光纤通信课后第2章习题答案

《光纤通信课后第2章习题答案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信课后第2章习题答案（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第 2 章 复习思考题参考答案2-1 用用光光线线光光学学方方法法简简述述多多模模光光纤纤导导光光原原理理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。我们可把这种光纤看做由折 射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层 na、nb和 nc等组成，如图 2.1.2（a）所示，而且 。使光线 1 的入射角A正好等于折射率为 na的 a 层和折射率为 nb的 b 层Lcbannn的交界面 A 点发生全反射时临界角，然后到达光纤轴线上的 O点。而abcarcsin)ab(nn光线 2 的入射角B却小于在 a 层和 b 层交界面 B 点处的临界角c(ab)，因此不能发生全反 射，而光线 2 以折射角B 折射进

2、入 b 层。如果 nb适当且小于 na，光线 2 就可以到达 b 和 c 界面的 B点，它正好在 A 点的上方（OO线的中点） 。假如选择 nc适当且比 nb小，使光线 2 在 B发生全反射，即B C(bc) = arcsin(nc/nb)。于是通过适当地选择 na、nb和 nc，就可 以确保光线 1 和 2 通过 O。那么，它们是否同时到达 O呢？由于 nanb，所以光线 2 在 b 层要比光线 1 在 a 层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线 1，所以几乎 同时到达 O点。这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律 排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中

3、传输，如图 2.1.1（b）所示。图 2.1.2 渐变（GI）多模光纤减小模间色散的原理2-2 作作为为信信息息传传输输波波导导，实实用用光光纤纤有有哪哪两两种种基基本本类类型型答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。当光纤 的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传 播一个模式的光纤称为单模光纤单模光纤。用导波理论解释单模光纤传输的条件是，当归一化波导 参数（也叫归一化芯径）时，只有一种模式，即基模（即零次模，N = 0）通405. 2V01LP过光纤芯传输，这种只允许基模传输的光纤称为单模光纤。01LP2-3 什什么么叫叫多多

4、模模光光纤纤？什什么么叫叫单单模模光光纤纤答：传播数百到上千个模式的光纤称为多模多模（MultiMode，MM）光纤光纤。2-4 光光纤纤传传输输电电磁磁波波的的条条件件有有哪哪两两个个答：光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件全反射条件外，还需满 足传输过程中的相干加强条件相干加强条件。2-5 造造成成光光纤纤传传输输损损耗耗的的主主要要因因素素有有哪哪些些？哪哪些些是是可可以以改改善善的的？最最 小小损损耗耗在在什什么么波波长长范范围围内内答：引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图 2.3.1 所 示。光纤是熔融 SiO2制成的，光信号在光纤

5、中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理 产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗有纯 SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部 吸收。内部吸收是由于构成 SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能 量。外部吸收主要由 OH 离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在 光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。 非线性散射损耗：在 DWDM 系统中，当光纤中传输的光强大到一定程度时就会产生 受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性现象，使输入光能量转移到新的频率 分量上，产生非线性损耗。 减小 OH 离子杂质和提高光纤制造过程中材料密度的均匀性

6、可以减小光纤的损耗。为 了减小非线性散射损耗，可以使每个 WDM 信道的光功率不要太强。 最小损耗在 1.55m 波长附近。2-6 什什么么是是光光纤纤的的色色散散？对对通通信信有有何何影影响响？多多模模光光纤纤的的色色散散由由什什么么 色色散散决决定定？单单模模光光纤纤色色散散又又有有什什么么色色散散决决定定答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延 迟而引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及 光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲， 色散使脉冲展宽。 对于多模光纤，主要是模式色散。对于

7、单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输， 所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。对于制造良好的单模光纤，偏振模色 散最小。在 DWDM 和 OTDM 系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。2-7 光光纤纤数数值值孔孔径径的的定定义义是是什什么么？其其物物理理意意义义是是什什么么答：数值孔径数值孔径（Numerical Aperture，NA）定义为（2.2.3）22 121NA2nnn式中，为纤芯与包层相对折射率差。用数值孔径表示的子午光线最大入射光线最大入射121nnn角角max是max 0NAsinn（时） （2.2.4）maxsinNA01n 角度 2max称为入射

8、光线的总接收角，它与光纤的数值孔径和光发射介质的折射率 有关。0nNA 表示光纤接收和传输光的能力，NA（或max）越大，光纤接收光的能力越强，从 光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输。NA 越大，纤芯对光能量的束缚能力越强，光纤抗弯曲性能越好。但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据使用场合，选择适当的 NA。图 2.2.1 光纤传输条件2-8 单单模模光光纤纤的的传传输输特特性性用用哪哪几几个个参参数数表表示示答：单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。在传输高强度功率条件下，则还要考 虑光纤的非线性光学效应

9、。2-9 多多模模光光纤纤有有哪哪两两种种？单单模模光光纤纤又又有有哪哪几几种种答：多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。单模光纤有 G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657 光纤和色散补偿光纤。2-10 简简述述 G.652、G.653、G.654、G.655、G.656 和和 G.657 各各型型 号号光光纤纤的的特特征征答：G.652 标准单模光纤是指零色散波长在 1.3 m 窗口的单模光纤，它属于第一代单 模光纤，其特点是当工作波长在 1.3 m 时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素， 即光纤衰减所限制。但这种光纤在 1.3 m 波段的损耗较大，为

10、0.30.4 dB/km；在 1.55 m 波段的损耗较小，为 0.20.25 dB/km。这种光纤可支持用于在 1.55 m 波段的 2.5 Gb/s 的干 线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输 10 Gb/s 的信号，传输距离超过 50 km 时， 就要求使用价格昂贵的色散补偿模块，另外由于它的使用也增加了线路损耗，缩短了中继 距离，所以不适用于 DWDM 系统。 G.653 光纤是一种把零色散波长从 1.3 m 移到 1.55 m 的色散移位光纤，它属于第二 代单模光纤。 G. 654 光纤是衰减最小光纤，该光纤具有更大的有效面积（大于 110 m2） ，超低的非 线性和损耗，它在

11、1.55 m 波长附近仅为 0.151 dB/km，可以尽量减少使用 EDFA 的数量， 并具有氢老化稳定性和良好的抗辐射特性，特别适用于无中继海底 DWDM 传输。G. 654 光纤在 1.3 m 波长区域的色散为零，但在 1.55 m 波长区域色散较大，为 1720 ps/(nmkm)。 G. 655 光纤是非零色散光纤，它实质上是一种改进的色散移位光纤，其零色散波长不 在 1.55 m，而是在 1.525 m 或 1.585 m 处。在光纤的制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到 10 Gb/s，而不需要色散补偿。非

12、零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应，而标准光纤 和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色 散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它 特别适合于高密度 WDM 系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传 输介质。G.656 光纤是宽带全波光纤，它是把 1 380 nm 波长附近的 OH 离子浓度降到以下，108消除了 1 3601 460 nm 波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到 0.3 dB/km 左右，使 S+C+L 波段均可应用于 DWDM 光纤通信。 图 2.4.1 光纤的损耗谱和工作窗口G.

13、 657 光纤是一种具有小的模场直径（MFD）和具有比较大的纤芯/包层折射率差的光 纤，它对弯曲不敏感，可以在入户环境下拥挤的管道中，或者经过多次弯曲后固定在接线 盒和插座等狭小空间的线路终端设备中使用。2-11 用用后后向向散散射射法法测测量量光光纤纤损损耗耗的的根根据据是是什什么么？答：瑞利散射光功率与传输光功率成正比，后向散射法就是利用与传输光方向相反的 瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图 2.7.2 为用后向散射法测量光纤损耗系数的原理 图。 设在光纤中正向传输光功率经过长和的两段光纤传输后反射回输入端的光功率分1L2L别为和，如图 2.7.2（b）所示。经分析推导可知，正向和反向

14、损耗系数的平均值1 refP2 refP为图 2.7.2 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数（dB/mW） （2.7.2）ref 121ref 210lg2P LLP2-12 从从物物理理概概念念来来看看，色色散散、脉脉冲冲展展宽宽和和光光纤纤带带宽宽三三者者之之间间的的关关系系 是是什什么么答：由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。高斯 色散限制的光带宽为（2.3.31）BDLf75. 0GHz188. 0188. 01 22lnchrmsrms2opdB,3式中，（GHz） 。由式（2.3.31）可知，光纤带宽和色散引起脉冲展宽的关系chrmsDL是。188. 0rmsop3dB,f2-13 简简述述光光时时域域反反射射计计的的应应用用答：利用光时域反射计不仅可以测量光纤的损耗系数（dB/km）和光纤长度，而且还 可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工 程上得到了广泛地使用。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。2-14 G.652 光光纤纤在在 1.3 m 的的损损耗耗是是多多少少？答：G.652 光纤在 1.3 m 波段的损耗较大，为 0.30.4 dB/km。