光纤通信期末考试题及参考答案分析

1、一、填空:1、1966年，在英国标准电信实验室工作的华裔科学家 首先提出用石英玻璃纤维作为光纤通信的媒质，为现代光纤通信奠定了理论基础。2、光纤传输是以作为信号载体，以作为传输媒质的传输方式。3、光纤通常由 、和 三部分组成的。4、据光纤横截面上折射率分布的不同将光纤分类为 和。5、光纤色散主要包括材料色散、和偏振模色散。6、光纤通信的最低损耗波长是零色散波长是。7、数值孔径表示光纤的集光能力，其公式为。8阶跃光纤的相对折射率差公式为9、光纤通信中常用的低损耗窗口为、1310 nm。10、V是光纤中的重要结构参量，称为归一化频率，其定义式为。11、模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为

2、基模或主模。12、阶跃折射率光纤单模传输条件为： 。13、电子在两能级之间跃迁主要有 3个过程，分别为 、和受激吸收。14、光纤通信中最常用的光源为_和315、光调制可分为和两大类。16、光纤通信中最常用的光电检测器是和 。17、掺铒光纤放大器EDFA采用的泵浦源工作波长为1480nm和。18、STM-1是SDH中的基本同步传输模块，其标准速率为： 。19、单信道光纤通信系统功率预算和色散预算的设计方法有两种：统计设计法和。20、光纤通信是以为载频，以为传输介质的通信方式。21、 光纤单模传输时，其归一化频率应小于等于 。22. 数值孔径表示光纤的集光能力，其公式为： 。23、所谓模式是指能在

3、光纤中独立存在的一种 分布形式。24、传统的O/E/O式再生器具有3R功能，即在、和再生功能。25、按射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有子午光线和 两类。26、光纤中的传输信号由于受到光纤的损耗和的影响，使得信号的幅度受到衰减；波形出现失真。27、 半导体材料的能级结构不是分立的单值能级，而是有一定宽度的带状结构，称为。28、 半导体P-N结上外加负偏压产生的电场方向与方向一致，这有利于耗尽层的加宽。29、采用渐变型光纤可以减小光纤中的 色散。30、SDH网中，为了便于网络的运行、管理等，在 SDH帧结构中设置了 。31、SDH勺STM-N是块状帧结构，有9行，列。32、 处于粒子数反转分布状

4、态的工作物质称为 。33、EDFA的泵浦结构方式有：a、结构；b、结构；c、双向泵浦结构。34、和动态范围是光接收机的两个重要特性指标。5、随着激光器温度的上升，其输出光功率会 。精心整理36、目前，通信用光纤的纤芯和包层绝大多数是由 材料构成的。37、在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为 。38、根据光纤中的传输模式数量分类，光纤可分为 和o39、LD是一种阈值器件，它通过 发射发光，而LED通过发射发光。40、光纤色散主要包括、材料色散和偏振模色散41. 常见的光线路码型大体可以归纳为 3类：扰码二进制、和插入型码。42、在一根光纤中同时传播多个不同波长的光载波信号称为 o43、允许单模

5、传输的最小波长称为o44、在1.3卩m波段进行光放大通常用掺光纤放大器，1.55卩m波段通常用掺光纤放大45、导模的传输常数的取值范围为： o46、量子效率是用来衡量激光器的转换效率的高低，其主要分为内量子效率、 和o47、典型的光电瞬态响应有：光电延迟、和 。48、掺铒光纤放大器EDFA采用的泵浦源工作波长为1480nm和。49、自愈环结构可以分为两大类： 和o50、一般来说，无电中继传输距离超过 1000k m的系统被称为长距离传输系统，超过2000 km的被称为很长距离，超过3000 km被称为超长距离传输系统。51、系统容量和传输距离（无电中继）是衡量长距离WDM光传输系统性能的两个基

6、本指标。1、高锟 2 、激光光波光纤3 、纤芯包层涂覆层4、阶跃折射率型渐变折射率型5 、模式色散波导色散6、1.55 卩 m 1.31卩 m 7、NA = nil -nl 8ni 屯、：=9、850nm1550nm2 兀a 22-10、Vn2 n； 11 、HE1 12 、V : 2.405人013、自发发射受激辐射 14、半导体激光器发光二极管15、直接调制间接调制 16、光电二极管雪崩光电二极管17、980nm 18、155.520Mbit/s19、最坏值设计法20、光波光纤21、2.40522. NA=Jn；-n；23、电磁场24、再整形再定时25、斜射线26、色散：27、能带28、内

7、电场29、模式30、开销比特（或管理比特）31、270 X N32、激活物质（或增益物质）33、同向泵浦反向泵浦34、灵敏度35、减少36、石英37、LP0138、多模光纤单模光纤39、受激自发40、模式色散.字变换码波导色散41精心整理42、光波分复用43、截止波长44、错 铒45、kn2 ： - :：: kni46、外量子效率外微分量子效率 47、张弛振荡自脉动48、980nm49、通道倒换环复用段倒换环50、2000 300051、系统容量二、名词解释：1、瑞利散射2、色散位移光纤3、受激辐射4、直接调制和间接调制5、子午光线6、弱导波光纤7、阈值电流8、最坏值设计法参考答案1、瑞利散射

8、是光纤材料的本征散射，它是由于光纤中折射率在微观上的随机起伏所引起。石英光 纤在加热拉制过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩不均匀，这使物质的密度不均匀，进而使 折射率不均匀，这种不均匀性在冷却的过程中被固定下来。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的， 因此产生的散射称为瑞利散射。2、一种将零色散移到波长1.55卩m而该处损耗又最小的光纤。3、处于高能级的电子，在受到外来能量为 hf=（巳一曰）的光子激发的情况下，跃迁到低能级，从而发射出一个和激发光子相同的光子的过程称为受激幅射。4、将激光器LD或发光二极管LED的驱动电流用叠加在偏置电流上的电信号进行调制，由此实现对LD或LED输出的光强度进行

9、调制的方式称为直接调制。使LD或LED在一定的驱动电流下输出固定强度的光，再通过光调制器使输出光的信息随电信号而变化，将这种调制方式成为间接调制。5、处在一个子午面（包含光纤轴线的平面）内，经过光纤的轴线在周围边界面间作内部全反射的光纤。&纤芯折射率与包层折射率差极小的光纤。7、当LD注入电流达到将产生激光时的电流值。8、最坏值设计法是系统设计中最常用的方法，这种方法在设计再生段距离时，将所有参考值都按 最坏值选取，而不管其统计分布如何。 . i. -J- .|三、简答题：1、光纤通信发展至今经历了哪些里程碑？2、应用于光纤通信系统的光源应该具备什么要求？3、由P-I曲线知，半导体激光器是阈值

10、型器件，简述激光器随着注入电流的不同而经历的几个典 型阶段。4、光纤中产生损耗的主要因素是什么？光纤中有哪些损耗？5、简述雪崩光电二极管的工作原理。参考答案1、（1） 20世纪60年代初期，光纤通信发展史上迎来了第一个里程碑，世界上第一台相干振荡光 源红白事激光器问世，给光通信带来了新的希望；（2） 1966年华裔科学家C. K. Kao博士和G. A.Hockham对光纤传输的前景发表了具有重大历史意义的论文，1970年，美国康宁玻璃公司的Kapron 博士等人研制出传输损耗仅为 20dB/km的光纤，这是光纤通信发展历史上的一个里程碑。（3） 1985精心整理 年，南安普顿大学的Mears

11、等人制成了掺铒光纤放大器（EDFA （4） 1993年K. Hill等人提出了 使用相位掩膜法制造光纤光栅，使得全光器件的研制和集成成为可能，光纤光栅、全光纤光子器 件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信史上的又一个里程碑。2、光纤通信系统均采用半导体发光二极管（LED和激光二极管（LD）作为光源。这类光源具有 尺寸小、耦合效率高、发射波长在光纤中低损耗传输，响应速度快、波长和尺寸与光纤适配，并且可在高速条件下直接调制等优点3、半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。当注入电流较小时， 有源区里不能实现粒子数反转，自发发射占主导地位，激光器发射普通的荧光，其工作状态类

12、似 于一般的发光二极管。随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射占主导地位， 但当注入电流小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式 的振荡，激光器发射的仅仅是较强的荧光，这种状态称之为“超辐射”状态。只有注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐。模式明确的激光。4、由于吸收和散射的原因使光纤发生损耗。光纤中发生损耗的原因，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗，如熔接损耗，弯曲损耗，端面损耗，光学损 耗等。光纤本身的损耗有吸收损耗（本征吸收、杂质吸收）和散射损耗（瑞利散射、结构缺陷散 射）。本征损耗是光纤基础材料固有的吸

13、收，并不是杂质或者缺陷所引起的。本征损耗特点是确定 了某一种材料吸收损耗的下限，与波长有关。5、 当在光电二极管上加反向电压，使其耗尽区内的电场强度大于105V/cm时，光生载流子在强电场作用下高速通过耗尽区向两级移动。在移动过程中，由于碰撞游离而产生更多的新载流子，形 成雪崩现象，从而使流过二极管的光电流成百倍地增加。利用光生载流子雪崩效应工作的PN结光电二极管就是APD6、光纤通信技术的特点7、单模光纤中有那几种色散？色散对光纤通信系统有什么影响？8半导体激光器产生激光需要那些条件？光纤通信对半导体发光器件有哪些基本要求？9、简述掺铒光纤放大器的工作原理？参考答案：6传输容量大；传输损耗小

14、，中继距离长；抗干扰性好，保密性强，使用安全；材料资源丰富， 可节约金属材料；重量纤，可绕性好，敷设方便；缺点是组件昂贵，光纤质地脆，机械强度低， 连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小7、单模光纤中有材料色散、波导色散和偏振色散。色散使得输出光信号脉冲被展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。&条件：1）.粒子反转分布条件（粒子能从“价带”泵浦到“导带”上）。2）.阈值条件（要有足够的能量使粒子泵浦到一定程度）。3）.选频机制（筛成单色光）。基本要求：1）.光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口：即短波长波段的0.85卩m和长波长波段的1.31卩m和1

15、.55卩m2）.能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。3）.与光纤耦合效率高。4）.光源的谱线宽度窄。5）.寿命长，工作稳定。9、掺铒光纤放大器的工作原理：在掺铒光纤中，低能级的电子吸收泵浦光的能量，由基态跃迁至 处于高能级的泵浦态。由于泵浦态上载流子的寿命时间只有 1us，电子迅速以非辐射方式由泵浦态 精心整理豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的粒子数积累从而实现了粒子数反转分布。信号光使得亚稳态上的电子以受激辐射的方式跃迁到基带上，对应 于每一次跃迁，都将产生一个与信号光子一样的光子，此信号光子与电子（受激辐射）一起发射 出去，实现了光放大。10

16、. 请写出激光产生的必要充分条件，并加以简单论述。10.答：激光产生的必要条件：1）粒子数反转分布（1分）当光束通过原子或分子系统时，一般情况下绝大部分粒子数处于基态；而如果激发态的电子数远 远多于基态电子数，就会使激光工作物质中受激发射占支配地位，这就是工作物质“粒子反转分 布”状态。（2分）2）减少振荡模式数（1分）想要得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质是不够的，这是因为：第一，在反转分 布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，第二 ，激发出的光可以有很多频率，对应很多模式，难 以形成单色亮度很强的激光。欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使 之不断地沿某一方

17、向得到放大，并减少振荡模式数目。（2分）激光产生的充分条件：1）起振条件一一阈值条件（1分）光在谐振腔内传播时，光在镜面上总有一部分透射损失，且镜面和腔内激活介质总还存在着吸收、 散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，称 这个条件为振荡阈值条件。（2分）2）稳定振荡条件一一增益饱和效应（1分）当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小并最终达到稳定，这种现象称为 增益饱和效应。（2分）11、请写出Maxwell方程组的微分形式，解释各个物理量的含义，并说明每个方程描述的物理现.答-已1象。)l H = J D2 )V D =-3)B =

18、 04)B（r,t）为磁感应强度矢量、D（r,t）为电位移矢量、H （r,t）其中：E （r,t）为电场强度矢量、L IJ = J （r,t）为电流密度矢量为磁场强度矢量、=（r,t）为圭寸闭曲面内的自由电荷密度标量、（1）式来源于法拉第电磁感应定律，指出变化的磁场会产生感应的电场，这是一个涡旋场，其电力线是闭合的，不同于闭合面内有电荷时的情况，且只要所限定的面积中磁通量发生变化，不管导体存在与否，必定伴随电场的变化。（2）来源于安培环路定律，但麦克斯韦将其加上了由电场变化感生的位移电流项（其中J D二卫为位移电流密度），说明在交变电磁场作用下，磁场既包括传导电流与空间自由电荷产生精心整理的部

19、分，也包括位移电流产生的部分，变化的电场产生的位移电流与传导电流以及空间自由电荷 电流在产生磁效应方面是等效的。（3）来源于电场的高斯定律，表示电场可以是有源场（4）来源于磁通量连续定律，即通过一个闭合面的磁通量等于零，磁场是一个无源场，磁力线永远是闭合的。四、计算题：1、阶跃光纤纤芯和包层的折射指数分别为 n 1=1.46，化=1.45，试计算：1）纤芯子和包层的相对折射指数差;2）光纤数值孔径NA3）在1km光纤上,由于子午线的光程差所引起最大时延差Atmax4）若将At maX减小为10ns/km, n 2应选什么值；2、阶跃光纤，n1=1.465,入=1.31 卩 m,1）A =0.25，保证单模传输时，芯子半径a应取多大；2）若取芯径a=5卩m,保证单模传输时，应怎样选择？3、半导体激光器发射光子的能量近似等于材料的禁带宽度，已知GaAs材料的&=1.43eV,某一InGaAsP材料的Eg=0.96eV，求它们的发射波长。参考答案：1 解：1) A =