光纤通信的习题.docx

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?光纤通信技术?综合练习题及答案

适用于高等函授教育：
光纤通信、移动通信、计算机通信专业 〔专科〕 四年级
通信工程专业 〔高起本〕 五年级
适用于远程教育： 通信工程专业 〔专科〕 四年级
通信工程专业 〔高起本〕 五年级

第一局部 习题
注:带*的为?光纤通信原理?的阶段作业题
一、 填空题：
1. 矢量是指即有 又有 的量。
2．所谓场是指 在空间或一局部空间中的分布。
3．梯度既有大小又有方向，是一 。
4．积分形式的麦克斯韦方程为 。
5．变化电场和变化磁场的相互激发，从而形成了 的传播。
6．相位常数是 。
7. 光的全反射是指 的全反射，此时折射波是 。
8. 导波是指 。
波导是指 /
9. 光纤是 。
10.所谓光纤通信是 的一种通信方式。
11.光纤通信是以 作为传输信号，是以 作为传输线路。
和 。
* 13.光纤通信的主要优点是 、 、 、
、 、 。
14.在光纤中，纤芯是由 稍高的 构成，它的作用是
。
15.目前实用的光纤通信系统普遍采用的是 的光纤通信系统。
、 、
、 、 、 构成的。
* 17.目前在光纤通信系统中采用的调制方式是 。
*18.目前，实用光纤的三个低损耗窗口在 、 、 附近,色散位移单模光纤是在 处，实现 和 .
* 19.光波在均匀介质里，沿 传播，当光射线遇到两种介质交界面时，将产生 或 。
，它的数值孔径表示了 ，定义式为 ，也可表示为 。
21. 均匀光纤的光路长度的表示式为 ，对于长度和折射率确定的光纤来说，光路长度随着 的变化而变化，从而不同光线经过光纤的 不同，从而引起 。
22. 采用非均匀光纤的目的是为了 ，这样会在光纤中近似产生
现象，这需要纤芯折射率服从 分布。
23. 在非均匀光纤中， 处的折射率最大，因而此处的
到达最大值，即表示该点捕捉光线的能力最 。
24. 光纤中产生衰减的主要原因是 和 。
25. 色散系数的定义式为 。
26. 所谓模场是指 ，模场直径是描述 。
好，防 强，成缆时，光纤 。
而设置的，但是它的抗
差。
*29.单模光纤的色散包括 色散和 色散，此外，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 、 和 。
30.一般光纤分为单模光纤和多模光纤，单模光纤的芯径为 ，存在
色散和 色散，传输的基模是 。
31.在单模光纤中所存在的基模是 ，它的归一化截止频率为 ，单模传输条件是 。
，存在 色散、 色散和 色散。
*33．按照纤芯折射率分布的不同，光纤可分为 、 ，按照传输模式的多少来分，可分为 、 。
* 34．阶跃型光纤的相对折射指数差的表达式为 。
35． 光纤的数值孔径是 的物理量。
36. 在非均匀光纤中，其集光能力是用 数值孔径表示，定义式为 。
37.频域中以半功率点来确定光纤的带宽，即为光纤 。
*38．所谓线极化波是指 ，以 表示。
39．在弱波导光纤中，光射线几乎与 平行，因此，弱波导光纤中的和分布是一种 。
*40．导波的径向归一化相位常数U是说明 ，而波导的径向归一化衰减常数W是说明 。
41．渐变型光纤中，纤芯折射率是 ，包层折射率是 。
.
.
.
.在阶跃型单模光纤中,只传输 模.
.
.
谱线，各谱线功率总合 ，但每根谱线的功率 ，即各谱线的 。
49.在采用多纵模激光器的光纤通信系统中，激光器的谱线特性和
相互作用，产生了一种叫 的现象，它限制了 和 。
50.一条光缆，一般由 、 和 构成。常用的光缆结构有 结构、 结构、 结构和
结构。
51.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根本过程: 、 、 。
52．在热平衡条件下，一个电子占据一个能级的几率为
53．激活物质是指 。
54． 叫纵模。
55．谐振腔的谐振条件是 。
56．光纤通信中半导体光源的主要作用是 ，常用的种类有 和
。
57．发光二极管与激光器在结构上的根本区别是 ，它所发的光是 。
58．光发送机的消光比是 ，它将使光纤系统产生 ，使接收灵敏度 。
59．光电检测器在光纤通信系统中的作用是 ，常采用的半导体光电检测器为 、 。
60．光接收灵敏度的定义是 。
，定义为 。
62．暗电流是指 。
63．光电检测器引入的噪声有 、 、 。
64．响应度R0和η之间的关系式为 。
65．APD管是在二极管P-N结上加 。
66．判决器和时钟恢复电路和起来构成 。
67．监控系统是指 、 、 的总称。
68．光纤数字传输系统的误码性能用 来描述，
定义为 。
69．光纤数字传输系统的抖动定义是 ，抖动的程度目前大多用 来表示，其符号为 。
70．抖动容限的定义是 。
每个元件的可靠度，而且并联的元件越多，系统的可靠性越 。
72.掺饵光纤放大器的工作波长范围在 ，与光纤的 窗口一致。

二、 画图题：
1.画出光纤通信系统组成方框图。
2.画出松套光纤结构示意图。
3.画出紧套光纤结构示意图。
4.画出层绞式光缆结构示意图。
5.画出骨架式光缆结构示意图。
6.画出带状式光缆结构示意图。
*7．画出数字光纤通信光发射端机的方框图，并简述各局部主要作用。
*8．画出数字光纤通信光接收端机的方框图，并简述各局部主要作用。
*9.画出数字光纤通信光中继器的方框图，并简述各局部主要作用。
10.画出光接收机中脉冲再生电路原理方框图，并简述各局部主要作用。
11．试画出PIN光电二极管的结构示意图。
12．试画出APD雪崩光电二极管的结构示意图
13．请画出外加正偏压后P-N结形成的能带分布。
14．请画出激光器输出特性曲线，并标明激光区。
15．请画出用LED管进行模拟信号内调制原理图。
16．请画出用LD管进行数字信号内调制原理图。
三、 问答题：
*1．什么是弱导波光纤？为什么标量近似解法只适用于弱导波光纤？
2. 请简述阶跃型折射率分布光纤和梯度型折射率分布光纤的不同导光原理。
*3．试证明：阶跃型光纤的数值孔径为什么等于最大射入角的正弦？
4.数值孔径的定义是什么？请用公式推导出其计算式：

5. 光纤色散有哪几种？它们分别与哪些因素有关？
*6.为什么说采用渐变型光纤可以减少光纤中的模式色散？
*7.如何解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散？
*8.光与物质间的作用有哪三种根本过程？说明各具有什么特点？
9．什么是激光器的阈值条件？
10.简述半导体的光电效应？
11.光纤通信系统都有哪些噪声？
12．请写出费米分布函数的表达式，并说明式中各符号的含义。
13．什么是量子噪声？形成这一噪声的物理原因是什么？
14.什么是模分配噪声？它是如何产生的？
15．请写出误码率的三种性能分类及定义。
16. 什么是接收灵敏度和动态范围，它们之间的表示式是什么？
17．什么是码间干扰？其产生的原因是什么？
18．什么是可靠性？什么是可靠度？它们之间的区别是什么？
19．请用公式推导出串联系统总的故障率等于各部件故障率之和。
20.抖动容限的指标有几种？并说明其含义？
21．光波分复用通信技术的特点有哪些？
四、 计算题
1. 在空气中行进的光入射到一个玻璃板上，入射光线与玻璃外表之间的夹角为35°角，此时发生折射，且折射光线与反射光线彼此成90°角，问这种玻璃的折射率是多大？对这种玻璃来说，临界角是多大？
*2．弱导波阶跃型光纤芯子和包层的折射指数分别为n1=1.5, n2=1.48, 试计算：光纤的数值孔径。
3．上题中，假设纤芯半径a=6μm, λ0=1μm, 试计算光纤中传输的模数量。
4．阶跃型光纤，假设n1=1.5, λ0=1μm, 假设Δ=0.018， 当保证单模传输时，光纤芯径取多大？
n1=1.62，n22, 试计算：
（1） 相对折射率Δ 〔2〕数值孔径
6.阶跃型光纤的n1=1.5，Δ=0.01，芯子半径a=10μm，波长λ0μm, 试计算：
〔1〕数值孔径NA 〔2〕归一化频率 〔3〕入射光线的鼓励角范围
7. 均匀光纤的n1=1.51，Δ=0.01，工作波长λ0=0.85μm, 当纤芯半径a=25μm，此光纤中传输的导模数是多少？假设要实现单模传输，纤芯半径应为多少？
8. 阶跃型光纤的n1=1.5，Δ=0.5%，λ0μm, 假设光纤中的导模数量N=2，试问至少纤芯半径为多大？
9．光功率为2.4mw，光波频率为1015Hz,求单位时间传播的光子数。
10．某光纤通信系统，其发送光功率为-4dBm，光接收机灵敏度为-40dBm，设备充裕度为6 dB，光缆充裕度为0.1dB/km，光纤接头损耗为，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？
11．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-2.3dBm, 接收灵敏度为-38dBm, 动态范围≥20dB。采用的光缆其固有损耗为0.4dB/km, 接头损耗为，光连接器衰减为1dB，光纤色散系数≤2.0ps/nm·km, 光纤充裕度为。假设考虑1dB色散代价〔ε取0.115〕，5dB设备充裕度，试计算在系统设计时，最大中继距离为多少？
12．一无备用系统的光缆通信系统，在420km内共设10个中继器，各种设备的故障率如下：
设备种类
故障率〔fit〕
140Mb/s光端机
20000〔一端〕
140Mb/s中继器
7000〔一线〕
光缆
200〔一公里〕
供电
7500〔一端〕
求：①系统总故障率。
②平均无故障时间。
13. 假设上题中平均故障率修复时间为4小时，求系统的失效率。
14．假设在题7所示的系统中采用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假设系统的设计寿命为20年，那么在此间系统的中断通信时间。
15．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？
16．某激光器的输出光功率为500mw, 问此功率可折合为多少dBm?

第二局部 答案

一、 填空题：
1． 大小、方向
2． 物理量
3． 矢量
4．

5. 电磁波

7. 能量，外表波
8. 能量被局限在某个系统内部或系统周围并沿该系统导引的方向传输的电磁波。
但凡能引导和限制电磁波传输的系统。
9.一种具有把光封闭在其中进行传输的介质光导波。
10．以光波作为载频，以光导纤维作为传光媒质
11.光、光缆。
12.激光器，光纤
13.直径细、重量轻、不受电磁干扰、损耗低、传输频带宽、抗化学腐蚀
14.折射率，石英玻璃，引入电磁波

16.电、光发射端机，光中继器，光、电接收端机，光纤，监控系统，备用系统
17．内调制
18．0.85μm、μm、1.55μm、1.55μm、最低损耗、最低色散
19．直线、全反射、局部反射
20. 全反射原理，光纤收集光线的能力。NA=noSinφMax, NA=n1。
21.S=，光线在光纤端面上的入射角，时间，模式色散。
22.减少光纤的模式色散，自聚焦，平方律型折射指数分布。
23.r=0,本地数值孔径，强
24.吸收损耗，散射损耗
〔〕
26.光纤中基模场的电场强度随空间的分布，单模光纤中光能集中的程度。
27.侧压性能，水性能，不受力，
28.减少外界侧压力的影响，侧压性能
29.材料、波导、码间干扰、模分配噪声、啁啾声
30.4～10μm，材料，波导，LP01，
01，0， 0<VC<2.4048.
μm, 模式，材料，波导
33.阶跃型光纤〔均匀光纤〕、渐变型光纤〔非均匀光纤〕、单模光纤、多摸光纤
34.

36.本地，
37.3dB光带宽
38.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，LP
39.光纤轴线，近似的TEM波
40.在纤芯中，导波沿径向场的分布规律，在纤芯包层中，场的衰减规律
41.渐变的，常数
r处的光线的数值孔径
43.
44.
45.在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤，LP01
46.两个相互正交的偏振光，β有不同的相位常数
47.在光纤中，携带不同频率成份和不同的模式成份的信号有不同的传播速度，从而使光脉冲在时间上发生展宽的现象。
48.多纵模，是一定的，是随机的，能量随机分配
49.光纤色散，模分配噪声，通信距离，容量
50.缆芯，护层，加强件，层绞式，单位式，骨架式，带状式。
51.自发辐射、受激吸收、受激辐射
52.

54.在光学谐振腔中，驻波沿轴向的分布状态
55.
56.电光变换、LD、LED
57.它没有光学谐振腔、荧光
“0〞码时的平均输出光功率与全“1〞码时的输出光功率之比、噪声、降低
59.光电变换、PIN、APD
60.在保证接收机到达给定的误码率或信噪比指标条件下，光接收机所需要的最低的输入平均光功率Pmin。
61.数字信号的传输速率，每秒传送的比特数。
62.在无光功率照射时，光电检测器仍有的输出电流
63.量子噪声、暗电流噪声、雪崩倍增噪声
64.

67.监视、监测、控制
68.误码率，BER=在某段时间内
69.数字信号的有效瞬间，与其理想时间位置的短时间偏离，数字周期，UI
70.为使光纤通信系统在有抖动的情况下，仍能保证系统的指标，那么抖动应限制的范围。
71.大于，大
72.1．53～μm,最小衰减

二、 画图题：
24 图1-2
70 图2-22〔a〕
70 图2-22〔b〕
72 图2-23〔a〕
72 图2-23〔c〕
72 图2-23〔d〕
107 图3-28
118 图3-43
133 图4-2
118 图3-43结合图3-50的局部
114 图3-40
115 图3-41
89 图3-9
92 图3-11
98 图3-20
99 图3-23
190 图5-4

三、 问答题：
1.当光纤中纤芯折射率n1略高于包层折射率n2，它们的差异极小时，这种光纤为弱导波光纤。
在弱导波光纤中，由于，在光纤中形成导波时，光射线的入射角θ1应满足的全反射条件为90°>θ1>θC=Sin,由此可得θ1→90°，亦即在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。从波动理论讲，导波是均匀平面波，即和与传播方向〔光射线指向〕垂直，故弱导波光纤中的和分布是近似TEM波。其横向场的极化方向不变。由于〔或〕近似在横截面上，且空间指向根本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的〔或〕变为沿传输方向其方向不变的标量〔或〕，它将满足标量的亥姆霍兹方程，进而求出弱导波光纤的近似解，这种方法称为标量近似解法。
2.阶跃光纤中入射光线在纤芯和包层分界面上发生全反射，从而在纤芯中沿之字形的曲折路径前进，实现光的传输。
非均匀光纤中入射光线按折射定律在纤芯中传输到某一点时发生全反射，折向光纤轴线，从而以曲线形式在光纤中传输。
3．当光射线从空气射向光纤端面时，发生折射，满足折射定律=，此光线在纤芯中沿角方向前进，此光线假设能在纤芯中传输，那么需满足全反射条件，即
≥≥，又因为θz= 90°-θ1所以可得==≤，由此可见，有=，只要光射线的射入角≤，此光线就可在纤芯中形成导波，也即这些光线被光纤捕捉到了。而反映这种捕捉光线能力的物理量就定义为数值孔径，所以数值孔径等于最大射入角的正弦。
4.数值孔径是用来表示光纤收集光线的能力的。
见教材P30，图2-6

假设发生全反射，至少应等于，所以，此时对应入射角，

因为
所以
5.光纤的色散有材料色散、波导色散和模式色散。
材料色散由光纤材料的折射率随频率的变化而变化引起的。
波导色散由模式本身的群速度随频率的变化而变化引起的。
模式色散由光纤中的各模式之间的群速度不同而引起的。
6.渐变型光纤纤芯折射率随 r的增加按一定规律减小，即n1(r),那么就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，产生自聚焦现象，从而减小光纤中的模式色散。
7.材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成份的群速不同引起的色散。
波导色散是对于光纤某一模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。
模式色散是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数β不同，因此群速不同而引起的色散。
8.自发辐射、受激辐射、受激吸收
自发辐射：可自发光，是非相干光，不受外界影响。
受激辐射：吸收外来光子能量，发相干光，产生全同光子，产生光放大。
受激吸收：吸收外来光子能量，不发光。
9.为了补偿激光器内光学谐振腔存在的损耗，使激光器维持稳定的激光输出需要满足的振幅平衡条件，就是阈值条件。
10.光照射到半导体的P-N结上，使半导体材料中价带电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，总称光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的共同作用下，在外电路中出现光电流，这就实现了输出电信号随输入光信号变化的光电转换作用。
11.量子噪声，光电检测器噪声、雪崩管倍增噪声，光接收机中的热噪声，晶体管噪声。
12.f(E)=
式中f(E)——费米分布函数，即能量为E的能级被一个电子占据的几率。
E——某一能级的能量值。
K——波尔兹曼常数， K=1.38×10J/K
T——绝对温度
Ef——费米能级
13.由于光波的传播是由大量光子传播来进行的。这样大量的光量子其相位和幅度都是随机的。因此，光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。这就是量子噪声，这就是量子噪声，这也是量子噪声的形成原因。
14.高速率的激光器，其谱线呈现多纵模谱线特性，而且各谱线的能量呈现随机分配。因而单模光纤具有色散，所以激光器的各谱线〔各频率分量〕经光纤传输之后，发生不同的延时，在接收端造成脉冲展宽。又因为各谱线的功率呈现随机分布，因此当它们经过上述光纤传输后，在接收端取样点得到取样信号就会有强度起伏，至此引入了附加噪声，这种噪声就称为模分配噪声，这也是模分配噪声产生的原因。
15. 劣化分：1分钟的误码率劣于1×10。
严重误码秒：1分钟内误码率劣于1×10。
误码秒：1秒内出现误码。
16.所谓接收灵敏度是指满足给定误码率〔BER〕的条件下，光端机光接口R的最小平均光功率电平值。
所谓动态范围是指在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器R点能够接收的最大功率电平值与最小功率电平值〔即接收灵敏度〕之差。

17. 由于激光器发出的光波是由许多根线谱构成，而每根谱线的传播速度不同，因而前后错开，使合成的波形的宽度展宽，出现拖尾，造成相邻两光脉冲之间的相互干扰，这种现象称为码间干扰。这也是码间干扰产生的原因。
18．可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠性对产品做出了定性的 分析，它反映了总的性能，可靠度对产品做出了定量的分析，它反映出一种数量特性。
19. 假设光纤数字通信系统由几个局部串联而成，系统的可靠度 表示为：

式中R1，R2，·······Rn分别是串联系统中n个局部的可靠度。
= =

由上式可见，系统总的故障率等于各串联部件故障率之和。
20. 抖动容限的指标分为输入抖动容限和无输入抖动时的最大输出抖动容限。
输入抖动容限是指光纤通信系统〔或设备〕允许输入脉冲存在抖动的范围。
无输入抖动时的最大输出抖动容限是指输入信号无抖动的情况下，光纤通信系统〔或设备〕输出信号的抖动范围。
21. ①光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高
②不同容量的光纤系统以及不同性质的信号均可兼容传输
③提高光纤的频带利用率
④可更灵活地进行光纤通信组网
⑤存在插入损耗和串光问题
四、 计算题：

反射角
折射角

临界角
2．

3．

故≈41
4．单模传输条件：0<V<2.4048
0<<2.4048
0<<2.4048
0<a<1.34μm
5. (1〕
(2〕
6.〔1〕
〔2〕
〔3〕

7.

假设要实现单模传输，需0

()

a> 光纤半径至少为
9.个
10．
=
11．

最大中继距离为38.2km。
12．①
②=3584.2h
13.
14．〔1〕
=

h
所以

〔2〕中断时间=20×365×24×2.8455×10-6
15．故障次数= 〔次〕
16． dBm