光纤基础知识点

1、第一根光纤是什么时候岀现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是 1950年出现的。

传输损耗高达 1000dB/km左右。

2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。

答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。

系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。

中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。

3、光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节省有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。

1 •光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。

纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。

4•简述光纤的导光原理。

答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。

7.均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为m=1.50,心=1.45，光纤的长度L=10Km试求：(1)光纤的相对折射率差△; (2)数值孔径NA ( 3)若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差厲2 -n22 1.52 -1.4522n “2- 2 1.52（2）NA = m •. 2.'： =15 』2 0.033 = 0.39(3)若将光纤的包层和涂敷层去掉，则相当于包层的折射率n2=1，则解：(1) = 3.3%2 2 n r -n22 2 1.5 -12厲 2 1.52= 28.1%NA = 口•、2」：-1 . 5』2 0.281.1 2而NA = sin '0最大为1,所以说只要光纤端面的入射角在90°以内，就可以在光纤中形成全反射。

&已知阶跃型光纤，纤芯折射率n1=1.50，相对折射率差△ =0.5%，工作波长入0=1.31卩m,试求：(1 )保证光纤单模传输时，光纤的纤芯半径a应为多大？(2)若a=5g m,保证光纤单模传输时，n2应如何选择？解：(1)因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频率Vc= 2.405 ;V = — n^ 2 …：2.405丸0a—。

5」n八2厶2二2.405 1.31l m----------- 一X ------------------1.50 2 0.5% 2 二二3.34：Q m(2)若a=5g m,保证光纤单模传输时,V 二兰n ,a 2 ： :： 2.405'0.1-^ -1.5 1 -2 0.22% =1.4967i •简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。

2.当光在一段长为10k m 光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。

求：光纤的损耗系数 a 。

解：设输入端光功率为 R ，输出端的光功率为 P>。

则 P 1 = 2F 210 p 10 2P光纤的损耗系数o （=上|g_L = —^|q 一 =0 3dB/km ）L P 2 10km P 23.光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、 波导色散和极化色散。

（2 ）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉 冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。

因此，色散会限制光 纤通信系统的传输容量和中继距离。

4•为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽 越窄。

由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散>> 材料色散〉波导色散>极化色散。

由于极化色散很小，一般忽略不计。

在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和 波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。

因此，多模光纤的色散比单模光 纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。

5.均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为 m=1.50，n 2=1.45，光纤的长度L=10km 试求：（1）子午光线的最大时延差；（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。

2.405、1.50汉5卩口二 0.22%吸收损耗光纤损耗■散射损耗•弯曲损耗「紫外吸收广本征吸收｛红外吸收「氢氧根（OH 「）吸收杂质吸收［过渡金属离子吸收 忙原子缺陷吸收 ■瑞利散射损耗、结构不完善引起的散射损耗 '光纤弯曲损耗1光纤微弯损耗—(2 )若将光纤的包层和涂敷层去掉，则n 2=1.0n 110km 1.50 1.50 3 105km 1.06.—制造长度为2km 的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为m=1.47 ,压=1.45，使用工作波长为1.31卩m 光源的谱线宽度 △入=3nm 材料色散系数 6= 6ps/nm • km,波导色散 T w = 0，光纤的带宽 距离指数Y = 0.8。

试求：(1 )光纤的总色散； (2)总带宽和单位公里带宽。

B =B T L ‘ =3.26 20.8=5.68 MHz7. 一制造长度为2km 的抛物线型渐变多模光纤，纤芯轴线处的折射率=10 ps ，光纤的带宽距离指数 Y = 0.9。

试求:(1 )光纤的总色散； (2)总带宽和单位公里带宽。

1 2km 1.5 0.01342■523 10 km/s解：(1)L sinL C n i10km 1.50二訂硏両一1“72七Csg C C-1 -1 =25」s解：(1)n 1—-1 C g2km 1.473 疋 105km/s(1.45 一1丿 一135.2 ns)D m 「 L =6ps/nm km 3nm 2km =36 ps二：M 2 (mw)2 二 135.220.036= 135.2 ns(2)B T0.441 0 441使用工作波长为0.85卩m 光源的谱线宽度 △入=6nm,材料色散系数D m = 15ps/nm • km,波导色散n(0) = 1.5，包层的折射率 n c =1.48，解：(1).1 =n 0 $ -n, 2n (Of2 2号常“34%丄 Ln(0) .22 C= 898 ps=D m•：■ L = 15ps/nm km 6nm 2km=180ps2 2 2 2 -^总=^M +(m+%) =$898 +(180 +10 ) =918(ps)B =B T 『 = 480 20.9=896 MHz&某系统使用工作波长入0= 1.31卩m 谱线宽度△入=5nm 的光源和长度为3km 的阶跃型光纤，其纤芯的折射率m=1.458，相对折射率差 △ = 0.8%，纤芯半径a= 8卩m 光纤的材料色散系数 0= 8ps/nm • km,波导色散T w = 0，其带宽速率比为0.8。

试求光纤的模式畸变带宽和波长色散带宽。

Ln13km厶1.4580.8% =116.7 nsC 3 10 km/s 0 441 0 441=0.441=3.78 MHzT116.7 ns1、 比较LED 和LD,并说明各自适应的工作范围。

答：LED 的发射光功率比LD 要小，不适合长距离系统； LED 的光谱宽度比LD 大得多，不适合长距离系统；LED 的调制带宽比LD 小得多，不适合长距离系统；LED 的温度特性比LD 好得多。

所以，LED 适应于短距离小容量光纤通信系统，而 LD 适应于长距离大容量光纤通信系统。

2、 试说明LED 的工作原理。

答：当给LED 外加合适的正向电压时， Pp 结之间的势垒（相对于空穴）和 Np 结之间的势垒（相对于电子）降低，大量的空穴和电子分别从P 区扩散到p 区和从N 区扩散到p 区（由于双异质结构，p 区中外来的电子和空穴不会分别扩散到 P 区和N 区），在有源区形成粒子数反转分布状态， 最终克服受激吸收及其它衰减而产生自发辐射的光输岀。

3、 试说明LD 的工作原理。

答：当给LD 外加适当的正向电压时， 由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象， 那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大（其余自发辐 射光子均被衰减掉），直至传播到高反射率界面由被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。

如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。

9、 光发送机主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：光发送机主要由光源、驱动电路及辅助电路等构成。

驱动电路的主要作用是为光源提供要求的驱动电 流；光源的主要作用是完成电光变换（光调制） ；辅助电路主要完成自动功率控制、自动温度控制及光源保护等功能。

10、 光调制方式有哪些？目前的数字光纤通信系统采用的是数字调制方式？还是模拟调制方式？答：光调制方式主要按照光源与调制信号的关系及已调制信号的性质两种方式分类。

根据光源与调制信号 的关系，可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部（或间接）调制方式；根据已调制信号的性质， 可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。

从调制的本质上来说，目前的数字光纤通信系 统采用的是模拟调制方式。

4、 简述PINPD 的工作原理。

答：当光照射到PIN 光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产 生电子空⑵B T0.441 T0.441 918 ps二 480 MHz解：MBMB c0.441 Dm — L0.4418ps/ nm km 5nm 3km二 3.68 GHz穴对。

在外加电场作用下，这种光生载流子运动到电极。

当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电的变换过程。

5、在APD中，一般雪崩倍增作用只能发生于哪个区域？答：高场区（即雪崩倍增区）。

6、简述APD的工作原理。

答：当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。

在外加电场作用下，一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生岀大量的二次电子空穴对。

在外加电场的作用下，一次电子空穴对和二次电子空穴对一起运动到电极。

当外部电路闭合时, 就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。