光纤系统作业参考答案解析

WORD整理版专业资料学习参考第一章作业1、光纤通信与电通信有什么不同？在光纤通信中起主导作用的部件是什么？光纤通信，就是用光作为信息的载体、以光纤作为传输介质的一种通信方式。起主导作用的是激光器和光纤。2、常规的光纤的三个的低损耗窗口是在哪个波段？其损耗值各为多少？850nm3db/km；1310nm0.4db/km；1550nm0.2db/km3、光纤通信有哪些优点？（1）频带宽，通信容量大（2）损耗低，中继距离长（3）抗电磁干扰（4）无窜音干扰，保密性好（5）光纤线径细，重量轻，柔软（6）光纤原材料丰富，用光纤可节约金属材料（7）耐腐蚀，抗辐射，能源消耗小4、PDH和SDH各表示什么？其速率等级标准是什么？PDH表示准同步数字序列，即在低端基群采用同步，高次群复用采用异步，SDH表示同步数字序列PDH速率标准SDH速率等级标准：STM-1：155.520Mbit/sSTM-4：622.080Mbit/sSTM-16：2.5Gbit/sSTM-64：10Gbit/s5、图示光纤通信系统，解释系统基本结构。输入输出光纤通信系统由光发送机、光纤光缆与光接收机等基本单元组成。系统中包含一些互连与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、滤波器、光开关及路由器等。在长距离系统中还设置有中继器(混合或全光)。第2章1节布置的作业1、光纤的主要材料是什么？光纤由哪几部分构成？各起什么作用？SiO2；芯区、包层、图层；芯区：提高折射率，光传输通道；包层：降低折射率，将光信号封闭在纤芯内，并保护纤芯；图层：提高机械强度和柔软性光发送机通信信道光接收机WORD整理版专业资料学习参考2、光纤中的纤芯折射率与包层折射率的关系？单模光纤和多模光纤中两者的纤芯直径一般分别为多少？纤芯折射率较高，包层折射率较小单模光纤纤芯直径：2a=8μm～12μm，包层直径：2b=125μm；多模光纤纤芯直径：2a=50μm，包层直径：2b=125μm。3、根据芯、包折射率分布及模式传播情况，指出有哪些典型形式光纤？折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤；根据模式传播情况不同分为多模光纤和单模光纤4、什么是全反射？它的条件是什么？指光从光密介质入射到光疏介质是，全部被反射会原介质的现象条件：光从光密介质入射至光疏介质；入射角大于或等于临界角（θ=arcsin（n2/n1））在光纤端面：要求入射角o全；在芯包界面：要求入射角1C芯包界面全反射5、数值孔径NA的物理意义？表达式是什么？反映光纤对光信号的集光能力，定义入射临界角θmax的正弦为数值孔径NA，NA越大，对光信号的接受能力越强NA=sinθmax=√n12−n226、什么是光纤的自聚焦？产生在何种类型光纤里？如果折射率分部合适，就用可能使以不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传播，同时到达光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期L，这种现象称为自聚焦。出现在渐变光纤里。当折射率分布按平方率分布（即双曲正割变化），可形成自聚焦特性。7、阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别为n1＝1.46和n2＝1.45，试计算：(a)相对芯包折射率差△；(b)若该光纤的端面外为空气，计算允许的最大入射角0及数值孔径NA；(c)若该光纤浸于水中，n0=1.33，计算0及NA的大小。解：（a）∆=n12−n222n12=6.8x10−3（b）由n0sinθ0=n1sinθ1=√n12−n22得θ0=9.8°NA=sinθ0=0.17（c）同上8、有一SI型多模光纤的芯径（纤芯直径）为50m，芯包折射率分别为nl=1.465和n2=1.46。计算与光纤轴线夹角最大的那条子午射线，在1m的传输距离上共要反射多少次?解：θ=arcsinn2n1⁄=85.3°反射一次的轴向距离L=2*a/2*tanθ=2*50/2*tan85.3°=604μm反射次数=（1*106）/604=1656第2章2节布置的作业1、导模的传播常数应满足什么条件？k2βk1或k0n2≤β≤k0n1WORD整理版专业资料学习参考2、归一化频率V与什么参量有关？其值与导模数的关系？V=k0a√n12−n22≈（2π/λ）a*n1*√2∆归一化常量与波长、芯径、芯包折射率等有关多模阶跃光纤导模数M=V2/2多模渐变光纤导模数M=V2/43、什么是单模光纤？实现单模传输的条件是什么？在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤阶跃光纤的归一化常量（频率）V2.4054、有一阶跃型单模光纤，其截止波长为1.4m，芯包折射率分别为nl=1.465，n2=1.46，计算它的纤芯半径及在波长分别为0.85及1.3m的模式数。解：∆=n12−n222n12=3.4x10−3由V=（2π/λ）an1√2∆得a=Vλc2πn1√2Δ=λc2.6n1√2Δ=4.43μm当λ=0.85μm时V=（2π/λ）a*n1*√2∆=3.96m=V2/2=8当λ=1.3mm时V=（2π/λ）a*n1*√2∆=2.3m=V2/2=3（四舍五入）5、有一阶跃光纤，NA=0.2，当=850nm时可支持1000个左右的模式，计算：(a)纤芯直径；(b)在=1310nm波长时的传输模式数；(c)在=1550nm波长时的传输模式数。解：（a）M=V2/2=V=（k0a）2（n12−n22）=2π2a2λ2NA2代入数据可得a=30.25μm，则纤芯直径2a=60.5μm（b）当=1310nm时，M=2π2a2λ2NA2=421（c）当=1550nm时，M=2π2a2λ2NA2=301第2章4节布置的作业1、什么是光纤色散？光纤色散包括哪些？这些色散分别由什么引起？零色散点所处的波长在哪儿，由哪些因素决定？光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。材料色散（模内）、波导色散（模内）、模式（模间）色散、偏振色散。材料色散---这是由于光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化引起的色散，而光源有一定谱宽，于是不同的波长引起不同的群速度。波导色散---这是某个导模在不同波长(光源有一定的谱宽)下的群速度不同引起的色散，它与光纤结构的波导效应有关，因此又称结构色散。模间色散---多模光纤中由于各个导模之间群速度不同造成模间色散。在发送端多个导模同WORD整理版专业资料学习参考时激励时，各个导模具有不同的群速，到达接收端的时刻不同。偏振模色散---普通单模光纤实际上传输两个相互正交的模式，若光纤中结构完全轴对称，则这两个正交偏振模有完全相同的群时延，不产生色散。实际单模光纤存在少量的不对称性，造成两个偏振模的群时延不同，导致偏振模色散。在1310nm处，决定因素是材料色散和波导色散。全色散为两种色散的近似相加，即D＝Dmat+DW[ps/(nm.km)]全色散为零的波长约在1.31m。2、光纤有那些类型？G.652、G.653、G.654、G.655光纤各表示什么？G.652光纤（SSF）：常规单模光纤，色散在零的波长约在1310nm，1550nm具有更低的损耗；G.653光纤（DSF）：色散位移光纤，将零色散波长从1.3μm移到1.55mm，这种低损耗、低色散的光纤，有益于长距离大容量光纤通信；G.654光纤（CSF）：截止波长位移光纤，进一步降低1550nm处的衰弱，零色散波长仍为1310nm；G.655光纤（NZ-DSF）：非零色散位移光纤，将零色散波长移至1550nm附近，目的是应用DWDM，克服非线性产物四波分频（FWM）3、已知一弱导波阶跃型光纤，纤芯和包层的折射率分别为n1＝1.5，n2＝1.45，纤芯半径a＝4m，＝1.31m，L＝1km。计算：（a）光纤的数值孔径；（b）光纤的归一化频率；（c）光纤中传输的模数量；（d）光纤的最大时延差。解（a）NA=√n12−n22=0.384（b）V=（2π/λ）aNA=7.37（c）M=V2/2=27（d）∆=n12−n222n12=0.0328τmax=(n1×∆×L)C⁄=(1.5×0.0328×1km)3×105km/s⁄=16.4ns4、有一个波长为1310nmLED，其谱宽45nm。则光纤材料色散造成的单位长度脉冲展宽是多少?若是谱宽为2nm的LD，则脉冲展宽又是多少?DM=1.22（1—λcλ）=1.22（1—1.2731.31）=3.4x10-2ps/nmkmΔτLED=D*L*Δλ=|3.4|（ps/nmkm）x1（km）x45（nm）=1.55psΔτLD=D*L*Δλ=|3.4|（ps/nmkm）x1（km）x2（nm）=0.068ps第2章5节作业1、写出损耗的表达式。光纤损耗有哪几种？造成光纤损耗的原因是什么？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。α（db/km）=—（10/L）lg（Pout/Pin）；吸收损耗、散射损耗、辐射损耗；WORD整理版专业资料学习参考光纤材料本身吸收、散射作用和光纤受外力而产生的曲率半径弯曲2、为什么光纤通信向长波长、单模传输方向发展？因为从损耗和色散与波长的关系中反映出在长波长区损耗（瑞利散射的大小与光波长4次方成反比）和色散特性均比短波长区小，而单模光纤中没有模式色散，总色散小于多模光纤，且单模光纤在长波长区可以实现零色散，所以光纤通信向长波长、单模方向发展可以获得更大传输容量和传输距离。3、有一个1300／1550nm的WDM系统，在1300nm和1550nm波长上的入纤信号光功率分别为150w和100w。若这两个波长上的光纤损耗分别为O.5dB／km和0.25dB／km，试计算当光纤长度为50km时它们的输出光功率。解：P（100μw）=10lg100μw1mw=—10dbmP（150μw）=10lg150μw1mw=—8.24dbm则在50km长光纤的出端功率为：Pout（1300nm）=—8.24dbm—（0.5db/km）x50（km）=—33.24dbm=0.47μwPout（1550nm）=—10dbm—（0.25db/km）x50（km）=—22.5dbm=5.6μw4、设一长度L=1km的光纤，其损耗常数＝2.3×10—5／cm，光纤输入端的功率为lmw。计算光纤输出端的功率。解：Pout=Pinexp（—αL）=1（mw）exp【—2.3x10-5/cmx105km】=0.1mw=—10dbm第2章7节作业1、按照成缆结构方式不同可分为哪几种光缆？层绞式、骨架式、带状式、束管式2、光纤光缆制造的主要流程是什么？制棒—拉丝—涂敷—成缆第3章1节作业1、原子的基本跃迁有那些过程？受激吸收、受激发射、自发发射2、为什么双异质结材料构成的发光器件能很好地将光场限制在有源区里？图示说明。WORD整理版专业资料学习参考由图可见，中间n—GaAs为有源层，它与右边的n—GaAlAs构成一个异质结，其势垒阻止空穴进入n—GaAlAs区。有源层左边与p—GaAlAs也构成一个异质结，其势垒阻止电子进入p区，这样就把载流子的复合很好地限定在了有源层内。同时，有源层两边的折射率比有源层低，它的光波导作用对光场具有很好的约束，大大提高了发光强度。3、设激光器的高能级和低能级的能量各为E1和E2，频率为，相应能级上的粒子密度各为N1和N2。试计算：（a）当频率=300MHzT=300K时，N2∕N1为多少？（b）当波长λ=1μm，T=300K时，N2∕N1为多少？（c）当波长λ=1μm，若N2∕N1=0.1，环境温度T为多少？（按玻尔兹曼分布规律计算）解：（a）N2/N1=exp(-hv/kT)=exp(-6.63x10-34x300x106/1.38x10-23x300)=1（b）λ=cT/v=cλ⁄N2/N1=exp(-hv/kT)=exp(-6.63x10-34x3x108/1.38x10-23x300x1x10-6)=1.4047x10-21（