光纤光学练习题

一、选择题（下列各题四个备选答案中只有一个正确答案，请将其代号写在题干前面的括号内。每小题1.5分，共30分）1有关光纤中传输的模式，下列哪一个命题是错误的？A、对于结构参数给定的光纤，其中传输的模式是唯一确定的；B、TE01、TM01和HE21模具有相同的截止频率；C、一个模式都有自己对应的截止频率；D、HE11模是唯一不能截止的模式。2光纤中能够支持的模式由光纤波导本身决定，但光纤中能够激励出的模式与很多因素有关，问光纤中实际能够激励出的模式与下列哪些因素无关：A、入射光源的光功率；B、入射介质的折射率；C、光的入射角；D、入射点的位置。3主模式号为14的模群中所含的精确模式总数为：A、14；B、26；C、28；D、74通常将光纤通信划分为三个传输窗口，其主要原因是：A、光纤的弯曲损耗；B、OH—吸收损耗；C、过渡金属离子吸收；D、瑞利散射损耗。5线偏振模的模斑为：A、径向亮斑数为，角向亮斑数为，而且中心为暗；B、径向亮斑数为，角向亮斑数为，而且中心为暗；C、径向亮斑数为，角向亮斑数为，而且中心为亮；D、径向亮斑数为，角向亮斑数为，而且中心为亮。6光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其中不可能消除的因素是：A、弯曲损耗；B、OH吸收；C、过度金属离子吸收；D、瑞利散射7一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗了15%，该光纤的损耗是A、0.14dB/km；B、0.71dB/km；C、0.64dB/km；D、0.32dB/km。8对于1330nm的单模光纤，当入射光中心波长为1550nm，光谱宽度为10nm时，不可能存在的色散是哪一个？A、模间色散；B、材料色散；C、波导色散；D、偏振模色散。9数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？A、NA越大，光纤的收光能力越大；B、NA越大，光纤的收光角越大；C、NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；D、NA越大，多模光纤的模式色散越小。10下列光纤的色散，由小到大的排列次序为：A、多模的GIOF、多模SIOF、单模光纤；B、多模SIOF、多模的GIOF、单模光纤；C、单模光纤、多模的GIOF、多模SIOF；D、多模SIOF、单模光纤、多模的GIOF11以下那一种是非零色散位移光纤：A、G．655光纤；B、G．653光纤；C、G．652光纤；D、G．651光纤。12有关光纤中的色散论述错误的是：A、色散的存在使光纤通信系统的传输速率降低、传输容量变小；B、色散位移的目的是使零色散波长与最低损耗波长一致；C、正色散的光纤使光脉冲展宽，而负色散的光纤使光脉冲压缩，所以，负色散的光纤也成为色散补偿光纤；D、通过适当调整光纤波导的结构参量可使波导色散和材料色散互相抵消。13以下关于自聚焦透镜论述错误的是：A、0.25节距的GRIN的物方焦点在透镜入射平面上B、0.25节距的GRIN，同一点离轴入射，出射仍为平行光线C、0.25节距的GRIN，不同入射点的斜平行线入射，出射位置不同；D、自聚焦透镜的长度一般以节距来表示。14下列光波长不属于通常所说的光纤的三个传输窗口是：A、0.85m；B、1.31m；C、1.48m；D、1.55m。15有关G.652光纤，以下命题哪个是错误的：A、工作在1310nm波长时，损耗是通信容量的主要限制因素；B、工作在1550nm波长时，色散是通信容量的主要限制因素；C、工作在1550nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素；D、工作在850nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素；16标准单模光纤纤芯直径一般为：A、10mB、10nmC、80mD、100nm17关于光纤连接损耗，以下那一种说法是错误的：A、光纤间的连接损耗与光的传输方向无关；B、对于单模光纤，模场半径的不匹配是光纤损耗主要因素；C、通过充以折射率匹配液，可大大降低光纤端面间菲涅尔反射损耗；D、多模光纤的连接损耗可用几何光学进行分析计算。18有关光纤光栅的命题，哪一个是不对的：A、光纤光栅的理论基础是模式耦合理论；B、长周期光纤光栅可应用于OADM中；C、长周期光纤光栅可用作EDFA的增益均衡；D、Bragg光纤光栅可应用于光纤激光器中。19光时域反射仪（OTDR）不能够完成的功能有：A、光纤端面的判断；B、光纤色散大小的测量；C、光纤断点的判断；D、光纤长度的测量。20以下命题哪个是错误的：A、掺铒光纤激光器中谐振腔是不可缺少的；B、EDFA与掺铒光纤激光器的工作机理均为受激辐射；C、EDFA的增益与泵浦功率大小有关；D、EDFA的增益与信号光功率大小无关。二、简答题（每小题5分，共20分）1、简述光纤中包层存在的必要性。答：1、与纤芯共同组成光波导，限制光在纤芯内传输。2、保护纤芯。2、简述光纤中导模截止和远离截止条件的物理意义。答：当W趋向0时，场在包层中不衰减，导模转化为辐射模，对应于导模截止。当W趋向无穷大时，场在包层中不存在，导模场的约束最强，对应于导模远离截止。3、应用已有的《光纤光学》知识，提高光纤通信容量，应如何完善光纤？答：可从降低光纤色散的角度分析。4、画出偏振无关隔离器的结构图，并简述其工作原理。答：光正向传输时，经偏振分光镜分成两束光，两束光经YIG和互易旋光片后，偏振方向如上图所示，径偏振分光镜合束输出。光反向传输时，由于YIG的非互易性，反响传输的光无法在输出口合束，因而光的损耗大，无法通过。三、设计题（每小题10分，共20分）1、请用如下器件：980/1550nm的波分复用耦合器、2/8Y型耦合器、光环形器、Bragg光纤光栅、980nm半导体激光器、一段掺铒光纤，单模光纤若干米，分别构成光纤放大器与激光器，画出结构示意图，并简单介绍工作原理。答：1）EDFA：工作原理：输入信号与泵浦光在WDM中复用，光信号经EDF介质放大，从3输出，两个环行器起到隔离的作用，以提高EDFA的工作性能。2）光纤环行器结构如下图所示：980nm的泵浦光激发基态电子产生自发辐射，在EDF中激发新的辐射，经由环行器，由光纤光栅选定波长由3端口输出。激光波长与泵浦波长由wdm复用继续在EDF中作用，在2/8Y型耦合器，8份继续增益，2份输出。2、有一卷大约几十公里长的光纤需要测量其长度，现有一段100米可以测试的光纤与需测量的光纤具有相同的参数，试设计三种测量方法用以测量光纤长度。答：1）切断法测损耗求长度：(1)某一光功率的光源注入待测光纤，测其输出光功率Pout1(2)在距待测光纤入射处2m处切断，测其Pout2（3）由损耗定义：Pout1=2.LPinPout2=2.2Pin所以，L=2.Pout1/Pout2(m)2)背向散射法3）用相同的光源分别输入100米和待测光纤，光源脉宽已知，分别测得两端光纤输出脉冲展宽值,由于两光纤的色散相等，由，得L2，为光源线宽度。四、计算题(共30分)1、某光纤出现故障，用OTDR仪表进行测量。OTDR发射的周期性矩形脉冲的宽度10ns，测得光脉冲从光纤始端返回光纤始端的时间为3μs，已知光纤纤芯折射率n1=1.5，（1）问此光纤故障点距始端距离有多长？（2）该OTDR判断故障点的误差为多少？（3）若OTDR能测的损耗范围为32dB,想用它测试78km的光缆线路，光缆的衰减系数为0.3dB／km，问OTDR能否看到末端的衰减曲线？解：1）由L=Ct/（2n）=3*108*3*10-6/（2*1.5）=300m2）ΔL=CΔt/（2n）=+1m3）经总的路程损耗为：0.3dB/km*78*2=46.8dB32dB所以OTDR不能看到末端衰减的曲线。2、某抛物线分布光纤，n1=1.5，Δ=0.001，纤芯直径2a=50μm，当用波长λ0=0.85μm的光激励时，试求：（1）光纤的最大数值孔径；（2）光纤的截止波长；（3）基模的模场半径；（4）模式总数。1）GIOF中的局部数值孔径为当r=0时，2)抛物线型：3)基模模场半径：4）V=12.38,模数M=383、如下图所示为X－型光纤耦合器，工作波长为1.55m。若仅由Input1端口注入光功率，从Output1和Output2端口输出的分别为注入光功率的75％和25％。耦合器的耦合系数为：，求：（1）在上述耦合分光比下，耦合器的最小耦合长度；（2）若仅从Output1端口注入0dBm光功率，则从Input1和Input2端口分别输出多少光功率；（3）假设从Input1注入0dBm光功率，Input2输入－3dBm光功率时，分别从Output1和Output2输出多少光功率？解：1）由分光比75%：25%=3：1从“1”耦合到“2”的光功率为sin2（kL）=（1-cos（2kL））/2=1/4所以cos（2kL）=1/2，所以，2kL=pi/3+2kpi,k=0,+1,-1最小耦合长度L=pi/(3.2k)=0.052cm2)x型耦合器有对称型，从output1进入，耦合到input2的为sin2（kL）为1/4，进入input1的有3/4，所以input2输出为1/4mw，input1为3/4mw。或P01=0dbm=1mw，Pin1=Po1cos2（kL）=0.75mw=-1.25dBmPin2=Po1sin2（kL）=0.25mw=-6dBm3)Pin1=1mw,Pin2=0.5mw,Po1=Pin1cos2（kL）+Pin2sin2（kL）=0.875mw=-0.58dBmPo2=Pin1sin2（kL）+Pin2cos2（kL）=-2.04dBm4、光纤中的基模能否被截止，为什么？答：不能。因为光纤半径不可能为0，入射波长也不可能为无穷大。四、计算题（要求写出主要计算步骤及结果。共32分）1、某抛物线分布光纤，n1=1.5，Δ=0.001，纤芯直径2a=50μm，当用波长λ0=0.85μm的光激励时，试求：（共10分）（1）包层折射率n2=？（2）光纤的数值孔径NA=？解：（1）纤芯与包层的相对折射率差n2=1.4985（2）光纤的数值孔径2、一光信号在光纤中传播了5000m，功率损耗了85%，该光纤的损耗为多少dB/km？（共5分）解：1．65dB/km3、均匀光纤纤芯折射率n1=1.5，工作波长λ0=1.3μm，芯径2a=10μm，若要保证单模传输，则对相对折射率差Δ有何要求？（共8分）解：0.00224、一石英光纤，其折射率分布如下：纵向传播常数与归一化频率如下图所示，试计算：（1）该光纤的截止波长；（2）若该光纤工作波长为1m，将支持哪些模式传输；在忽略模式相互间的作用和光纤总色散的情况下，试分析这些模式在光纤中传输时的先后次序。（9分）解：（1）该光纤的截止波长为1.379um。（2）V=3.31584，有HE11，HE21，TE01，TM01模式。模式在光纤中传输时的先后次序为：跑的最快的为HE11，另外三个模式简并，跑得速度比HE11慢。五、分析题（16分）1、从麦克斯韦方程出发，试分析SIOF光纤中模场的求解过程。（10分）答：分析思路：从麦克斯韦方程经过三次变量分离——得到波导场方程——建立数学模型，在圆柱坐标系下讨论——电磁场的纵向分量满足波导场方程——变量分离，得到贝塞尔方程——根据贝塞尔函数特征，结合光纤中纤芯与包层中光场传输特征——得到纵向场的函数表达式——结合纵横关系式——得到其他场分量的数学表达式。2、试分析SIOF光纤中各种模式的本征值方程的推导过程。（6分）答：分析思路：TE和TM模式的本征值方程的推导过程可根据边界条件，并结合模式的场分量的特征，得到其本征值方程。对于HE和EH模式，可根据q参数，得到他们的本征值方程。六、论述题（共10分）简述光纤应如何发展以适应高速大容量光通信系统要求。答：分析思路：从降低色散、损耗等角度进行论述。1、什么是光的全反射现象？答：当光从折射率高的介质向折射率低的介质行进时，折射光的前进方向将向靠近界面侧偏转。因此，若增大入射角，使入射角增大到某一值时，折射光将与界面相平行，此时的入射角称之为临界角。当入射角大于临界角时，折射光消失，入射光在界面处全部被反射，这