要是为了保持LD光发送机输出的平均光功率达到稳定，同时具有保护光源安全的作用。16、在光发送机中，为什么要设置ATC电路？答：为了保证光发送机具有稳定的输出特性，对LD的温度特性进行控制是非常必要的，而且对LD的温度控制也是保护LD的一项关键措施。第4章1、在光纤通信系统中，使用最多的光电检测器有哪些？它们分别使用于什么场合？答：在光纤通信系统中，使用最多的光电检测器包括PIN和APD两种，它们分别使用于短距离小容量光纤通信系统和长距离大容量光纤通信系统。2、光电检测器是在什么偏置状态下工作的？为什么要工作在这样的状态下？gE24.10（μm）答：光电检测器工作于负偏置状态。只有工作于负偏置状态，才能使材料的受激吸收占据主导地位，从而完成光电变换功能。4、简述PIN的工作原理。答：当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激吸收现象，从而产生电子空穴对。在外加电场作用下，这种光生载流子运动到电极。当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电的变换过程。5、在APD中，一般雪崩倍增作用只能发生于哪个区域？答：高场区（即雪崩倍增区）。6、简述APD的工作原理。答：当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。在外加电场作用下，一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生出大量的二次电子空穴对。在外加电场的作用下，一次电子空穴对和二次电子空穴对一起运动到电极。当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。13、光接收机有哪些主要指标？它们的定义是什么？答：光纤通信系统主要包括光接收机灵敏度和光接收机动态范围两个指标。所谓光接收机灵敏度，是指在一定误码率或信噪比（有时还要加上信号波形失真量）条件下光接收机需要接收的最小平均光功率。而光接收机动态范围，是指在一定误码率或信噪比（有时还要加上信号波形失真量）条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。14灵敏度和动态范围的计算（习题、段考）第5章1.光纤连接器的作用是什么？答：光纤连接器的作用是实现光纤之间活动连接的光无源器件，它还具有将光纤与其它无源器件、光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。2.我国常用的光纤连接器有哪些类型？答：我国常用的光纤连接器有FC、SC和ST三种类型连接器。4.光纤耦合器的作用是什么？答：光纤耦合器的作用是将光信号进行分路、合路、插入、分配。5、光纤耦合器有哪些种类？答：熔锥型光纤耦合器、研磨型光纤耦合器、微光元件型耦合器、集成光波导型耦合器。6、光衰减器的作用及种类？答：用来降低光功率的器件。可变光衰减器、固定光衰减器。7.光开关的功能主要是什么？对光开关的基本要求有哪些？答：主要功能是实现光信号在不同光路上的快速切换。基本要求是插入损耗小、串扰低、开关速度快、扩展信号和寿命长。8.光隔离器的功能是什么？答：光隔离器的功能是只允许光波向一个方向传播，而阻止光波向其它方向特别是反方向传播。11.当一束光注入光纤时，由于菲涅尔反射、瑞利散射等原因，会有部分光传回到注入端（称之为后向光），用光环行器在注入端可以将后向光分离出来，请画出连接图。答：123第6章1．光放大器按工作原理可分为几种不同的类型？答：光放大器按原理不同大体上有三种类型。（1）掺杂光纤放大器，就是将稀土金属离子掺于光纤纤芯，稀土金属离子在泵浦源的激励下，能够对光信号进行放大的一种放大器。（2）传输光纤放大器，就是利用光纤中的各种非线性效应制成的光放大器（光纤拉曼放大器、光纤布里渊放大器）。（3）半导体激光放大器，其结构大体上与激光二极管（LaserDiode，LD）相同。如果在法布里－派罗腔（Fabry-Perotcavity，F-P）两端面根本不镀反射膜或者镀增透膜则形成行波型光放大器。半导体光放大器就是行波光放大器。2．简述掺杂光纤放大器的放大原理。答：在泵浦源的作用下，掺杂光纤中的工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，得到了粒子数反转分布，从而具有光放大作用。当