南邮《光纤通信技术》综合练习册期末复习题

南京邮电大学高等函授

《光纤通信技术》

综合练习习题与解答

南京邮电大学继续教育学院

2021年2月

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《光纤通信技术》综合练习

注：此版本的综合练习册对应教材是《光纤通信技术》，孙学康主编，北京邮电

出版社出版社，（第三版），978-7-115-28411-2o

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,对应的频率范围

是O其中三个低损耗工作波长是：,长波长为

和,对应的损耗值约为,和=

2、光纤通信是以作为载波，以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和检波方式

是O

4、光纤数字长途通信系统主要有、、和四

大部分组成。

5、根据传播方向上有无电场或磁场分量，可将光的传播形态分为波、

波和波三类。

二、名词解释题

1、光纤通信

三、简答题

1、何为TEM波，TE波和TM波？

2、光纤通信的主要优点？

3、简述光纤通信技术的发展趋势。

四、画图题

1、请画出光纤数字通信系统的原理方框图。

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？

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？

3、什么是临界角？全反射的条件是什么？

4、写出介质I和介质H中合成波的表示式？并说明其物理意义？

5、什么是导行波？

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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o

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。

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o

5、所谓弱导波光纤是指纤芯折射率包层折射率的光纤。

6、按照光纤折射率分布的不同，光纤可以分为和；按照光纤中

传输模式的多少，光纤可以分为和o

7、在阶跃型光纤中，导波的主模为,第一高次模为,

其单模传输条件是o

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的现象。

II、形成光纤损耗的原因，归结起来主要包括和两大类，

12、单模光纤中不存在色散，只有和o

13、表示光纤色散程度的物理量是o

14、造成光纤传输衰减的原因是它主要可以分为和两大类。

15、在阶跃型光纤中，导波的传输条件是而截止条件是。

16、光缆主要由、和等几部分组成。

17、常用通信光缆的缆芯结构有、、和骨架式等

几种。

18、对标准单模光纤,在；1=处，色散系数D=Dm+Dw=0,这个

波长称为。

19、按照射线理论，阶跃型光纤中的光线主要有和两种.

二、名词解释题

I、相对折射指数差

2、数值孔径

3、弱导波光纤

4、光纤的子午面

5、子午光线

6、导波的基模

7、LP模

8、自聚焦

9、本地数值孔径

10、材料色散

11、波导色散

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径a=X〃〃，工作波长=

求：（1）光纤中传输的模式数量：

（2）若要实现单模传输，则纤芯半径应如何选择？

7、阶跃型光纤中，已知纤芯和包层折射指数分别为4=1.51,%=149,纤芯半径

a=4pm,工作波长4=1.31〃%。

求：（1）光纤中传输的模式数量；

（2）每公里长度光纤的模式色散。

光端机•发射机

一、填空题

1、在外来光子的激发下，低能级日上的电子吸收了光子的能量例二E2-ED而跃迁到高能级

场的过程，称为。

2、随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会o

3、在外来光子的激发下，低能级Ei上的电子吸收了光子的能量/次=E2-Ei）而跃迁到高能级

E2的过程，称为o

4、对光发射机的消光比指标，一般要求为小于或等于o

5、随着温度的逐步升高，LD的阈值电流o

6、激光器主要由能够产生激光的工作物质、和光学谐振腔等三部分构成。

7、半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的根本区别是。

8、激光器光学谐振腔的谐振波长的表达式为0

9、光发射机主要有输入电路和两大部分组成。

10、半导体激光器中光学谐振腔的作用是提供必要的以及进行频率选择。

11、光发射机光接口的主要性能参数是输出光功率和o

12、光发射机的消光比过天，会使接收机的特性变坏。

13、半导体激光器的温度特性是指和阈值电流随温度变化的特性。

14、LED适用于的光纤通信系统。

15、在热平衡条件下，一个电子占据一个能量为E的能级的概率o

16、光纤通信中，光源的作用和目前常用的半导体光源主要

有，；O

17、半导体发光二极管与半导体激光二极管在结构上的根本区别是LED,它

所发出的光是,

18、光和物质相互作用时存在的三种基本跃迁过程是、和

19、粒子数反转分布是指o此时，受激辐射的概率受激吸收的

概率。在外来光子的激发不就会产生光的作用。

20、处于粒子数反转分布状态的物质称为。

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21、为了获得稳定的激光输出，激光器必须满足和两个条件。

22、在由LD组成的光发送机中，一般都需要采用和自动控制电

路来稳定激光器的和o

二、名词解释题

】、受激辐射

2、光源的宜接强度调制

3、光发射机的消光比

4、光源的间接强度调制

5、自发辐射

6、粒子数反转分布

7、增益物质（或激活物质）

8、激光器的阈值条件

三、简答题

1、光纤通信系统对半导体光源的基本要求是什么？

2、光纤通信系统对光发射机有哪些要求？

3、激光器谐振腔内的激光振荡是如何产生的？

4、激光器主要由哪几部分组成，各部分的主要功能是什么？

5、何谓光源直接调制方式？其主要特点是什么？

6、简述半导体激光器产生激光的机理。

7、LED和LD的工作特性有哪些不同？在光纤通信中，它们各有什么应用？

8、什么是半导体的光电效应？

四、画图题

1、画出数字信号对LD的直接调制的原理图。

2、画出光发射机输入盘的原理方框图。

3、画图表示光与物质相互作用的三个基本物理过程，即自发辐射、受激吸收和受激辐射。

4、画出直接强度调制直接检波光纤数字通信系统中光发射机的发送盘的原理方框图。

5、分别画出半导体发光二极管和半导体激光器的典型输出特性曲线，并在LD的输出特性

曲线上标出阈值电流点以及荧光区和激光区的范围。

6、画出用模拟电信号对LED光源直接强度调制的原理图。

7、画出强度调制-直接检波光纤数字通信系统中，光发送机的基本组成框图。

光端机•接收机

一、填空题

1、为了得到较高的信噪比，对光接收机中前置放大器的要求是。

2、影响光接收机灵敏度的一个主要因素是。

3、为了使APD正常工作，在其P-N结上应加o

4、PIN光电二极管的响应度Ro的单位是。

5、雪崩光电二极管具有效应，使光电流在管子内部即获得了倍增。

6、光接收机中，判决器和时钟恢复电路合起来构成电路。

7、在PIN光电二极管中，P型材料和N型材料间加一层轻掺杂N型材料称层。

8、光接收机中，由APD引入的噪声主要有量子噪声、暗电流噪声和等三种。

9、量子效率和都是描述光电检测器光电转换能力的一种物理量。

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10、在光接收机中，与光旦检测器紧相连的放大器称为

二、名词解释题

1、光电检测器的响应时间

2、APD的雪崩倍增因子

3、雪崩倍增噪声

4、光接收灵敏度

5、光接收机的动态范围

6、光电检测器的暗电流

三、简答题

1、在数字光接收机电路中，为什么要采用均衡器？

2、什么是APD的雪崩倍博效应？

3、为什么要求数字光接收机的接收光功率具有一定的动态范围？

4、光接收机电路中自动增益控制的主要作用是什么？

5、什么是半导体材料的光电效应？

6、光接收机都有哪些噪声？

四、画图题

1、画出光接收机中，自动增益控制的工作原理框图。

2、画出在光接收机中，单个脉冲在均衡器前后的波形，

3、画出强度调制直接检波光纤数字通信系统中光接收机的基本组成方框图。

光纤通信系统

1、填空题

1、在误码性能参数中，严重误码秒的误码门限值为O

2、对于8化8kb/s码速率的数字信号，UI的抖动对应的时间为u

3、二次群PCM端机输出端口的接口码速率和接口码型分别为o

4、在下列数字光纤通信系统的线路码型中，属于分组码的码型是o

5、在光纤通信系统的光中继器中，均衡器的作用是。

6、三次群PCM端机输出端口的接口码速率和接口码型分别为o

7、速率为力，的NRZ码经4B1H码型变换后，线路码的速率是o

8、抖动的定义为数字信号的与其理想时间位置的短时间偏离。

9、光纤中的监控信号除了可借助光缆中的金属导线传输外，还可利用天传输。

10、光定向耦合器的主要特性参数有插入损耗、和隔离度等。

11、光纤通信系统的输入抖动容限是指系统产生抖动的范围。

12、光纤通信的监控系统大致可分为对一个数字段进行监控、和对跨越数字

段进行监控等三种。

13、光纤数字通信系统的误码性能和是传输性能中的两个主要指标。

14、对光隔离器的主要要求是插入损耗低和o

15、输入信号无抖动，光纤数字通信系统输出信号的抖动范围称为o

16、在光纤通信系统中，利用光纤来传输监控信号时，可采用频分复用和两

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种传输方式。

17、光纤通信中常用的线路码型主要有、、、（加

扰二进码）。

18、mBIH码是在m比特信码流以后插入。

19、mBIP码是在每m比特信码流以后插入。

20、mBIC码是在每m比特信码流以后插入。

21、根据功能的不同，光纤通信监控系统的三种组成方式是、和

三种。

22、在光纤通信的监控系统中，用光纤传输监控信号的方式可以分为和

____________两种.

23、在光纤通信的保护倒换系统中，保护方式主要有和两种。

24、在一个实用的光纤数字通信系统中，需要在发送端设置（脉冲插入）和接收端设置（脉

冲分离）电路，以便用来传送（监控信号）、（公务联络信号）、（区间通信信号）以及其它

信号。

25、对于64kb/s速率。系统参考模型有、和三种

假设形式。

26、一个标准的假设参考连接（HRX）包含14个和13个，全

长，它是一个全数字的的连接。

27、对于HRDL,我国长途一级干线的标准长途为;对于HRDS,我国长途

一级干线的标准长度为，长途二级干线的标准长度为，市话的

标准长度为o

28、在数字通信系统中，表示误码性能的参数主要有和分别用

于和通信。

29、在光纤数字通信系统中，表示抖动性能参数主要有

和。

30、衡量抖动大小的物理是共单位是v

二、名词解释题

1、mBIH码

2、比特误码率

3、单位间隔（UI）

4、输出抖动容限

5、插入比特码

6、抖动

7、mBnB码

8、误码秒比

9、严重误码秒比

10、假设参考数字链路

11、假设参考数字段

12.误码率

13.抖动

见教材。

14.抖动峰一峰值

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15.数字周期(UD

16.输入抖动容限

17.光通道色散代价

18.传输系统的可靠性和可靠度

三、简答题

1、简述光隔离器的主要作用和要求。

2、数字光纤通信系统中，线路码型应满足哪些条件？

3、光纤连接器的主要作用和要求是什么？

4、在光纤通信系统设计中涉及哪些系统部件的选择？

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？

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？

四、画图题

1、画出最简单的光中继器原理方框图。

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ImW,接收机灵敏度为

-35dBm,全程光纤平均接头损耗为0.05dB/kmc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？

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。

3、一光纤通信系统的光纤损耗为().33dB/km,光发射机的平均发送光功率为IdBm,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1NW,试核

算该接收机能否满足系统设计要求。

4、已知一个565Mb/s单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：

(i)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1.8nmo设计中，取一个光纤活动连接器的损耗为IdBo光缆富裕度为

O.ldB/km,设备富裕度为5dB,光通道色散代价为IdB。

求：最大中继距离。

5、一光纤通信系统的光纤损耗为().33dB/km,光发射机的平均发送光功率为2dBm,全程

光纤平均接头损耗为0.05dB/km,光接收机在规定的误码率指标条件下允许的最小接收光

功率为1NW。现要求无中继传输距离为75km,试校核系统富裕度是否满足设计规定的

6-8dB的要求？

6、一单模光纤通信系统，其光发射机的平均发送光功率为2dBm,光接收机在满足规定误

码率指标的条件下允许接收的最小光功率为10.6w,光纤的损耗为0.35dB/km,若设计要

求系统富裕度为7dB,中继传输距离为60km,则全程光纤平均接头损耗的上限应为多少？

7、已知某光纤通信系统的光发送机光源的入纤功率为2mW,光纤损耗为0.5dB/km,光纤

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平均接头损耗为O」dR/km,光接收机最大允许输入光功率为32uW,光接收机的动态

范围可达19dB,系统富余度7dBo试核算在无中继传输距离分别为15km、40km、60km

情况下，该系统能否正常工作？

8、已知一光纤通信系统的接收机灵敏度为-35dBm，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,无中继传输距离为80km。试问

在选用光发射机时，其平均发送功率最小应为多少（分别用dBm和mw两种单位表示计算结

果）？

光放大器

一、填空题

1、目前，掺饵光纤放大器小信号增益的最高值可达O

2、掺银光纤放大器中，用于降低放大器噪声的器件是o

3、EDFA中将光信号和泵浦光混合起来送入掺银光纤中的器件是。

4、随着输入光功率的逐步增加，EDFA功率增益的变化趋势为o

5、目前，EDFA噪声系数的范围约在0

6、EDFA作光中继器使用时，其主要作用是使。

7、随着输入光功率的逐步增加，EDFA输出光功率的变化趋势为°

8、EDFA的工作波长所处的范围是o

9、掺银光纤放大器作前置放大器使用时，其主要作用亳o

10、按照泵浦方式的不同，EDFA可分为、反向泵浦结构和双向泵浦结构等

三种形式。

11、EDFA功率增益的定义式为o

12、目前，EDFA采用的泵浦光波长有和两种。

13、EDFA的主要特性指标是功率增益、输出饱和功率和o

14、掺银光纤放大器在光纤通信系统中的应用主要有作为、和

15、掺银光纤放大器的优点之一是工作波长处在范围，与光纤最低损耗窗口

一致。

二、名词解释题

1、掺饵光纤放大器的功率增益、输出饱和功率和噪声系数

三、简答题

1、在掺锐光纤放大器中，掺锐光纤•、泵浦光源、光耦合器和隔离器的作用分别是什

么？

四、画图题

1、画出同向泵浦结构掺银光纤放大器的结构示意图。

2、用图表示EDFA在光纤通信系统中的三种应用形式。

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《光纤通信技术》综合练习参考答案

71/电参考卷嚓与锦4系符，“福4%施。

概述

一、填空题

l、0.8~L8Mm,167THz~375THz,0.85gm,1.31gm,1.55Hm,2dB/km,0.5dB/km,0.2dB/km

2、光波，光纤

3、强度调制，直接检波

4、光发送机，光接收机、光缆、放大器

5、电磁波、TE、TM、TEM

二、名词解释题

I、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G（3）抗阻磁干扰能力强（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

1、请画出光纤数字通信系统的原理方框图。

见教材72页。

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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（（）-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：平面波沿片方向由介质I射到两介质的分界面上，这时将产生反射和折射。一部

分能量沿后'方向反回原来的介质，这称为反射波；一部分能量沿依方向进入第二种介质，

称为折射波。入射线、反射线、折射线各在公，，依方向，为，即'，外为入射

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：

/?isin01=〃2sin02

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：

R_%cos仇-n2cos02

nxcosq+n2cos02

T_2〃]COS4

/?!cos0xIn2cos6^2

垂直极化波：

c%cos01一〃[CO$&

R=1---------------

n2cos。[+cos

,_2〃]cos，

L—

n2cos。1+%cos^2

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90。时的入射角称为临界角，用夕c表示。利用折射定律可

得出

全反射的条件是：

勺>n2

0<q<90。

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：在全反射情况下，介质I中合成波的表达式为：

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E,=2E01cos《/+R)e"f)

从式中可得出以下结论：

(1)第一项cos(-xr+31)是合成波表达式的幅度中的一部分，由物理的波动学知道,

这是一种驻波的形式，说明合成波沿X方向按三角函数规律变化，呈驻波分布；

(2)第二项"八"户我)在表达式中是相位成分，可看出相位随z增加而落后，即相位

随传播距离Z的增大而越落后。显然表示是一个沿Z传播的成份。即沿Z是呈行波状态。

结论：在全反射情况=，介质I中的波是沿Z方向传播的。

在介质n中只有折射波E2,在全反射情况下，介质H中水平极化波电场分量的表示

式为：

石2=昂|7

从式中可得出以下结论：

(1)式中包含两个因子，随Z方向变化的相位因子为6寸氏k叫》,它说明沿Z方向呈

行波状态，其相位常数klz与介质I中的相位常数相同。说明介质I中的波和介质II中的

波是一个统一波型的两部分，它们用同样的速度沿Z方向传播。

(2)随x方向变化的因子是0一小，它是描述幅度情况的因子。说明介质II中波的幅

度随离开界面的距离越远而呈指数式的减少，减小的速度以参量。米决定，称为X方向的

衰减常数。

结论：在全反射情况下，介质n中的波既有用同样的速度沿z方向传播的波，又有沿

X方向的衰减波。

5、什么是导行波？

答：当衰减常数。足够大时，"很小，介质n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。

光纤与光缆

一、填空题

1、全反射

2、0]>0C=sin7—

3、位于光纤子午面内、同一子午面内

4、0<(p<外小=sin"—=sin-1_冠)

〃o

5、稍大于

6、阶跃型光纤、渐变型光纤、多模光纤、单模光纤

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7、弱导波、ZJ大、LRi、0<V<2.40483

2叫

8、

2.40483"

9、可以使光纤中产生自聚焦现象

10、相同的轴向速度

II、吸收损耗

12、模式色散，材料色散和波导色散。

13、时延差

14、光纤损耗、材料吸收损耗、材料散射损耗

15、V>VC>V<VC

16、加强元件

17、带状式

18、G.625、L31Nm、零色散波长

19、子午线和斜射线

二、名词解释题

1、相对折射指数差

22

n-办

A=—}—广

2〃；

2、数值孔径

M4=〃oSin®nax，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盅(«1)稍大于包层折射率(«2)的光纤u

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三矢量的端点随时间变化

的轨迹为•条直线。

8、自聚焦

渐变型光纤中不同射线，具有相同釉向速度的现象。

9、本地数值孔径

在渐变型光纤中，把射入纤芯某点，•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

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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B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宜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小稍大于包层折射率〃2的阶跃型光纤。由于

A=丛二区比较小，所以NA=珥V2A和A/a、=幺A都比较小。

为maxc

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：可以使光纤中产生白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定分布,

接近于双曲正割型光纤的折射率分。，因此可以认为平方律型折射指数分价光纤，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：

r7

〃⑺=H(0)1-2A—

I"人

式中

人/(())—“2(为

A=------；-------

2/(0)

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〃」，随半径，•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，•处的光线的数值孔径，称为该点的本地数值孔径，

记作NA⑺。只有当入射光线的端面入射角勿＜在射的射线，才可成为导波。渐变型光纤芯

子中某点的数值孔径可写为：

NA⑺=n(r)V2A

n2(r)-n2(a)

=〃(r)

“2(尸)

=yln2(r)-n2(a)

式中，一为光纤芯子中任一点到轴线之间的距离，〃⑺为该点的折射指数。

4、给出渐变型光纤中导波相位常数B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B的变化范围为

3<P<k。%

第14页共36页

对十导波，应限制在纤芯中，此时，<心々，当夕《心〃2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B的解析式，

可利用它分析光纤中的色散特性。

P的解析式为，

-2/5A-

P,nn=心“(°)1一.\n,(加+〃+1)

如令〃=/〃+〃，则有〃个〃7和〃的组合，可以得到相等的B值。将P代入上式得出

-,---------|1/2

0(p)=")+

勺〃(0)4

可以看出，对于〃7和〃不同，但〃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B值相同的模式，就构成了一个模式群，而〃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MmaL^max,又k上，步以平方律型折射指数分布光纤中总

HIUA111dA2

的模数量为

V2

Mmax=——4

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LPos和LPoiy,它们的相位常数不同，即

A*By，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

数色工4。

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0<V<2.404830

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。山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。

第15页共36页

山Ar可知，模式色散与光纤的纤芯折射率（川），包层折射率（耳2）以

111dA

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：U=W>"；_/?2,称为导波的径向归一化相位常数；W=a^p2-k^n},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。

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。

五、计算题

I、已知阶跃型光纤的勺=1.51,%=1.49,工作波长2=1.31Nm,纤芯半径a=25Nm。

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：

22

△=%(1.51尸_(1.49)2

(1)=0.01

2(1.5I)2

式中，△称为相对折射指数差，其定义见教材。当勺与〃2差别极小时，这种光纤称为弱导

波光纤，此时

A*5^

（2）=勺收1=1.51J2x0.01=0.21

式中，NA称为数值孔径，其定义见教材。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）M=—

2

而V=—n16/V2A=—x1.51x2572x0.01=25.52

21.31

V2（2552『

所以M=—「）=326（个）

22

第16页共36页

式中，M称为光纤中传输的导模数，其定义见教材。而V称为光纤的归一化频率，其定义

见教材。在光纤中，当不能满足单模传输条件(0<V<2.40483)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

0<V<2.40483

而V=与勺。而<2.40483

从上式解出。为：

2.4CM8372.40483xl,31

O<a<=2.36(〃m)

2勿4V2A2^x1.5172x0.01

3

1OX1OX1.51XO.O1〕$)

⑸“nax=5.03x10

3xl08

式中，称为最大时延差，即模式色散值。其定义见教材。弱波导光纤由于△很小,

所以△入“,也较小。即可以减小模式色散。

2、已知阶跃光纤的々=1.51,△=().5%,2=1.31/#??,光纤中的导模数M=8。

求：纤芯半径a。

V2

解：因为M=—

2

所以V=y[2M=72^8=4,而丫="〃口而

✓1

,V24x1.31匚、

所rr以ia=-----=-------------/=5.6(/〃7?)

2町V2A2不x1.5J2x0.005

3、已知阶跃型光纤的％=1.51,△=0.0018,2=1.31"〃，纤芯半径a=7Nm。求：光

纤中可以传输哪几种模式？

解：因为v=二〃〃同=2x1.51x7/2x0.0018=3.02

A1.31

可见0<V<3.82171,由于Vc(LPm)=0,VC(LPU)=2.40483,

VC(LP()2.)=3.83171

所以根据导模传输条件V>匕.可知，此光纤中能传输LP(”和L片两种模。

4、已知阶跃光纤的〃।=149,A=0.0024,4=纤芯半径a=4Nm,导波的径

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向归一化相位常数7=1.529。

求：(1)径向归一化衰减常数W。

(2)轴向相位常数夕。

o__c_________

解：(1)因为V=3%a属=与X1.49X4J2X0.0024=2

2,1.31

而丫=加+/,从上式解出W可得：

w=y/v2-u2=J(2)2—(1.529)2=1.29

(2)因为U=〃J(K0%)2—>2,K0=C

A,

以

=7.14x106(raJ/ni)

5、已知渐变型光纤的纤芯折射率分布为〃。•)=〃(())1-2A(-)2

a

求：本地数值孔径。

解：因为N4⑺=J"?⑺一行

已知/?(r)=〃(0)1-2AW\从此式可得:

n2=〃⑺|…=〃(0)[1-2邛

所以NA(r)=n(0)I-ZAM-[1-2A]=/?(0)2A1

6、阶跃型光纤中，已知纤芯折射指数为々=1.51,相对折射指数差△=0.014,纤芯半

径a=8"〃，工作波长几二1.31〃72。

求：(1)光纤中传输的模式数量；

(2)若要实现单模传输，则纤芯半径应如何选择?

解：(1)因为M=—

2

而V=—n,V2A

2

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I(27iar—^.4x/x8」

所以M=------W.V2A=----z—/?,2A=-----------x1.512x0.014=47

2(2।)A21.312

(2)因为阶跃型光纤中的单模条件为

0<V<2.40483

而V=—W1V2A

A

2.404832.40483

所以a<=1.98//m

——xl.51xV2x0.014

1.31

7、阶跃型光纤中，已知纤芯和包层折射指数分别为勺=1.51,/12=1.49,纤芯半径

a=,工作波长4=1.31/Lon。

求：(1)光纤中传输的模式数量；

(2)每公里长度光纤的模式色散。

解：(1)A=^—=L51~1,49=0.0132

勺1.51

V2

因为M=—

2

而V=—W,V2A

2

12加f—4乃％2247r2X422八八1”..

所以M=—(-----7?.v2A)2=-----；—n,•A=------；—x1.51x0.0132=11

2A12211.312

⑵因为△小号A

N

所▼以…_△口吧”.=」\△A=-1-.-5-1-x-0--.0-1--3-2=6".6x1，0八_8^s//k,m

Lc3xl05

光端机•发射机

一、填空题

1、受激吸收

2、逐渐增大

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3、受激吸收

4、10%

5、逐渐增大

6、泵浦源

7、发光二极管没有光学谐振腔

8、一

q

9、电光转换电路

10、光反馈

11、消光比

12、接收灵敏度

13、输出光功率

14、中低速率，短距离

1

15、

E-E

1-exp(f)

KT

16、提供光载波，半导体发光二极管（LED）、半导体激光二极管（LD））、（实现光电转换,

PIN光电二极管（PIN）,雪崩光电二极管（APD））。

17、没有光学谐振腔、荧光

18、自发辐射、受激辐射、受激吸收

19、物质中高能级的粒子数大于低能级的粒子数、大于、放大

20、增益物质（或激活物质）

21、振幅平衡、相位平衡

22、温度、功率、输出光功率、阈值也流

二、名词解释题

1、受激辐射

处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级Ei，同时放出一个能量为

”的光子的过程。

2、光源的直接强度调制

宜接在光源上进行调制，即宜接调制半导体激光器的注入电流。

3、光发射机的消光比

全“0”码时平均光功率”

全“1”码时的平均光功率6

4、光源的间接强度调制

间接调制是指不直接对光源调制，而是在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制

的方式。

5、自发辐射

处于高能级E2的电子，在未受到外界激发的情况下，自发地跃迁到低能级E2,在跃迁过程

中，发射出一个能量为例=E2-ED的光子，这一过程称之自发辐射。

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6、粒子数反转分布

物质中处于高能级的粒子数N2大于处于低能级的粒子数Ni的分布状态称为粒子数反转分

布。

7、增益物质（或激活物质）

处于粒子数反转分布的物质称为增益物质，亦称为激活物质。

8、激光器的阈值条件

阈值条件就是激光器能产生激光振荡时的最低增益系数值，可以表示为G=Gt=a.

三、简答题

1、光纤通信系统对半导体光源的基本要求是什么？

答：（1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口；（2）能长时间连续工作,

并提供足够的输出光功率；（3）与光纤的耦合效率高；（4）光源的谱线宽度窄；（5）寿命

长、工作稳定；（6）体积小、重量轻。

2、光纤通信系统对光发射机有哪些要求？

答：a.有合适的输出光功率；b.有较好的消光比；c.调制特性好；d.电路尽量简单、成

本低、光源寿命长。

3、激光器谐振腔内的激光振荡是如何产生的？

答：激光器光学谐振腔中的工作物质在泵浦源的作用下变成激活物质后有了放大作用，

被放大的光在谐振腔的两个互相平行的反射镜面之间来回反射，进一步得到放大。但是在

这一过程中也要消耗一部分光能（腔内损耗和反射损耗），当放大足以抵消损耗时，激光器

就形成激光振荡。

4、激光器主要由哪几部分组成，各部分的主要功能是什么？

答：主要由能够产生激光的工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。工作物质的

主要功能是能处于粒子数反转分布状态，从而产生激光；泵浦源是使工作物质产生粒子数

反转分布的外界激励源；光学谐振腔提供必要的光反馈以及进行频率选择。

5、何谓光源直接调制方式？共主要特点是什么？

答：直接调制是指直接在光源上进行调制的调制方式，即直接调制半导体激光器的注

入电流的调制方式，这要特点为简单方便；但这种调制方式会使激光器的动态谱线增宽，

造成在传输时色散影响加大，从而限制了通信容量和传输速率。

6、简述半导体激光器产生激光的机理。

答：在半导体激光器的P-N结上外加的正向偏压足够大时，将使得结区处于粒子数反

转分布状态，即出现受激辐射大于受激吸收的情况，可以产生光的放大作用。被放大的光

在光学谐振腔中来回反射，不断加强。当满足阈值条件后，即可发出激光。

7、LED和LD的工作特性有哪些不同？在光纤通信中，它们各有什么应用？

答：相对于LD而言，LED有下列优缺点：

（1）光谱较宽

由于LED属于自发辐射光，因此，其谱线宽度要比L1）宽得多，这一点对于高速信

号的传输是不利的。

（2）光源输出特性曲线（P~I）的线性较好

这是LED的优点，在进行调制时，其动态范围大，信