光纤通信习题集

光 纤 通 信 习 题

第一章 概 述

1. 光纤通信的优缺点各是什么？

2. 光纤通信系统由哪几部分组成? 各部分的功能是什么？

3．什么叫光纤通信？

4.光纤通信从什么年代开始发展起来的，在什么年代开始进入商用阶段？光纤通

信起步发展阶段解决了哪些关键技术？

5.光纤通信系统的基本组成是怎样的？试画出简图予以说明。

6. 现有光纤通信使用的光波长有哪几种？它们在整个电磁波谱中处在什么位

置？

7. 假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作， 试问在5 GHz

的微波载波和1.55 μm的光载波上能传输多少路64 kb/s的音频信道？

8.光纤通信有哪些类别？

9.信道比特率BR（Bit Rate）与信道带宽BW（Bit Width）的物理意义是什么？

两者之间有何近似关系？

10.对10路话音信号进行PCM时分复用传输，已知采样速率为8kHz，采样后的

信号使用M级电平量化，采用二进制编码，传输信号的波形为半占空归零矩形

脉冲。试求当M=8和128时，传输10路PCM时分复用信号所需要的带宽分别

为多少？

1第二章 光 纤

1.光波在真空中和介质中的传播速度有何关系？波长有何关系？频率有何关

系？传播常数有何关系？

2. 光纤的基本结构是怎样的？

3.光纤按照制作材料、折射率分布形式以及光波模式的不同来划分，各分为哪些

类型？

4. 何谓阶跃光纤？何谓渐变光纤？

5.何谓多模光纤？何谓单模光纤？

6.何谓光纤衰减常数？其物理意义是什么？

7. 列表说明光纤通信中常用的低损耗窗口的波长、衰减常数、对应光纤、应用

范围等。

8.光纤存在哪些色散类型？写出各类色散带宽的计算公式。

9.从几何光学理论来看，光纤中导波的形成必须具备哪几个条件？

10.为什么V>Vc是纤芯中导波存在的条件，V=Vc是导波截止的临界条件？

11.为什么说当两根光纤的12,,,,annλα和inφ都分别相同时，长光纤比短光纤输出

的高阶模要少？

12.为什么单模光纤需要定义模场直径这个参量？

13.光波从空气中以角度θ1=33°投射到平板玻璃表面上， 这里的θ1是入射光线

与玻璃表面之间的夹角。 根据投射到玻璃表面的角度， 光束一部分被反射， 另

一部分发生折射。 如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°， 请问玻璃

的折射率等于多少？ 这种玻璃的临界角又为多少？

14.计算n1=1.48及n2=1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。 如果光纤端面外介

质折射率n=1.00， 则允许的最大入射角θmax为多少？

15.弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率指数分别为n1=1.5， n2=1.45， 试计算：

（1） 纤芯和包层的相对折射差Δ。

（2） 光纤的数值孔径NA。

16.已知阶跃光纤纤芯的折射率为n1=1.5， 相对折射(指数)差Δ=0.01， 纤芯半

径a=25 μm， 若λ0=1 μm， 计算光纤的归一化频率V及其中传播的模数量M。

17.一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850 nm波长上可以支持1000

2个左右的传播模式。 试问：

（1） 其纤芯直径为多少？

（2） 在1310 nm波长上可以支持多少个模？

（3） 在1550 nm波长上可以支持多少个模？

18. 用纤芯折射率为n1=1.5， 长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率f0=8MHz

的光脉冲， 经过该光纤后， 信号延迟半个脉冲周期， 试估算光纤的长度L。

19.有阶跃型光纤， 若n1=1.5， λ0=1.31 μm， 那么

（1） 若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=5 μm， 保证单模传输时， Δ应怎样选择？

20.渐变型光纤的折射指数分布为 2/121)0()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ−=aarnrn

求光纤的本地数值孔径。

21.某光纤在 1300 nm处的损耗为0.6 dB/km， 在1550 nm波长处的损耗为 0.3

dB/km。 假设下面两种光信号同时进入光纤： 1300 nm波长的150 μW的光信

号和1550 nm波长的100 μW的光信号。 试问这两种光信号在8 km和20 km处

的功率各是多少？ 以μW为单位。

22. 一段12 km长的光纤线路， 其损耗为1.5 dB/km。 试回答：

（1） 如果在接收端保持0.3 μW的接收光功率， 则发送端的功率至少为多少？

（2） 如果光纤的损耗变为2.5 dB/km， 则所需的输入光功率为多少？

23. 有一段由阶跃折射率光纤构成的5 km长的光纤链路， 纤芯折射率n1=1.49，

相对折射率差Δ=0.01。

（1） 求接收端最快和最慢的模式之间的时延差；

（2） 求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；

（3） 假设最大比特率就等于带宽， 则此光纤的带宽距离积是多少？

24. 有10 km长， NA=0.30的多模阶跃折射率光纤。 如果其纤芯折射率为1.45，

计算光纤带宽。

25. 一阶跃光纤，其纤芯折射率=1.52，包层折射率=1.49。试问： 1n2n

3 (1)光纤放置在空气中，光从空气中入射到光纤输入端面的最大接收角是多

少？

(2)光纤浸在水中(=1.33)，光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角是多

少？ 0n

26. 假设有一光纤的折射率=1.45，相对折射率差1nΔ=0.002，试问：纤芯半径

=3amμ或5mμ时，此光纤在820nm波长上是单模光纤还是多模光纤？

27. 已知抛物渐变光纤的折射率为

()1/22112()12(/)(0)nrnraran⎡⎤=−Δ≤≤⎣⎦≥⎧⎨⎩纤芯：包层：ra

试求：该光纤对子午光线的数值孔径。

28.一阶跃光纤当工作波长1.31mλμ=时，其归一化频率V=50。计算该光纤的理

论截止波长。

29.一数值孔径为0.24的阶跃多模光纤在0.85mμ波长上大约支持985个导波模

式。试求：

(1)该光纤的纤芯直径是多少？

(2)在1.31mμ波长上可以支持多少种传播模式？

(3)在1.55mμ波长上可以支持多少种传播模式？

30.若要制造一石英纤芯的节约多模光纤，其归一化频率V=75，数值孔径

NA=0.30，工作波长0.85mλμ=，如果 11.45n=，问包层折射率为多少？纤

芯半径应为多大？ 2n

31.已知阶跃折射率多模光纤的L=10km，NA=0.30，11.45n=，计算该光纤模间

色散带宽。

32.某δ光脉冲信号经50km长的多模光纤传输后展宽成为高斯波形，若已知其均

方根展宽量，试问：(1)该多模光纤全长的带宽是多少？(2)该多模

光纤1km长的带宽是多少？(取γ=0.8) 82.1410sσ−=×

433.求证：阶跃光纤导波模的总数N=V2/2。

34.已知抛物渐变光纤的传输常数为

()()112201(1);(0,1,2,0,1,2,)0knmnmnknaβΔ=−++==…；…

试证明：抛物渐变光纤导波模的总数N=V2/4. 35.证明纤芯的材料色散系数为

()212ndnDcdλλλ=−

5第三章 光源与光检测器

1.光二极管（LD）由哪些部分构成？各部分的功能是什么？

2. 计算一个波长为λ=1 μm的光子能量， 分别对1 MHz和100 MHz的无线电波

做同样的计算。

3. 太阳向地球辐射光波， 设其平均波长λ=0.7 μm， 射到地球外面大气层的光

强大约为I=0.14 W/cm2。 如果恰好在大气层外放一个太阳能电池， 试计算每秒

钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。

4. 如果激光器在λ=0.5 μm上工作， 输出1 W的连续功率， 试计算每秒从激活

物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。

5. 光与物质间的互作用过程有哪些？

6. 什么是粒子数反转？ 什么情况下能实现光放大？

7. 什么是激光器的阈值条件?

8. 由表达式E=hc/λ说明为什么LED的FWHM功率谱宽在长波长中会变得更宽

些。

9. 试画出APD雪崩二极管的结构示意图， 并指出高场区及耗尽区的范围。

10. 一个GaAs PIN光电二极管平均每三个入射光子产生一个电子-空穴对。 假

设所有的电子都被收集， 那么

(1) 试计算该器件的量子效率；

(2) 当在0.8 μm波段、 接收功率是10-7 W时， 计算平均输出光电流；

(3) 计算波长， 当这个光电二极管超过此波长时将停止工作， 即长波长截止点

λc。

11. 什么是雪崩增益效应？

12. 设PIN光电二极管的量子效率为80%， 计算在1.3 μm和1.55 μm波长时的

响应度， 说明为什么在1.55 μm处光电二极管比较灵敏。

13. 光检测过程中都有哪些噪声？

14. 利用GaAs半导体材料做成激光二极管，已知GaAs的导带和价带的能级

（焦耳），试问：（1）发出的激光之波长是多少？（2）

用eV（电子伏特）作单位时的等于多少？ JEEEvcg1910176.2−×=−=

gE

15. LED的量子效率定义为

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