光纤通信习题课与复习1010分析
光纤通信基础复习题及答案
光纤通信基础复习题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 dB/km，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20dB/km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0.5dB/km（1.3µm）0.2dB/km（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= 0.85um,光纤种类: 多模石英光纤,通信速率: 34～45Mb/s,中继距离: 10km.第二阶段（1976～1986）为大力发展和推广应用时期.波长: λ= 1.30um,光纤种类: 单模石英光纤,通信速率: 140～565Mb/s,中继距离: 50～100km.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= 1.55um,光纤种类: 单模石英光纤,通信速率: 2.5～10Gb/s,中继距离: 100～150km.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。
光纤通信期末习题讲解和分析
(2) 光隔离器可以将题目中的反射功率减小50倍，问这个隔
离器的隔离度是多少？
作业 1
X型（ 2×2 ）分路器
4
第四章 无源光器件
3
1
2
P3 P2 A 1 , 4 10 log P4 P1 (dB) (dB)
主要参数
分光比
(Splitting ratio)
T
方向系数
(Direction coefficient)
第三章 光源与光电探测器
作业
1. 一峰值波长在800nm的GaAs激光器，谐振腔长400μm， 材料折射率n=3.6。如果增益g在750nm< <850nm的范 围内都大于总损耗 ，试求此激光器中存在多个模式？ 2. (a) 有一GaAlAs半导体激光器，其谐振腔长500μm，腔内
总吸收系数 i 为10cm-1，两端非涂覆解理面的反射率为 32%，求在辐射阈值条件下的光增益;
解法（1）严格解： 谐振级数： m 1
2 nL
1
2 nL
2 3 . 6 400 10 750
3
3840
3
m2
2
2 3 . 6 400 10 850
3388 . 2
满足谐振的各个模式的谐振级数分别为：
3389 , 3390, 3391, , 3839
2
2
单模光纤: V ≤2.405
2 a 1310 nm 1 . 5 1 . 48
2 2
2 . 405
a
2 . 405 1 . 31 μm 2 1 . 5 1 . 48
2 2
2 . 054 μm
纤芯半径应小于2.054μm
《光纤通信》习题解答
第1章1.光通信的优缺点各是什么答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密；寿命长。
缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长时间的检验。
2.光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么答：通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、光接收机和光纤链路。
各部分的功能参见节。
3.(4.假设数字通信系统能够在载波频率1%的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道答：5GHz×1％/64k＝781路（3×108/×10-6）×1％/64k＝3×107路5.SDH体制有什么优点答：主要为字节间插同步复用、安排有开销字节用于性能监控与网络管理，因此更加适合高速光纤线路传输。
6.简述未来光网络的发展趋势及关键技术。
/答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。
7.简述WDM的概念。
答：WDM的基本思想是将工作波长略微不同，各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入同一根光纤，进行传输。
这样就充分利用光纤的巨大带宽资源，可以同时传输多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。
8.解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA方式。
答：WDM波分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N，因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WDM合波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如OTDM等，有很大优势；另一方面，光纤放大器EDFA的使用使得中继器的价格和数量下降，采用一个光放大器可以同时放大多个波长信号，使波分复用（WDM）的实现成为可能，因而WDM＋EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。
9.！10.WDM光传送网络（OTN）的优点是什么答：（1）可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。
光纤通信期末考试题及参考答案分析
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 ________ 3—15、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、所谓模式是指能在光纤中独立存在的一种______ 分布形式。
光纤通信简明教程习题及题解
光纤通信简明教程习题及题解《光纤通信简明教程》习题及题解1-1 光程差计算波长为1.55 µm 的两束光沿z ⽅向传输，从A 点移动到B 点经历的路径不同，其光程差为20 µm ，计算这两束光的相位差。
解：两束光的相位差由式（1.2.8）可知2z φλπΔΔ== 2π×20/1.55 = 25.8 π弧度2-1 mW 和dBm 换算⼀个LED 的发射功率是3 mW ，如⽤dBm 表⽰是多少？经过20 dB 损耗的光纤传输后还有多少光功率？解：LED 的输出功率⽤式（B.1）计算为dBm = 10 log P = 10 log 3 ≈ 4.77 dBm或者从附录D 中查表也可以近似得到。
经过20 dB 损耗的光纤传输后，还有4.77 ? 20 = ?15.23 dBm 的光功率。
2-2 光纤衰减注⼊单模光纤的LD 功率为1 mW ，在光纤输出端光电探测器要求的最⼩光功率是10 nW ，在1.3 µm 波段⼯作，光纤衰减系数是0.4 dB/km ，请问⽆需中继器的最⼤光纤长度是多少？解：由式（2.3.3）可得3in 9dB out 111010lg 10lg 125 km 0.41010P L P α===????×???? 2-3 材料⾊散光源波长谱宽λΔ和⾊散τΔ指的是输出光强最⼤值⼀半的宽度，21λΔ称为光源线宽，它是光强与波长关系曲线半最⼤值⼀半的宽度，21τΔ是光纤输出信号光强与时间关系曲线半最⼤值⼀半的宽度。
已知光纤的材料⾊散系数为（1.55 µm ）。
11m nm km ps 22??=D 请计算以下2种光源的硅光纤每千⽶材料⾊散系数：当光源采⽤⼯作波长为1.55 µm 、线宽为100 nm 的LED 时；当光源采⽤⼯作波长仍为1.55 µm 、但线宽仅为2 nm 的LD 时。
解：对于LED ，nm 10021=Δλ，由式（2.3.7）可以得到()()()ps 200 2nm 100nm km ps 22km 1111m 21==Δ≈Δ??λτD L ，或者 2.2ns 。
光纤通信习题课与复习1010
实验操作
• 2. 简述900um光纤手动熔接操作的步骤与注意事项 *操作步骤: 光纤剥皮(裸光纤25mm)→清洁→成端(17.5mm) → 装热缩套管 →V形槽定位夹持→熔接机参数选择→ 间隙调整 → 对芯（水平+垂直）→熔接→熔纤取出,复位→热缩封装
电极
*注意事项:
光纤 1）控制切割长度和端面质量; 2）成端光纤保持清洁; 3）熔接损耗小于0.02 dB; 4) 热缩套管与光纤包层重叠>10mm； 5）其它；
•13、在光发送电路中为什么要设置自动温度控制（ATC）电 路？用ATC电路控制LD的哪些因素？试述ATC电路的工作原理 答：原因： 1）温度升高，阈值电流上升，光功率下降； 2）温度过高导致激光器工作不稳定，容易烧毁激光器 控制半导体制冷器的制冷效果（工作电流） 原理如图：叙述清楚工作过程即可
第四章作业
复习要点
1) 实验操作(光纤熔接、OTDR、器件测量）。 2）No.2： 光纤结构、G.652/655、光缆类型、模式概念、截止波长、 数值孔径NA、光纤损耗和色散的机理、计算公式、光纤带宽的 计算、主要的非线性常识； 3）No.3: 激光器形成的必要条件、异质结LD、单纵模激光器的设计原 理、LD与LED区别、LD主要特性、线路编码类型、mBnB、 APC或ATC原理； 4）No.4: PIN/APD工作原理、主要特性、接收机的主要指标与计算； 5）No.5 连接器/衰减器/耦合器的功能、关键技术指标、光纤耦合器 的原理
•5、试述APD的工作原理。何谓“雪崩效应”？拉通型雪崩光 电二极管有什么特点？APD的电流增益系数G与什么有关？ 答：在二极管的P-N结上加高反向电压，在结区形成一个强 电场；在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能， 与晶格的原子发生碰撞电离，形成二次电子空穴对，产生的 二次电子—空穴在强电场中又被加速，再次碰撞，再次电离， 如此循环下去，形成连锁反应，致使耗尽层内的载流子数雪 崩似的急剧增加，通过二极管的电流也就猛增，这就是雪崩 倍增效应。 雪崩光电二极管（APD）就是利用雪崩倍增效应实现内部电 流增益的半导体光电转换器件。 RAPD特点：光电转换效率高，响应速度快，附加噪声低等 APD的电流增益系数G与外加偏压、入射波长、温度等有关
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二、判断
1.射线理论可以很好的用以理解多模光纤的导光 原理与特性，特别是当纤芯直径远大于光波波 长时；当纤芯直径与波长可比拟时，应用导波 理论进行分析。 （ √ ）
2.V值越大，能够传播的模式越多。（√ ）
3.大多数单模光波系统的光纤，其V参数都设计
在4.0~4.2之间。
（ ×）
4.波导色散参数Dw在0~1.6μm间都是负值，它使
（1）LP01LP02LP11LP12模的截止波长各为多 少？
（2）若λ0=1μm，光纤的归一化频率V以及其 中传输的模式数量M各为多少？
解：（1）
V=2pa l
n1 2-n2 2=2lpan1
2D
2pa l = V n1 2D
• LP01模： V = 0无截止波长； • LP02模：V３ 3.832,lc 8.69截止波长为8.69 μm • LP11模：V３ 2.405,lc 13.86截止波长为13.86 μm • LP12模：V３ 5.520,lc 6.033截止波长为6.033 μm （2）
一、填空 1.光纤的导光原理与结构特性可用 射线 理论
与导波理论两种方法进行分析。 2.光纤中，导引模的截止条件为ω =0或 u=0 。 3.单模光纤中不存在 模间色散，仅存在模内色
散，具体来讲可分为 材料色散和波导色散。
4.光纤色散参数的单位为 ps/(nm·km，) 代表 两个波长间隔为 1nm 的光波传输 1km距离 后到达的时间的延迟。
V=2pa l
n1 2-n2 2=2lpan1
2D
为保证单模传输 V£ 2.405
a£ 7.72mm
3.均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1=1.50及 n2=1.45，试计算
（1）光纤芯与包层的相对折射率差；
光纤通信-复习、小结、习题、单元测试及试题、答案
光纤通信-复习、小结、习题、单元测试及试题、答案光纤通信一、概论小结一、名词概念1、光纤:光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。
2、光纤通信:光纤通信是以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式。
3、光纤通信系统:光纤通信系统是以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信系统。
二、光在电磁波谱中的位置----光也是一种电磁波，只是它的频率比无线电波的频率高得多。
红外线、可见光和紫外线均属于光波的范畴。
1、可见光是人眼能看见的光，其波长范围为:0.39 至0.76 。
2、红外线是人眼看不见的光，其波长范围为:0.76 至300 。
一般分为: (1)近红外区:其波长范围为:0.76 至15 ;(2)中红外区:其波长范围为:15 至25 ;(3)远红外区:其波长范围为:25 至300 ;三、光纤通信所用光波的波长范围(1)光纤通信所用光波的波长范围为0.8 至1.8 ，属于电磁波谱中的近红外区。
(2)在光纤通信中，常将0.8 至0.9 称为短波长，而将0.8 至0.9 称为长波长。
四、光纤通信中常用的低损耗窗口(1)0.85 、1.31 和1.55 左右是光纤通信中常用的三个低损耗窗口。
(2)早期光纤通信系统传输所用的是多模光纤，其工作波长在0.85 的第一个工作窗口。
(3)非色散位移光纤(G.652光纤)工作在1.31 附近的第二个工作窗口。
(4)色散位移光纤(G.653光纤)工作在1.55 附近的第二个工作窗口。
- 五、光纤通信的特点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下:(1)传输频带极宽，通信容量很大;(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远;(3)串扰小，信号传输质量高;(4)光纤抗电磁干扰，保密性好;(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设;(6)耐化学腐蚀;(7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富(一)概论习题1、什么是光纤通信,2、光纤的主要作用是什么,3、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何优点,4、为什么说使用光纤通信可以节约大量有色金属,5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大,6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少,7、红外线是人眼看不见的光，其波长范围是多少,8、近红外区:其波长范围是多少,19、光纤通信所用光波的波长范围是多少,10、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分别是多少(二)单元测试 (单项选择题)1 光纤通信指的是:1以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式; 2 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式; 3 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式; 4以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。
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13、光谱线宽度为1.5nm的光脉冲经过长为20km，色散系数为 3ps/km·nm的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？ 答： D * L * 3*20*1.5 90 ps
m
例1.已知阶跃型光纤的n1=1.5，△=1％，工作波λ =1.3μ m， 光纤长度L=1km，光纤中的导模数量M=2。求： ① 光纤的数值孔径NA。 ② 光纤的纤芯半径a。 ③ 计算光纤带宽（只考虑模式色散,不计 dn1/dλ） 解：① NA≈n1(2Δ)1/2=1.5*(2*0.01) 1/2= 0.21 ② 阶跃多模光纤，g->∞，M=V2/2 => V=2 V=2*3.14*a*NA/λ => a= 2* 1.3/(2*3.14*0.21)= 1.97μm ③ σ (g->∞）≈ τ *0.4247=0.4247* Ln1Δ /C =0.42*1000*1.5*0.01/3x108= 2.1ns f3dB =187/σ =187/2.1=89 MHZ(数字信号允许速119Mb/s)
作业布置
1)实验操作 2)P55 4,7,8,10,13; 3)P85 1,4, 9,12,13; 4)P116 5,7; 5)P129 2,4,5; 考试题型: 填空30+选择10+简答30+计算分析30
实验操作
• 1. 简单说明光时域反射仪OTDR的工作原理 光传输过程中，瑞利散射光功率与传输光功率成正比例。 通过检测与传输光相反方向的瑞利散射光功率和时延来确定光 纤相关参数的方法，称为后向散射法。基于后向散射法的原理 设计的测量仪器 即OTDR。 其工作曲线如右图: （a）为输入端反射区（或盲区） （b）为恒定斜率区，可用以确定 损耗系数； （c）接头或局部缺陷引起的损耗， 可用于确定缺陷位置和接头损耗； （d）连接器或介质缺陷引起的反射； （e）输出端反射区，用以确定光纤的长度。
光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？ 其截止波长为多大？ 答：单模光纤传输条件：归一化频率V≤2.405 单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。 截止波长： 2a n 2 n 2
c
Vmax
1
2
2a 2 n12 n2 2.405
例：在某阶跃折射率多模光纤的纤芯折射率n1=1.50，相对 折射率差Δ ＝0.005,长度L=1 km，要实现1310nm的单模传输， 纤芯半径a的尺寸应该如何设计？ 答：要实现1310nm的单模传输，必须满足模式截止条件：
第三章作业
•1、比较半导体激光器和发光二极管的异同。半导体激光器 （LD）有哪些特性？半导体发光二极管（LED）有那些特性？ 答：LD和LED都可以用作通信光源。LD原理是受激辐射，而 LED是自发辐射。 LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电路，其发出的 光谱线窄，适宜于高速率系统； LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低 的场合。 • 4、已知半导体材料GaAs的Eg＝1.43eV，InGaAsP的Eg= 0.96eV，分别求由这两种材料组成半导体激光器的发射波长。 hc 1.24 λ 答： E E
a 2.405*
2 2 n12 n2
2.405*1.31 2*3.14*1.5* 2*0.005
3.3um
8、由光源发出λ ＝1.31μ m的光，在a=9um，Δ =0.01，n1= 1.45，光纤折射率为阶跃分布时，光纤中导模的数量为多少？ 对α =2的渐变光纤，其导模数量为多少？ 答：归一化频率V： 2a 2a 2 2
a 12.2。
入射角15̊大于最大临界角12.2̊，所以入射光纤不满足全反射条 件，是辐射模!
11.光脉冲经过长为20km,纤芯折射率1.5，包层折射率1.485的阶 跃光纤的多模传输后，其脉冲最大展宽为多大？ 答：考虑临界入射和直线传播两种极限情况： Ln n max t1 t2 1 ( 1 1) c n2
.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多 模传输光纤中主要存在什么色散？ 答:从产生机理而言，光纤中的色散主要包括材料色散、 波导色散和模式间色散、偏振模色散等。 单模光纤中主要是材料色散； 多模光纤中主要是模式间色散。
7、何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中 传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射率光纤中线 性极化模LP11模对应的是什么矢量模？ 答：如果一个传播模，在包层中不衰减，表明该模的能量可 以透过包层辐射出去，该传播模被截止了。如果一个传播模在 包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。 LP11模对应的矢量模是TE01，TM01，HE21。
复习要点
1) 实验操作(光纤熔接、OTDR、器件测量）。 2）No.2： 光纤结构、G.652/655、光缆类型、模式概念、截止波长、 数值孔径NA、光纤损耗和色散的机理、计算公式、光纤带宽的 计算、主要的非线性常识； 3）No.3: 激光器形成的必要条件、异质结LD、单纵模激光器的设计原 理、LD与LED区别、LD主要特性、线路编码类型、mBnB、 APC或ATC原理； 4）No.4: PIN/APD工作原理、主要特性、接收机的主要指标与计算； 5）No.5 连接器/衰减器/耦合器的功能、关键技术指标、光纤耦合器 的原理
实验操作
• 2. 简述900um光纤手动熔接操作的步骤与注意事项 *操作步骤: 光纤剥皮(裸光纤25mm)→清洁→成端(17.5mm) → 装热缩套管 →V形槽定位夹持→熔接机参数选择→ 间隙调整 → 对芯（水平+垂直）→熔接→熔纤取出,复位→热缩封装
电极
*注意事项:
光纤 1）控制切割长度和端面质量; 2）成端光纤保持清洁; 3）熔接损耗小于0.02 dB; 4) 热缩套管与光纤包层重叠>10mm； 5）其它；
V c n1 n2 c n1 2 8.85
对于阶跃型，导模数量为V2/2≈39 对于渐变型，导模数量为V2/4≈19 10.某阶跃折射率光纤的参数为n1=1.5,n2=1.485,现有光纤从端面 轴线处15̊入射进光纤，试问该入射光线在光纤中是成为传导模还 是辐射模？为什么？ 2 2 n sin a n n 1 2 答：根据临界全反射条件： 0