2、3章习题解析

第一章习题1.1什么是光纤通信？简述光纤通信的进展历程？解：光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信方式。也就是说，光纤通信是将待传送的语音、图像和数据等信号调制在光载波上，然后通过光纤进展传输的一种通信方式。光纤通信的进展粗略分为如下几个阶段1第一阶段1966-1976年，从根底争论到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长0.85m低速率45-140Mb/s多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。2其次阶段1976-1986年，这是以提高传输速率和增加传输距离为争论目标和大力推广应用的大进展时期。在这个时期，光纤从多模进展到单模，工作波长从短波进步展到长波长1.31m和1.55m，实现了工作波长为1.31m、传输速率为140-565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为10-50km。3第三阶段1986-1996年，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术争论的时期。在这个时期，实现了1.55m色散移位单模光纤通信系统。承受外调制技术，传输速率可达2.5-10Gb/s，无中继传输距离可达100-150km。4第四阶段1996年-至今，开展争论光纤通信新技术。承受光放大器增加中继距离和承受波分复用增加传输容量。现在10Gb/s、40Gb/s的系统也已商用化。1.2 光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式？解：光纤通信能够成为现代的主要通信方式，是归因于光纤通信具有以下突出的优点：通信速率高单波长速率已达10Gb/s以上，传输容量大光波具有很高的频率，约1014Hz，一根光纤可同时传输几十个波长)；损耗低单模已低达0.2dB/km)、传输距离远中继距离可达50-100Km；抗干扰力量强抗强电、雷电和核辐射干扰，保密性好光纤由石英玻璃制成，由于是绝缘材料，不受电磁场干扰；在光纤中传输的光泄漏特别微弱；质量轻是传输一样信息量电缆重量的1/10-1/30，体积小是一样容量电缆外径的1/3-1/4，敷设便利；耐腐蚀，耐高温石英玻璃熔点在2023 C以上，可在恶劣环境中工作，寿命长；节省金属材料，有利于资源合理使用制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤的石英SiO2)在地球上根本上是取之不尽的材料1.3 光纤通信系统的组成主要包括哪些局部？试画出简图予以说明。解：光纤通信系统的根本组成包括：光纤、光发送器、光接收器、光中继器以及适当的连接器件等。其中：光发送器的功能是将来自用户端的电信号转换成为光信号，然后入射到光纤内传输。它一般由驱动电路、光源和调制器构成；光接收器的功能是将光纤传送过来的光信号复原成为电信号，然后送往用户端。它一般由光电检测器、解调器、放大器和相关电路组成；光中继器是用来增大光的传输距离，它将经过光纤传输后有较大衰减和畸变的光信号变成没有衰减和畸变的光信号，再连续输入光纤内传输。其次章习题2.1 依据光纤的射线传输理论，光纤是利用什么方式传导光的？解：假设光线从光密介质n1 射向光疏介质n2 时，当入射角1 满足关系1c=arctan n2n1时，将产生全反射，光纤是利用光的全反射特性来导光的。2.2 什么是单模光纤？常用的单模光纤有哪些？各自的特点是什么？解：单模光纤SMF是纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小几个微米，适合大容量、长距离通信。多模光纤MMF是纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大50微米左右，仅用于中小容量、中短距离通信。ITU-T规定的单模光纤包括：G.652光纤，又称常规单模光纤，其色散零点在1310nm四周，而在1550nm处的衰减最低，但色散较大，价格较低，技术成熟，是世界上应用量最大的光纤；G.653光纤，又称色散位移光纤，将色散零点位移到1550nm四周，在光纤的最低损耗波特长的色散系数几乎为零，对于单波长系统无疑是最好的，但在多波长系统中，由于零色散会导致严峻的四波混频现象，故不能支持波分复用系统，处于被市场淘汰的现状；G.654光纤又称截止波长位移光纤，在1550nm波长具有微小的衰减0.2dB/km，主要用于远距离无中继海底通信系统中，制造困难，价格高；G.655光纤又称非零色散位移光纤，它在1550nm波特长有最小损耗和较小的色散值，特地为新一代密集波分复用系统设计和制造。2.3 什么是光纤的数值孔径？一阶跃型光纤，纤芯折射率为1.5，相对折射率差=1%，求光纤的数值孔径。解：光纤端面临界入射角的正弦值，称为数值孔径NA。由于光纤端面上小于或等于临界入射角的入射光才可以在光纤内传输，故NA表示光纤采光力量的大小。NA越大，则光纤与光源或其它光纤的耦合就越简洁。但NA过大会增加光纤传输损耗，故NA应适当取值。2.4 阶跃型光纤的纤芯折射率是1.5，包层折射率是1.498，工作波长为1310nm，当纤芯直径为多大时为单模传输？解：单模传输的工作条件是 归一化频率V满足，此时间纤内只含有基模。加问题：此光纤的数值孔径是多大？光纤入射端面容许光线的最大入射角是多大？总接收角是多大？解解：2.5 什么是光纤的损耗？假设光纤的损耗为2.5dB/km，入纤光功率为1W，经过20km传输后光功率为多少？解：光纤的损耗即指光信号经过肯定距离的光纤传输后要产生衰减，光信号幅度减小，其损耗机理包括：吸取损耗，由于制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸取而产生的损耗。散射损耗，由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中消失折射率分布不均匀，从而引起光的瑞利散射，将一局部光功率散射到光纤包层或外部。辐射损耗，在成纤后产生的损耗，主要是由于光纤受到弯曲和微弯曲所产生的，即光纤从直线局部进入弯曲局部时传导模变成了辐射模，使局部光渗透到包层中或穿过包层外泄，因而造成光损耗。光纤损耗系数定义为将数值代入可得P0=10-5W2.6 某光纤在1300nm处的损耗是0.6dB/km，在1550nm处的损耗为0.3dB/km。假设下面两种光信号同时进入光纤：1300nm波长的150W的光信号和1550nm波长的100W的光信号，试问这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少W?解：解：将数值代入损耗系数定义式，可计算得对于1300nm波长在8km和20km处的功率分别是 0.1433 W和2.1240e-014W。对于1550nm波长在8km和20km处的功率分别是 1.8289W和0.0104W。2.7 什么是全波光纤？其特点如何？解：承受超高纯度提纯技术去除玻璃纤维材料中的全部水分子，可以消退水分子在1400nm四周的吸取顶峰，从而使常规光纤的其次和第三两个低损耗窗口连成统一的传输波长区，这种光纤称为全波光纤。2.8 什么是光纤的色散？光纤中有哪几种色散？解释其含义。解：光纤的色散是指光信号经过肯定距离的光纤传输后要产生畸变，光信号波形展宽，色散限制光纤通信系统的传输容量。光纤中的色散类型包括：波长色散，指同一个导波模式中不同波长光线的传播路径和速度不同，产生时延差，引起光脉冲展宽。波长色散包含材料色散和波导色散两类，其中材料色散是因光源光谱不纯以及光纤石英材料的折射率随波长而变化所产生；波导色散是因光源光谱不纯以及波导构造的影响而产生。模式色散，指同一波长光信号中不同模式光线的传播路径和速度不同，产生时延差，引起光脉冲展宽，模式色散只在多模光纤中存在。2.9 可以承受一些什么方法减小色散的影响？解：色散对通信尤其介高比特率通信系统的传输有不利的影响，但可实行肯定的措施来设法降低或补偿，有如下几种方案：零色散波长光纤，对于常规单模光纤，选用工作波长1310nm其色散最小。色散位移光纤DSF，削减光纤的纤芯使波导色散增加，可把零色散波长向长波长方向移动，从而在光纤最低损耗窗口1550nm四周得到最小色散。色散平坦光纤DFF，在1310nm-1550nm范围内，色散接近于零的光纤。色散补偿光纤DCF，通常DCF光纤的色散值很大，典型值为-103ps/(nm.km)，只需很短的DCF就能补偿很长的一般单模光纤色散典型值1ps/(nm.km)。色散补偿器，如光纤光栅、光学相位共轭等。其原理是让原先跑得快的波长经过补偿器时慢下来，削减不同波长由于速度不一样导致的时延。2.10 光缆由哪几局部组成？常见的光缆构造有哪些？解：光缆的构造一般分为缆芯和护层两大局部。常见的光缆构造有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，我国及欧亚各国用的较多的是传统构造的层绞式和骨架式。2.11 光纤与光纤的连接方法有哪些？请简要表达。解：光纤与光纤的连接方法有两种，一种是永久性连接，指一个接头，常见于光纤与光纤之间的连接；另一种是可拆卸连接，常承受连接器，俗称活接头，常位于光缆终端处，用于光源或光检测器等器件与光纤的连接。其次章习题补充1.假设有一光纤的折射率n1=1.45，相对折射率差=0.002，试问：纤芯半径a=3m或5m时，此光纤在820nm波长上是单模光纤还是多模光纤？解：利用公式 当a=3m时，V=2.10812.4048，故此光纤在820nm波长上是多模光纤。2.一阶跃光纤折射率n1=1.5，相对折射率差=1%，长度L=1km。求子午光线的最大时延差？解：1yq1lLxoqqc纤芯n1包层n2zy1入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经受的路程为l(oy)，在不大的条件下，其传播时间即时间延迟为子午光线的最大时延差即是最大入射角和最小入射角的光线之间时延差近似为3.光纤的芯径2a=50m，max=0.01，n1=1.45，=0.85m，假设光纤的折射率分布指数分别为g阶跃型和g=2抛物渐变型，求它们的导波模式数量。假设波长转变为1.31m，导波模式数量如何变化？解：光纤中传导模的总数为当=0.85m时，Vmax=38，所得模式数量分别约为722和361.假设波长转变为1.31m，则Vmax=25，所得模式数量分别约为313和156.第三章习题3.6 光纤耦合器有哪些性能指标，分别是如何定义的？解：光纤耦合器的常见性能指标有 附加损耗Le，指全部输出端口的光功率总和相对于输入总光功率损失的分贝数的负值。插入损耗Li，指光信号经过光纤耦合器后，每一路光信号输出相对于输入光信号光功率损失的分贝数的负值。分光比，指光纤耦合器各输出端口的输出功率的 比值。隔离度I，指一个输入端的光功率和由其反射到其他端的光功率的比值的分贝数，也称方向性。3.7 简述光衰减器在光路中的作用，一般在哪些场合下使用？解：光衰减器是插入光链路中掌握光能衰耗的一种无源器件，在光链路中对光信号功率进展定量或不定量的衰减。它主要用于调整光中继段的线路损耗、评价光系统的灵敏度和校正光功率计等场合。3.8 阐述偏振相关型光隔离器的工作原理。解：光隔离器是一种只允许光信号沿光路正向传输的非互易性无源器件。它的物理根底是基于晶体材料的法拉弟效应。介质的磁致旋光效应对光的偏振方向的转变只与磁场方向有关，与光的传播方向无关。光隔离器就是利用晶体的非互易旋光性使光正向传输，反向隔离。法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP偏振器偏振相关型光隔离器的构造原理图偏振无关型光隔离器偏振无关型光隔离器SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)空间分别偏振器SWP的作用是将入射光分解为两个正交偏振重量，让垂直重量直线通过，水平重量偏折通过。半波片的作用是将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45，将从右向左传播的光的偏振态逆时针旋转453.9 已经知道Bragg光栅可以作为光滤波器，假设滤波器的中心波长是1300nm，其光敏处纤芯有效折射率为0.07，则光栅周期是多少？解：光纤光栅的谐振波长B与光栅周期的关系为3.10 画出光环形器和啁啾光纤光栅组成的色散补偿系统原理图，并简述系统工作原理。解：从光放射机放射的光信号的传输因色散作用发生脉冲展宽，被展宽的信号引入到光环形器，在经过啁啾光栅反射过程中，长波长信号在光栅周期大的地方先反射，短波长的信号在光栅周期小的地方后反射，由于长波长的信号经过光栅反射回来需要的时间短，短波长信号经过光栅反射时间长，因此，经过啁啾光栅反射后，波长信号被压缩，压缩后的脉冲信号从环形器的输出端输出，从而到达色散补偿的目的。3.12 光无源器件按功能分类有哪些？简述它们的根本功能。解：光无源器件按具备的功能不同可分为光连接器件、光衰减器件、光耦合器件、光波分复用/解复用器件、光隔离器件等。光连接器的功能：用于光纤与光端机的连接，光纤线路与光测试仪器仪表的连接，光纤与光无源器件的连接。光衰减器的功能：插入光链路中掌握光能衰耗。光耦合器的功能：将一个端口输入的光信号安排给多个端口输出或把多个输入的光信号组合成一个输出，实现光功率的安排组合。光波分复用/解复用器件的功能：把多个不同波长的光波复合后，注入到同一根光纤中传输，或将输入光口的多个不同波长的光波分开，输出到不同的光端口输出。光隔离器的功能：只允许光信号沿光路正向传输，它对正向传输光有较低的插入损耗，而对反向传输光有很大损耗，用以抑制光传输系统中回波对光源等器件的不利影响。