光纤通信》试题计算分析题练习
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《光纤通信》计算、综合、
分析练习公布
精选精炼+课后精讲（QQ 在线讲解）
张延锋 2014/8/1
计算、综合、分析题练习
1. 一阶跃折射率光纤，纤芯折射率n 1=，相对折射率差%1=?，工作波长为1310nm ，试计算：
(1) 为了保证单模传输，其芯径应取多大
(2) 若取芯径m 5a μ=，求其数值孔径及其模式数。
2. 设PIN 光电二极管的量子效率为75％，渡越时间为10ps 。问： (1) 计算该检测器的3dB 带宽；
(2) 计算在和波长时的响应度，并说明为什么在处光电二极管比较灵敏。 3.已知阶跃型光纤的n 1=，△=％，工作波长λ=μm 光纤中的导模M=2求： (1) 光纤的数值孔径NA 。(2分) (2) 全反射临界角θc 。(3分) (3) 光纤的纤芯半径a 。(5分)
4. 一个GaAsPIN 光电二极管平均每两个入射光子，产生一个电子－空穴对，假设所有的电子都被接收。 (1) 计算该器件的量子效率；
(2) 设在波段接收功率是10－7W ，计算平均输出光生电流。
(3) 计算这个光电铒极管的长波长截止点λc （超过此波长光电二极管将不工作）。
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5. 某SI 型光纤，光纤的芯径d=2a 为100μm ，折射率n1=，包层的折射率n2=，在该光纤中传输的光波的波长λ=850nm 。 （1）计算该光纤的V 参数；
（2）估算在该光纤内传输的模式数量； （3）计算该光纤的数值孔径； （4）计算该光纤单模工作的波长。
6. 有一GaAlAs 半导体激光器，其谐振腔长为300m μ，材料折射率n=，两端的解理面的反射率为。
(1)求因非全反射导致的等效损耗系数。
(2)求相邻纵模间的频率间隔和波长间隔。
(3)若此激光器的中心波长λ=1310nm ，与此相应的纵模序数。
7. 设140Mb/s 的数字光纤通信系统，工作波长1300 nm ，其他参数如下：
发射光功率为-3dBm ，接收机的灵敏度为-38 dBm （BER=10-9），系统余量为4 dB ，连接器损耗为 dB /个，平均接头损耗为 dB/km ，光纤损耗为 dB/km ，试计算损耗限制传输距离。
8. 分光比为3：1的定向耦合器，假设从输入口0输入的功率为1mW ，从输入口0到输入口1的插入损耗为，求两个输出口的输出光功率。 9. 已知阶跃折射率光纤中n 1=，n 2=。
（1）光纤浸没在水中(n0=，求光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收
角；
（2）光纤放置在空气中，求数值孔径。
10. 若一个565Mbit/s 单模光缆传输系统，其系统总体要求如下：
光纤通信系统光纤损耗为km ，光纤接头损耗为km ，光源的入纤功率为，接收机灵敏度为-37dbm ，线路码型5B6B ，传输速率为677990kbit/s,光源采用MLM －LD ，光源谱宽为2nm ，光纤的色散系数为(km nm)，ε光通道功率参数取。设计中取光功率代价为1db,光连接器衰减为1db ，光纤富余度为km,设备富余度为。
试求：系统的最大中继距离。
11. 弱导波阶跃光纤芯子和包层的折射指数分别为n 1=,n 2=,试计算: (1)纤芯和包层的相对折射指数差Δ； (2)光纤的数值孔径NA 。 12. 光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻
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是多少
13. 计算1 1.48n =及2 1.46n =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 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少
14. 已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01?=，纤芯半
径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。 15. 一根数值孔径为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： （1）其纤芯直径为多少
（2）在1310nm 波长上可以支持多少个模 （3）在1550nm 波长上可以支持多少个模
16. 用纤芯折射率为1 1.5n =，长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率08f MHz =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 。 17. 有阶跃型光纤，若1 1.5n =，0 1.31m λμ=，那么
（1）若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5a m μ=，保证单模传输时，?应怎么选择
18. 渐变光纤的折射指数分布为 求光纤的本地数值孔径。
19. 某光纤在1300nm 处的损耗为0.6/dB km ，在1550nm 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：1300nm 波长的150W μ的光信号和1550nm 波长的100W μ的光信号。试问这两种光信号在8km 和20km 处的功率各是多少以W μ为单位。
20. 一段12km 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0.3W μ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
21. 有一段由阶跃折射率光纤构成的5km 长的光纤链路，纤芯折射率1 1.49n =，相对折射率差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 22. 有10km 长0.30NA =的多模阶跃折射光纤，如果其纤芯折射率为1.45，计算光
纤带宽。 23. 计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做
同样的计算。
24. 太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。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。
25. 如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 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。
26. 设PIN 光电二极管的量子效率为80%，计算在1.3m μ和1.55m μ波长时的响应
度，说明为什么在1.55m μ处光电二极管比较灵敏。
27. 假设我们想要频分复用60路FM 信号，如果其中30路信号的每一个信道的
调制指数3%i m =，而另外30路信号的每一个信道的调制指数4%i m =，试求出激光器的光调制指数。
28. 假设一个SCM 系统有120个信道，每个信道的调制指数为%；链路包括一
根损耗为1dB/km 的12km 长的单模光纤，每端有一个损耗为的连接器；激光光源耦合进光纤的功率为2mW ，光源的RIN=-135dB/Hz ；PIN 光电二极管接收机的响应度为W ，B=5GHz ，I D =10nA ，R eq =50Ω,F t =3dB 。试求本系统的载噪比。
29. 假设一个有32个信道的FDM 系统中每个信道的调制指数为%，若
135/RIN dB Hz =-，
PIN 光电二极管接收机的响应度为0.6/A W ，5B GHz =，10D I nA =，50eq R =Ω，3t F dB =。
（1）若接收光功率为10dBm -，试求这个链路的载噪比；
（2）若每个信道的调制指数增加到7%，接收光功率减少到13dBm -，试求
这个链路的载噪比。
30. 一直有一个565Mb/s 单模光纤传输系统，其系统总体要求如下：
（1）光纤通信系统的光纤损耗为km ，有5个接头，平均每个接头损耗为，光
源的入纤功率为-3dBm ，接收机灵敏度为-56dBm （BER=10-19）。 （2）光纤线路上的线路码型是5B6B ，光纤的色散系数为2ps/（），光源光谱
宽度为。
求：最大中继距离是多少
注：设计中选取色散（功率）代价为1dB ，光连接器损耗为1dB （发送和接
收端各一个），光纤富于度为km ，设备富于度为。
31. 一个二进制传输系统具有以下特性：
（1）单模光纤色散为15ps/，损耗为km 。
（2）发射机用1551nm λ=的GaAs 激光源，发射平均光功率为5mW ，谱宽
为2nm 。
（3）为了正常工作，APD 接收机需要平均1000个光子/比特。 （4）在发射机和接收机处耦合损耗共计3dB 。 求：
（1）数据速率为10和100Mb/s 时，找出受损耗限制的最大传输距离。 （2）数据速率为10和100Mb/s 时，找出受色散限制的最大传输距离。 （3）对这个特殊系统，用图表示最大传输距离与数据速率的关系，包括损耗
和色散两种限制。
32. 比较下面两个速率为100Mb/s 的系统其损耗受限的最大传输距离。
系统1工作在850nm：
（1）GaAlAs半导体激光器：0dBm(1mW)的功率耦合进光纤；
（2）硅雪崩光电二极管：灵敏度为-50dBm；
（3）渐变折射率光纤：在850nm处的损耗为km；
（4）连接器损耗：每个连接器为1dB。
系统2工作在1300nm：
（1）InGaAsPLED：-13dBm的功率耦合进光纤；
（2）InGaAsPIN光电二极管：灵敏度为-38dBm；
（3）渐变折射率光纤：在300nm处的损耗为km；
（4）连接器损耗：每个连接器为1dB。
每个系统均要求6dB的系统富于度。
33.某光纤通信系统，其发送光功率为-4dBm，光接收机灵敏度为-40dBm，设备
富余度为6 dB，光缆富余度为km，光纤接头损耗为km，且不考虑色散的影响，求当无光缆配线架时，如果希望最长中继距离为60 km，此时的光缆的衰减系数为多大
34.阶跃型光纤中，已知纤芯折射率n1=，n2＝，纤芯半径a＝4μm，工作波长λ
＝μm。求：
（1）相对折射指数差；
（2）光纤中传输的模式数量；
（3）每公里长度光纤的模式色散
35.一光纤通信系统的光纤损耗为dB/km，光发射机的平均发送光功率为-1 dBm，
全程光纤平均接头损耗为dB/km。设计要求系统富裕度为6 dB，无中继传输
距离为70 km。求：
（1）满足上述要求，光接收机灵敏度至少应取多少
（2）若要求系统允许的最大接收功率为－10 dBm，则光接收机的动态范围至
少应取多少
36.已知阶跃型光纤的n1=，Δ=，芯子半径a=10μm，波长λ0=μm,试计算：
（1）数值孔径NA
（2）归一化频率
（3）入射光线的激励角范围
37. 已知阶跃型光纤的n1=，Δ=%，λ0=μm,若光纤中的导模数量N=2，试问至
少纤芯半径为多大
38.有一五次群单模光缆传输系统，线路码型为3B4B码，应用InGaAs-LD，其
It<50mA，标称波长为1310nm，光谱宽度为2nm，发送光功率为,接收灵敏度为-38dBm,动态范围≥20dB。采用的光缆其固有损耗为km,接头损耗为km，光连接器衰减为1dB，光纤色散系数≤nm·km,光纤富余度为km。若考虑1dB 色散代价（ε取），5dB设备富余度，试计算在系统设计时，最大中继距离为多少
39.一无备用系统的光缆通信系统，在420km内共设10个中继器，各种设备的
（1）系统总故障率。
（2）平均无故障时间。
40. 已知均匀光纤的n1=，Δ=，工作波长λ0=μm,当纤芯半径a=25μm。试求：（1）此光纤中传输的导模数是多少
（2）若要实现单模传输，纤芯半径应为多少
（3）系统中采用1∶1的主备比，在系统发送和接收端各存在一个转换设备，转换设备的故障率为200fit（一端），平均故障修复时间为4小时。求：
①此系统的失效率。
②若系统的设计寿命为20年，则在此间系统的中断通信时间。
41. 如果在无备用系统情况下，容许5000km光纤通信系统双向全程每年4次全
程故障，那么280km的数字段双向全程每年允许出现的全程故障是多少次
42. 某激光器的输出光功率为500mw,问此功率可折合为多少dBm
43.某种光纤的纤芯和包层的折射率分别是和，则其临界传播角为
44.光接收机的灵敏度S r是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机接受微
弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率P min来描述，现若有最低平均光功率P min为10mW，则其灵敏度S r为
45.光接收机的动态范围D是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光
功率P min和最大允许光功率P max之比，现知P min和P max分别是10W和100W，则其动态范围D为
46.一阶跃折射率光纤，已知纤芯和包层的折射率分别是：
n1=1.486,n2=1.472,现仅考虑模式色散，则：
（1）每1km长度的脉冲宽度。
（2）假设输入光脉冲的宽度T与模式色散产生的展宽?t相比可以忽略不计，在以上情况下计算可传输光脉冲的最大比特率。
47.一阶跃折射率光纤，已知纤芯和包层的折射率分别是：n1=1.48,n2=1.46,
求：
（1）其临界入射角θc；
（2）其临界传播角αC；
（3）其数值孔径NA；
（4）其最大接收角θ0；
（5）是否能得知相对折射率差?的大小相对折射率差?和光纤与光源之间的耦合效率有何关系实际光纤对?有什么要求
48.已知某光纤参数如下：a=4.0μm,?=0.003,纤芯折射率为n1=1.48。试问：
（1）此光纤能否传输波长λ=1.31μm的TE01和TM01模说明理由。
（2）如要使TE01和TM01模能够传输，光波长应做怎样的调整
49.已知某光纤参数如下：a=6μm,?=0.002,纤芯折射率为n1=1.5。若干HE mn
模的截止频率和若干EH mn模的截止频率如表1和表2。试问：
（1）当光波长分别为λ1=1.55μm，λ2=1.31μm，λ3=0.85μm时，光纤中能传输哪些导波模
（2）从（1）中能看出波长与归一化频率、可传输的模式数量有何关系可传
输的模式数量与归一化频率的近似关系表达式是
（3）归一化频率的值一般还决定了包层传输的功率占总功率的比例，对于上例光波长为λ1=1.55μm而言，若假设总功率为1000dBm，则包层传输
的功率P
包层
为多少
表1 若干HE
模的截止频率
1
是λ=1.31μm，求单模传输时光纤具有的纤芯半径a。
51.对于单纵模激光器，定义边模抑制比MSR为主模功率P
主与次边摸功率P
边
之
比，它是半导体激光器频谱纯度的一种度量，若P
主=10dBm，P
边
=1dBm，
则MSR为
52.光检测器的响应度R表明了光检测器将光信号转化成电信号的效率，现知光
检测器的光电流I p=1.0A，其入射光功率为P in=1.4286W，则响应度R的
大小为
53.某LAN光纤链路工作波长λ=850nm，链路长度L=2000m，最大比特率为
16Mb/s，采用线宽为20nm的LED光源，光设备的上升时间为8ns，10/100Mb/s LAN最大光缆长度如表1，用MMF（多模光纤）125μm的光纤。
(1) 系统要求的上升时间Δt r。
(2) 模式色散引起的脉冲展宽Δt mod，即光线模式上升时间。
(3) 色度色散引起的脉冲展宽Δt ch。
(4) 求系统实际上升时间Δt sys。
(5) 可以达到指定的比特率吗
(6) 如果光纤的带宽不能满足要求，你认为该如何解决
注：色度色散计算公式D(λ)=S0
4（λ?λ0
4
λ3
）和Δt ch=|D(λ)|ΔλL。
计算、综合、分析题练习答案
1. 解：由单模传输条件
得 m 36.22n 2405.2a 1μ=?
πλ
≤
由数值孔径的定义式有
则模式数为65.122
V m 2
==， 所以光纤中存在13个模式。 2. 解：（1）G Hz 42MHz 102410
1042
042
0f 412
d
c =?=?=
=
-...τ （2）响应度R 定义为光生电流P I 与输入光功率in P 之比，即in p P I =ρ 因为入射光功率对应于单位时间内平均入射的光子数)/(c in hf P 而入射光子以量子效率η部分被吸收，并在外电路中产生光电流，则有响应度
波长为时，7902413
1750....=?=
ρ(A/W)_
波长为时，94024
155
1750....=?=ρ(A/W)
由上式可知，在量子效率一定时，响应度与波长成正比。所以由PIN 在处的灵敏度高于在处。
3. 解：(1)15.0005.025.12n NA 1=?=?=
(2)99.0n n ;
005.0n 2n n 1
2
2
1
2
221=∴
=-=?Θ
?===384990n n 1
2
c .).arcsin()arcsin(
θ， (3)2V 22
V M
2
=∴==
;
4. 解： (1) 由量子效率的定义得
％＝＝入射光子数
光生电子－空穴对502
1=η）
（2）由公式,e
hf P I 0
p ?
＝
η得 （3) 根据光电效应的产生条件hf>Eg 可得Eg 241c /.=λ，因GaAs 的禁带宽
度为,所以m 870c μλ.=。
5. 解：(1) 由于归一化频率 22
12
2V a n n π
λ
=
- (2)传播的模式总数2
/2M V =1588=
(3)该光纤的数值孔径: 22
12NA n n =-0.153=
(4)该光纤单模工作的波长:
22
12
22.405c a n n πλλ>=-22122.613a n n =-22122.61350n n =??-19.9=(μm ) 6. 解 ： 已知
1) 因非全反射导致的等效损耗系数
(mm -1)
2)由 q=1,2,3….
(Hz)
波长间隔 109.510-? (m)
3）由
1374
7. 解：根据题意得
3 S P dBm =-，38 R P dBm =-，0.
4 /f dB km α=，0.0
5 /s dB km α=，
0.5 c dB α=/个 , 4 M dB =
由2S R c f s P P L M L ααα-=+++ 得2S R c f s P P M L ααα---=
+()33820.54
0.40.05
----?-=+66.7 km =
8. 解：由题意得 R 3S =即1
21212
:R P P S P P P P =
++ 故有 123P P = 已知 1
0-10lg
1.5P P = ，得 -0.1510
10P P =
由于 0 1 mw P =所以 -0.15
-0.151010
10=0.70 mw P P == 9. （1）见图，由折射定律可得 n 0sinα=n 1sinβ （1） n 1sin(90°-β)=n 2sin γ
（2）
要使光波能在光纤中传输，右图中的A 点必须满足全反射条件。因此，当γ=90°时，式（2）变为 cosβ=
n n 2
1
(3)
由式(1)和式(3)联立可得 sinα=n n n 122
20
- (4)
将题中已知参量代入式(4)，得到
sinα=
152149133022622
...
.-≈
∴α≈°
即光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角为°。
（2）光纤放置在空气中，则n 0=1NA=n n 122222152
149030-=-≈... 10. 解：衰减的影响
L a =(P T -P R -2A c -P p -Me)/(A f +As+Mc)=+37-2-1/++=(km) 色散的影响
L D =(ε×106)/(B×Δλ×D)=×106)/×2×=33.9km
由上述计算可以看出,中继段距离只能小于33.9km,对于大于33.9km 的线段,可采取加接转站的方法解决。 11. 对于弱导波光纤:Δ=(n1-n2)/n1=。
12. 解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角
57r θ=°。由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。
由折射定律sin sin i i
y y n n θθ=，10==n n i 得到
其中利用了空气折射率1i
n =。这种玻璃的临界角为
13. 解：阶跃光纤的数值孔径为
允许的最大入射角
()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来
14. 解：光纤的归一化频率
光纤中传播的模数量 15. 解：（1
）由11
1
22V a NA π
π
λλ=
=
?，得到纤芯直径为
（2）当2 1.31m λμ=，有
得到模的个数为
（3）当2 1.55m λμ=，得到模的个数为
16. 解：信号的周期为
信号在纤芯中传输的速度为
由于信号延迟半个脉冲周期，则光纤的长度L 为 17. 解：（1
）由归一化频率0
22V a n π
π
λλ=
?得到
为了保证光纤中只能存在一个模式，则要求 2.405V <，则要求光纤纤芯半径 （2）若取芯径5a m μ=，保证单模传输时，则 18. 解：渐变光纤纤芯中某一点的数值孔径为
19. 解：由10lg i o
P L P α=, 得 10
/010L i P P α-=
对于1300nm 波长的光信号，km km L km dB 20&8,/6.0==α,W
P i μ150=在
8km 和20km 处的功率各是
/100.481015010L o i P P W αμ--==?，
1.2
15010W μ-? 对于1550nm 波长的光信号，km km L km dB 20&8,/3.0==α,W
P i μ100=在
8km 和20km 处的功率各是
/100.241010010L o i
P P W αμ--==?，0.610010W μ-? 20. 解：（1）根据损耗系数定义
得到发送端的功率至少为
（2）如果光纤的损耗变为2.5/dB km ，则所需的输入光功率为 21. 解：（1）纤芯和包层的相对折射率差?为
则得到
接收端最快和最慢的模式之间的时延差
（2）模式色散导致的均方根脉冲展宽实际上就等于最快和最慢的模式之间
的时延差
（3）光纤的带宽距离积
22. 解：纤芯和包层的相对折射率?为
由阶跃光纤的比特距离积12c
BL n <
?
，得到光纤带宽 23. 解：波长为1m λμ=的光子能量为
对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为 24. 解：光子数为 25. 解：粒子数为
26. 解：1.3m μ时的响应度为()0.8 1.3
0.84/1.24 1.24
m R A W ηλμ?===；
1.55m μ时的响应度为()
0.8 1.55
1/1.24
1.24
m R A W ηλμ?=
=
=。
因为响应度正比于波长，故在1.55m μ处光电二极管比1.3m μ处灵敏。
27. 解：由1/2
21N i i m m =??= ???∑得到()1/2
300.03400.03m =?+?。
28. 解：由1/2
21N i i m m =??= ???
∑得到()1/2
1200.023m =?。
激光耦合进光纤的功率为2t P mW =，用dBm 表示lg 2()t P dBm =，光检测器接收到的功率为P ，根据20.5t L P P α+?=-，得到
其中损耗系数1/dB km α=，长度120L km =，20.5?为两个连接器的损耗。
由于是PIN ，所以载噪比为
把参数191.610e C -=?，0.6/R A W =，143/RIN dB Hz =-，5eq B GHz =，
10D I nA =，231.3810/k J K -=?，290T K =，50eq R =Ω，3t F dB =代入上
式，就得出/C N 的值。
29. 解：（1）由1/2
21N i i m m =??
= ?
??
∑得到()
1/2
320.033m =?，参数191.610e C -=?，
0.6/R A W =，=10P dBm -，135/RIN dB Hz =-，5eq B GHz =，10D I nA =，
231.3810/k J K -=?，290T K =，
50eq R =Ω，3t F dB =代入上式，就得出/C N 的值。，
（2）将上式的()1/2
320.07m =?，=13P dBm -，代入上式很容易就求出载噪
比。
30. 解：（1）把3S P dBm =-，56R P dBm =-，1c dB α=，0.2s dB α=， 5.5M dB =，
0.1/f dB km α=，0.1/m dB km α=代入
其中右边分子上的1是指色散（功率）代价。于是可通过计算得到损耗
限制的最大中继距离。
（2）受色散限制的最大传输距离为
由于是单模光纤，所以0.100ε=，2/(.)D ps km nm =， 1.8nm λσ=，分子上的610是为了和分母的B 的单位相匹配，B 的单位一定要用Mb/s 。代
入数据就可以求出L 的值来。其中6
565678/5
B Mb s =?=。
求出受色散限制的最大传输距离，然后与损耗限制的最大中继距离相比，取最小值，就是最大中继距离。
31. 解：（1）由“为了正常工作，APD 接收机需要平均1000个光子/比特”得到
APD 的接收功率为1000R hc
P B
λ=?
其中h 是普朗克常数，c 是光速，λ是波长。
又已知5S P mW =，把发射功率和接收功率用dBm 表示出来。 受损耗限制的最大传输距离为3
S R f
P P L α--=
其中0.2/f dB km α=
（2）受色散限制的最大传输距离为
由于是单模光纤，所以0.100ε=，15/(.)D ps nm km =，2nm λσ=，分子上的610是为了和分母的B 的单位相匹配，B 的单位一定要用Mb/s 。代入数据就可以求出L 的值来。
（3）对这个特殊系统，用图表示最大传输距离与数据速率的关系，包括损
耗和色散两种限制。用matlab 很容易表示。
32. 解：系统1：把0S P dBm =，50R P dBm =-，1c dB α=，6M dB =，
3.5/f dB km α=
代入 2S R c f
P P M
L αα---=
可得到损耗受限的最大传输距离。
系统2：把13S P dBm =-，38R P dBm =-，1c dB α=，6M dB =，
1.5/f dB km α=代入 2S R c f
P P M
L αα---=
可得到损耗受限的最大传输距离。
33.解：C S E
R T M L
M P P ----=
αα
=
km dB /2.01.02.060
6
)40(4=------
34. 解：（1） n 1=，n 2＝
△≈(n 1－n 2)/ n 1= (2) M=V 2/2
(3) 1max Ln c τ?=?
35. 解：(1) 由P T = P min + L α + L α1 + M
P min = P T －L (α + α1)－M =-1-70×+-6=-35 dBm (2) 动态范围D=P max －P min D=-10-(-35)=25 dB 36.解: 37.解： 38.解： 39.解： 40.解： 41.解： 42.解：
43. 解：αC =arc sin √1?（n 2
n
1
）2=arc sin √1?（1.46
1.48
）2
=9.4°
44. 解：该处必须注意单位S r 的单位是dBm ，P min 的单位是mW ，计算时要注意
单位以免出错，依据公式S r =10lgP min =10lg10=10 dBm 45. 解：D =10lg P max P min
=10lg
10010
=1 dB ，注意单位！
46. 解：（1）光纤长度单位和光速单位分别是km 和km/s ，则?t =
Ln 1c
(
n 1?n 2n 2
)=
1×1.4863×105
(
1.486?1.4721.472
)=1.47×10?8(s )=47.1(ns)
(2)输入光脉冲的宽度T 与模式色散产生的展宽?t 相比可以忽略不计，则最大比特率为B max =1
2?t =1
2×1.47×10?8=10.6（Mb/s ）
47. 解：（1）临界入射角θc =arc sin （n 2n 1
）=arc sin （1.46
1.48）=80.60。
（2）αC =arc sin √1?（n 2
n 1
）2=arc sin √1?（1.46
1.48）2
=9.4°。
（3）NA =sin θ0=
（n 1
2
?
n 22）
12?=（1.482?1.462
）
12
?=0.242
(4) θ0=arcsin (NA )=140
(5)数值孔径NA 在实际计算时还有另外的计算公式为：NA =sin θ0=
（n 12?n 22）
12
?=（2n 12
）1
2
×
（n 12?n 22）
12
?（2n 12）12
=n 1√2?
则：?=1
2（
sin θ0n 1
）2
=12（
0.2421.48
）2
=0.013368。
一般而言，相对折射率差?大一些，光纤与光源之间的耦合效率就高一些，但是?
要过大的话，色散影响就越严重，实际光纤总有??1。 48. 解：（1）由方程V =k 0n 1a √2?可得： V =
2πλ
n 1a √2?=2π
1.31×10×1.48×4.0×10?6√2×0.003=
2.2，
而TE 01和TM 01模的归一化截止频率V c =2.045，显然V <2.045，故不能传输波
长为1.31μm 的TE 01和TM 01模。
（2）对于TE 01和TM 01模，其截止波长为
λc =2πV c n 1a√2?=2π2.045
×1.48×4.0×10?6√2×0.003=1.20μm
即入射光波长应小于1.20μm 时，才能传播。 49. 解：（1）我们先求出上述波长对应的归一化频率V ，然后将它们与前述各种模式归一化截止频率V c 相比较，凡是满足V >V c 条件的模式都可以在光纤中传输。 因为V =
2πλ
n 1a √2?，所以有：
V 1=2πλ1n 1a√2?=2π
1.55×10
?6×1.5×6×10?6√2×0.002=2.306 V 2=2πλ2n 1a√2?=2π1.31×10
?6×1.5×6×10?6√2×0.002=2.73 V 3=2πλ3n 1a√2?=2π0.85×10?6
×1.5×6×10?6
√2×0.002=4.21
当λ1=1.55μm 时，0[V c (HE 11)] 当λ2=1.31μm 时， 2.045[V c (TE 01，TM 01，HE 21)] 3.832[V c (HE 31,EH 11)]， 此时光纤中只能传输TE 01，TM 01，HE 21和HE 11导波模。 当λ1=0.85μm 时， 3.832[V c (HE 31，EH 11，HE 12)] 4.21< 5.136[V c (EH 21)]， 此时光纤中只能传输HE 31，EH 11，HE 12，TE 01，TM 01，HE 21和HE 11导波模。 故光纤中能传输的导波模有HE 31，EH 11，HE 12，TE 01，TM 01，HE 21和HE 11。 （2）从（1）中可以看出，波长越短，归一化频率越高，可传输的模式数量就越多，可传输的模式数量与归一化频率的近似关系表达式是 N =12V 2 (3) 归一化频率的值一般还决定了包层传输的功率占总功率的比例,即 P 包层P 总 = 2√2 3V ，对于光波长为λ1=1.55μm 而言，V 1=2.306，总功率为P 总=1000dBm ，则 包层传输的功率P 包层为 P 包层 =2√21×P 总=2√2×1000=408.85 dBm 50.解：a< 2πn√2?=?6 2π×1.46√2×0.003 =4.44 μm注意填写时加单位。 51.解：MSR=10lg P 主 P 边 =10lg10 1 =10 52.解：依定义R=I p P in = 1.0 1.4286 =0.7 A/W，注意填写单位。 53.解：（1）带宽与比特率的关系Δf sys=B=16MHz，从而得： Δt r=0.35 Δf sys = 0.35 16×106 =21.9（ns） （2）由表可知，125μm光纤工作于850nm时的带宽距离积为160MHz·km，由于链路长度是2000m，故模式带宽（光电宽）为 Δf mod=160MHz·km 2000m =80（MHz）， 转换成电带宽Δf e1?mod=0.707×Δf mod=56.6(MHz), 则Δt mod=0.35 Δf e1?mod =0.35 56.6 =6.2（ns） （3）由色度色散计算公式D(λ)=S0 4（λ?λ0 4 λ3 ）和Δt ch=|D(λ)|ΔλL，可得 D(λ)≈0.1ns/(ns·km),故有Δt ch=0.1ns ns·km ×20nm×2km=4 ns (4)有以上得Δt fib=√(Δt mod)2+(Δt ch)2=√6.22+42=7.4 ns 故系统实际上升时间 Δt sys=√(Δt fib)2+(Δt eq)2=√7.4+8=10.9 ns 其中，光设备的上升时间Δt eq为8ns是已知条件。 （5）由于系统实际上升时间小于系统所要求的上升时间21.9ns，故光纤的选择满足系统设计的要求。 （6）如果光纤的带宽不能满足要求，可以将波长换为1300nm或采用LD光源。 要自信，绝对的自信，无条件的自信，时刻自信，即使在错的时候！！！ 《光纤通信》选择题练 习公布 精选精炼+课后精讲（QQ在线讲解） 张延锋 2014/8/1 忍人之所不能忍，方能为人知所不能为！！！ 1. 目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是 μm, μm, μm μm, μm, μm μm, μm, μm μm, μm, μm 2．在阶跃型光纤中，传输模式的传输条件为 ＞0 ＞Vc ＞＜Vc 3．在阶跃型光纤中，当模式处于截止的临界状态时，其特性参数＝0 B.β＝0 ＝0 ＝0 4. 下列不属于影响光电二极管响应时间的因素是 A.零场区光生载流子的扩散时间 B.有场区光生载流子的漂移时间 时间常数 D.器件内部发生受激辐射的时间 5．通常，影响光接收机灵敏度的主要因素是 A．光纤色散 B．噪声 C．光纤衰减 D．光缆线路长度6．目前实用光纤通信系统普遍采用的调制─检测方式是 A. 相位调制—相干检测 B. 直接调制—相干检测 C. 频率调制—直接检测 D. 直接调制—直接检测7．下列属于掺铒光纤放大器泵浦光源的典型工作波长是 nm nm nm nm 8．下列属于描述光电检测器光电转换效率的物理量是 A. 响应度 B. 灵敏度 C. 消光比 D. 增益 9．下列属于有源光器件的是 A.光定向耦合器 B.半导体激光器 C. 光纤连接器 D. 光隔离器 10．在下列的传输码型中，不属于插入比特码的是 A. mB1P B. 4B1H C. 5B6B D. mB1C 11. 在激光器中，光的放大是通过 A．粒子数反转分布的激活物质来实现的B．光学谐振腔来实现的C．泵浦光源来实现的D．外加直流来实现的 12. 下列哪一项不是要求光接收机有动态接收范围的原因? A．光纤的损耗可能发生变化 B．光源的输出功率可能发生变化 C．系统可能传输多种业务 D．光接收机可能工作在不同系统中 13. 光纤通信中光需要从光纤的主传输信道中取出一部分作为测试用时，需用 A．光衰减器B．光耦合器C．光隔离器D．光纤连接器14. 使用连接器进行光纤连接时，如果接头不连续时将会造成 A．光功率无法传输 B．光功率的菲涅耳反射 C．光功率的散射损耗 D．光功率的一部分散射损耗或以反射形式返回发送端 15. 在系统光发射机的调制器前附加一个扰码器的作用是 A．保证传输的透明度 B．控制长串“1”和“0”的出现 C．进行在线无码监测 D．解决基线漂移 16. 下列关于交叉连接设备与交换机的说法正确的是 A．两者都能提供动态的通道连接 B．两者输入输出都是单个用户话路 C．两者通道连接变动时间相同 D．两者改变连接都由网管系统配置 《光纤通信技术》模拟试题 一、填空（共10题，每题3分） 1、均匀光纤的导光原理为全反射原理，它的数值孔径表示了光纤收集光线的能力。 2、单模光纤的色散包括材料色散和波导色散。 3、线极化波是指波的电场矢量空间取向不变，即合成矢量的端点的轨迹为一直线的波 ，以 LP 表示。 4、在弱波导光纤中，光射线几乎与光纤轴线平行，因此，弱波导光纤中的和分布是一种近似的TEM 波。 5、在研究光和物质相互作用时,爱因斯坦指出存在三种不同的基本过程: 自发辐射、受激吸收、受激辐射。 6、谐振腔的谐振条件是2 11ln 21r r L G +==内αα。 7、光纤通信系统所使用的光源与光纤色散相互作用，给系统引进了的干扰和噪声主要有三种，即码间干扰、模分配噪声、啁啾声。 8、发送机的消光比是全“0”码时的平均输出光功率与全“1”码时的输出光功率之比. 9、判决器和时钟恢复电路和起来构成码形成电路。 10、STM-N 帧结构分为三个区域：段开销区、净负荷区和管理单元指针。 11、平方律型折射指数分布光纤中总的模数量等于4 2 V 。 12、当物质中处于高能级上的粒子数大于处于低能级上的粒子数时，则物质处于粒子数反转状态。 13、光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换的。 14、传输网主要由传输设备和网络节点构成的。 15、在SDH 帧结构中，段开销是用于传送网络运行、管理和维护的附加字节。 三、画图题（共1题，每题10分） 1、画出采用直接调制的数字光纤通信光发射端机的方框图。 见教材P 100 四、问答题：（共1题，每题15分） 1、什么是模分配噪声？它是如何产生的 五、计算题：（共3题。共35分） 1、.已知阶跃光纤的n 1=1.62，n 2=1.52, 试计算：相对折射率Δ （2）数值孔径 (1）22 221222162 .1252.162.12?-=-=?n n n (2)56.006.0262.121=??=?=n NA 2、计算STM-1帧结构中段开销SOH 的容量(速率)。 1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带宽 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1< 光纤通信模拟试题1 一、选择题 1. 目前光纤通信中所使用的光波的波长区域是( ) A. 红外区 B. 远红外区 C. 紫外区 D. 近红外区 2. 表示光纤色散程度的物理量是( ) A. 时延 B. 频带带宽 C. 时延差 D. 相位差 3. 在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了光子的能量hf(=E2-E1)而跃迁到高能级 E2的过程称为( ) A. 自发辐射 B. 受激辐射 C. 受激吸收 D. 康普顿效应 4. EDFA中，光滤波器的主要作用是( ) A. 使泵浦光和信号光耦合 B. 滤除光放大器的输出噪声 C. 提高光放大增益 D. 使信号再生 5. 目前，掺铒光纤放大器的噪声系数可低达( ) A. -3 dB～0 dB B. 0 dB～3 dB C.4 dB～5 dB D. 10 dB～15 dB 二、填空题11. 利用光波作为载频的通信方式称为___________________。 12. 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TE波， TEM波和___________________三类。 15. 按照射线理论，阶跃型光纤中光射线主要有___________________和斜射线两类。 16. 渐变型光纤中，子午射线的自聚焦是指光纤中不同的射线具有___________________的 现象。 17. 光纤是一种介质光波导,具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。它是由直径大约只有 ___________________的细玻璃丝构成。 18. 处于粒子数反转分布状态的工作物质称为___________________。 19. 激光器能产生激光振荡的最低限度称为激光器的___________________。 20. 随着激光器温度的上升，其输出光功率会___________________。 21. EDFA的输出饱和功率是指___________________时所对应的输出功率。 22. EDFA作为发射机功率放大器使用的主要作用是___________________。 23. 在光纤通信系统中，利用光纤来传输监控信号时，通常可采用频分复用和____________ _______两种传输方式。 24. 对光隔离器的主要要求是：插入损耗低和___________________。 25. 光纤通信系统中(武汉自考)常用的线路码型有：mBnB码、插入比特码和_____________ ______等。 26. STM-1帧结构中，管理单元指针的位置在___________________列中的第4行。 27. 虚容器是SDH中最重要的一种信息结构，它由容器输出的信息净负荷和_________来组 成。 28. STM-1信号中，一帧中包含的字节数为___________________。 29. 由光电检测器引入的噪声主要有量子噪声、___________________和雪崩管倍增噪声等 三种。 30. 在保证系统误码率指标的要求下，测得接收机的最低输入光功率为0.1 μW，最大允许 输入光功率为0.1 mW，则该接收机的动态范围为___________________dB。 三、名词解释题 第1章 1.光通信的优缺点各是什么？ 答：优点有：通信容量大；传输距离长；抗电磁干扰；抗噪声干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密；寿命长。 缺点：接口昂贵；强度差；不能传送电力；需要专用的工具、设备以及培训；未经受长时间的检验。 2.光通信系统由哪几部分组成，各部分功能是什么？ 答：通信链路中最基本的三个组成部分是光发射机、光接收机和光纤链路。各部分的功能参见1.3节。 3.假设数字通信系统能够在载波频率1%的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55 μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？ 答：5GH z×1％/64k＝781路 （3×108/1.55×10-6）×1％/64k＝3×107路 4.SDH体制有什么优点？ 答：主要为字节间插同步复用、安排有开销字节用于性能监控与网络管理，因此更加适合高速光纤线路传输。 5.简述未来光网络的发展趋势及关键技术。 答：未来光网络的发展趋势为全光网，关键技术为多波长传输和波长交换技术。 6.简述WDM的概念。 答：WDM的基本思想是将工作波长略微不同，各自携带了不同信息的多个光源发出的光信号，一起注入同一根光纤，进行传输。这样就充分利用光纤的巨大带宽资源，可以同时传输多种不同类型的信号，节约线路投资，降低器件的超高速要求。 7.解释光纤通信为何越来越多的采用WDM+EDFA方式。 答：WDM波分复用技术是光纤扩容的首选方案，由于每一路系统的工作速率为原来的1/N，因而对光和电器件的工作速度要求降低了，WDM合波器和分波器的技术与价格相比其他复用方式如OTDM等，有很大优势；另一方面，光纤放大器EDFA的使用使得中继器的价格和数量下降，采用一个光放大器可以同时放大多个波长信号，使波分复用（WDM）的实现成为可能，因而WDM＋EDFA方式是目前光纤通信系统的主流方案。 8.WDM光传送网络（OTN）的优点是什么？ 答：（1）可以极大地提高光纤的传输容量和节点的吞吐量，适应未来高速宽带通信网的要求。 （2）OXC和OADM对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种电通信格式的、透明的光传送平台。 （3）以波长路由为基础，可实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。 试题2 《光纤通信技术》综合测试（二） 一、填空题 1、为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须纤芯的折射率。 2、光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，它由、和三部分组成。 3、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长是：，， ；最低损耗窗口的中心波长是在： 。 4、光纤的色散分为色散 色散色散和色散。 5、光与物质的粒子体系的相互作用主要有三个过程是：，， ；产生激光的最主要过程是： 。 6、光源的作用是将变换为；光检测器的作用是将 转换为。 二、单项选择题 1 光纤通信指的是：[ ] A 以电波作载波、以光纤为传输媒 介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒 介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒 介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒 介的通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足：[ ] A V>2.405 B V<2.405 C V>3.832 D V<3.832 3 使用连接器进行光纤连接时，如果接续点不连续，将会造成：[ ] A 光功率无法传输； B 光功率的菲涅耳反射； C 光功率的散射损耗； D 光功率的一部分散射损耗，或以 反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光的放大是通过：[ ] A 光学谐振腔来实现； B 泵浦光源来实现； C 粒子数反转分布的激活物质来 实现； D 外加直流来实现。 5 掺铒光纤的激光特性：[ ] A 主要由起主介质作 用的石英光纤决定； B 主要由掺铒元素决 定； C 主要由泵浦光源决 定； D 主要由入射光的工 作波长决定 6 下面说法正确的是：[ ] A 多模光纤指的是传输多路信号； B 多模光纤可传输多种模式； C 多模光纤指的是芯径较粗的光纤； D 多模光纤只能传输高次模。 7 下面哪一种光纤是色散位移单模光纤？[ ] A 光纤； B 光纤； C 光纤； 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 /10510 301.05.1851-?=??=?≈?τ （3）405.22.391085.001.025.1102514.3222661?=??????=? =--λ πan V 不能实现单模传输 7682.392 12122=?== 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∞=?=22101 01a 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？ 1.光纤通信一般采用的电磁波波段为( )。 A 、 可见光 B 、 红外光 C 、 紫外光 D 、 毫米波 2.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口就是( )。 A.0、85 μm,1、27 μm,1、31 μm B.0、85 μm,1、27 μm,1、55 μm C.0、85 μm,1、31 μm,1、55 μm D.1、05 μm,1、31 μm,1、27 μm 3.限制光纤传输容量(BL 积)的两个基本因素就是( )与光纤色散。 A.光纤色散 B.光纤折射 C.光纤带宽 D.光纤损耗 4.一光纤的模色散为20ps/km,如果一瞬时光脉冲(脉冲宽度趋近于0)在此光纤中传输8km,则输出端的脉冲 宽度为( ) A 、20ps B 、40ps C 、80ps D 、160ps 5.下列说法正确的就是( ) A.为了使光波在纤芯中传输,包层的折射率必须等于纤芯的折射率 B.为了使光波在纤芯中传输,包层的折射率必须大于纤芯的折射率 C.为了使光波在纤芯中传输,包层的折射率必须小于纤芯的折射率 D.为了使光波在纤芯中传输,包层的折射率必须大于涂层的折射率 6.对于工作波长为1、31μm 的阶跃折射率单模光纤,纤芯折射率为1、5,包层折射率为1、003(空气),纤芯 直径的最大允许值为( )。 A 、0、34μm B 、0、90μm C 、3、0μm D 、4、8μm 7.在阶跃型光纤中,导波的传输条件为( ) A.V ＞0 B.V ＞Vc C.V ＞2、405 D.V ＜Vc 8.下列现象就是光纤色散造成的,就是( )。 A 、光散射出光纤侧面 B 、随距离的增加,信号脉冲不断展宽 C 、随距离的增加,信号脉冲收缩变窄 D 、信号脉冲衰减 9.将光限制在有包层的光纤纤芯中的作用原理就是( )。 A 、折射 B 、在包层折射边界上的全内反射 C 、纤芯—包层界面上的全内反射 D 、光纤塑料涂覆层的反射 10. 1mW 的光向光纤耦合时,耦合损耗为1、0dB,而在光纤输出端需要0、1mW 的信号,则在衰减为0、5dB/km 的光纤中,可以将信号传输多远？( )。 A 、1、8km B 、10km C 、18km D 、20km 11. 光纤的数值孔与( )有关。 A 、 纤芯的直径 B 、 包层的直径 C 、 相对折射指数差 D 、 光的工作波长 12. 阶跃型光纤中数值孔径的计算式为( )。 A 、21n n - B 、?2a C 、?2n 1 D 、21n n a - 2014-2015年度《光纤通信技术》期末考试试题 1 .用图示的方法介绍现代数字光纤通信系统构成，并简述各主 要部分的功能？（10分） 1、答：X 光发送机 0 ?---------------------------- □----------------------------- □ （1）光发送机功能：将数字或者模拟电信号加载到光波上，并耦合进光纤中进行传输（2）光放大器功能：补偿光信号在通路中的传输衰减，增大系统的传输距离 （3）光接收机功能：将光信号转换回电信号，恢复光载波所携带的原信号 2 .用图示的方法介绍光发射机的构成，并简要说明各部分的功 能？简单阐述直接调制和外调制的区别？（10分） 3.请用图示的方法简述光纤的构成，比较单模与多模光纤的区另 U?光纤数值孔径是衡量光纤什么的特性物理量？对于光纤 输入信号光 掺钳光纤 光隔离器. + 八 光隔离器光滤波器！ Z\ 输出 !信号光 通信系统而言，是否光纤数值孔径越大越好？（10分） 4.由于光纤本身导致通信系统性能下降的因素有哪些？如何克 服？（10分） 5.用图示的方法说明掺钥光纤放大器EDFA的工作原理和构成, 各 部分的作用是什么？掺钳光纤放大器级联后增益不平坦情 况恶化，列举两种解决方法？（10分） 1.掺钳光纤放大器主要由一段掺钳光纤，泵浦光源，光隔离器，光耦合器构成5'。采用掺 银单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大；2'泵浦光和信号光一起由光耦合器注入光纤：2'光隔离器的作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高性能。2， 滤波器均衡技术：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦° 2' 增益钳制技术:监测放大器的输入光功率，根据其大小调整泵浦源功率,从而实现增益钳制，是目前最成熟的方法° 2 6 .请简要阐述波分复用技术的工作原理，并用图示的方法说明？ （10 分） 7.简述受激布里渊散射与受激拉曼散射的概念？它们有什么区 另U? （io分） 8.请说出五种你所了解的无源光器件的名称，并简述其用途？ 光耦合器 光纤通信原理试题＿1 参考答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 光纤通信指的是（ B ） A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2.已知某Si-PIN 光电二极管的响应度R 0＝0.5 A/W ，一个光子的能量为2.24×10－19 J ，电子电荷量为1.6×10 －19 C ，则该光电二极管的量子效率为（ ） A.40％ B.50％ C.60％ D.70％ R 0=e 错误！未找到引用源。 /hf 3.STM-4一帧中总的列数为（ ） A.261 B.270 C.261×4 D.270×4 4.在薄膜波导中，要形成导波就要求平面波的入射角θ1满足（ ） A.θc13<θ1<θc12 B.θ1=0° C.θ1<θc13<θc12 D.θc12<θ1<90° 5.光纤色散系数的单位为（ ） A.ps/km B.ps/nm C.ps/nm.km ? D.nm/ps?km 6.目前掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达（ ） A.20 dB B.30 dB C.40 dB D.60 dB 7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（ ） A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大后逐渐减少 8.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为（ ） A.LP00 值为0 B.LP01 C.LP11为第一高次模 D.LP12 9.在薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λC B.λ0<λC C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 10.EDFA 在作光中继器使用时，其主要作用是（ ） A.使光信号放大并再生 ? B.使光信号再生 C.使光信号放大 D.使光信号的噪声降低 二、填空题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1.根据传输方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形式分为三类：一为_TEM_波；二为TE 波；三为TM 波。 2.对称薄膜波导是指敷层和衬底的_折射率相同_的薄膜波导。 3.光学谐振腔的谐振条件的表示式为__错误！未找到引用源。______。q L c n 2= λ 4.渐变型光纤中，不同的射线具有相同轴向速度的这种现象称为_自聚焦_现象。 5.利用_光_并在光纤中传输的通信方式称为光纤通信。 6.在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料，称为本征层（I ）层。 7. 光源的作用是将 电信号电流变换为光信号功率 ；光检测器的作用是将 光信号功 一、填空题（20分) 1、目前光纤通信所用光波得光波波长范围为:0、８～1、8μm,属于电磁波谱中得近红外区。 2、光纤得典型结构就是多层同轴圆柱体，它由、与三部分组成. 3、光纤通信中常用得三个低损耗窗口得中心波长就是: , ，；最低损耗窗口得中心波长就是在: 。 4、光纤得色散分为色散色散与色散。 5、光与物质得粒子体系得相互作用主要有三个过程就是：，，；产生激光得最主要过程就是: 。６、光源得作用就是将变换为；光检测器得作用就是将转换为. 二、单项选择题(15分） 1光纤通信指得就是：［Ｂ] A以电波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介得通信方式; C 以光波作载波、以电缆为传输媒介得通信方式; D 以激光作载波、以导线为传输媒介得通信方式。 2 光纤单模传输条件，归一化频率V应满足：［Ｂ］ -－－-A—V>2、40５——--—－B－V〈２、405-——－－-C- V＞3、832————－D- Ｖ〈3、832 3 使用连接器进行光纤连接时,如果接续点不连续，将会造成:[Ｃ］ A 光功率无法传输； B 光功率得菲涅耳反射; Ｃ光功率得散射损耗； D 光功率得一部分散射损耗，或以反射波形式返回发送端。 4 在激光器中，光得放大就是通过：［Ｃ] A 光学谐振腔来实现; B 泵浦光源来实现； C粒子数反转分布得激活物质来实现; D 外加直流来实现. ５掺铒光纤得激光特性：［B] A主要由起主介质作用得石英光纤决定; B 主要由掺铒元素决定; C 主要由泵浦光源决定; D 主要由入射光得工作波长决定. 三、（15分)如图所示,用射线理论分析子午光线在阶跃光纤中得传输原理. 1.光纤通信一般采用的电磁波波段为( )。 A. 可见光 B. 红外光 C. 紫外光 D. 毫米波 2.目前光纤通信三个实用的低损耗工作窗口是( )。 A ．0.85 μm,1.27 μm,1.31 μm B ．0.85 μm,1.27 μm,1.55 μm C ．0.85 μm,1.31 μm,1.55 μm D ．1.05 μm,1.31 μm,1.27 μm 3.限制光纤传输容量（BL 积）的两个基本因素是( )和光纤色散。 A ．光纤色散 B ．光纤折射 C ．光纤带宽 D ．光纤损耗 4.一光纤的模色散为20ps/km ，如果一瞬时光脉冲（脉冲宽度趋近于0）在此光纤中传输8km ，则输出端的脉冲宽度为( ) A.20ps B.40ps C.80ps D.160ps 5.下列说法正确的是( ) A ．为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须等于纤芯的折射率 B ．为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于纤芯的折射率 C ．为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须小于纤芯的折射率 D ．为了使光波在纤芯中传输，包层的折射率必须大于涂层的折射率 6.对于工作波长为1.31μm 的阶跃折射率单模光纤，纤芯折射率为1.5，包层折射率为1.003(空气)，纤芯 直径的最大允许值为（ ）。 A.0.34μm B.0.90μm C.3.0μm D.4.8μm 7.在阶跃型光纤中，导波的传输条件为( ) A ．V ＞0 B ．V ＞Vc C ．V ＞2.405 D ．V ＜Vc 8.下列现象是光纤色散造成的，是（ ）。 A.光散射出光纤侧面 B.随距离的增加，信号脉冲不断展宽 C.随距离的增加，信号脉冲收缩变窄 D.信号脉冲衰减 9.将光限制在有包层的光纤纤芯中的作用原理是（ ）。 A.折射 B.在包层折射边界上的全内反射 C.纤芯—包层界面上的全内反射 D.光纤塑料涂覆层的反射 10. 1mW 的光向光纤耦合时，耦合损耗为1.0dB ，而在光纤输出端需要0.1mW 的信号，则在衰减为0.5dB/km 的光纤中，可以将信号传输多远？（ ）。 A.1.8km B.10km C.18km D.20km 11. 光纤的数值孔与( )有关。 A. 纤芯的直径 B. 包层的直径 C. 相对折射指数差 D. 光的工作波长 12. 阶跃型光纤中数值孔径的计算式为（ ）。 A.21n n - B.?2a C.?2n 1 D.21n n a - 光纤通信. 1.光纤结构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。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。 2.光纤主要有三种基本类型: 突变型多模光纤,渐变型多模光纤, 单模光纤. 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤 3.光纤主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。1.55μm 色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 4.分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法.麦克斯韦波动方程法 5.几何光学法分析问题的两个出发点: 〓数值孔径〓时间延迟. 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布. 几何光学法分析问题的两个角度: 〓突变型多模光纤〓渐变型多模光纤. 6.产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗和色散是 光纤最重要的传输特性：损耗限 制系统的传输距离, 色散则限制 系统的传输容量. 7.色散是在光纤中传输的光信 号，由于不同成分的光的时间延 迟不同而产生的一种物理效 应. 色散的种类：模式色散、材 料色散、波导色散. 8. 波导色散纤芯与包层的折射 率差很小，因此在交界面产生全 反射时可能有一部分光进入包 层之内，在包层内传输一定距离 后又可能回到纤芯中继续传输。 进入包层内的这部分光强的大 小与光波长有关，即相当于光传 输路径长度随光波波长的不同 而异。有一定谱宽的光脉冲入射 光纤后，由于不同波长的光传输 路径不完全相同，所以到达终点 的时间也不相同，从而出现脉冲 展宽。具体来说，入射光的波长 越长，进入包层中的光强比例就 越大，这部分光走过的距离就越 长。这种色散是由光纤中的光波 导引起的，由此产生的脉冲展宽 现象叫做波导色散。 9. 偏振模色散：实际光纤不可避 免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆 度和内部残余应力，使两个偏振 模的传输常数不同，这样产生的 时间延迟差称为偏振模色散或 双折射色散。 10. 损耗的机理包括吸收损耗和 散射损耗两部分。吸收损耗是 由SiO2材料引起的固有吸收和 由杂质引起的吸收产生的。散射 损耗主要由材料微观密度不 均匀引起的瑞利散射和由光纤 结构缺陷(如气泡)引起的散射产 生的。瑞利散射损耗是光纤的固 有损耗，它决定着光纤损耗的最 低理论极限。 11.光线的损耗：（1）吸收损耗： a.本征吸收损耗：紫外吸收损 耗，红外吸收损耗b.杂质吸收损 耗c.原子缺陷吸收损耗（2）散 射损耗 a线性散射损耗：瑞利散 射，光纤结构不完善引起的散射 损耗（3）弯曲损耗 a.宏弯：曲 率半径比光纤的直径大得多的 弯曲 b.微弯：微米级的高频弯 曲，微弯的原因：光纤的生产过 程中的带来的不均；使用过程中 由于光纤各个部分热胀冷缩的 不同；导致的后果：造成能量辐 射损耗. 与宏弯的情况相同，模 场直径大的模式容易发生微弯 损耗 12. 柔性光纤的优点：1. 对光的 约束增强 2. 在任意波段均可实 现单模传输：调节空气孔径之间 的距离 3. 可以实现光纤色散的 灵活设计 4. 减少光纤中的非线 性效应5. 抗侧压性能增强 13. 光纤的制作要求（1）透明（2） 能将其拉制成沿长度方向均匀 分布的具有纤芯-包层结构的细 小纤维；（3）能经受住所需要 的工作环境。光纤是将透明材料 拉伸为细丝制成的。 14. 光纤预制棒简称光棒，是一 种在横截面上有一定折射率分 布和芯/包比的的透明的石英玻 璃棒。根据折射率的不同光棒可 从结构上分为芯层和包层两个 部分，其芯层的折射率较高，是 由高纯SiO2材料掺杂折射率较 高的高纯GeO2材料构成的，包 层由高纯SiO2材料构成。制作 方法: 外部气相沉积法；气相轴 相沉积法；改进的化学气相沉积 法；等离子化学气相沉积法。 15. 光缆基本要求：保护光纤固 有机械强度的方法，通常是采用 塑料被覆和应力筛选。光纤从高 温拉制出来后，要立即用软塑料 进行一次被覆和应力筛选，除去 一．单项选择题（每题1分,共20分） 1、在激光器中，光的放大是通过（Ａ） Ａ．粒子数反转分布的激活物质来实现的Ｂ．光学谐振腔来实现的 Ｃ．泵浦光源来实现的Ｄ．外加直流来实现的 2、下列哪一项不是要求光接收机有动态接收范围的原因?( B ) A．光纤的损耗可能发生变化B．光源的输出功率可能发生变化 C．系统可能传输多种业务D．光接收机可能工作在不同系统中 3、光纤通信中光需要从光纤的主传输信道中取出一部分作为测试用时，需用（Ｂ）Ａ．光衰减器Ｂ．光耦合器Ｃ．光隔离器Ｄ．光纤连接器 4、使用连接器进行光纤连接时，如果接头不连续时将会造成（D） Ａ．光功率无法传输Ｂ．光功率的菲涅耳反射 Ｃ．光功率的散射损耗Ｄ．光功率的一部分散射损耗或以反射形式返回发送端5、在系统光发射机的调制器前附加一个扰码器的作用是（A） A．保证传输的透明度B．控制长串“1”和“0”的出现 C．进行在线无码监测D．解决基线漂移 6、下列关于交叉连接设备与交换机的说法正确的是（A） A．两者都能提供动态的通道连接B．两者输入输出都是单个用户话路 C．两者通道连接变动时间相同D．两者改变连接都由网管系统配置 7、目前EDFA采用的泵浦波长是( C ) A．0.85μm和1.3μm B．0.85μm和1.48μm C．0.98μm和1.48μm D．0.98μm和1.55μm 8、下列不是WDM的主要优点是( D ) A．充分利用光纤的巨大资源B．同时传输多种不同类型的信号 C．高度的组网灵活性，可靠性D．采用数字同步技术不必进行玛型调整9、下列要实现OTDM解决的关键技术中不包括（ D ） A．全光解复用技术B．光时钟提取技术 C．超短波脉冲光源D．匹配技术 10、掺饵光纤的激光特性（A） Ａ．由掺铒元素决定Ｂ．有石英光纤决定 Ｃ．由泵浦光源决定Ｄ．由入射光的工作波长决定 11、下述有关光接收机灵敏度的表述不正确的是( A) A．光接收机灵敏度描述了光接收机的最高误码率 B．光接收机灵敏度描述了最低接收平均光功率 C．光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收光子能量 D．光接收机灵敏度描述了每个光脉冲中最低接收平均光子数 12、光发射机的消光比，一般要求小于或等于（B） A．5％B．10％C．15％D．20％ 13、在误码性能参数中，严重误码秒（SES）的误码率门限值为（D） A．10-6B．10-5C．10-4D．10-3 14、日前采用的LD的结构种类属于（D） A．F-P腔激光器（法布里—珀罗谐振腔）B．单异质结半导体激光器 C．同质结半导体激光器D．双异质结半导体激光器 15、二次群PCM端机输出端口的接口码速率和码型分别为（B） 一、填空题（40分，每空1分） 1、光纤通信是光纤为传输媒质。以光波为载波的通信方式。 2、无源器件主要有光纤连接器、波分复用器、光调制器、光隔离器、光耦合器和光衰减器、光开关等。 3、单模光纤纤芯直径一般为 8~10um ，多模光纤纤芯直径为 50~80 um ，光纤包层直径一般为 125 um 。 4、光缆结构包括缆芯、铠装和护套。常用光缆有层绞式、骨架式、中心管式、带状式等结构。 5、光纤主要的传输特性是损耗和色散。 7、在光纤通信系统中，对光源的调制可分外调制和内调制两类。 8、掺铒光纤放大器应用方式有中继放大器、前置放大器和 后置放大器。 10、EDFA的泵浦结构方式有：a. 同向泵浦；b. ___反向泵浦____结构；c.双向泵浦结构。 11、SDH的主要复用步骤是映射、定位和复用。 12、光中继器实现方式有光-电-光形式中继放大器 和光放大器两种 1、为增大光接收机的接收动态范围，应采用（ B ）电路。 A．ATC B．AGC C．APC D．ADC 2、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是( A ) A.光源不能产生负信号光 B.将出现长连“1”或长连“0” C.编码器太复杂 D.码率冗余度太大 4、在光纤通信系统中，EDFA以何种应用形式可以显著提高光接收机的灵敏度( A ) A.作前置放大器使用 B.作后置放大器使用 C.作功率放大器使用 D.作光中继器使用 5、STM－4每秒可传输的帧数是( D ) A.1000 B.2000 C.4000 D.8000 6、STM-N一帧的字节数是( C )。 A.2709 B.274N9 C.270N9 D.261N9 7、在光纤通信系统中，当需要保证在传输信道光的单向传输时，采用( B )。 A.光衰减器 B.光隔离器 C.光耦合器 D.光纤连接器 8、决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和色散 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 9、下列哪一个不是SDH网的特点( D ) A.具有全世界统一的接口标准 B.大量运用软件进行系统配置的管理 C.复用映射结构灵活 D.指针调整技术降低了设备复杂性 10、将光限制在有包层的光纤纤芯中的作用原理是（ B ） A.折射 B.在包层折射边界上的全内反射 C.纤芯—包层界面上的全内反射 D.光纤塑料涂覆层的反射 三、简答题（20分） 1、简述掺铒光纤放大器（EDFA）工作原理。（9分） 1、在掺铒光纤（EDF）中，铒离子有三个能级：基态E1、亚稳态E2和激发态E3。 当泵浦光的光子能级等于E3和E1的能量差时，铒离子吸收泵浦光的光能从基态跃迁到激发态，但激发态不稳定，电子很快返回到E2，若输入的信号光的光子能量等于E 2和E1之间能量差，则电子从E2跃迁到E1，产生受激辐射光，故光信号被放大。 2、光纤通信有哪些优点？（6分） 2、①传输衰减小，传输距离长。 ②频带宽，通信容量大。 ③抗电磁干扰，传输质量好。 ④体积小、重量轻、便于施工。 ⑤原材料丰富，节约有色金属，有利于环保 ⑥易碎不易接续。 3、什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？（5分） 3、当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数α表示。 （dB/km）（3分） 损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、散射作用和光纤在使用过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。（2分） 《光纤通信》试题公布 新增加的计算题 张延锋 2013/12/10 第一章计算题 1、某种光纤的纤芯和包层的折射率分别是1.48和1.46，则其临界传播角为。 解：αC=arc sin√1?（n2 n1） 2 =arc sin√1?（1.46 1.48 ）=9.4° 2、光接收机的灵敏度S r是指在满足给定误码率或信噪比条件下，接收机接受微弱信号的能力，工程上常用最低平均光功率P min来描述，现若有最低平均光功率P min为10mW，则其灵敏度S r为。解：该处必须注意单位S r的单位是dBm，P min的单位是mW，计算时要注意单位以免出错，依据公式S r=10lgP min=10lg10=10 dBm 3、光接收机的动态范围D是指在保证系统误码率指标要求下，接收机的最低光功率P min和最大允许光功率P max之比，现知P min和P max分别是10W和100W，则其动态范围D为。 解：D=10lg P max P min =10lg100 10 =1 dB，注意单位！ 4、一阶跃折射率光纤，已知纤芯和包层的折射率分别是：n1= 1.486,n2=1.472,现仅考虑模式色散，则： （1）每1km长度的脉冲宽度。 （2）假设输入光脉冲的宽度T与模式色散产生的展宽?t相比可以忽略不计，在以上情况下计算可传输光脉冲的最大比特率。 解：（1）光纤长度单位和光速单位分别是km和km/s，则?t= Ln1 c (n1?n2 n2 )=1×1.486 3×105 (1.486?1.472 1.472 )=1.47×10?8(s)=47.1(ns) (2)输入光脉冲的宽度T与模式色散产生的展宽?t相比可以忽略不计， 光纤通信期中考试试题（简答） （开卷90分钟内完成，1~5题每题6分，6~15题每题7分，共100分） 1、 光纤的结构分别由哪三部分构成，各部分作用是什么？ 光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。 其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。 2、 光缆的结构分别由哪三部分构成，各部分作用是什么？ 光缆由缆芯、护层和加强芯组成。 其中缆芯就是套塑光纤，护层对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层和外护层。内护层用来防潮。外护层起抗侧压、耐磨、抗紫外线、防湿作用，隔离外界的不良影响。加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。 3、 光纤的三个传输窗口是什么？光纤中的导波属于TM/TE/TEM/近似TEM波？ 0.85μm、1.31μm、1.55μm。 光纤中得电磁场近似为横电磁波（TEM波） 4、 什么是归一化频率V，V取值多少时光纤单模传输？什么叫光纤的截止波长？ 光纤的归一化频率V是一个综合性参数，与光纤的结构参数（纤芯的折射率n1、半径a、折射率相对差△）和工作波长0有关。其数值大小决定了弱波导光纤中电磁场的分布和传输情况。 光纤单模传输的条件是0光纤通信试题选择题练习
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