光纤通信基础复习题及答案

1光纤通信基础复习题1．光通信的发展大致经历几个阶段？光通信的发展大致经历如下三个阶段可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代战争中的信号弹、信号树，舰船使用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可视光通信。大气激光通信阶段：光通信技术的发展应该说始于激光器的诞生。1960年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使人们开始对激光大气通信进行研究。激光大气通信是将地球周围的大气层作为传输介质，这一点与可视光通信相同。但是，激光在大气层中传输会被严重的吸收并产生严重的色散作用，而且，还易受天气变化的影响。使得激光大气通信在通信距离、稳定性及可靠性等方面受到限制。光纤通信阶段：早在1950年，就有人对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。1951年发明了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，达到1000dB/km，即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不可能。1970年，美国康宁公司果然研制出了损耗为20dB/km的光纤，使光纤远距离通信成为可能。自此，光纤通信技术研究开发工作获得长足进步，目前，光纤的损耗已达到0.5dB/km（1.3µm）0.2dB/km（1.55µm）的水平。2.光纤通信技术的发展大致经历几个阶段？第一阶段（1966～1976）为开发时期.波长:λ=0.85um,光纤种类:多模石英光纤,通信速率:34～45Mb/s,中继距离:10km.第二阶段（1976～1986）为大力发展和推广应用时期.波长:λ=1.30um,光纤种类:单模石英光纤,通信速率:140～565Mb/s,中继距离:50～100km.第三阶段（1986～1996）以超大容量超长距离为目标,全面推广2及开展新技研究时期.波长：λ=1.55um,光纤种类:单模石英光纤,通信速率:2.5～10Gb/s,中继距离:100～150km.3.光通信基本概念：光通信：利用光波进行信息传输的一种通信方式。光纤通信：利用光导纤维作为光波传输介质的一种通信方式。光波导：传输光波的介质。例如光纤。光纤通信的三个窗口:0.85um1.30um1.55um.4.推导光纤数值孔径公式NA称之为光纤的数值孔径。NA是反映光纤扑捉光线能力大小的一个参数。NA=√n1²-n2²n2noθcθaθ1n1图2-3光波在光纤子午截面内的传播由图可知:sinθc=n2/n1sinθ1/sinθa=n1/n0sinθa=sin(90°-θc)=cosθcsinθ1/cosθc=n1/n0sinθ1=cosθc×n1/n0=√1-sin²θc×n1/n0又sinθc=n2/n13故sinθ1=√1-（n2/n1）²×n1/n0n0sinθ1=√n1²-n2²n0sinθ1=NANA=√n1²-n2²5.何谓光纤的损耗？光纤的传输损耗有哪几种？光纤损耗：指光能在传输过程中逐渐减小或消失的现象。光纤传输损耗主要有三种：①吸收损耗②散射损耗③微扰损耗⑴吸收损耗：吸收损耗是由光纤材料吸收光能并转化为其他形式能量而引起的损耗。吸收损耗可分为两种：固有吸收损耗、非固有吸收损耗⑵散射损耗这是由光纤材料在微观上的颗粒状结构和气泡等不均匀结构引起的损耗。散射损耗分为线性散射损耗和非线性损耗。⑶微扰损耗是指光纤的几何不均匀性引起的损耗.包括内部因素和外部干扰引起的不均匀性.如折射率、直径的不均匀性、微小弯曲等。6.何谓光纤的色散？光纤的色散有哪几种？指具有一定谱线宽度的光脉冲信号在光纤中传输时由于各波长的群速度不同引起光脉冲展宽的现象。光纤的色散可以分为四种：⑴材料色散材料的折射率n是波长λ的非线性函数，从而使光的传播速度随波长而变.光脉冲通过光纤时，由于速度不一样，到达终端的时间不一样，造成光脉冲的展宽。⑵波导色散又称结构色散。是由光纤几何结构引起的色散，例如横向尺寸沿光轴的波动，使部分光波进入包层。⑶模式色散4存在于多模光纤中.在多模光纤中存在多种传播模式,即使是同一波长，每个模式到达光纤终端的时间不同，造成光脉冲的展宽。由模式引起的色散叫模式色散。⑷偏振色散单模光纤中存在双折射时，偏振方向相互正交的两个基模传播速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。7.光无源器件有哪几种结构形式？何谓自聚焦棒透镜？有三种结构形式:体块型、全光纤型、波导型。自聚焦棒透镜，用梯度折射率光纤制作，如图所示。图4-1自聚焦棒透镜自聚焦棒透镜的长度：L=P/4P=2π/√AA=｛n²(0)-n2²｝/2n²(0)(渐变)或A=｛n1²-n2²｝/2n1²(阶跃)L58.光纤间连接时可能存在哪几种连接缺陷？光纤间连接时可能存在的连接缺陷如图所示。(a)存在间隙（b）存在横向错位(c)倾斜（d）端面不平滑光纤纵向连接的有效性可用传输系数T来表示。T=PR/PT模场半径分别为s1、s2的两条单模光纤在不同情况下的传输系数。①存在纵向间隙Ｄ时的功率传输系数T=4(4Ｚ²+s1²/s2²)/｛[4Ｚ²+(s1²+s2²)/s2²]²+4Ｚ²s2²/s1²｝（4-9）当Ｄ=0时，即光纤间的间隙为0，则：T=T0=(2s1s2)²/(s1²+s2²)²（4-10）②存在横向位移ｄ时的传输系数T=T0exp[-2d²/(s1²+s2²)]（4-11）当s1=s2时:T=exp(-d²/s²)（4-12）③存在倾斜角θ时的传输系数T=T0exp{-(k0n2s1s2θ)²/2(s1²+s2²)}（4-13）k0=2π/λn2—光纤包层折射率69.透镜耦合式光纤连接器有那几种形式？透镜耦合式连接器有如下三种形式：（a）薄球面透镜式（b）球或柱面式（c）自聚焦棒透镜式图4-15透镜耦合式连接器的形式10.2×2定向耦合器的结构及工作原理？①③②④图4-212×2定向耦合器2×2定向耦合器是最基本的耦合器，是用两光纤的芯子尽量靠近制作而成的。方法：侧面研磨法、熔锥法2×2定向耦合器的工作原理：靠倏逝场的作用而工作的。侧面研磨法制作时两光纤间的距离计算：d（Z）=d0+2（R–√R²+Z²）（4-34）d0---两光纤的最小间距7R--光纤轴线的弯曲曲率半径Z—耦合长度坐标11.如何用2×2定向耦合器测定光纤故障点的位置？如图所示。测试系统由光源及脉冲驱动电路、2×2定向耦合器、ADP、示波器组成。半导体激光器输出光脉冲，在光纤中传输到故障点时产生部分反射，测量反射脉冲的延迟时间就能计算出故障点的位置L。L=c×t/2图4-22光纤故障点的测试12．有相同频率间隔的8路光信号进入由2×2定向耦合器组成的8×8星形耦合器，绘图说明它是如何合波的？8×8星形耦合器8个输入端8个输出端每个输入端子1个输入信号每个输出端子8个输出信号LD及其脉冲驱动电路ADPtL同步信号示波器2×2定向耦合器至断点的距离光纤断点f1F8f1……f8f1……f8813．绘图说明F--P型光滤波器工作原理？F-P腔的构成体块型F-P腔光滤波器工作原理如图所示。反射镜M1、M2间的距离为L、反射率为r1、r2、透过率为t1、t2。一平面光波垂直入射到反射镜M1上，此时有部分光反射，部分光进入F-P腔，在腔内经多次反射与透射后，则在腔的左右两侧各有一组光束输出。在左方输出的一组光束叫反射光，在右方输出的一组光束叫传输光。两组光束都产生多光束干涉，而呈谐振现象，因而具有频率选择特性。因透射型光滤波器使用方便，所以在此讨论传输光。图4-29F-P腔滤波原理设入射光的复数振幅为Ai，以t1透过M1进入F-P腔；到M2分成两部分，一部分透出腔外，振幅为At1，一部分在M2上反射，留在腔内继续传播……。如此进行多次反射、折射，形成多束反射光和多束透射光。透射光由复数振幅为At1、At2、At3…的各次透射光束组成。每次透射光束比前次透射光束在相位上延迟φ=2κL=4πnL/λ0=4πnLf/c，每次振幅都减小，因此须乘以因子r1r2。令：h=r1r2exp（-jφ）（4-39）则：At1=Ait1t2exp（-jφ）At2=hAt1At3=h²At1（4-40）M1M2传输光反射光平面入射光LAt1At2At39透射光的复数振幅为各次透射光的叠加At=At1+At2+At3+…=At1（1+h+h²+…）=At1/(1-h)=Ait1t2exp（-jφ）/(1-h)（4-41）若r1=r2=r，t1=t2=t则R=r²，T=t²。在无损耗的情况下R+T=1，则At=AiTexp（-jφ）/[1-Rexp（-jφ）]（4-42）输出光强为It=At²=IiT²/[（1-R）²+4RSin²（φ/2）]（4-43）设F-P腔的功率传输系数为τ，即输出光强与入射光强之比。则τ=It/Ii（4-44a）由式（4-43）得τ=T²/[（1-R）²+4RSin²（φ/2）]（4-44b）以T=1-R代入，再分子分母除以（1-R）²，得：τ=1/{1+[4R/（1-R）²]Sin²（φ/2）}（4-44c）将φ/2=2πnLf/c代入得τ=1/{1+（2F/π）²Sin²（2πnLf/c）}（4-44d）F=π√R/（1-R）最大透过率τ=1,因此(2F/π）²Sin²（2πnfL/c）=0Sin²（2πnf/cL）=02πnLf/c=qπ（q=0,1,2,3…）（4-45）在多个q值对应的频率上，呈现谐振现象，出现峰值。与峰值对应的频率叫谐振频率。谐振频率Foq或谐振波长λoq可用下式表示:foq=cq/2nL（4-46）λoq=2nL/q（4-47）（fλ=c）由此可以看出：F-P腔具有选频特性，对于某一级谐振频率而言只要调整L即可。1014．绘图说明波导型M—Z光滤波器的结构和工作原理？波导型M-Z干涉仪的结构原理图见图。图4-32波导型M-Z干涉仪它用两个2×2定向耦合器构成。DC1、DC2是分光比为1：1的2×2定向耦合器，光纤L1、L2的长度不相等，可通过PZT来调整。当从DC1的输入端①同时输入波长为λ1和λ2的两个光信号时，在DC2中会分选出光波λ1和λ2，最后从③、④端输出。其工作原理与传统M-Z干涉仪相同。工作原理光纤L1、L2中光波的光程差⊿L为:⊿L=n（L1-L2）（4-51）光纤L1、L2中光波的相位差⊿φ为:⊿φ=k.⊿L=2π⊿L/λ=2π.⊿L.f/c（4-52）相干条件:2π.⊿L.f1/c=(2q-1)π（4-53）2π.⊿L.f2/c=2qπ（4-54）则在③、④端分别输出f1、f2两个信号。峰值响应频率f1=(2q-1)c/2n.⊿L（4-55）f2=qc/2n.⊿L（4-56）峰值间隔⊿f=f2-f1=c/2n.⊿L（4-57）①②③④DC1L2λ1+λ2DC2L1λ1+λ2PZTλ1λ21115.画出8分波M-Z滤波器组成图？图4-34多级M-Z滤波16．以光栅方程说明，为什么用闪耀光栅作波分复用器？衍射光栅的光栅方程d×（sinφ±sinθ）=±mλ（4-79）各级极大值的位置（或方位角），由下式确定：Sin(θ）=±mλ/d±sinφ（4-80）（m=0，1，2，…）⑴m=0，为零级极大值,位于sinθ）=±sinφ处,零级极大位置只与平面波入射角度φ有关,与波长无关,即无分光作用.⑵m≠0,由光栅方程Sin(θ）=±mλ/d±sinφ（m=0，1，2，…）知:各次级极大位置与波长有关,而且以零级极大位置为参考点,由短波长向长波长依次散开。此特性叫光栅的角色散特性，是光栅作解复用器的原理。⑶m越大，级次越高，不同波长的间隔越大，分辨波长的能力越强。⑷这种光栅制作解复用器的问题是：①零级极大集中的光能最多，但无色散作用；②次级极大集中的光能最少，但有色散作用。因此，要想即最大利用光能又能分光，必须寻找新的光栅。解f1～f4f5～f84⊿f4⊿f4⊿f4⊿f2⊿f2⊿f⊿ff1、3、5、7f1、3、5、72⊿ff2、4、6、8f1f5f3f7f2f6f4f8f1、5F3、7f2、6F4、812决此问题的方案是采用闪耀光栅。闪耀光栅又称定向光栅，是一种反射式光栅。其形状与一般光栅不一样。如图所示。闪耀光栅闪耀光栅的刻痕形状与平面光栅不同，由