《光纤通信技术》综合练习.doc

光纤通信技术综合练习1 概述一、填空题1.目前光纤通信所使用的光波的波长范围是（0.81.8m），对应的频率范围是（167THz375THz）。其中三个低损耗工作波长是：短波长为（0.85m），长波长为（1.31m ）和（1.55m），对应的损耗值约为（2dB/km），（0.5dB/km）和（0.2dB/km）。2.光纤通信是以（光波）作为载波，以（光纤）为传输介质的一种通信方式。3.目前实用的光纤通信系统，普遍采用的调制方式是（强度调制）和检波方式是（直接检波）。4.光纤数字长途通信系统主要有（光发送机）、（光接收机）、（光缆）和（放大器）四大部分组成。5.通常根据传播方向上有无电场或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形态分为（TE）波、（TM）波和（TEM）波三类。二、名词解释题1.光纤通信光纤通信是以光波作载波，以光纤为传输介质的一种通信方式。三、简答题1.何为TEM波，TE波和TM波？答：通常，根据传播方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形态分成如下三类：TEM波：在传播方向上没有电场和磁场分量，称为横电磁波。TE波：在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波。TM波：在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。任何光都可以用这三种波的合成形式表示出来。2.光纤通信的主要优点？答：（1）传输频带宽、通信容量大。（2）传输损耗小。（3）抗电磁干扰能力强。（4）线径细、重量轻。（5）资源丰富。3.简述光纤通信技术的发展趋势。答：光纤通信的发展趋势，可以通过以下几个方面展望：（1）为了实现越来越大的信息容量和长距离传输，必须使用低损耗和低色散的单模光纤。（2）为了适应WDM系统的需要，近年已开始研制多波长光源器件（MLS）。（3）对于光纤通信系统的接收端机，它的光电监测器和前置放大器，主要是向高速率或宽频带响应方向发展。（4）光纤通信系统中的以点到点传输的PDH系统已不能适应现代电信网的发展，因此，光纤通信向联网化发展（SDH）已成为必然趋势。（5）光纤接入网是当前重要的研究课题，有望FTTH早日实现。四、画图题请画出光纤数字通信系统的原理方框图。P.24 图1-2预备知识简答题1.麦克斯韦方程组各方程式的含义是什么？答：方程组中，各式的物理意义为 式（0-1）与式（0-5） 表示电场随时间变化将产生变化磁场，称为全电流定律。 式（0-2）与式（0-6）表示变化的磁场将感应出变化电场，称为电磁感应定律，又称法拉第定律。 式（0-3）与式（0-7）表示磁力线是闭合的，无头无尾的，称为磁通连续性定理。 式（0-4）与式（0-8）表示电位移矢量与源之间的关系。称为高斯定理。2.当平面波投射到两种介质分界面时，将产生什么现象？用什么定律来说明？其表示式是什么？答：平面波沿k1方向由介质I射到两介质的分界面上，这时将产生反射和折射。一部分能量沿k1方向反回原来的介质，这称为反射波；一部分能量沿k2方向进入第二种介质，称为折射波。入射线、反射线、折射线各在k1， k1，k2方向， 1， 1，2为入射线、反射线、折射线与法线之间的夹角，分别称为入射角、反射角和折射角。反射和折射的基本规律是由斯奈耳定律和菲涅尔公式表示的，下面我们给出最后结果，即表示式为：1=1 n1sin1= n2sin2 斯奈耳定律说明反射波、折射波与入射波方向之间的关系。水平极化波：垂直极化波：菲涅尔公式表明反射波、折射波与入射波的复数振幅之间的关系。3.什么是临界角？全反射的条件是什么？答：我们把折射角刚好达到90o时的入射角称为临界角，用c表示。利用折射定律可得出全反射的条件是： 4.写出介质I和介质II中合成波的表示式？并说明其物理意义？答： 5.什么是导行波？答：当衰减常数a足够大时，d很小，介质II的波将只存在于介质I表面的附近，所以称为表面波。又因为它是沿与界面平行的方向传播，又被介质表面所导行，因而也叫导行波，简称为导波。2 光纤与光缆一、填空题1.按照射线理论的观点，阶跃型光纤是根据光线在纤芯与包层分界面上的（全反射）原理将光线束缚在纤芯中沿光纤轴向传输的。2.阶跃型光纤中，子午线在包层与纤芯分界面上形成全反射的条件是（ ）。3.阶跃光纤中，子午光线是指（位于光纤子午面内）的光线，它的传输特点是子午光线在传输过程中始终位于（同一子午面内）。4.从射线理论的观点，在阶跃型光纤端面上的光线在纤芯中形成导波的条件是：光线在光纤端面上的投射角必须满足关系式（ ）。5.所谓弱导波光纤是指纤芯折射率（稍大于）包层折射率的光纤。6.按照光纤折射率分布的不同，光纤可以分为（阶跃型光纤）和（渐变型光纤）；按照光纤中传输模式的多少，光纤可以分为（多模光纤）和（单模光纤）。7.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的主模为（），第一高次模为（），其单模传输条件是（）。8.阶跃型单模光纤的截止波长（），它是以（）模的归一化截止频率Vc而给出的。9.所谓光纤的最佳折射指数分布是指（可以使光纤中产生自聚焦现象）的折射指数分布。10.渐变型光纤中，子午光线的自聚焦是指光纤中不同的光线具有（相同的轴向速度）的现象。11.形成光纤损耗的原因，归结起来主要包括（吸收损耗）和散射损耗两大类。12.单模光纤中不存在（模式）色散，只有材料色散和波导色散。13.表示光纤色散程度的物理量是（时延差）。14.造成光纤传输衰减的原因是（光纤损耗）它主要可以分为（材料吸收损耗）和（材料散射损耗）两大类。15.在阶跃型光纤中，导波的传输条件是（VVC）而截止条件是（VVC）。16.光缆主要由缆芯、（加强元件）和护层等几部分组成。17.常用通信光缆的缆芯结构有层绞式、单位式、（带状式）和骨架式等几种。18.对标准单模光纤（G.625），在（1.31m）处，色散系数D=Dm+Dw=0，这个波长称为（零色散波长）。19.按照射线理论，阶跃型光纤中的光纤主要有（子午线）和斜射线两种。二、名词解释题1.相对折射率差2.数值孔径，它表示光纤端面的集光能力。3.弱导波光纤弱导波光纤是指纤芯折射率（n1）稍大于包层折射率（n2）的光纤。4.光纤的子午面通过光纤轴线的平面称为光纤的子午面。5.子午光线子午光线就是位于光纤子午面内的光线。6.导波的基模在光纤所有导模中，归一化截止频率最小的模式称为导波的基模，亦称主模。7.LP模LP模是线极化模的英文缩写，所谓线极化就是电磁波的电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹为一条直线。8.自聚焦渐变型光纤中不同射线，具有相同轴向速度的现象。9.本地数值孔径在渐变型光纤中，把射入纤芯某点r处的光线的数值孔径称为本地数值孔径。10.材料色散材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使信号各频率成分的群速度不同而引起色散。11.波导色散波导色散是对于光纤某一个模式而言，在不同的频率下，相位常数不同，使得群速度不同而引起的色散。12.线极化波电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线的波称为线级化波。13.单模光纤的零色散波长单模光纤的色散系数（D）等于零时所对应的光波长称为它的零色散波长。三、简答题1.何谓弱导波光纤？它对光纤的数值孔径和模式色散分别会产生什么影响？答：弱导波光纤指纤芯折射率n1稍大于包层折射率n2的阶跃型光纤。由于比较小，所以和都比较小。2.何谓渐变型光纤的最佳折射指数分布？最佳折射指数分布形式又是什么？答：可以使光纤中产生自聚焦时的折射率分布称为最佳折射指数分布。折射指数按双曲正割型分布是最佳折射指数分布形式。严格来讲，只有折射指数按双曲正割型分布时的光纤，才可使光纤中子午线产生自聚焦，而由于平方律型折射指数分布光纤的折射率分布，接近于双曲正割型光纤的折射率分布，因此可以认为平方律型折射指数分布光纤，具有较小的模式色散的特点。它的折射率分布形式，接近于最佳折射指数分布。其表示式为： 式中 3.何谓渐变型光纤的本地数值孔径？答：渐变型光纤芯子中的折射指数n1，随半径r而变化，因此其数值孔径是芯子端面上位置的函数。所以把射入纤芯某点r处的光线的数值孔径，称为该点的本地数值孔径，记作NA(r)。只有当入射光线的端面入射角max的射线，才可成为导波。渐变型光纤芯子中某点的数值空间可根据是（2-5），可写为： 式中，r为光纤芯子中任一点到轴线之间的距离，n(r)为该点的折射指数。4.给出渐变型光纤中导波相位常数的解析表示式。答：在前面分析阶跃光纤中标量模特性时，曾确定传输常数的变化范围为 对于导波，应限制在纤芯中，此时，当后，导波截止。分析渐变型光纤中的导波，一个很重要的目的是找出各模式的相位常数的解析式，可利用它分析光纤中的色散特性。的解析式，可由式（2-47）求出， 如令，则有p个m和n的组合，可以得到相等的值。将p代入式（2-58）得出 可以看出，对于m和n不同，但p相同的模式，它们的相位常数相同，因此，这些模式是相互简并的。所有值相同的模式，就构成了一个模式群，而p是模式群的编号。5.给出平方律型折射指数分布光纤的模数量。答：经分析可知，又，所以平方律型折射指数分布光纤中总的模数量为 从式中看出，渐变型光纤中的模数量与光纤的归一化频率的平方成正比，相同V的情况下，它比阶跃光纤中的模数量减少一半。6.何谓单模光纤的双折射？答：单模光纤中，两个互相正交的偏振模LP01x和LP01y，它们的相位常数不同，即，这就称为单模光纤的双折射现象。7.单模光纤的双折射是如何引起的？答：单模光纤中的双折射是由于实际光纤的形状、折射率和应力分布等不均匀，从而造成光波在互相正交的两个偏振方向上呈现出折射率不同，即，以致使得相位常数。8.何谓单模光纤？在阶跃型光纤中要实现单模传输必须满足什么条件？答：在给定的工作波长上，只传单一基模的光纤称为单模光纤。在阶跃型光纤中单模传输的条件是光纤参数归一化频率V必须满足0V2.40483。9.何谓光纤色散？它对光纤通信会产生什么影响？答：光纤色散是指光脉冲在光纤内传输过程中，其波形在时间上发生展宽而畸变的现象。由于光脉冲在传输过程中发生展宽，将使光脉冲相互重迭而产生码间干扰，增加误码率，从而限制了通信容量和传输距离。10.何谓光纤的模式色散？它与哪些因素有关？答：模式色散是指具有同一频率的各种光线(或模式)，由于它们在光纤中的传输路径不同，从而使得各种光线（或模式）具有不同的轴向速度所引起的光脉冲展宽。由可知，模式色散与光纤的纤芯折射率（n1），包层折射率（n2）以及传输距离（L）有关。11.阶跃型光纤中导波特性参数U和W的名称和计算式分别是什么？答：，称为导波的径向归一化相位常数；，称为导波的径向归一化衰减常数。四、画图题 1.分别画出阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率剖面分布的示意图。见教材P.27图2-2。2.分别画出阶跃型光纤和渐变型光纤中子午光线传输路径的示意图。见教材P.30图2-6、P.41图2-8。五、计算题1.已知阶跃型光纤的，工作波长m，纤芯半径a=25m。求：（1）相对折射率差。（2）数值孔径。（3）光纤中传输的导模数是多少？（4）若要实现单模传输。则纤芯半径a应如何选择？（5）10公里光纤的模式色散值。解：（1）式中，称为相对折射指数差，其定义见P.29。当与差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤，此时 （2） 式中，NA称为数值孔径，其定义见P.30。数值孔径大表示捕捉射线的能力强。可以想见弱导波光纤的很小，所以NA也不太大。 （3） 而 所以（个） 式中，M称为光纤中传输的导模数，其定义见P.41。而V称为光纤的归一化频率，其定义见P.35P.39。在光纤中，当不能满足单模传输条件（0V2.40483）时，将有多个导波同时传输，故称为多模光纤。 （4）阶跃型光纤的单模传输条件为 0V2.40483 而 从上式解出a为 （5） 式中，称为最大时延差，即模式色散值。其定义见P.66。弱波导光纤由于很小，所以也较小。即可以减小模式色散。2.已知阶跃光纤的，光纤中的导模数M=8。求：纤芯半径a。解：因为所以 而 所以 即3.已知阶跃型光纤的，纤芯半径a=7m。 求：光纤中可以传输哪几种模式？解： 因为可见0Vm。8.误码秒比9.严重误码秒比10.假设参考数字链路见教材P.20811.假设参考数字段见教材P.20812.误码率见教材P.20913.抖动见教材P.21214.抖动峰峰值见教材P.21215.数字周期（UI）见教材P.21216.输入抖动容限见教材P.21317.光通道色散代价见教材P.156第2行18.传输系统的可靠性和可靠度见教材P.165三、简答题1.简述光隔离器的主要作用和要求。答：光隔离器的主要作用是只允许正向光信号通过，阻止反向光返回。对光隔离器的主要要求是插入损耗低、隔离性能好。2.数字光纤通信系统中，线路码型应满足哪些条件？答：应满足以下几个条件：（1）避免在信码流中出现长“0”和长“1”； （2）能进行不中断业务的误码监测；（3）尽量减少信码流中直流分量的起伏。3.光纤连接器的主要作用和要求是什么？答：光纤连接器用于设备与光纤之间的连接、光纤和光纤之间的连接或光纤与其它无源器件的连接。对它的要求是：连接损耗小，稳定性好，重复性和互换性好，装、拆方便，体积小，成本低。4.在光纤通信系统设计中涉及哪些系统部件的选择？答：涉及下列系统部件的选择（1）工作波长的选择；（2）光源的选择；（3）光电检测器的选择；（4）光导纤维的选择。5.光纤定向耦合器有哪几个主要参数？它们的物理含义是什么？答：主要参数有隔离度，插入损耗和分光比等。隔离度表示耦合器两个输入端口间的隔离程度；插入损耗表示耦合器损耗的大小；分光比等耦合器两个输出端口的光功率之比。6.在我国采用的准同步数字体系中，PCM端机输出端口的接口速率和接口码型分别是什么？答：群路等级 一次群（基群） 二次群 三次群 四次群接口速率 2.048 8.448 34.368 139.264接口码型 HDB3 HDB3 HDB3 CMI四、画图题1.画出最简单的光中继器原理方框图。前置放大器调 制电 路 主放大均 衡判 决光 源 发送光 信号自动增益控制时 钟提 取自动增益控制光电检测器接收光信号五、计算题1.已知一单模光纤通信系统，其光发射机的平均发送光功率为1mW，接收机灵敏度为一35dBm，全程光纤平均接头损耗为0.05dB/km。系统富裕度取为6dB。若系统中继传输距离为80km，则应选择光纤每公里损耗上限为多少？解：根据题意可得，。由 由 2.已知一光纤通信系统发射机的平均发送光功率为0.5mW，接收机灵敏度为-38dBm，光纤损耗为0.34dB/km，全程光纤平均接头损耗为0.05dB/km，设计要求系统富裕度为6dB。试核算该系统的无中继传输距离是否满足100km的要求。解：根据题意可得，。由 由 该系统的无中继传输距离不能满足100km的要求。 3.一光纤通信系统的光纤损耗为0.33dB/km，光发射机的平均发送光功率为1dBm，全程光纤平均接头损耗为0.04dB/km。设计要求系统富裕度为6dB，无中继传输距离为80km。现选择一接收机，在满足系统误码率指标条件下，其允许的最小接收光功率为1W，试核算该接收机能否满足系统设计要求。解：根据已知可得：，。由 由 该接收机不能满足系统设计要求 4.已知一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：（1）光纤平均衰减系数为0.4dB/km，光纤平均接续损耗为0.1dB/km，光发送机的平均输出光功率为-3dBm，光接收机灵敏度为-56dBm；（2）光纤线路上的线路码型为5B6B，光纤色散系数为2ps/km.nm，采用多纵模激光器，其谱线宽度为1.8nm。设计中，取一个光纤活动连接器的损耗为1dB。光缆富裕度为0.1dB/km，设备富裕度为5dB，光通道色散代价为1dB。求：最大中继距离。解：据题意可知：，（多纵模激光器）因为而可见所以取5.某光纤通信系统，在保证误码率为10-9指标下，光接收机所要求的最低光功率为-44dBm，光发送机平均发送光功率为1mw；又知光纤的平均衰减系数和接续损耗分别为0.3dB/km和0.1dB/km。设计中，取一个光纤活动接头的损耗为1dB，光缆富裕度为0.1dB/km，设备富裕度为5dB，光通道色散代价为1dB。求：最大中继距离。解：据题意可知：， ， 6.在某光纤传输系统，已知光接收机灵敏度为0.1uw，光纤衰减系数为0.4dB/km，光纤接续损耗为0.1dB/km。设计中，取一个光纤活动接头的损耗为1dB，光缆富裕度为0.1dB/km。设备富裕度为6dB，光通道色散代价为1dB。试问当最大中继距离为45km时，要求光发送机的平均发送光功率是多少？解：据题意可知：， ，因为从上式解出可得： 所以7.某光纤传输系统，已知光发送机的平均发送光功率为-3dBm，光接收机所允许的最大光功率为-16 dBm，光纤平均衰减系数为0.3 dB/km，光纤接续损耗系数为0.1 dB/km，最大中继距离为50 km。设计中，取一个光纤活动连接器的损耗为1dB，光缆富裕度0.1 dB/km，设备富裕度为5 dB，光通道色散代价为1 dB。求：光接收机的灵敏度和动态范围各是多少？解：因为 式中 上述公式中表示发送光功率（dBm），表示接收灵敏度（dBm）, 和分别表示线路系统发送端和接收端活动连接器的接续损耗（dB），是设备富余度（dB），是光缆富余度（dB/km），是单盘光纤长度（km），n是中继段内所用光缆的盘数，是单盘光缆的衰减系数（dB/km），则是中继段的平均光缆衰减系数（dB/km），是光纤各个接头的损耗（dB），则是中继段平均接头损耗（dB），是由光纤色散模分配噪声和啁啾声所引起的色散代价（dB）（功率损耗），通常应小于1dB。 据题意可知， ， ，（令）， 则 从上式可解出为 而 所以 7 光放大器一、填空题1.目前，掺铒光纤放大器小信号增益的最高值可达（40dB左右）。2.掺铒光纤放大器中，用于降低放大器噪声的器件是（光滤波器）。3.EDFA中将光信号和泵浦光混合起来送入掺铒光纤中的器