光纤例题讲解,习题

第一章例1:设每路声音信道的带宽为4kHz，假设系统带宽是载波的1%，请问载波波长λ为1.06μm的光能运多少声音信道？解：载波波长λ=1.06μm载波频率f0=c/ λ=3×108m/s/1.06μm=2.83×1014Hz,系统带宽B= 1%f0=2.83×1012Hz，每路声音信道的带宽B1=4kHz，声音信道数N=B/B1 =2.83×1012/4×103 =7×108路（7百兆路，7亿）例2：假定地球上有1010个家庭(亿108 100亿) ，每个家庭有一部电话，如果使用频分复用，在一条线路上同时发送这些电话信号，请问要求的最小带宽B1是多少?若用Fiber传输，一个光波（0.8、1.3、1.5）可以携带这个复用的信号吗?解：最小带宽B1= 1010×4×103=4×1013HZ(1)若用λ=0.8μm的光纤传输其频率f0=c/ λ=（3×108m/s）/0.8μm=3.75×1014Hz因f0=3.75×1014Hz大于B= 4×1013HZ，所以用一个0.8μm的光波可以携带这个复用的信号。

（2）若用λ=1.3μm的光纤传输其频率f0=c/ λ=（3×108m/s）/1.3μm=2.3×1014Hz因f0=2.3×1014Hz大于B= 4×1013HZ，所以用一个1.3μm的光波也可以携带这个复用的信号。

（3）若用λ=1.5μm的光纤传输其频率f0=c/ λ=（3×108m/s）/1.5μm=2.0×1014Hz因f0=2.0×1014Hz大于B= 4×1013HZ，所以用一个1.5μm的光波也可以携带这个复用的信号。

计算题：补1：假定数字系统的数字速率是载波频率的1%，分别计算载波频率为10kHz、1MHz、100 MHz、10GHz和波长为1.0μm时的比特速率？（参考答案：100b/s、104b/s、1Mb/s、108b/s、3×1012b/s）第二章例2-1 波长为1300nm的光在石英玻璃SiO2中（n=1.45）传播时，求入射到空气界面发生全反射时的临界角θc。

一、填空1. 光纤是由中心的 纤芯 和外围的 包层 同轴组成的圆柱形细丝;为实现光能量在光纤中的传输，要求中心的 的折射率 稍高于 外围的 包层 的折射率.2. 渐变型光纤的 自聚焦效应 说明不同入射角的光线，虽然经历的路程不同，但最终都会聚在 一点上。

3. 单模光纤传输的条件为 v=（2πa/λ）405.22122<=-n n 。

4. 由于 色散 的存在，使得在光纤中传输的光纤信号,无论是模拟信号还是数字信号的幅度都要减小；光纤的 损耗 决定了系统的 传输距离 。

（色散限制了带宽)5. 通信网由 SDH 传送网 、 WDM 光网络 、光接入网 组成。

6. PON 即 无源光网络 分多址（TDMA) 波分多址（WDMA) （AON 有源光网络）7. 接入网由 业务节点接口（SNI) 和 用户网络接口(UNI ） 之间的一系列传送实体组成，为供给电信业务而提供所需的传送承载能力，可经由网络管理接口 3Q 配置和管理。

8. 在SDH 中，将低速的支路信号复接为高速信号,需经过 传输媒质层网络 、通道层网络 、 电路层网络 。

9.DWDM系统可分为双纤单向传输 WDM系统和单纤双向传输 WDM系统。

光与物质互相作用时有三种基本过程：受激吸收/自发辐射/受激辐射二、选择题1.1970年,光纤研制取得了重大突破,美国康宁公司成功研制了损耗为（ A )的石英光纤，从而展现了光纤通信美好的前景。

A）20 dB/km B）1000 dB/km C） 2.5 dB/km D）4 dB/km2.光纤中传送的电磁场模式为 DA)TM波 B）EM波 C) TEM波 D） TM、EM及其混合波3.影响多模光纤中的色散主要是 C>A>BA）材料色散 B）波导色散 C）模式色散 D)色度色散4.下列哪项不属于光无源器件：DA）连接器 B）光耦合器 C)光隔离器 D）光检测器5.下列不属于数字光发射机调制特性的是 DA）电光延迟 B）弛张振荡 C)自脉动现象 D)暗电流噪声6.平均故障间隔时间常用下列哪项表示 BA）MTTR B)MTBF C）MFRB D)MRTT7.EDFA工作的窗口是 BA）1310 nm B）1550nm C）980nm D）1480nm8.下列哪项不属于我国在传输参考模型中提出的参考数字DA)420 km B）5000km C)280km D)6400km （美国）9.二纤单向复用段倒换环利用下列甚磨协议实现倒换环功能（A）A）APS B）AIS C)AC D）SOA10.STM-1是SDH的同步传输模块，传输速率是AA）155.520 Mb/s B）2.048 Mb/s C）1.544 Mb/s D）622.080 Mb/s三、判断正确与错误1.1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器(T )2.NA越大，则光纤中的信息传输量越大。

2Chap.1 No.1 光纤通信有哪些优点？●参见1.2.1。

3Chap.1 No.2比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。

●参见1.1，注意各代系统在传输容量和关键技术上的区别。

4Chap.1 No.3为什么使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能选择850nm、1310nm、1550nm三种。

●参见1.3.2，由于目前使用的光纤均为石英光纤，而石英光纤的损耗－波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长为850nm、1310nm、1550nm三个低损耗区。

为此光纤通信系统的工作波长只能是选择在这三个波长窗口。

5Chap.2 No.1 光纤产生衰减的原因是什么？衰减对通信有什么影响？……则该光纤的衰减系数α为多少？●光纤产生衰减的原因包括吸收、散射和辐射。

衰减会导致信号功率损失，造成接收困难。

●α (1550nm)＝10lg(Pin/Pout)/L=10lg(4/3)/5≈0.25dB/km6Chap.2 No.2 光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？●瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，从而使折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点的尺寸比光波波长还要小。

●光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。

瑞利散射损耗的大小与4/1成正比。

7Chap.2 No.3 光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？●光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。

●色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误码。

对于高速率长距离光纤通信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。

8Chap.2 No.4 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？●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。

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 。

光纤通信典型例题试题附答案班级：姓名：满分：100分考试时间：60分钟卷面（3分），能做到书写端正，卷面整洁（时间：60分钟满分：100分），知识技能（73分）一、填空题（答题要求：每题只有一个正确答案，选择正确给分，不正确不给分。

）1．目前实用的光纤通信系统普遍采用的调制方式是___直接强度调制________。

2．光纤通信系统是以光波为信息载体，以光纤为传输媒质的通信系统。

3．目前研制的光放大器可分为半导体光放大器和_光纤光放大器____两类。

4．光纤的主要损耗是吸收损耗和散射损耗，其色散主要有模式色散、材料色散、波导色散。

5．光与物质的粒子体系的相互作用主要有三种形式是受激吸收、受激辐射、自发辐射。

6．STM-1整个帧结构分成、、三个区域。

7．发光二极管与激光器的主要区别是在其内部没有__泵浦源？__。

8．在SDH帧结构中，段开销又可以分为再生段开销和复接段开销两种。

9．目前光纤通信的长波长低损耗工作窗口是1.31 μm和 1.55μm 。

10．按照光纤中传输模式的多少，可以将光纤分为_单模光纤___和__多模光纤___两类。

11．按照射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有___子午光线____和斜射线两类。

12．常用的SDH设备有：终端复用器、_分插复用器____和交叉连接设备等。

13．光纤中的传输信号由于受到光纤的损耗？和色散的影响，使得信号的幅度受到衰减，波形出现失真。

这一题当年就不确定14．雪崩光电二极管具有_雪崩倍增效应，使光电流在管子内部就获得了倍增。

15．在SDH帧结构中AU指针处于帧结构左侧1－9N列第__4__行的区域中。

16．STM-1整个帧结构分成信息净负荷区域、段开销区域、管理单元指针区域三个区域。

17．处于粒子数反转分布状态的工作物质称为激活物质（或增益物质）_______________。

18．受激辐射过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此，称它们是__全同光子。

第一次作业1、公式推导:单位长度光纤中斜光线得光路长度与反射次数分别为(1）=1/c ｏs ＝ (２)==。

解:(1)如图1、２、２所示,设沿光纤得径向方向总长度为L ,则根据图中所示三角函数关系,得S ＝L/c ｏs 其中L ＝ +＋…＋(将光纤分割,在一小段上光路近似为直线)= ／ｃo ｓ, = /cos,…,= /c ｏs从而得= + +…+ ＝L /c ｏｓ于就是,单位长度中光线路程为=1/co ｓ＝。

(2）在沿横向方向上,光线传播得平面与光轴平面有一角r ,则光线在横向上传播得总距离为,从而总反射次数＝，于就是，单位长度中得光线总得全反射次数==2、推导光线方程:()()d d r n r n r d s d s ⎡⎤=∇⎢⎥⎣⎦解：由在各向同性媒质中程函方程,取光线得某一点得单位方向矢量从而()()d d r n r n r d s d s ⎡⎤=∇⎢⎥⎣⎦ 第二次作业见课本公式 Ｐ２2-P26第三次作业1、什么就是光纤，其传输得基本原理？答:光纤就是光导纤维得简称。

它就是工作在光波波段得一种介质波导,通常就是圆柱形。

它把以光得形式出现得电磁能量利用全反射得原理约束在其界面内,并引导光波沿着光纤轴线得方向前进。

2、光纤得分类?答：光纤有三种分类方式:按光纤得传输模式、折射率分布、材料进行分类。

按传输模式分为单模光纤与多模光纤;按折射率分布分为阶跃折射率光纤与渐变折射率光纤；按材料分为石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤与晶体光纤。

３、已知SI 光纤,n1=１、4６,△=0、005,(1）当波长分别为0、8５ｕm 、1、3um 与1、5５um 时,要保证单模传输ａ范围就是多少？解:由单模条件得V=2、４048可得:单模光纤尺寸为＝１、202／[（）]因为=1－=０、０05而＝１、46,所以=1、４５27当=0、8５um 时, ２、2３;当＝1、3um 时, 3、４1当=1、55um 时， 4、0７(２)如果a=8um ,则要保证单模传输波长范围就是多少?解:> ［（)］／1、2０2，将=1、46,=1、45２代入得＞3、０５u ｍ4、全反射产生条件就是什么？答：当光线从光密介质进入光疏介质时即ｎ1>ｎ2,入射角大于临界角时发生全反射。

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。

计算题1．一阶跃折射率光纤，纤芯折射率n=1.5,相对折射率差Δ=0.01，光纤长L=1km ，纤芯半径a=25μm 。

LP 01，LP 02模的归一化截止频率分别为0和3.832。

求：（1）光纤的数值孔径；（2）子午光线的最大时延差；（3）若入射光波长λ=0.85μm ，问该光纤能否实现单模传输，若不能，则光纤中传输的模式数量为多少？a 为多少时，该光纤可以实现单模传输。

（4）若该光纤分别与面发光二极管，半导体激光器（︒=︒=⊥30,10//θθ）耦合，求直接耦合效率。

（5）计算LP 01，LP 02模的截止波长。

解：（1）212.001.025.121=⨯=∆=n NA（2）km s c n /10510301.05.1851-⨯=⨯⨯=∆≈∆τ （3）405.22.391085.001.025.1102514.3222661〉=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=∆=--λπan V 不能实现单模传输 7682.39212122=⨯==V M 要实现单模传输须 m a an μλπ53.102.05.114.3285.0405.2405.2221=⨯⨯⨯〈〈∆则 （4）与面发光二极管的耦合效率%5.4)(2==NA η与激光器的耦合效率%31120)(//2==⊥θθηNA （5）LP 01模的截止波长∞=∆=2210101a n V LP c LP c πλ LP 02模的截止波长∆=2210202a n V LP c LP πλ因为V c 02LP =3.832 m LP c μλ69.801.02832.35.1102514.32602=⨯⨯⨯⨯⨯=- 2.某阶跃折射率光纤，其芯区折射率n 1=1.46，芯半径a=4.5μm ，相对折射率差Δ=0.25%。

计算其截止波长c λ并判断当工作波长分别为1.31μm 和0.85μm 时该光纤是单模还是多模工作？解：阶跃折射率光纤归一化截止频率V c =2.405，由211)2(2∆=λπan V 得其截止波长()m V an c c μπλ21.1%)25.02(405.246.15.414.322221211=⨯⨯⨯⨯=∆= 光纤是否单模工作，要由归一化频率同工作波长来决定。

光纤技术基础知识单选题100道及答案解析1. 光纤通信中，使用的光波波长通常在（）A. 0.85μm 附近B. 1.31μm 附近C. 1.55μm 附近D. 以上都是答案：D解析：光纤通信中常用的光波波长有0.85μm、1.31μm 和 1.55μm 附近。

2. 光纤的主要成分是（）A. 铜B. 玻璃C. 石英D. 塑料答案：C解析：光纤通常是以石英为主要成分制成的。

3. 以下哪种不是光纤的分类（）A. 单模光纤B. 双模光纤C. 多模光纤D. 塑料光纤答案：B解析：光纤分为单模光纤和多模光纤，没有双模光纤的分类。

4. 单模光纤的特点是（）A. 传输距离短B. 带宽小C. 适用于短距离通信D. 芯径小答案：D解析：单模光纤芯径小，传输距离长，带宽大，适用于长距离、高速率通信。

5. 多模光纤的纤芯直径一般为（）A. 50μmB. 62.5μmC. 9μmD. 10μm答案：B解析：多模光纤的纤芯直径通常为50μm 或62.5μm。

6. 光纤的损耗主要来源于（）A. 吸收损耗B. 散射损耗C. 弯曲损耗D. 以上都是答案：D解析：光纤的损耗包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。

7. 以下哪种不是减少光纤损耗的方法（）A. 选择优质材料B. 优化制造工艺C. 增加光纤长度D. 改善连接质量答案：C解析：增加光纤长度会增加损耗，而不是减少损耗。

8. 光纤的数值孔径反映了（）A. 光纤的集光能力B. 光纤的传输能力C. 光纤的损耗大小D. 光纤的带宽答案：A解析：数值孔径反映了光纤的集光能力。

9. 以下哪种是光纤通信的优点（）A. 保密性好B. 成本高C. 易受电磁干扰D. 维护困难答案：A解析：光纤通信保密性好，不易受电磁干扰，成本逐渐降低，维护相对简单。

10. 光纤通信系统中，光发射机的作用是（）A. 将光信号转换为电信号B. 将电信号转换为光信号C. 放大光信号D. 整形光信号答案：B解析：光发射机将电信号转换为光信号。

第一章 光纤光学基础1．详述单模光纤和多模光纤的区别（从物理结构，传播模式等方面）A ：单模光纤只能传输一种模式，多模光纤能同时传输多种模式。

单模光纤的折射率沿截面径向分布一般为阶跃型，多模光纤可呈多种形状。

纤芯尺寸及纤芯和包层的折射率差：单模纤芯直径在10um 左右，多模一般在50um 以上；单模光纤的相对折射率差在0.01以下，多模一般在0.01—0.02之间。

2．解释数值孔径的物理意义，并给出推导过程。

A:：NA 的大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以m 为半锥角的锥形区域之内的光线，才能够为光纤所接收。

3．比较阶跃型光纤和渐变型光纤数值孔径的定义，可以得出什么结论？A ：阶跃型光纤的NA 与光纤的几何尺寸无关，渐变型光纤的NA 是入射点径向坐标r 的函数，在纤壁处为0，在光纤轴上为最大。

4．相对折射率差的定义和物理意义。

A ：2221212112n n n n n n --D =?D 的大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。

5．光纤的损耗有哪几种？哪些是其固有的不能避免，那些可以通过工艺和材料的改进得以降低？A ：固有损耗：光纤材料的本征吸收和本征散射。

非固有损耗：杂质吸收，波导散射，光纤弯曲等。

6．分析多模光纤中材料色散，模式色散，波导色散各自的产生机理。

A ：材料色散是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。

波导色散是由于不同的光源频率所对应的同一导模的群速度不同所引起的脉冲展宽。

多模色散是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。

7．单模光纤中是否存在模式色散，为什么？A ：单模光纤中只传输基模，不存在多模色散，但基模的两个偏振态存在色散，称为偏振模色散。

8．从射线光学的观点计算多模阶跃光纤中子午光线的最大群时延差。

A ：设光纤的长度为L ，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为L ；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输路径最长，为sin c L f 。

1. 一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。

试问：（a ） 其纤芯直径为多少？（b ） 在1310nm 波长上可以支持多少个模式？ （c ） 在1550nm 波长上可以支持多少个模式？ 解：（a ）221/21222()aaV n n NA ππλλ=-=，而22V M ≈从而得到纤芯半径：a=V λ/（2πNA ）=30.25μm ，则直径为60.5μm（b ）22()2V aM NA πλ≈=*2，与波长的平方成反比 因此在1310nm 上的模式数为M=（850/1310）2×1000=421（c ）在1550nm 上的模式数为M=（850/1550）2×1000=3002. 阶跃型光纤，若n 1=1.5，λ0=1.31μm ，（1） Δ=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径a 应取多大？ （2） 若取芯径a=5μm ，保证单模传输时，Δ应怎样选择？解：（1）根据2122212n n n -=∆，单模传输要求 221/221/212122()(2) 2.405a a V n n n ππλλ=-=∆< 解得到 a < 0.4727μm（3） 同样用 21/212(2) 2.405an πλ∆<得到 Δ< 0.00223. 一段12km 长的光纤线路，其损耗为1.5dB/km ；（a ） 如果在接收端保持0.3μW 的接收光功率，则发送端的功率至少为多少？（b ） 如果光纤的损耗变为 2.5dB/km ，则所需的输入光功率为多少？ 解：（a ）利用()()10(0)()10L p z p z L αλ===，得到(0)p z ==18.93μW（b ） ()()10(0)()10L p z p z L αλ=== ，得到 (0)p z ==300μW补充：答：光纤存在下列色散类型：（1）模式色散（或模间色散）。