《光纤通信技术》复习题答案

光纤通信复习 1 《光纤通信技术》复习题 一．基本概念 1．什么样的电磁波叫做“光”？目前的光纤通信用的是什么光？波长是 多少？ 答：光是一种电磁波，光频为 10E14HZ 量级，波长为μm 量级。可见 光大约指 0.4μm ~0.76μm 波长范围的电磁波。 光通信采用的波长 0.85μm、 1.31 μm 和 1.55μm。即在电磁波近红外区段。 2．光纤通信的特点？ 答：一、传输频带宽，通信容量大 二、传输损耗低，中继距离长 三、不怕电磁干扰 四、保密性好，无串音干扰 五、光纤尺寸小,重量轻,利于敷设和运输 六、节约有色金属和原材料 七、抗腐蚀性能好 3．光纤的 NA 和 LNA 各是什么意义？什么是光线模式的分立性？ 答：入射最大角称为孔径角，其正弦值称为光纤的数值孔径。数值孔 径表示光纤采光能力的大小。 在光纤端面上芯区各点处允许光线射入并形成导模的能力是不一样的， 折射率越大的位置接收入射光的能力越强。 为了定量描述光纤端面各点位接受入 射光的能力，取各点位激发最高次导模的光线入射角度为局部孔径角θ’ C (r) ， 并定义角的正弦值为该点位的局部数值孔径 LNA。 光是有一定波长的，将光线分解为沿轴向和径向的两个分量，传输光 波长λ也被分为λZ 和λr。 沿径向传输的光波分量是在相对的芯/包层界面间 （有 限空间） 往返传输， 根据波形可以稳定存在的条件——空间长度等于半波长的整 数倍，而空间长度已由光纤结构所确定，所以径向波长分量λ r 不能随意了，从 而导致它们夹角不能随意也即不能连续变化，即光线模式的分立性。 4．什么是光纤的色散？光纤的色散分为哪几种？在单模光纤中有哪些色 散？ 答： 脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象叫光纤的色散。 分为模间色散和 模内色散。模内色散又分为材料色散和波导色散。多模光纤：模式色散和材料色 散；单模光纤：材料色散和波导色散。 5．归一化频率 V 和截止频率 VC 各如何定义？有何区别和联系？ 答：归一化频率见书 28 页，截止频率见 27 页。实际光纤中能够传输的导模 模式必须满足 VVc。 光纤通信复习 2 6．什么是光纤的模式?简并模？线性极化模？ 答：在光纤的数值孔径角内，以某一角度射入光纤的端面，并能在光 纤的纤芯——包层界面上形成全内反射的传播光线称为一个光的传输模 式。每种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一个模式。 场型分布相同的模式称为简并模(原始场型的图案一样，而模式并不 唯一。即一个原始场型并不唯一对应一个模式)。 将原始场型按照“传输常数相近者合并” 的原则得到的场型， 或者是 把简并模集中在一起。称为线性极化模又叫线性偏振模。 7．什么是单模光纤？单模传输的条件是什么？ 答：只允许传输一个基模的光纤为单模光纤。单模光纤传输条件为 0V2.4048。 8．什么是模耦合？什么 EMD？ 答：模式之间的光功率转换现象叫模耦合。 光纤不同模式所携带的光功率在传输过程中可能发生相互转换， 即较 低次模转换为较高次模，较高次模可能转换为较低次模或更高次模，甚至 转换为辐射模而损失掉。原因：光纤的不完善。 稳态 MPD 即 EMD：光纤中各种模式所含功率的比例会在耦合过程 中趋向一种动态平衡。长途传输时光功率基本上是以 EMD 状态传输的， 所以光纤总的损耗系数应该以 EMD 状态为前提。 9． 什么是光纤的近场和远场？什么是模场直径？什么是光纤的截止波 长？ 答： 见书 （45 页） ， 单模光纤近场光强P(r)从最大值 P(0)下降到 P(0)/e 时所对应的光斑直径的大小叫模场直径（MFD） 。 截至波长（书 34 页）光纤中只能传导基模的最低工作波长。 10． 什么是光子的自发辐射、受激吸收、受激辐射？ 见书 57 页。 11． 什么是信号的抖动？抖动的性能参数有哪些？ 答：数字信号的各有效瞬间对于标准时间位置的偏差定义为抖动。 抖动包括两个方面： （1）输入信号脉冲在某一平均位置左右变化； （2）提取的时钟信号在中心位置上的左右变化。 抖动的性能参数 输入抖动容限——系统容许输入信号的最大抖动范围。 ②输出抖动——系统输出口的信号抖动特性。 ③抖动转移特性——在不同的测试频率下系统输入信号的抖动值和输出 信号的抖动值之比(增益)的分布特性。 12． 满注入和 LPS 注入条件是怎样规定的？ 答：满注入指光源经一定的光学系统处理后，在光纤端面上形成的入 射光斑直径大于纤芯直径，而且，入射光锥的光锥角大于光纤的数值孔径 角。有限相位空间注入（LPS）规定入射光斑直径和入射光锥的数值孔径 光纤通信复习 3 分别等于纤芯直径和光纤 NA 的 70%，又称 70/70 法则。 13． PDH 的基群速率？SDH 的最低速率？ PDH 有两种基础速率: （1） 1.544Mb/S，如美国、日本等； （2） 2.048Mb/S ，如我国、欧洲各国，各次群之间的路数关系是 4 倍递 增，而速率关系大于 4 倍。 将 PDH 和 SDH 在四次群上兼容互通，接口码率定为 155.520Mb/S SDH 最基本速率等级是 STM-1，其速率为 155.520Mb/S。 14． 容器、虚容器、终端复用器和分插复用设备的作用？ 答：容器是具有一定格式的帧结构，用来接收相应的速率等级的 PDH 信号，并进行速率适配。 虚容器是具有一定通信管理功能的基本信息结构，本身不在 SDH 中独立地传输，只允许装载在 STM-N 帧中传输。 终端复用器，和分插复用设备见书 170 页。 15． SDH 的分层结构及各层的作用？ 见书 171 页。 二．基本原理 1． 光在不同的界面上发生反射和折射的方向规律如何？发生全反射的条件是 什么？ 2． 光在介质中传输为什么会发生损耗？什么是散射？光被介质吸收有几种形 式？为什么“波长有选择性”？ 答：因为光会发生散射和吸收。 吸收分为材料固有吸收（电子转移的紫外吸收和 SIO2 红外吸收） ，杂质吸收 （OH-离子吸收，过渡金属离子吸收） ，原子缺陷吸收。 吸收过程的发生具有很强的选择性， 例如电子吸收只能在光能量恰好等 于电子所能跃迁的能级差时才能发生。 因此决定了具体的光电材料具有一定的波 长响应范围， 各种微观粒子吸收光子能量是按照本身的固有频率进行选择的， 也 就是说，不同的微观粒子只吸收特定波长的光子能量， 3． 光纤芯区折射率为什么比包层高？ 答：为了让光线产生全反射而传输。 4． 光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？ 5． 为何渐变型多模光纤的色散小？（为什么渐变型多模光纤具有自聚焦效 应？） 答： 因为光线传播速度v(r)=c/n(r)(c 为光速)，入射角大的光线经历的路程 较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小， 传播速度较快，补偿了较长的 光纤通信复习 4 路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的 时间延迟近似相等。 6． 光时域反射仪的测量原理？光时域反射仪的作用？ 7． 无源光器件有哪些？作用分别是什么？ 有源：半导体激光器、发光二极管、光电二极管、光纤放大器等。 无源：光纤连接器，耦合