光纤通信习题课

第0章绪论•一、填空题1.光纤通信是以为载频，以为传输介质的通信方式。2.光通信系统使用电磁波谱中近红外区域的高频电磁波，其频率约为。3.光纤通信系统的通信窗口的波长范围是。4.光纤通信的最低损耗波长是。零色散波长是。光波光导纤维（光纤）300THZ0.7~1.7μm1.55μm1.31μm二、判断题1.光发送机的作用是将光形式转化为电信号。（）2.确定接收机性能的一个重要参数是接收机灵敏度。（）3.对光参数调制，目前大多数光纤通信系统都采用相位调制。（）4.光中继器的作用是为了延长通信距离。（）三、选择题（有一个或多个答案）1.在光通信发展史上，（）和（）两个难题的解决，开创了光纤通信的时代。A宽带光纤B小型光源C省源光源D低损耗光纤2.目前光纤通信常用的窗口有（）A0.85μmB2μmC1.31μmD1.55μm3.目前光纤通信广泛使用的光源有（）ALEDBLDCPCMDPDH4.光纤通信是以光波为载频，以（）为传输介质的通信方式。A电缆B无线电磁波C光纤D红外线四、简答题1.光纤通信主要有哪些优点？答：通信容量大；中继距离长；保密性能好；抗电磁干扰；体积小、重量轻，便于施工和维护；价格低廉。2.为什么说光纤通信比电缆通信的容量大？答：光纤通信的载波是光波，电缆通信的载波是电波。虽然光波和电波都是电磁波，但是频率差别很大。光纤通信用的近红外光（波长约1μm）的频率（约300THz）比电波（波长为0.1m—1mm）的频率（3—300GHz）高3个数量级以上。载波频率越高，频带宽度越宽，因此信息传输容量越大。3.简述五代光纤通信所工作的波段和最大通信容量。答：第一代工作于0.85μm，最大通信容量约500Mb/(s·km)；第二代工作于1.31μm，最大通信容量约85Gb/(s·km)；第三代工作于1.55μm，最大通信容量约1000Gb/(s·km)；第四代采用光放大器增加中继距离，采用频分和波分复用技术增加比特率，最大通信容量约为2000Gb/(s·km)第五代以光孤子脉冲为通信载体，以光时分复用技术（OTDM）和波分复用技术（WDM）联合复用为通信手段，以超大容量、超高速率为特征。4.光纤通信的主要应用是什么？答：有线、无线通信网；构成因特网的计算机局域网和广域网；有线电视的干线和分配网；综合业务光纤接入网。第1章光纤传输理论一、填空1.光纤的导光原理与结构特性可用理论与理论两种方法进行分析。2.光纤中，导引模的截止条件为或。3.单模光纤中不存在色散，仅存在色散，具体来讲可分为和。射线导波ω=0u=0模间模内材料色散波导色散4.光纤色散参数的单位为，代表两个波长间隔为的光波传输后到达的时间的延迟。5.对纯石英光纤，在λ=处，材料色散参数DM=0，在λ=处，色散参数D=DM+DW=0,这个波长称为。6.在单模光纤中，由于光纤的双折射特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输，也将导致光脉冲展宽，这种现象称为。ps/(nm·km)1nm1km距离1.276μm1.31μm零色散波长偏振模色散（PMD）7.单模传输条件是归一化参量。8.散射损耗与及有关。9.目前通信上常用的三种通信光纤为、和。10.数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力越，光纤与光源之间的耦合效率就越。11.允许单模传输的最小波长称为。12.降低延时色散应NA。V2.405光纤材料光纤中的结构缺陷阶跃型多模光纤渐变型多模光纤单模光纤强高截止波长减小二、判断1.射线理论可以很好的用以理解多模光纤的导光原理与特性，特别是当纤芯直径远大于光波波长时；当纤芯直径与波长可比拟时，应用导波理论进行分析。（）2.V值越大，能够传播的模式越多。（）3.大多数单模光波系统的光纤，其V参数都设计在4.0~4.2之间。（）4.波导色散参数Dw在0~1.6μm间都是负值，它使光纤的零色散波长从1.2μm向右移动了30~40nm，总的色散在λ=1.51μm附近为零。（）√√××5.吸收损耗与光纤材料有关。（）6.辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。（）7.数字孔径（NA）越大，光纤从光源吸收的光能量就越小。（）8.数值孔径与纤芯和包层的折射率分布有关，而与光纤的直径无关。（）√√×√三、选择1.从截面上看，光纤基本上由3部分组成（A）、（B）、（D）。A折射率较高的芯区B折射率较低的包层C折射率较低的涂层D外面的涂层E外面的包层2.单模光纤只能传输一个模式，即（B），称为光纤的基模。AHE00模BHE11模CHE10模DHE01模3.对纯石英光纤，在λ=（B）处，色散参数D=0，这个波长称为零色散波长λ0.A1.276μmB1.3μmC1.463μmD1.467μm4.限制光纤传输容量（BL积）的两个基本因素是（A）和（D）。A光纤色散B光纤折射C光纤衰减D光纤损耗5.光纤的衰减机理主要有三种，即（BCD）（）A光能量的折射损耗B光能量的吸收损耗C光能量的散射损耗D光能量的辐射损耗6.光源产生的光脉冲的载频随时间变化的现象称为（A）A啁啾B损耗C色散7.色散导致产生啁啾频率分量，不同频率分量在光纤内以略微不同的速度传输，导致脉冲展宽。光纤色散对光脉冲传输特性的影响表现在两个方面：（A）和（D）A色散导致啁啾B啁啾导致色散C脉冲展宽促进了啁啾D啁啾促进了脉冲展宽四、简答题影响光纤系统信号传输特性的主要因素是什么？损耗；色散；非线性；光源的脉宽与谱宽；信号本身的速率与带宽五、计算题1.计算n1=1.48及n2=1.46的阶跃折射率分布光纤的数值孔径。如果光纤端面外介质折射率为n=1.00，则允许的最大入射角θmax为多少？解：NA=（n12-n22）1/2=0.2425最大入射角θmax=arcsin0.2425=14.03°2.假设阶跃折射率分布光纤n1=1.48及n2=1.478，工作波长为1550nm，求单模传输时的光纤纤芯半径，此光纤的数值孔径为多少？光纤端面光线容许的最大入射角为多少？解：NA=（n12-n22）1/2=0.0769最大入射角θmax=arcsin0.0769=4.41°为保证单模传输22121222aaVnnnppll=-=D2.405V£7.72amm£3.均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1=1.50及n2=1.45，试计算（1）光纤芯与包层的相对折射率差；（2）光纤的数值孔径NA；（3）在1m长的光纤上，由子午光线的光程差所引起的最大群时延差解：1212222122max11.501.450.0331.501.501.450.384()0.162nnnNAnnLNAnsnct--D====-=-=D==4.均匀光纤n1=1.50，λ0=1.3μm，计算（1）若△=0.25，为保证单模传输，其纤芯半径应取多大？（2）若取a=5μm,为保证单模传输,△应取多大？解：（1）为保证单模传输（2）为保证单模传输22121222aaVnnnppll=-=D2.405V£0.47amm£2.405V£0.0022D?5.已知均匀光纤芯的折射率n1=1.50，相对折射率△=0.01，纤芯半径a=25μm，求：（1）LP01LP02LP11LP12模的截止波长各为多少？（2）若λ0=1μm，光纤的归一化频率V以及其中传输的模式数量M各为多少？解：（1）22121222aaVnnnppll=-=D122anVpl=D•LP01模：无截止波长；•LP02模：截止波长为8.69μm•LP11模：截止波长为13.86μm•LP12模：截止波长为6.033μm（2）0V=3.832,8.69cVl３2.405,13.86cVl３5.520,6.033cVl３22121222233.325552aaVnnnVMppll=-=D===6.光纤在1310nm处的损耗为0.5dB/km，在1550nm处的损耗为0.25dB/km。假设下面两种信号同时进入光纤：在1310nm波长的150μW的光信号和在1550nm波长的100μW的光信号，试问这两种光信号在8km和20km处的光功率各是多少？•同理在20km处求得12012120.5/84;0.25/82L10lg/410lg;210lg15010059.72;63.10LdBkmkmdBLdBkmkmdBPPPPdBdBWWPWPWmmmm=?=?=-=-=-==由得解：（1）在8km处，1215;31.62PWPWmmⅱ==7.某特定波长的光信号在光纤中传输3.5km后，损失其功率的55%，求其光纤的损耗是多少？（表示为dB/km）10lg(155%)3.50.991/kmdBkmaa--=?=8.假设阶跃折射率光纤的，求归一化频率V，并求出光纤中可以传输的导模数量M。解：由于591＜591.68＜592，所以，光纤中可以传输的导模数量为591。4.3445.155.1110222222210nnaV59268.59124.34222VM9.阶跃折射率光纤的相对折射率差，其中，当波长分别为，和时，要实现单模传输，应小于多少？解：要实现单模传输，则当时计算得同理得：当时当时005.05.11nm85.0m3.1m55.12221022210nnnaav405.2vm85.00405.2005.025.185.014.322221022210aaavnnn17.2am3.1032.3am55.1096.3a第2章光源与光调制一、填空1.在半导体中，费米能级差必须超过才能发生粒子数反转。2.LD是一种器件，它通过发射发光，具有输出效率、输出光发散角、与单模光纤耦合效率、辐射光谱线等优点。3.LED的基本结构可分为两类，即、。带隙阈值受激高窄高窄面发光LED边发光LED3.光与物质相互作用存在三种不同的基本过程，即光子的、和。4.温度升高，LED光源线宽，峰值波长向方向移动。自发辐射受激吸收受激辐射变宽长波长二、判断题1.在可见光或近红外辐射情况下，在室温状态下，受激发射居支配地位，因此热光源不能发出相干光。（）2.激光器工作必须离开热平衡状态，因此必须使用外部能源泵浦，以实现粒子数反转，这是激光器工作的先决条件。（）3.自发辐射输出的是非相干光，受激发射输出的是相干光波。（）4.半导体光源是通过电子在能级间的跃迁而发光的。（）√√√×三、简答题1.发光二极管的优缺点？答优点：线性度好；温度特性好；使用简单，价格低，寿命长；缺点：谱线较宽；与光纤的耦合效率低。2.激光二极管的优缺点？答优点：发光谱线窄；与光纤的耦合效率高；阈值器件缺点：温度特性较差；线性度较差；工作寿命较短。3.光发送机的主要技术要求有哪些？答：（1）稳定的输出功率（2）光脉冲的消光比一般小于0.1（3）脉冲的上升时间、下降时间和延迟时间应尽量短（4）应尽量抑制弛豫振荡5.半导体发光二极管与半导体激光器发射的光子有什么不同？答半导体发光二极管是因为自发辐射而发光的，发射的光子频率、相位、偏振状态及传播方向是无规律的，输出具有较宽频率范围的非相干光；半导体激光器是因受激发射而发光的，发射的光子同频、同相、同偏振方向，输出相干光。6.用方框图表示数字激光发射机的组成。线路编码调制电路LD数字信号入光信号出控制电路四、计算题1.设激光器的高能级和低能级的能量各为E1和E2,频率为f，相应能级上的粒子密度各为N1和N2。计算（1）当f=3000MHz,T=300K时，N2/N1为多少？（2）当λ=1μm，T=300K时，N2/N1为多少？（3）当λ=1μm，N2/N1=0.1，环境温度T为多少？221121expNEENkTEEhf解：（1）得21exp0.9995NhfNkT（2）21cEEhfh2121expexp1.4310NhfhcNkTkT（3）21expexp0.1NhfhcNkTkT得得ln0.12.303hc