光纤基础知识点

1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是1950年出现的。传输损耗高达1000dB/km左右。2、 试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。3、 光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节省有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。4．简述光纤的导光原理。答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。7•均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为ni=1，50,n2=1，45,光纤的长度EOKm。试求：⑴光纤的相对折射率差△;(2)数值孔径NA；(3)若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差=3.3%n2-n2 1.52-1.452=3.3%解：(1)A= =解：(1)2n2 2x1.521⑵NA=nv2A=1.5x、：'2x0.033=0.39(3)若将光纤的包层和涂敷层去掉，则相当于包层的折射率n=1，则2=28.1%n2-n2 1.52-12=28.1%A= =2n2 2x1.521NA=n五=1.5x、Qx0.281=1.121而NA=sin°0最大为1,所以说只要光纤端面的入射角在90。以内，就可以在光纤中形成全反射。8•已知阶跃型光纤，纤芯折射率n=1.50，相对折射率差△=0.5%，工作波长入=1.31um，试求：(1)保10证光纤单模传输时，光纤的纤芯半径a应为多大？(2)若a=5um，保证光纤单模传输时，n应如何选择？2解：(1)因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频率Vc=2.405；TOC\o"1-5"\h\z2兀 ,——0V=寸ng2A<2.405

九12.40502.405\o"CurrentDocument"2.405九 2.405 1.31啊 、a< x—= x =3.340m丿\o"CurrentDocument"nJ2A2兀1.50xj2x0.5% 2兀1(2)若a=5um，保证光纤单模传输时，

1．V=——na\-2A<2.405九i0A<'2.405、1.501．V=——na\-2A<2.405九i0A<'2.405、1.50x5pmA=2n21 n>nv1-2A=1.5xd—2x0.22%=1.496721简述石英系光纤损耗产生的原因答：（1）光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？『本征吸收紫外吸收

红外吸收吸收损耗杂质吸收氢氧根（OH-）吸收过渡金属离子吸收=0.22%、原子缺陷吸收散射损耗"瑞利散射损耗散射损耗I结构不完善引起的散射损耗'光纤弯曲损耗I光纤微弯损耗（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。2．当光在一段长为10km光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。求：光纤的损耗系数a。解：设输入端光功率为P，输出端的光功率为P。12则P=2P12_10lP=10l2P=03/n）光纤的损耗系数a—lgp=［。血lgp2=0.3SB/km）223．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。（2）在数字光纤通信系统中，色散会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散〉〉材料色散〉波导色散〉极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。均匀光纤纤芯和包层的折射率分别为n=1.50，n=1.45，光纤的长度L=10km。试求：12（1） 子午光线的最大时延差；（2） 若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光线的最大时延差。

解：1）L—sin0nc解：1）L—sin0nc110kmx1.50（150—13x105km11.45丿二1.72。s）（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则n=1.02LCsin0nc1―1- —C[n2=25。s）10kmx1.50（型—1=25。s）3x105kmI1.0丿6•—制造长度为2km的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为n=1.47,n=1.45，使用工作波长为121.31um,光源的谱线宽度△入=3nm,材料色散系数D=6ps/nm・km，波导色散t=0,光纤的带宽mw距离指数Y=0.8。试求：（1）光纤的总色散；2）总带宽和单位公里带宽。解：（1）TMLn——1解：（1）TMLn——1CI、n J亠—1n丿22kmx1.47（1.47—13x105km/s11.45 丿=135.2（ns）=D-AX-L=6ps/nm-kmx3nmx2km=36（ps）mt=、：：t2+（t+t）2=、'135.22+0.0362=135.2（ns）总’M mw2）0.4410.441135.2ns2）0.4410.441135.2ns=3.26（MHz）B=B-Ly=3.26x20.8=5.68（MHz）T7•—制造长度为2km的抛物线型渐变多模光纤，纤芯轴线处的折射率n（0）=l.5，包层的折射率n=1.48,C使用工作波长为0・85um，光源的谱线宽度△入=6nm,材料色散系数D=15ps/nm•km，波导色散tmw=10ps，光纤的带宽距离指数Y=0.9。试求：（1）光纤的总色散；2）总带宽和单位公里带宽。解：（1）A=n解：（1）A=n（0》-n22n（0）/1.52—1.4822x1.52=1.34%Ln（0） 12kmx1.5Ln（0） 12kmx1.5x0.01342C2 3x105km/s-898（ps）-AX-L-15ps/nm-kmx6nmx2km=180（ps）2）t=2）t=v;t2+（t+t）2=i'8982+（180+10》=918（ps）总 M mw0.441B二B-口二480x2o.9二896（MHz）T8・某系统使用工作波长入=1・31um,谱线宽度△入=5nm的光源和长度为3km的阶跃型光纤，其纤芯的0折射率n=1.458，相对折射率差4=0.8%，纤芯半径a=8um,光纤的材料色散系数D=8ps/nm•km,1m波导色散t=0,其带宽速率比为0.8。试求光纤的模式畸变带宽和波长色散带宽。w解.t=比・A=3kmx1.458x0.8%=ii6.7（ns）解：mC 3x105km/s0.441t0.4410.441t0.441116.7ns=3.78（MHz）0.441D-AX-Lm=0.441D-AX-Lm=3.68（GHz）8ps/nm-kmx5nmx3km1、 比较LED和LD,并说明各自适应的工作范围。答：LED的发射光功率比LD要小，不适合长距离系统；LED的光谱宽度比LD大得多，不适合长距离系统；LED的调制带宽比LD小得多，不适合长距离系统；LED的温度特性比LD好得多。所以，LED适应于短距离小容量光纤通信系统，而LD适应于长距离大容量光纤通信系统。2、 试说明LED的工作原理。答：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒（相对于空穴）和Np结之间的势垒（相对于电子）降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到P区和从N区扩散到p区（由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区），在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其它衰减而产生自发辐射的光输出。3、 试说明LD的工作原理。答：当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激辐射放大（其余自发辐射光子均被衰减掉），直至传播到高反射率界面由被反射回有源层，再次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复，直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。9、 光发送机主要由哪些部分组成？各部分的作用是什么？答：光发送机主要由光源、驱动电路及辅助电路等构成。驱动电路的主要作用是为光源提供要求的驱动电流；光源的主要作用是完成电光变换（光调制）；辅助电路主要完成自动功率控制、自动温度控制及光源保护等功能。10、 光调制方式有哪些？目前的数字光纤通信系统采用的是数字调制方式？还是模拟调制方式？答：光调制方式主要按照光源与调制信号的关系及已调制信号的性质两种方式分类。根据光源与调制信号的关系，可以将光源的调制方式分为直接调制方式和外部（或间接）调制方式；根据已调制信号的性质，可以将光源的调制方式分为模拟调制方式和数字调制方式。从调制的本质上来说，目前的数字光纤通信系统采用的是模拟调制方式。4、 简述PINPD的工作原理。答：当光照射到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区附近产生受激辐射现象，从而产生电子空穴对。在外加电场作用下，这种光生载流子运动到电极。当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电的变换过程。5、 在APD中，一般雪崩倍增作用只能发生于哪个区域？答：高场区（即雪崩倍增区）。6、 简述APD的工作原理。答：当光照射到APD的光敏面上时，由于受激吸收而在器件内产生出一次电子空穴对。在外加电场作用下,一次电子空穴对运动到高场区，经过反复的碰撞电离过程而形成雪崩倍增现象，从而产生出大量的二次电子空穴对。在外加电场的作用下，一次电子空穴对和二次电子空穴对一起运动到电极。当外部电路闭合时，就会在外部电路中有电流流过，从而完成光电变换过程。12、试画出光接收机的方框组成，并说明各部分的作用。直接功率检测方式原理组成光电检测器的主要作用是将接收的光信号变换成包括基本调制信号分量的电信号；前置放大器的主要作用是低噪声接收；功率放大器（又称为主放大器）主要作用是信号幅度放大到适合再生的电信号；均衡滤波器作用是低通滤波和将信号波形变换成无码间干扰的信号波形；再生器的作用是将接收的信号恢复成标准数字信号；AGC电路主要作用是稳定光接收机输出的信号幅度；高压变换器是为APD提供合适的电压（同时通过调整平均倍增因子大小，来进一步稳定光接收机的输出信号幅度）。13、光接收机有哪些主要指标？它们的定义是什么？答：光纤通信系统主要包括光接收机灵敏度和光接收机动态范围两个指标。所谓光接收机灵敏度，是指在一定误码率或信噪比（有时还要加上信号波形失真量）条件下光接收机需要接收的最小平均光功率。而光接收机动态范围，是指在一定误码率或信噪比（有时还要加上信号波形失真量）条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。18、影响光接收机灵敏度的主要因素有哪些？答：输入和输出信号波形、非理想均衡滤波、直流光和背景光和判决阈值等。1、 简述掺杂光纤放大器的放大原理。答：在泵浦源的作用下，掺杂光纤中的工作物质粒子由低能级跃迁到高能级，得到了粒子数反转分布，从而具有光放大作用。当工作频带范围内的信号光输入时，信号光就会得到放大，这就是掺杂光纤放大器的基本工作原理。只是掺杂光纤放大器细长的纤形结构使得有源区能量密度很高，光与物质的作用区很长，有利于降低对泵浦源功率的要求。2、 EDFA有光纤通信中哪些应用？答：EDFA在光纤通信中可以作用（1）光功率放大器；（2）光前置放大器；（3）光线路放大器；（4）本地网光放大器3、 EDFA有哪