《光纤通信技术》复习题答案

光纤通信复习 1 光纤通信技术光纤通信技术 复习题复习题 一 基本概念 1 什么样的电磁波叫做 光 目前的光纤通信用的是什么光 波长 是多少 答 光是一种电磁波 光频为 10E14HZ 量级 波长为 m 量级 可见 光大约指 0 4 m 0 76 m 波长范围的电磁波 光通信采用的波长 0 85 m 1 31 m 和 1 55 m 即在电磁波近红外区段 2 光纤通信的特点 答 一 传输频带宽 通信容量大 二 传输损耗低 中继距离长 三 不怕电磁干扰 四 保密性好 无串音干扰 五 光纤尺寸小 重量轻 利于敷设和运输 六 节约有色金属和原材料 七 抗腐蚀性能好 3 光纤的 NA 和 LNA 各是什么意义 什么是光线模式的分立性 答 入射最大角称为孔径角 其正弦值称为光纤的数值孔径 数值孔 径表示光纤采光能力的大小 在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的 折射率越大的位置接收入射光的能力越强 为了定量描述光纤端面各点位接受 入射光的能力 取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角 C r 并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径 LNA 光是有一定波长的 将光线分解为沿轴向和径向的两个分量 传输光 波长 也被分为 Z 和 r 沿径向传输的光波分量是在相对的芯 包层界面间 有限空间 往返传输 根据波形可以稳定存在的条件 空间长度等于半波 长的整数倍 而空间长度已由光纤结构所确定 所以径向波长分量 r 不能随 意了 从而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化 即光线模式的分立性 4 什么是光纤的色散 光纤的色散分为哪几种 在单模光纤中有哪些 色散 答 脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散 分为模间色散 和模内色散 模内色散又分为材料色散和波导色散 多模光纤 模式色散和材 料色散 单模光纤 材料色散和波导色散 5 归一化频率 V 和截止频率 VC 各如何定义 有何区别和联系 答 归一化频率见书 28 页 截止频率见 27 页 实际光纤中能够传输的导模 光纤通信复习 2 模式必须满足 V Vc 6 什么是光纤的模式 简并模 线性极化模 答 在光纤的数值孔径角内 以某一角度射入光纤的端面 并能在 光纤的纤芯 包层界面上形成全内反射的传播光线称为一个光的传输 模式 每种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一个模式 场型分布相同的模式称为简并模 原始场型的图案一样 而模式并不 唯一 即一个原始场型并不唯一对应一个模式 将原始场型按照 传输常数相近者合并 的原则得到的场型 或者 是把简并模集中在一起 称为线性极化模又叫线性偏振模 7 什么是单模光纤 单模传输的条件是什么 答 只允许传输一个基模的光纤为单模光纤 单模光纤传输条件为 0 V 2 4048 8 什么是模耦合 什么 EMD 答 模式之间的光功率转换现象叫模耦合 光纤不同模式所携带的光功率在传输过程中可能发生相互转换 即 较低次模转换为较高次模 较高次模可能转换为较低次模或更高次模 甚至转换为辐射模而损失掉 原因 光纤的不完善 稳态 MPD 即 EMD 光纤中各种模式所含功率的比例会在耦合过程 中趋向一种动态平衡 长途传输时光功率基本上是以 EMD 状态传输的 所以光纤总的损耗系数应该以 EMD 状态为前提 9 什么是光纤的近场和远场 什么是光纤的近场和远场 什么是模场直径 什么是光纤的截止波长 什么是光纤的截止波长 答 见书 45 页 单模光纤近场光强 P r 从最大值 P 0 下降到 P 0 e 时所对应的光斑直径的大小叫模场直径 MFD 截至波长 书 34 页 光纤中只能传导基模的最低工作波长 10 什么是光子的自发辐射 受激吸收 受激辐射 见书 57 页 11 什么是信号的抖动 抖动的性能参数有哪些 答 数字信号的各有效瞬间对于标准时间位置的偏差定义为抖动 抖动包括两个方面 1 输入信号脉冲在某一平均位置左右变化 2 提取的时钟信号在中心位置上的左右变化 抖动的性能参数 输入抖动容限 系统容许输入信号的最大抖动范围 输出抖动 系统输出口的信号抖动特性 抖动转移特性 在不同的测试频率下系统输入信号的抖动值和输出 信号的抖动值之比 增益 的分布特性 12 满注入和 LPS 注入条件是怎样规定的 答 满注入指光源经一定的光学系统处理后 在光纤端面上形成的 入射光斑直径大于纤芯直径 而且 入射光锥的光锥角大于光纤的数值 光纤通信复习 3 孔径角 有限相位空间注入 LPS 规定入射光斑直径和入射光锥的数 值孔径分别等于纤芯直径和光纤 NA 的 70 又称 70 70 法则 13 PDH 的基群速率 SDH 的最低速率 PDH 有两种基础速率 1 1 544Mb S 如美国 日本等 2 2 048Mb S 如我国 欧洲各国 各次群之间的路数关系是 4 倍 递增 而速率关系大于 4 倍 将 PDH 和 SDH 在四次群上兼容互通 接口码率定为 155 520Mb S SDH 最基本速率等级是 STM 1 其速率为 155 520Mb S 14 容器 虚容器 终端复用器和分插复用设备的作用 答 容器是具有一定格式的帧结构 用来接收相应的速率等级的 PDH 信号 并进行速率适配 虚容器是具有一定通信管理功能的基本信息结构 本身不在 SDH 中独立地传输 只允许装载在 STM N 帧中传输 终端复用器 和分插复用设备见书 170 页 15 SDH 的分层结构及各层的作用 见书 171 页 二 基本原理 1 光在不同的界面上发生反射和折射的方向规律如何 发生全反射的条件是 什么 2 光在介质中传输为什么会发生损耗 什么是散射 什么是散射 光被介质吸收有几种形 式 为什么 波长有选择性 答 因为光会发生散射和吸收 吸收分为材料固有吸收 电子转移的紫外吸收和 SIO2 红外吸收 杂质吸 收 OH 离子吸收 过渡金属离子吸收 原子缺陷吸收 吸收过程的发生具有很强的选择性 例如电子吸收只能在光能量恰好 等于电子所能跃迁的能级差时才能发生 因此决定了具体的光电材料具有一定 的波长响应范围 各种微观粒子吸收光子能量是按照本身的固有频率进行选择 的 也就是说 不同的微观粒子只吸收特定波长的光子能量 3 光纤芯区折射率为什么比包层高 答 为了让光线产生全反射而传输 4 光纤通信为什么向长波长 单模光纤方向发展 光纤通信为什么向长波长 单模光纤方向发展 5 为何渐变型多模光纤的色散小 为什么渐变型多模光纤具有自聚焦效应 答 因为光线传播速度 v r c n r c 为光速 入射角大的光线经历的路 光纤通信复习 4 程较长 但大部分路程远离中心轴线 n r 较小 传播速度较快 补偿了较长 的路程 入射角小的光线情况正相反 其路程较短 但速度较慢 所以这些光 线的时间延迟近似相等 6 光时域反射仪的测量原理 光时域反射仪的作用 光时域反射仪的测量原理 光时域反射仪的作用 7 无源光器件有哪些 作用分别是什么 有源 半导体激光器 发光二极管 光电二极管 光纤放大器等 无源 光纤连接器 耦合器 合 分路器 光开关 光衰减器和光隔离器 光纤连接器 纤线路得以延长和方便地连通 耦合器 具有多个输入端如多个输出端的光纤汇接器件 合 分路器 一个端口对 N 个端口的光纤汇接口 用于一路光信号分为 N 路 或将 N 路合为一路 光衰减器 使传输线路中的光信号产生定量衰减的器件 作用与电阻在电路中 的作用相似 光开关 是使传输通路中的光信号发生通 断或进行光路切换 光隔离器 在光源与活动连接器之间设置的阻止菲涅耳反射光返回光源 提高 LD 稳定性 光发射机光源所发生的信号光 通常是以活动器的形式耦合到光纤 线路中去的 活接头处的光纤端面间隙会使约 4 的反射光向着光源作用 8 为什么发光二极管的发射谱线宽 发射角大 而半导体激光器的发射谱线为什么发光二极管的发射谱线宽 发射角大 而半导体激光器的发射谱线 窄 发射角小 窄 发射角小 9 试分析光通过介质时 在什么情况下 试分析光通过介质时 在什么情况下 1 1 光波被吸收 光波被吸收 2 2 光波被放大 光波被放大 3 3 光波强度保持不变 光波强度保持不变 10 简述 LD 和 LED 的工作原理 见书 56 页 11 简述 PIN 和 APD 管的工作原理 见书 98 页 12 光发射机是由几部分组成的 各部分的作用是什么 见书 53 页和 55 页 13 光接收机是由几部分组成的 各部分的作用是什么 见书 53 页和 97 页 14 辅助设备有哪些 作用是什么 答 监控管理设备 公务通信设备 区间通信设备 自动倒换设备 告 警处理设备 电源供给设备 监控管理设备 对光纤通信系统的各种设备的工作状态和传输质量进行监视 控制 公务通信设备 用于公务通信设备组织数字段内和数字段间局站的线路维护 所用的业务通信联络 区间通信设备 解决长途光纤通信中某个局部区域的通信问题 自动倒换设备 按照指令程序控制将发生故障的主用系统自动或人工转换到 备用系统 光纤通信复习 5 告警处理设备 解决运行过程中遇到的各种故障情况 电源供给设备 对端局和中继站提供所需的电力 15 公务通信有几种方式 区间通信主要解决什么问题 公务通信指维护人员对系统沿途各个局站进行维护时所采用的业务联系方式 公务通信方式按其功能不同可分为选址呼叫 同线呼叫和分组呼叫 插入呼叫 区间通信指的是一条长途干线中间的某些局部区域内相互之间所进行的通信 16 光纤通信系统中的接口电路的作用是什么 连接光端机与电端机并进行码型变换 17 实用化的光纤通信系统是由哪些部分组成的 各部分的作用分别是什么 实用化的光纤通信系统是由哪些部分组成的 各部分的作用分别是什么 三 计算 1 已知多模光纤的 0 01 n0 1 5 将此光纤端浸没于水中 n水 1 33 求其在水中的数值孔径 2 已知目前的单模光纤芯直径为 10 m 0 004 n0 1 5 并为阶跃 分布 若以 0 63 m 波长的红光注入 其中导模约有多少 若想实现 单模传输 芯经应作如何调整 3 某光纤损耗系数为 2 5dB km 长度为 1 5km 输入光功率为 10 W 时 输出应为多少 4 用脉冲展宽法测量某多模光纤链的带宽 光纤链长 10km 输入光脉 冲 FWHM 为 3ns 输出为 5ns 求此光纤链的带宽 若用这种光纤只传 5km 带宽可增大多少 5 某 PIN 光电二极管 在 0 8 m 时 平均每 3 个入射光子要产生 一电子空穴对 如果产生的所有电子均被收集起来 试计算 1 器件的量子效率 2 其带隙能量的最大可能值为多少 3 当接受光功率为 10 2W 时 其平均输出光电流为多少 4 光电探测器的响应度 R0可用 R0 e 0 hf 表示 由上面已知条件 计算此时 R0 6 已知某光纤通信系统的发射机的发射功率为 7dBm 接受机灵敏度为 34dBm 动态范围为 6dB 光纤线路总损耗为 25dB 问系统能否正常 工作 若发射光功率降低 5dB 或增加 4dB 又当如何 BER 10 10 不考虑系统富裕度 7 某光源发出全 1 码时的功率为 800 W 全 0 码时的功率为 50 W 若信号为伪随机码序列 NRZ 码 问光源输出平均功率和 消光比各为多少 8 某工程采用单模光纤组成 4 139 264Mb s 长途系统 其中光源为 SLM LD 波长为 1 551 m 1nm PS 3dBm Pr 33dBm BER 10 10 AS 0 04dB km Ad 0 4dB 个 码型为 光纤通信复习 6 5B6B MC 0 1dB km Me 3dB P0 1dB 若中继段长度为 45km 问应采 用怎么样性能的光纤 包括损耗系数和色散系数 9 某长途系统的各部分参数如下表所示 请对系统进行预