《光纤通信技术》综合练习

《光纤通信技术》综合练习

1 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（0.8~1.8μm），对应的频率范围是（167THz~375THz）。其中三个低损耗工作波长是：短波长为（0.85μm），长波长为（1.31μm ）和（1.55μm），对应的损耗值约为（2dB/km），（0.5dB/km）和（0.2dB/km）。

2.光纤通信是以（光波）作为载波，以（光纤）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（强度调制）和检波方式是（直接检波）。 4.光纤数字长途通信系统主要有（光发送机）、（光接收机）、（光缆）和（放大器）四大部分组成。 5.通常根据传播方向上有无电场或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形态分为（TE）波、（TM）波和（TEM）波三类。

二、名词解释题 1.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）传输损耗小。

（3）抗电磁干扰能力强。 （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

请画出光纤数字通信系统的原理方框图。 P.24 图1-2

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（0-1）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k1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k1′方向反回原来的介质，这称为反射波；一部分能量沿k2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k1， k1′，k2方向， θ1， θ1′，θ2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：

θ1=θ1′

n1sinθ1= n2sinθ2

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： ncos?1?n2cos?2

R?1 n1cos?1?n2cos?22n1cos?1

T? n1cos?1?n2cos?2

垂直极化波： ncos?1?n1cos?2R?2 n2cos?1?n1cos?2 2n1cos?1T?

n2cos?1?n1cos?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90o时的入射角称为临界角，用θc表示。利用折射定律可得出 全反射的条件是： n 1 ?n2 ?c??1?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：

5.什么是导行波？

答：当衰减常数a足够大时，d很小，介质II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。

2 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（全反射）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（?1??C?sin?1n2 ）。 n13.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（同一子午面内）。

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（0????max?sin?1NA2。 ?sin?1(n12?n2) ）

n05.所谓弱导波光纤是指纤芯折射率（稍大于）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（阶跃型光纤）和（渐变型光纤）；按照光纤中传输模式的多少，光纤可以分为（多模光纤）和（单模光纤）。 7.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的主模为（LP01），第一高次模为（LP，其单模传输条件11）是（0?V?2.40483）。

8.阶跃型单模光纤的截止波长?c?（

2?n1a2?），它是以（LP11）模的归一化截止频率Vc而给

2.40483出的。

9.所谓光纤的最佳折射指数分布是指（可以使光纤中产生自聚焦现象）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（相同的轴向速度）的现象。 11.形成光纤损耗的原因，归结起来主要包括（吸收损耗）和散射损耗两大类。 12.单模光纤中不存在（模式）色散，只有材料色散和波导色散。 13.表示光纤色散程度的物理量是（时延差）。

14.造成光纤传输衰减的原因是（光纤损耗）它主要可以分为（材料吸收损耗）和（材料散射损耗）两大类。

15.在阶跃型光纤中，导波的传输条件是（V>VC）而截止条件是（V≤VC）。 16.光缆主要由缆芯、（加强元件）和护层等几部分组成。 17.常用通信光缆的缆芯结构有层绞式、单位式、（带状式）和骨架式等几种。 18.对标准单模光纤（G.625），在??（1.31μm）处，色散系数D=Dm+Dw=0，这个波长称为（零色散波长）。

19.按照射线理论，阶跃型光纤中的光纤主要有（子午线）和斜射线两种。

二、名词解释题 1.相对折射率差

2n12?n2 ??22n12.数值孔径

NA?n0sin?max，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率（n1）稍大于包层折射率（n2）的光纤。 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E矢量的端点随时间变化的轨迹为一条直线。 8.自聚焦

渐变型光纤中不同射线，具有相同轴向速度的现象。 9.本地数值孔径

在渐变型光纤中，把射入纤芯某点r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β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直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n1稍大于包层折射率n2的阶跃型光纤。由于??所以NA?n12?和??max??n1?n2比较小，n1Ln1?都比较小。 C2.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：可以使光纤中产生自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率分布，接近于双曲正割型光纤的折射率分布，因此可以认为平方律型折射指数分布光纤，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：

2??r?? n(r)?n(0)?1?2?????a?????1/2

式中

n2(0)?n2(a) ?? 22n(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n1，随半径r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r处的光线的数值孔径，称为该点的本地数值孔径，记作NA(r)。只有当入射光线的端面入射角Φ<Φmax的射线，才可成为导波。渐变型光纤芯子中某点的数值空间可根据是（2-5），可写为：