光纤通信基础复习题及答案要点

光纤通信基础复习问题1 .光通信的发展大致经历了几个阶段？光通信的发展大致经历了以下三个阶段可见光通信阶段：我国古代烽火台、近代战争中的信号弹、信号木、舰船所用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可见光通信。大气激光通信阶段：光通信技术的发展可以说是从激光的诞生开始的。 1960年美国梅曼发明了第一种红宝石激光，开始了激光大气通信的研究。 激光大气通信以地球周围的大气为传输介质，这一点与可见光通信相同。 但是，激光在大气中传播时会被严重吸收，产生严重的色散作用，并且容易受天气变化的影响。 激光大气通信在通信距离、稳定性、可靠性等方面受到限制。光纤通信阶段： 1950年，对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。 1951年发明了医用光纤。 但是，那时的光纤损失很大，为1000 dB/km，一般的光源在光纤中只能传输几厘米。 长距离用的光纤通信几乎是不可能的。 1970年，美国康宁公司果然开发了损失为20dB/km的光纤，使光纤的电信成为可能。 从此，光纤通信技术的研究开发取得了很大的进步，目前，光纤损失达到了0.5dB/km(1.3m)0.2dB/km(1.55m )的水平。2 .光纤通信技术的发展大致经历了几个阶段？第一阶段(19661976 )是开发时期波长： =0.85um光纤种类：多模石英光纤通信速率： 3445Mb/s中继距离： 10km第二阶段(19761986 )是大力发展和推进应用时期波长： =1.30um光纤种类：单模石英光纤通信速率：565mb/s中继距离： 50100km第三阶段(19861996 )以超大容量超长距离为目标，全面推进和发展新技术的研究时期。波长：=1.55um光纤种类：单模石英光纤通信速率为： 2.510Gb/s中继距离：150km3 .光通信的基本概念：光通信：利用光波传输信息的通信方式。光纤通信：利用光纤作为光传输介质的通信方式。光波导：传输光波的介质。 例如光纤。光纤通信的三个窗口： 0.85um 1.30um 1.55um4 .导出光纤的数值孔径公式NA被称为光纤的数值孔径。 NA是反映光纤捕捉光的能力大小的参数。 NA=n1- n2n2no ca1 n1图2-3光波在光纤子午剖面内的传播从图中可以看到：sinc=n2/n1sin1 /sina=n1/n0sina=sin(90- c)=cos csin1/cos c=n1/n0sin1=cosc n1/n0=1-sinc n1/n0另外，sinc=n2/n1sin1=1-(n2/n1) n1/n0n0 sin1=n1- n2n0 sin1=NANA=n1- n25 .什么是光纤损失？ 光纤的传输损失有多少种？光纤损耗：光能在传输过程中逐渐减少或消失的现象。光纤传输损失主要有三种吸收损失散射损失微噪声损失吸收损失：吸收损失是光纤材料吸收光能，转换成其他形式的能量引起的损失。吸收损失可以分为固有吸收损失、非固有吸收损失两种散射损失这是光纤材料的微观粒子状结构和气泡等不均匀结构引起的损失。 散射损失分为线性散射损失和非线性损失。微噪声损失指光纤的几何不均匀性引起的损失。 包括内部因素和外部干扰引起的不均匀性。 例如折射率、直径不均匀性、微小弯曲等。6 .什么是光纤的色散？ 光纤的分散有几种？是指具有一定光谱宽度的光脉冲信号在光纤中传输时，由于各波长的群速度不同而光脉冲扩大的现象。光纤的色散分为四种材料分散由于材料的折射率n是波长的非线性函数，因此光的传播速度随波长而变化。 当光脉冲通过光纤时，由于速度不同，所以到达终端的时间不同，因此产生光脉冲的扩散。波导色散也被称为结构分散。 光纤的几何学结构引起的色散，例如横向尺寸沿光轴变动，光的一部分进入包层。模式分散存在于多模光纤中。 在多模光纤中存在多个传播模式，即使是同一波长，各模式到达光纤终端的时间不同，也导致光脉冲的扩展。 基于模式的分散称为模式分散。偏振色散在单模光纤中存在双折射的情况下，将由偏振方向彼此正交的两个基模的传播速度不同所引起的色散称为偏振色散。7 .光无源器件有什么结构形式？什么是自聚焦透镜？有三种结构形式：体型、全光纤型、波导型。自聚焦透镜由如图所示的折射率分布光纤制成。l图4-1自聚焦透镜自聚焦透镜的长度：L=P/4P=2 /AA=n(0)-n2/2 n(0) (渐变)或者A=n1-n2/2 n1 (步骤)8 .光纤之间的连接可能存在什么样的连接缺陷？光纤间连接时可能存在的连接缺陷如图所示。(a )有间隙(b )有横向偏移(c )倾斜(d )端面不光滑光纤级联的有效性可以用传输系数t来表示。T=PR/PT模场半径分别为s1、s2的2根单模光纤的情况下的传输系数。有纵向间隙d时的电力传输系数t=4(4zs1/s2)/ 4z (s1s2)/s24zs2/s1(4-9)在D=0的情况下，即光纤间的间隙为0的情况下：T=T0=(2s1s2)/(s1 s2) (4-10 )有横向位移d时的传递系数T=T0exp-2d/(s1 s2) (4-11 )s1=s2的情况下：T=exp(- d/s) (4-12 )有倾斜角时的传递系数t=t0exp -(k0n2s1s 2)/2 (s1s2) (4- 13 )k0=2/n2-光纤包层的折射率9 .透镜耦合式光纤连接器有几种形式？镜头耦合式连接器有以下三种形式(a )薄球面透镜式(b )球或汽缸式(c )自聚焦透镜式图4-15透镜耦合式连接器的形式10. 22定向耦合器的结构和工作原理是什么？ 图4-21 22中的定向耦合器22定向耦合器是最基本的耦合器，我们将两根光纤的芯尽量靠近制作。方法：侧面研磨法、熔锥法22定向耦合器的工作原理：在渐逝场的作用下工作。侧面研磨法制作时两光纤间的距离计算：d (z )=d02 (rrz ) (4- 34 )d0 -两根光纤的最小间距r :光纤轴线的弯曲曲率半径z-连接长度坐标如何用11.22定向耦合器测量光纤故障点的位置？如图所示。 测试系统由光源和脉冲驱动电路、22定向耦合器、ADP、示波器构成。半导体激光器输出光脉冲，在光纤中传播到故障点时产生部分反射，通过测量反射脉冲的延迟时间，可以计算故障点的位置l。 L=ct/2LD及其脉冲驱动电路PS叔叔l同步信号示波器22定向耦合器到断点的距离光纤断裂点图4-22光纤故障点的测试12 .具有相同频率间隔的8路光信号进入由22定向耦合器组成的88星形耦合器并且描述它们如何耦合f1f8f1f1f8F888星形耦合器8个输入端8个输出端每个输入端子1个输入信号每个输出端子8个输出信号13 .制图说明F-P型滤光器的工作原理F-P型腔的构成块状F-P空腔过滤器的工作原理如图所示。 镜M1和M2之间的距离为l，反射率为r1和r2，并且透射率为t1和t2。 平面光波垂直入射在反射镜M1上，此时，一部分光反射，一部分光进入F-P空洞，在空洞内多次反射和透射后，在空洞的左右两侧分别输出一组光束。向左输出的光束组叫做反射光，向右输出的光束组叫做透射光。 两组均发生多波束干扰，呈现谐振现象，因此具有频率选择性特性。 因为透射型滤光器容易使用，所以这里考虑透射光。 透过光PS 1PC 2PK 3B1M2反射光平面入射光l图4-29 F-P腔滤波器的原理设入射光的复振幅为Ai，在t1中透过m-1进入F-P腔的m-2分为两部分，一部分到空洞外，振幅为At1，一部分由m-2反射，残留在空洞内继续传播。 这样进行多次反射、折射，形成多个反射光和多个透射光。透射光由多个振幅为At1、At2、At3的各透射光构成。 每次的透射光束与上次的透射光束相比相位延迟了=2L=4nL/0=4nLf/c，振幅变小，因此需要乘以因子r1r2。 令：h=r1r2 exp(-j) (4-39 )原则：At1=Ai t1t2 exp(-j)At2=h At1At3=h At1 (4-40 )透射光的复振幅是各透射光的重叠At=At1 At2 At3 =At1(1 h h )=At1/(1- h )=Ai t1t2 exp(-j)/(1- h) (4-41 )r1=r2=r，t1=t2=t的话R=r，T=t。没有损失的R T=1的情况下at=ait dep (-j)/1- rexp (-j) (4- 42 )输出光强度是it=IIT/ (1- r )4rsin (/2) (4- 43 )设F-P空洞的功率传输系数为，则是输出光强度和入射光强度之比。 原则=PS/K (4- 44a )由式(4-43 )得到=T/(1-R) 4RSin(/2) (4-44b )代入T=1-R，再把分子分母除以(1-R )的话=1/14r/(1- r ) sin (/2) (4- 44c )代入/2=2nLf/c时=1/1(2f /) sin (2nlf/c ) (4- 44d )F=R /(1-R )因为最大透射率=1(2F/)Sin(2nfL/c)=0Sin(2nf/cL)=02nlf/c=q(q=0，1，2，3) (4- 45 )在与多个q值对应的频率出现谐振现象，出现峰值。与峰值对应的频率称为谐振频率。 谐振频率Foq或谐振波长oq可以由下式：表示foq=c q/2nL (4-46 )oq=2nL/q (4-47 )(f=c )因此，我们可以看出：F-P腔具有选择性的频率特性，只要相对于某次数的谐振频率调整l即可。14 .图说明波导型m-z滤光器的结构和工作原理吗？波导型M-Z干涉仪的结构原理图如图所示。，二、DC1 L2 1 2 DC2L1 1