123章习题解析

1、第一章习题,1.1,什么是光纤通信？简述光纤通信的发展历程,解,光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为,传输介质的一种通信方式。也就是说，光纤通信是将待传,送的语音、图像和数据等信号调制在光载波上，然后通过,光纤进行传输的一种通信方式,光纤通信的发展粗略分为如下几个阶段,1,第一阶,段,1966-1976,年），从基础研究到商业应用的开发时期,在这个时期，实现了短波长,0.85,m,低速率,45,140Mb/s,多模光纤通信系统，无中继传输距离约,10km,2,第二阶段,1976-1986,年），这是以提高传输速率和,增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期,在这个时期，光纤从

2、多模发展到单模，工作波长从短波长,发展到长波长,1.31,m,和,1.55,m,，实现了工作波长为,1.31,m,传输速率为,140-565Mb/s,的单模光纤通信系统,无中继传输距离为,10-50km,3,第三阶段,1986-1996,年），这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新,技术研究的时期,在这个时期，实现了,1.55,m,色散移位单,模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达,2.5,10Gb/s,无中继传输距离可达,100-150km,4,第四阶段,1996,年,至今），开展研究光纤通信新技术,采用光放大,器增加中继距离和采用波分复用增加传输容量。现在,10Gb/s,40G

3、b/s,的系统也已商用化,1.2,光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式,解,光纤通信能够成为现代的主要通信方式，是归因于光纤,通信具有以下突出的优点：通信速率高（单波长速率已达,10Gb/s,以上），传输容量大（光波具有很高的频率，约,10,14,Hz,一根光纤可同时传输几十个波长,损耗低（单模,已低达,0.2dB/km,传输距离远（中继距离可达,50-100Km,抗干扰能力强（抗强电、雷电和核辐射干扰），保密性好,光纤由石英玻璃制成，由于是绝缘材料，不受电磁场干扰,在光纤中传输的光泄漏非常微弱）；质量轻（是传输相同,信息量电缆重量的,1/10-1/30,，体积小（是相同容量电缆外,径的,

4、1/3-1/4,，敷设方便；耐腐蚀，耐高温（石英玻璃熔,点在,2000,C,以上），可在恶劣环境中工作，寿命长；节约,金属材料，有利于资源合理使用（制造同轴电缆和波导管的,铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制,造光纤的石英,SiO,2,在地球上基本上是取之不尽的材料,1.3,光纤通信系统的组成主要包括哪些部分？试,画出简图予以说明,解,光纤通信系统的基本组成包括：光纤、光发送器、光,接收器、光中继器以及适当的连接器件等。其中：光发送,器的功能是将来自用户端的电信号转换成为光信号，然后,入射到光纤内传输。它一般由驱动电路、光源和调制器构,成；光接收器的功能是将光纤传送过来的光信号

5、还原成为,电信号，然后送往用户端。它一般由光电检测器、解调器,放大器和相关电路组成；光中继器是用来增大光的传输距,离，它将经过光纤传输后有较大衰减和畸变的光信号变成,没有衰减和畸变的光信号，再继续输入光纤内传输,第二章习题,2.1,按照光纤的射线传输理论，光纤是利用,什么方式传导光的,解,若光线从光密介质,n,1,射向光疏介质,n,2,时，当入射角,1,满足关系,1,c,arctan,n,2,n,1,时，将产生全反射，光纤是利用光的全,反射特性来导光的,2.2,什么是单模光纤？常用的单模光纤有哪些,各自的特点是什么,解,单模光纤,SMF,是纤芯内只传输一个最低模式的,光波，纤芯直径很小（几个微

6、米），适合大容量、长距,离通信,多模光纤,MMF,是纤芯内传输多个模式的光,波，纤芯直径较大,50,微米左右），仅用于中小容量,中短距离通信,ITU-T,规定的单模光纤包括,G.652,光纤，又称常规,单模光纤，其色散零点在,1310nm,附近，而在,1550nm,处,的衰减最低，但色散较大，价格较低，技术成熟，是世,界上应用量最大的光纤,G.653,光纤，又称色散位移光纤,将色散零点位移到,1550nm,附近，在光纤的最低损耗波长,处的色散系数几乎为零，对于单波长系统无疑是最好的,但在多波长系统中，由于零色散会导致严重的四波混频,现象，故不能支持波分复用系统，处于被市场淘汰的现,状,G.65

7、4,光纤又称截止波长位移光纤，在,1550nm,波长,具有极小的衰减,0.2dB/km,主要用于远距离无中继海底,通信系统中，制造困难，价格高,G.655,光纤又称非零色,散位移光纤，它在,1550nm,波长处有最小损耗和较小的色,散值，专门为新一代密集波分复用系统设计和制造,2.3,什么是光纤的数值孔径？一阶跃型光纤,纤,芯,折射率为,1.5,相对折射率差,1,求光纤的,数值孔径,解,光纤端面临界入射角的正弦值，称为数值孔,径,NA,。由于光纤端面上小于或等于临界入,射角的入射光才可以在光纤内传输，故,NA,表示,光纤采光能力的大小,NA,越大，则光纤与光源,或其它光纤的耦合就越容易。但,N

8、A,过大会增加,光纤传输损耗，故,NA,应适当取值,1,2,1.5,2,0.01,0.21,NA,n,2.4,阶跃型光纤的,纤芯,折射率是,1.5,包层折射率,是,1.498,工作波长为,1310nm,当纤芯直径为多,大时为单模传输,解,单模传输的工作条件是,归一化频率,V,满足,此时光纤内只含有基模,2,2,1,2,2,V,a,n,n,0,2.4048,V,2,2,2,2,1,2,2.4048,1.31,6.475,2,2,1.5,1.498,V,a,m,n,n,加问题：此光纤的数值孔径是多大？光纤入射端面容许,光线的最大入射角是多大？总接收角是多大,解,8,8,2,4,4,arcsin,s

9、in,077,0,498,1,5,1,1,1,2,2,2,1,1,2,2,2,2,2,1,NA,n,n,NA,n,n,NA,2.5,什么是光纤的损耗？若光纤的损耗为,2.5dB/km,入纤光功率为,1W,经过,20km,传输,后光功率为多少,解,光纤的损耗即指光信号经过一定距离的光纤传输后,要产生衰减，光信号幅度减小，其损耗机理包括：吸收,损耗，由于制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子,如铁、钴、镍、铜、锰、铬等）和氢氧根离子,OH,等杂质对光的吸收而产生的损耗。散射损耗，由于光纤,材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤,中出现折射率分布不均匀，从而引起光的瑞利散射，将,一部分光功

10、率散射到光纤包层或外部。辐射损耗，在成,纤后产生的损耗，主要是由于光纤受到弯曲和微弯曲所,产生的，即光纤从直线部分进入弯曲部分时传导模变成,了辐射模，使部分光渗透到包层中或穿过包层外泄，因,而造成光损耗,光纤损耗系数定义为,将数值代入可得,P,0,10,5,W,10,lg,i,o,P,a,dB,km,L,P,2.6,某光纤在,1300nm,处的损耗是,0.6dB/km,在,1550nm,处的损耗为,0.3dB/km,假设下面两种光,信号同时进入光纤,1300nm,波长的,150W,的光,信号和,1550nm,波长的,100W,的光信号，试问这,两种光信号在,8km,和,20km,处的功率各是多

11、少,W,解,将数值代入损耗系数定义式，可计算得,对于,1300nm,波长在,8km,和,20km,处的功率分别是,0.1433,W,和,2.1240e-014,W,对于,1550nm,波长在,8km,和,20km,处的功率分别是,1.8289,W,和,0.0104,W,2.7,什么是全波光纤？其特点如何,解,采用超高纯度提纯技术去除玻璃纤维材,料中的所有水分子，可以消除水分子在,1400nm,附近的吸收高峰，从而使常规光纤,的第二和第三两个低损耗窗口连成统一的,传输波长区，这种光纤称为全波光纤,2.8,什么是光纤的色散？光纤中有哪几种色散,解释其含义,解,光纤的色散是指光信号经过一定距离的光纤

12、,传输后要产生畸变，光信号波形展宽，色散限制,光纤通信系统的传输容量,光纤中的色散类型包括：波长色散，指同,一个导波模式中不同波长光线的传播路径和速度,不同，产生时延差，引起光脉冲展宽。波长色散,包含材料色散和波导色散两类，其中材料色散是,因光源光谱不纯以及光纤石英材料的折射率随波,长而变化所产生；波导色散是因光源光谱不纯以,及波导结构的影响而产生。模式色散，指同一,波长光信号中不同模式光线的传播路径和速度不,同，产生时延差，引起光脉冲展宽，模式色散只,在多模光纤中存在,2.9,可以采用一些什么方法减小色散的影响,解,色散对通信尤其介高比特率通信系统的传输有不利,的影响，但可采取一定的措施来设

13、法降低或补偿，有如下,几种方案,零色散波长光纤，对于常规单模光纤，选用工作波长,1310nm,其色散最小,色散位移光纤,DSF,，减少光纤的纤芯使波导色散增加,可把零色散波长向长波长方向移动，从而在光纤最低损耗,窗口,1550nm,附近得到最小色散,色散平坦光纤,DFF,，在,1310nm-1550nm,范围内，色,散接近于零的光纤,色散补偿光纤,DCF,，通常,DCF,光纤的色散值很大，典,型值为,103ps/(nm.km,只需很短的,DCF,就能补偿很长的,普通单模光纤（色散典型值,1ps/(nm.km,色散补偿器，如光纤光栅、光学相位共轭等。其原理是让,原先跑得快的波长经过补偿器时慢下来

14、，减少不同波长由,于速度不一样导致的时延,2.10,光缆由哪几部分组成？常见的光缆结构有哪,些,解,光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分,常见的光缆结构有层绞式、骨架式、束管式和带,状式四种，我国及欧亚各国用的较多的是传统结,构的层绞式和骨架式,2.11,光纤与光纤的连接方法有哪些？请简要叙述,解,光纤与光纤的连接方法有两种，一种是永久,性连接，指一个接头，常见于光纤与光纤之间的,连接；另一种是可拆卸连接，常采用连接器，俗,称活接头，常位于光缆终端处，用于光源或光检,测器等器件与光纤的连接,2,2,1,2,1,2,2,2,a,V,a,n,n,n,第二章习题补充,1,假设有一光纤的折射率,n1=

15、1.45,相对折射率差,0.002,试问：纤芯半径,a=3m,或,5m,时，此光,纤在,820nm,波长上是单模光纤还是多模光纤,解：利用公式,当,a=3m,时,V=2.10812.4048,故此光纤在,820nm,波长上是单模光纤,当,a=5m,时,V=3.51352.4048,故此光纤在,820nm,波长上是多模光纤,2,一阶跃光纤折射率,n1=1.5,相对折射率差,1,长度,L=1km,求子午光线的最大时延差,解,2,1,sec,2,1,1,1,1,1,c,L,n,c,L,n,c,l,n,1,y,1,l,L,x,o,c,纤芯,n,1,包层,n,2,z,y,1,入射角为,的光线在长度为,L

16、(ox,的光纤中传输，所经历的路程为,l(oy,在,不大的条件下，其传播时间即时间延迟为,km,ns,c,Ln,NA,c,n,L,c,n,L,c,50,2,2,1,2,1,2,1,子午光线的最大时延差即是最大入射角和最小入射角的光,线之间时延差近似为,3,已知光纤的芯径,2a=50m,max,0.01,n1=1.45,0.85m,若光纤的折射率分布指数分别为,g,阶,跃型）和,g=2,抛物渐变型），求它们的导波模式数量,若波长改变为,1.31m,导波模式数量如何变化,解：光纤中传导模的总数为,当,0.85m,时,V,max,38,所得模式数量分别约为,722,和,361,若波长改变为,1.31

17、m,则,V,max,25,所得模式数量分别,约为,313,和,156,max,1,max,2,2,2,2,2,n,a,V,g,g,V,M,第三章习题,3.6,光纤耦合器有哪些性能指标，分别是如何定,义的,解,光纤耦合器的常见性能指标有,附加损耗,L,e,指所有输出端口的光功率总和相对于输,入总光功率损失的分贝数的负值,插入损耗,L,i,指光信号经过光纤耦合器后，每一路光,信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的负值,分光比，指光纤耦合器各输出端口的输出功率的,比,值,隔离度,I,指一个输入端的光功率和由其反射到其他,端的光功率的比值的分贝数，也称方向性,10lg,j,j,e,i,i,P,L

18、,P,10lg,o,i,in,P,L,P,r,i,P,P,I,lg,10,3.7,简述光衰减器在光路中的作用，一般在,哪些场合下使用,解,光衰减器是插入光链路中控制光能衰,耗的一种无源器件，在光链路中对光信号,功率进行定量或不定量的衰减,它主要用于调整光中继段的线路损耗,评价光系统的灵敏度和校正光功率计等场,合,3.8,阐述偏振相关型光隔离器的工作原理,解,光隔离器是一种只允许光信号沿光路正向传输的非,互易性无源器件。它的物理基础是基于晶体材料的法拉弟,效应。介质的磁致旋光效应对光的偏振方向的改变只与磁,场方向有关，与光的传播方向无关。光隔离器就是利用晶,体的非互易旋光性使光正向传输，反向隔离

19、,法拉弟,旋转器,偏振器,反射光,阻塞,入射光,SOP,偏振器,偏振相关型光隔离器的结构原理图,偏振无关型光隔离器,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,SOP,光纤输入,a,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,光纤输入,b,空间分离偏振器,SWP,的作用是将入射光分解为两个正交偏振分量,让垂直分量直线通过,水平分量偏折通过,半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转,45,将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转,45,3.9,已经知道,Bragg,光栅可以作为光滤波器,如果滤波器的中心波长是,1300nm,其光敏处,纤芯有效折射率为,0.07,则光栅周期是多少,解,光纤光栅的谐振波长,B,与光栅周期,的关