光纤通信(朱宗玖)习题解答

第一章1.简述光纤通信的特点。答：（1）频带宽、信息容量大（2）损耗低、传输距离长（3）体积小、重量轻、便于敷设（4）抗干扰性好、保密性强、使用安全（5）材料资源丰富2.简述光纤通信系统中基本组成部分及其重要作用。答：基本组成部分：光纤通信系统是以光纤作为传输介质、光波作为载波的通信系统。它主要由光发射机、光纤、光中继器、光放大器、光接收机等组成，当然，一般系统中还包括一些连接器、隔离器、波分复用器、耦合器等器件。重要作用：光发射机的作用是将电信号转换成光信号，并通过连接器将光信号注入光纤。光接收机的主要作用是将光纤传输过来的光信号转换成发射端的电信号。光纤的作用是将光信号以尽可能小的衰减及畸变传输到对端。中继器的作用是延长光信号的传输距离，分为光/电/光中继器和光中继器(或称光放大器)两种。3.查阅相关资料，简述当前光纤研究的一些最新技术。答：高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术、光波技术。第二章1．什么是单模光纤？什么是多模光纤？答：单模光纤是指只能传输基模(HE11)，即只能传输一个最低模式的光纤，其它模式均被截止。多模光纤是指可以传输多种模式的光纤，即光纤传输的是一个模群。2．光纤和光缆的区别？答：光纤，即光导纤维，是一种传输光能波导全介质，通常由纤芯和包层组成，利用光在玻璃及塑料中的全反射原理而被用于光传导工具。光缆由光导纤维和塑料保护套管及塑料外皮构成，光缆是一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路，即由光纤经过一定的工艺而形成的线缆。3．光纤的导光原理是怎么样的？答：光进入光纤后由于外包层的折射率低于芯层的折射率，光在芯层中进行传播，且损耗小。其中空气的折射率为n0(n0≈1)，纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2，在空气与纤芯端面形成的界面1上，入射角为θ0，折射角为θ。在纤芯和包层形成的界面2上，入射角为Ф1，折射角为Ф2。根据光的传输原理，我们知道光波在光纤中传输会出现临界状态、全反射状态和部分光进入包层三种状态。总之，利用纤芯与包层界面折射率(n1n2)的关系，当光线在空气与纤芯界面上的入射角小于θ0时，就会纤芯与包层界面上出现全反射现象，光被封闭在纤芯中以“之”字形曲线向前传输，这时的入射角称为接收角。4．什么是数值孔径，其表达式是怎么样的？答：接收角最大值θ0的正弦与n0的乘积，称为光纤的数值孔径，用NA表示。000sinsinnNA5．在损耗谱上有三个窗口指的是什么波长？答：（1）λ0=0.85μm短波长波段（2）λ0=1.31μm长波长波段（3）λ0=1.55μm长波长波段6．色散的定义是什么？用什么表示？其单位是什么？答：光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称为色散。色散用色散系数来表示，单位为ps/(nm·km)。7．损耗的定义是什么？用什么表示？单位是什么？答：光能在光纤中传播时，会有一部分光能被光纤内部吸收，有一部分光可能辐射到光纤的外部，从而使光能减少，进而产生损耗。损耗用光纤损耗系数α表示，单位为db/km8．色散和带宽的关系。答：色散将导致光脉冲在光纤中传输时的脉冲展宽，从而限制了信号的频带宽度，通信距离变短。9．光纤的制造有几种方法？答：光纤的制造工艺主要有原材料的提取、预制棒的熔炼、预制棒的拉丝涂覆以及光纤成品的测试四道工序。其中，预制棒的熔炼方法很多，常见的方法有：外部汽相氧化法棒外汽相沉积法(OVPO)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、气相轴向沉积法(VPAD)、等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)。10．光缆的敷设有几种方法？分别要注意什么？答：一般光缆线路的敷设要点(1)敷设前按路由进行复测，对局部由于外界条件变化或其它原因影响光缆敷设的地方进行适当修正。(2)施工方法：人工或机械。(3)光缆布放时及安装后，其曲率半径：①布放时，光缆的曲率半径不小于光缆外径的20倍；②安装后，光缆的曲率半径不小于光缆外径的10倍。(4)光缆布放时及安装后，其所受张力、侧压力不超过前述光缆机械性能要求指标要求。(5)光缆的接续：采用专用接头盒:①光缆直埋或架空光缆接续时，接头盒安排在人孔内。②架空光缆与直埋光缆接续时，接头盒安排吊线上。③光纤接续采用熔接法，一个中继段内，同一根光纤的接头损耗的平均值≤0.08dB/个。1.架空光缆的敷设(1)架空光缆在平地敷设光缆时，使用挂钩吊挂，山地或陡坡敷设光缆，使用绑扎方式敷设光缆。光缆接头应选择易于维护的直线杆位置，预留光缆用预留支架固定在电杆上。(2)架空杆路的光缆每隔3-5档杆要求作U型伸缩弯，大约每1公里预留15米。(3)引上架空(墙壁)光缆用镀锌钢管保护，管口用防火泥堵塞。(4)空吊线与电力线交叉处应增加三叉保护管保护，每端伸长不得小于1米。(6)近公路边的电杆拉线应套包发光棒，长度为2米。(7)为防止吊线感应电流伤人，每处电杆拉线要求与吊线电气连接，各拉线位应安装拉线式地线，要求吊线直接用衬环接续，在终端直接接地。2.管道光缆的敷设(1)按设计核对光缆占用的管孔位置，并将所用管孔清刷干净。(2)施工前对光缆进行单盘检测。(3)光缆布放时，采用一段牵引绳与光缆中间加强件相连，并用网套和胶带与护套相固定。管道光缆、引绳与光缆中间加强件间用一个装用牵引头，不直接拉光缆外护套牵引。(4)对于2km以上段长的光缆的布放，不能一次性从头至尾放完，把光缆盘放在地段的中间向两头牵引。(5)施工时光缆弯曲半径大于规定的弯曲半径，光缆严禁严重弯曲导致打死扣。3.直埋光缆的敷设(2)直埋光缆与其它建筑物及地下管线的距离，满足“电信网光纤数字传输系统工程施工及验收技术规定的要求。(3)光缆敷设在坡度大于20度，坡长大于30度的斜坡地段采用“S”形敷设。(4)直埋光缆接头按两端进出线方式安装，接头盒上方铺水泥盖板保护。4.水底光缆的敷设(1)河床稳定、流速较小但河面宽度大于150m的一般河流或季节性河流，采用短期抗张强度为20000N的钢丝铠装光缆。(2)河床不太稳定，流速大于3m/s或主要通航河道等，采用短期抗张强度为40000N的钢丝铠装光缆。(3)河床不太稳定、流速较小、河面不宽的河道(含通航)，预埋塑料子管采用直埋光缆过河。(4)水底光缆避免在水中设置接头。(5)特大河流设置备用水底光缆，主、备用水底光缆采用连接器箱或分支接头盒进行人工倒换。连接器箱应安装在水线终端房或专用入孔内。11．如何将两根光纤熔接在一起？答：(1)开剥光缆，并将光缆固定到接续盒内。注意不要伤到束管,开剥长度取0.8m左右，用卫生纸将油膏擦拭干净,将光缆穿入接续盒,固定钢丝时一定要压紧,不能有松动。否则,有可能造成光缆打滚折断纤芯。(2)分纤将光纤穿过热缩管。将不同束管，不同颜色的光纤分开，穿过热缩管。剥去涂覆层的光纤很脆弱，使用热缩管，可以保护光纤熔接头。(3)打开熔接机电源，采用预置的模式进行熔接，并在使用中和使用后及时去除熔接机中的灰尘，特别是夹具，各镜面和V型槽内的粉尘和光纤碎末。CATV使用的光纤有常规型单模光纤和色散位移单模光纤，工作波长也有1310nm和1550nm两种。所以，熔接前要根据系统使用的光纤和工作波长来选择合适的熔接程序。如没有特殊情况，一般都选用自动熔接程序。(4)制作光纤端面。光纤端面制作的好坏将直接影响接续质量，所以在熔接前一定要做好合格的端面。用专用的剥线钳剥去涂覆层，再用沾酒精的清洁棉在裸纤上擦拭几次，用力要适度，然后用精密光纤切割刀切割光纤，对0.25mm(外涂层)光纤，切割长度为8mm-16mm，对0.9mm(外涂层)光纤，切割长度只能是16mm。(5)放置光纤。将光纤放在熔接机的V形槽中，小心压上光纤压板和光纤夹具，要根据光纤切割长度设置光纤在压板中的位置，关上防风罩，即可自动完成熔接，只需11秒。(6)移出光纤用加热炉加热热缩管。打开防风罩，把光纤从熔接机上取出，再将热缩管放在裸纤中心，放到加热炉中加热。加热器可使用20mm微型热缩套管和40mm及60mm一般热缩套管，20mm热缩管需40秒，60mm热缩管为85秒。(7)盘纤固定。将接续好的光纤盘到光纤收容盘上，在盘纤时，盘圈的半径越大，弧度越大，整个线路的损耗越小。所以一定要保持一定的半径，使激光在纤芯里传输时，避免产生一些不必要的损耗。(8)密封和挂起。野外接续盒一定要密封好，防止进水。熔接盒进水后，由于光纤及光纤熔接点长期浸泡在水中，可能会先出现部分光纤衰减增加。套上不锈钢挂钩并挂在吊线上。至此，光纤熔接完成。第三章1.光纤连接器的作用是什么？答：光纤连接器是光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小，这是光纤连接器的基本要求。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。2.目前常用的光纤连接器有哪些类型？答：光纤连接器一般有两类：即活动型光纤连接器和固定型光纤连接器。3.光耦合器的作用是什么？答：在光纤通信系统中，光的合束和分束是经常要考虑的，光纤耦合器（OC）的出现使光信号的合束和分束变得十分方便。4.什么是波分复用技术？答：波分复用技术（WDM）是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长信道。5.简述波分复用器的工作原理。答：答：光纤波分复用器（WDM）的工作原理与OC的工作原理是一样的，只是应该注意到上述结构作为WDM使用时，○1、○2两端各输入不同波长(频率)的光信号，原方程变为zkpzkpzp2221211sin0cos0我们可以通过选择合适的1kz、2kz使得21cos1kz、22sin1kz，从而使○3端口的输出功率为00211ppzp，1k、2k所对应的光波长是11/2k、22/2k。从上式可以看出，波长为1、2的光信号各自从○1、○2两端输入时，在忽略插入损耗的情况下，无衰减的耦合到端口○3输出；反之，波长为1、2的光信号从○3端输入时，在忽略插入损耗的情况下，波长为1的光信号将无衰减的耦合到端口○1、波长为2的光信号将无衰减的耦合到端口○2输出。6.光隔离器的功能是什么？答：在光纤通信中，为了使光信号单向传输，往往需要用到光隔离器；此外，某些不连续处的反射会影响光发射机中激光器工作的稳定性，这时也需要光隔离器。因此，光隔离器的作用是使光可以单方向传输。7.简述光隔离器的组成及各部分的作用。答：光隔离器，其由依次设置的入端光纤头、隔离体、二个自聚焦透镜及出端光纤头构成，隔离体由依次设置的位移型晶体、45°法拉第旋转片、半波片及位移型晶体固连构成，二个位移型晶体的走离平面平行、走离量相同且走离方向相反。入端光纤头与第一自聚焦透镜的相向面平行，出端光纤头与第二自聚焦透镜的相向面平行，二个自聚焦透镜的光轴平行、焦距相同且相邻焦面重合，入端光纤头的内端面与出端光纤头的内端面处于物像共轭位置上。8.光衰减器有什么作用？答：光衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，它主要用于以下几个方面：防止接收机达到饱和(使输入光功率在接收机的动态范围)、在WDM系统中的多路复用前和掺铒光纤放大器(EDFA)前的各波长功率的平衡、光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。第四章1.计算一个波长为m1的光子能量，分别对1MHz和100MHz的无线电波做同样的计算。答：由E(ev)＝1.2398／(m)得：m1时，E=1.2398/1=1.2398ev由fC和E(ev)＝1.2398／(m)得：E=1.2398f/Cf=1MHz时，E=1.2398×1×106／3×108=0.00413evf=100MHz时，E=1.239