光纤通信基础复习题及答案

光纤通信基础复习题及答案

1．光通信的发展大致经历几个阶段？

光通信的发展大致经历如下三个阶段

可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代战争中的信号弹、信号树，舰船使用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可视光通信。

大气激光通信阶段：光通信技术的发展应该说始于激光器的诞生。1960年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使人们开始对激光大气通信进行研究。激光大气通信是将地球周围的大气层作为传输介质，这一点与可视光通信相同。但是，激光在大气层中传输会被严重的吸收并产生严重的色散作用，而且，还易受天气变化的影响。使得激光大气通信在通信距离、稳定性及可靠性等方面受到限制。

光纤通信阶段：早在1950年，就有人对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。1951年发明了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，达到1000 ，即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不可能。1970年，美国康宁公司果然研制出了损耗为20的光纤，使光纤远距离通信成为可能。自此，光纤通信技术研究开发工作获得长足进步，目前，光纤的损耗已达到0.5（1.3μm）0.2（1.55μm）的水平。

2. 光纤通信技术的发展大致经历几个阶段？

第一阶段（1966～1976）为开发时期.

波长: λ= 0.85,

光纤种类: 多模石英光纤,

通信速率: 34～45,

中继距离: 10.

第二阶段（1976～1986）为大力发展和推广应用时期.

波长: λ= 1.30,

光纤种类: 单模石英光纤,

通信速率: 140～565,

中继距离: 50～100.

第三阶段（1986～1996）以超大容量超长距离为目标,全面推广及开展新技研究时期.

波长：λ= 1.55,

光纤种类: 单模石英光纤,

通信速率: 2.5～10,

中继距离: 100～150.

3.光通信基本概念：

光通信：利用光波进行信息传输的一种通信方式。

光纤通信：利用光导纤维作为光波传输介质的一种通信方式。

光波导：传输光波的介质。例如光纤。

光纤通信的三个窗口: 0.85 1.30 1.55.

4.推导光纤数值孔径公式

称之为光纤的数值孔径。是反映光纤扑捉光线能力大小的一个参数。 = √n12- n22

图2-3 光波在光纤子午截面内的传播

由图可知:

θc= n2 / n1

θ1θa = n1 / n0

θa = (90°- θc) = θc

θ1 / θc = n1 / n0

θ1 = θc ×n10

=√12θc × n10

又θc = n2 / n1

故θ1 =√1-（n2 / n1）2× n1 / n0

n0θ1=√n12- n22

n0θ1 =

= √n12- n22

5.何谓光纤的损耗？光纤的传输损耗有哪几种？

光纤损耗：指光能在传输过程中逐渐减小或消失的现象。

光纤传输损耗主要有三种：

①吸收损耗

②散射损耗

③微扰损耗

⑴吸收损耗：吸收损耗是由光纤材料吸收光能并转化为其他形式能量而引起的损耗。

吸收损耗可分为两种：固有吸收损耗、非固有吸收损耗

⑵散射损耗

这是由光纤材料在微观上的颗粒状结构和气泡等不均匀结构引起的损耗。散射损耗分为线性散射损耗和非线性损耗。

⑶微扰损耗

是指光纤的几何不均匀性引起的损耗.包括内部因素和外部干扰引起的不均匀性.如折射率、直径的不均匀性、微小弯曲等。

6. 何谓光纤的色散？光纤的色散有哪几种？

指具有一定谱线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引起光脉冲展宽的现象。

光纤的色散可以分为四种：

⑴材料色散

材料的折射率n是波长λ的非线性函数，从而使光的传播速度随波长而变.光脉冲通过光纤时，由于速度不一样，到达终端的时间不一样，造成光脉冲的展宽。

⑵波导色散

又称结构色散。是由光纤几何结构引起的色散，例如横向尺寸沿光轴的波动，使部分光波进入包层。

⑶模式色散

存在于多模光纤中.在多模光纤中存在多种传播模式,即使是同一波长，每个模式到达光纤终端的时间不同，造成光脉冲的展宽。由模式引起的色散叫模式色散。

⑷偏振色散

单模光纤中存在双折射时，偏振方向相互正交的两个基模传播速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。

7.光无源器件有哪几种结构形式？何谓自聚焦棒透镜？

有三种结构形式: 体块型、全光纤型、波导型。

自聚焦棒透镜，用梯度折射率光纤制作，如图所示。

图4-1自聚焦棒透镜

自聚焦棒透镜的长度：

L = 4

P = 2π /√A

A =｛n2(0)22｝/2 n2(0) (渐变)

或

A =｛n1222｝/2 n12 (阶跃)

8.光纤间连接时可能存在哪几种连接缺陷？

光纤间连接时可能存在的连接缺陷如图所示。

向错位

(c) 倾斜（d）端面不平滑

光纤纵向连接的有效性可用传输系数T来表示。

T = / 模场半径分别为s1、s2的两条单模光纤在不同情况下的传输系数。

①存在纵向间隙Ｄ时的功率传输系数

T = 4(4Ｚ21222)/｛[4Ｚ2+(s1222)22]2+4Ｚ2s2212｝

当Ｄ = 0时，即光纤间的间隙为0，则：

T = T0 = (2s1s2)2/(s1222)2（4-10）

②存在横向位移ｄ时的传输系数

T = T0[-2d2/(s1222)] （4-11）当s12 时:

T = (- d22) （4-12）

③存在倾斜角θ时的传输系数

T = T0{-(k0n2s1s2θ)2/2(s1222)} （4-13）k0 = 2π/λ

n2—光纤包层折射率

9.透镜耦合式光纤连接器有那几种形式？

透镜耦合式连接器有如下三种形式：

（a）薄球面透镜式

（b）球或柱面式

（ c ）自聚焦棒透镜式

图4-15 透镜耦合式连接器的形式

10. 2×2定向耦合器的结构及工作原理？

①

③

② ④

图4-21 2×2定向耦合器

2×2定向耦合器是最基本的耦合器，是用两光纤的芯子

尽量靠近制作而成的。

方法：侧面研磨法、熔锥法

2×2定向耦合器的工作原理：靠倏逝场的作用而工作

的。

侧面研磨法制作时两光纤间的距离计算：

d （Z ）= d0 + 2（R –√R 2 + Z 2） （4-34）

d0 两光纤的最小间距

光纤轴线的弯曲曲率半径

Z —耦合长度坐标

11. 如何用2×2定向耦合器测定光纤故障点的位置？

如图所示。测试系统由光源及脉冲驱动电路、2×2定向

耦合器、、示波器组成。

半导体激光器输出光脉冲，在光纤中传输到故障点时产生部

分反射，测量反射脉冲的延迟时间就能计算出故障点的位置

L 。×2

图4-22 光纤故障点的测试

12．有相同频率间隔的8路光信号进入由2×2定向耦合器

组成的8×8星形耦合器，绘图说明它是如何合波的？

8×8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．绘图说明型光滤波器工作原理？

腔的构成

体块型腔光滤波器工作原理如图所示。反射镜M1、M2

间的距离为L 、反射率为r1、r2、透过率为t1、t2。一平面

光波垂直入射到反射镜M1上，此时有部分光反射，部分光

进入腔，在腔内经多次反射与透射后，则在腔的左右两侧各

有一组光束输出。

在左方输出的一组光束叫反射光，在右方输出的一组光

f 1 F 8 f 1……f 8

f 1……f 8

束叫传输光。两组光束都产生多光束干涉，而呈谐振现象，

因而具有频率选择特性。因透射型光滤波器使用方便，所以

在此讨论传输光。

图4-29 F 腔滤波原理

设入射光的复数振幅为，以t1透过M1进入腔；到M2

分成两部分，一部分透出腔外，振幅为1，一部分在M2上反

射，留在腔内继续传播……。如此进行多次反射、折射，形

成多束反射光和多束透射光。

透射光由复数振幅为1、2、3…的各次透射光束组成。

每次透射光束比前次透射光束在相位上延迟φ= 2κ 4πλ0

= 4π，每次振幅都减小，因此须乘以因子r1r2。令：

h = r1r2 （φ） （4-39）

则：

1 = t1t

2 （φ）

2 = h 1

3 = h 2 1 （4-40）

透射光的复数振幅为各次透射光的叠加

= 1 + 2 3 +…

= 1（1+ h 2+…）

= 1/(1- h)

= t1t2 （φ）/(1- h) （4-41）

若r12= r ，t12 则 r 2 ， t 2。

传输1 2 3

在无损耗的情况下 1，则

（φ）/[1（φ）] （4-42）

输出光强为

= 2 = 2/[（1）2+ 42（φ/2）]（4-43）

设腔的功率传输系数为τ，即输出光强与入射光强之

比。则

τ= / （4-44a）

由式（4-43）得

τ2/[（1）2+42（φ/2）] （4-44b）

以1代入，再分子分母除以（1）2，得：

τ= 1/{1 + [4（1）2]2（φ/2）} （4-44c）

将φ/2=2π代入得

τ= 1/{1 +（2π）22（2π）} （4-44d）

F = π√R /（1）

最大透过率τ=1,因此

(2F/π）22（2π）=0

2（2π）=0

2π = qπ（0,1,2,3…）（4-45）

在多个q值对应的频率上，呈现谐振现象，出现峰值。

与峰值对应的频率叫谐振频率。谐振频率或谐振波长λ

可用下式表示:

= c 2 （4-46）

λ = 2 q （4-47）

（fλ）

由此可以看出：

腔具有选频特性，对于某一级谐振频率而言只要调整L

即可。

14．绘图说明波导型M—Z光滤波器的结构和工作原理？

波导型干涉仪的结构原理图见图。

图4-32波导型干涉仪

它用两个2×2定向耦合器构成。1、2是分光比为1：1

的2×2定向耦合器，光纤L1、L2的长度不相等，可通过来

调整。

当从1的输入端①同时输入波长为λ1和λ2的两个光

信号时，在2中会分选出光波λ1和λ2，最后从③、④端输

出。其工作原理与传统干涉仪相同。

工作原理

光纤L1、L2中光波的光程差⊿L为:

⊿L = n（L1 - L2）（4-51）光纤L1、L2中光波的相位差⊿φ为:

⊿φ = k.⊿L = 2π⊿λ= 2π.⊿

（

4-52）

相干条件:

2π.⊿1 = (21) π（4-53）

2π.⊿2 = 2qπ（4-54）

则在③、④端分别输出f1、 f2两个信号。

峰值响应频率

f1 = (21) c / 2n.⊿L （4-55）

f2 = q c / 2n.⊿L （4-56）

峰值间隔

⊿f = f2 - f1 = c / 2n.⊿L （4-57）15. 画出8分波滤波器组成图？

图4-34 多级滤波

16．以光栅方程说明，为什么用闪耀光栅作波分复用器？

衍射光栅的光栅方程

d×（φ±θ）=±mλ（4-79）各级极大值的位置（或方位角），由下式确定：

(θ）= ± mλ±φ（4-80）

（0，1，2，…）

⑴ m = 0，为零级极大值,位于θ）=±φ处,零级极大位置只与平面波入射角度φ有关,与波长无关,即无分光作用.

⑵ m ≠ 0, 由光栅方程

(θ）= ± mλ±φ（0，1，2，…）

知: 各次级极大位置与波长有关,而且以零级极大位置为参考点,由短波长向长波长依次散开。此特性叫光栅的角色散特性，是光栅作解复用器的原理。

⑶ m越大，级次越高，不同波长的间隔越大，分辨波长的能力越强。

⑷这种光栅制作解复用器的问题是：

①零级极大集中的光能最多，但无色散作用；

②次级极大集中的光能最少，但有色散作用。

因此，要想即最大利用光能又能分光，必须寻找新的光栅。解决此问题的方案是采用闪耀光栅。

闪耀光栅又称定向光栅，是一种反射式光栅。其形状与一般光栅不一样。如图所示。

闪耀光栅的刻痕形状与平面光栅不同，由按一定要求刻出的反射面组成。它把光能由原来的零级极大移至由刻痕形状决定的反射光方向，从而使与这一级次相应的极大既有大的色散作用，又集中了较强的光能。

图4-28表示了闪耀光栅的截面形状。它以抛光的金属板或镀金属膜的玻璃板为坯，在其上刻出一序列的锯齿状槽面。槽面与光栅宏观表面的夹角α叫闪耀角，锯齿周期d为光栅常数，a为光栅长度。

闪耀光栅的各级极大值的方向由光栅各槽之间的干涉作用决定,不受光栅形状的影响，其光栅方程仍为：φ±θ = ±mλ

但是,单槽衍射的入射角和发散角就不再以光栅法线而是以光栅槽面法线为参考了。为了区别用带撇的字母表示：φ＇+ θ＇=±m＇λ＇（4-81）它的中央最大值,满足下式：

φ＇+ θ＇=0 （4-82）因而

θ＇= -φ＇

（4-83）

可见中央最大出现在反射波的方向。如干涉图样中某级次的最大也出现在这个方向，则可得到加强，称为闪耀。

这就可将光能转移到有色散作用的非零级极大中去。

17．电光效应？普克尔效应？克尔效应？

电光效应指介质的光参数—折射率n随外加电场强度E 的变化而变化的现象。即n是E的函数。为讨论方便，常采用一个叫做介电抗渗系数η的参数表示。η与n的关系为：

η=ε0/ε=12（4-91）

η会随外加电场强度E的变化而变化，即η是E的函数.二者之间的关系可用下式表示:

η(E)= η(0)+ γ E + ξ E2(4-92)

上式为电光效应数学表达式。

第一项η(0) = 12，是未加外电场时的介电抗渗系数值，n是未加外电场时的折射率。

第二项γE表明η与外加电场E呈线性关系，叫普克尔电光效应，相应的系数γ叫线性电光系数。

第三项ξ E2表明η与外电场E的平方成正比，叫做克尔电光效应，相应的系数ξ叫非线性电光系数。

对普克尔材料，其η(E)的表达式简化为

η(E) =η(0) + γ E =η(0) + ⊿η(4-93)

其中⊿η = γE

由⊿η可求出相应的⊿n值.

⊿η = 1 /（n +⊿n）2 - 1 / n2

≈-2⊿3(4-94)

故

⊿n = - n3⊿η/2 = - n3γ 2 (4-95)

那末

n(E) = n + ⊿n = n(1- n2γ2) (4-96)

n 是未加电场时的晶体折射率

⊿n是加电场后的晶体折射率变化

可见，n(E)也是外加电场的线性函数。当信号电场作为

外加电场而变化时，介质的折射率也随着发生线性变化。

18．体块型相位调制器的结构及工作原理？

体块型电光相位调制器如图所示。

(a) 纵向调制 (b)横向调制

图4-41 体相位调制器

在一块电光晶体的横向或纵向通过电极加上调制电压

V，便在晶体中产生电场强度E。由普克尔效应知，在此电场

的作用下，晶体的折射率发生变化：

n(E) = n + ⊿n = n(1- n2γ2)

当光波通过此晶体时，经受的位相变化为：

Φ = k0 n(E) L = L ×n(1- n2γ2) ×2π /λ0

=2πn λ0 - πn3γ /λ0

= Φ（0）- π n3γλ0 (4-97)