光纤思考题教材

光纤通信第一章：1、什么是光纤通信：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式2、光纤的主要作用是什么？引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统）3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：容许频带很宽，传输容量很大损耗很小，中继距离很长且误码率很小

重量轻、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？0.85,1.30,1.55μm第二章：1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成。其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。2、什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？阶跃型光纤:阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。渐变型光纤：渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。3、为什么包层的折射率必须小于纤芯的折射率？光纤就是利用从光从光密介质传播到光疏介质时，如果两介质折射率差别足够大，就可以发生全反射，使光信号的能量近乎无损耗的到达非常远的接受端，减少噪声的加入机会，最终的信噪比足够大，信号的品质比其他传输方式要好很多。4、什么是单模光纤？什么是多模光纤？单模光纤：单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm范围内。多模光纤：多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。光纤的传输特性5、用射线理论分析阶跃光纤的导光原理。6、什么是光纤的传光模式？什么是光纤的主模？什么是高次模？传光模式：在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光的一个传输模式。7、如何实现光纤的单模传输？归一化频率V应该满足以下截止条件：V=2π8、光纤损耗主要有几种原因？其对光纤通信系统有何影响？光纤损耗限制了光纤通信的最大直通距离。产生光纤损耗的原因主要分为三种：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。

(1)物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。

(2)光纤中出现折射率分布不均匀而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部,

由此引起的损耗称为本征散射损耗。又称瑞利(Rayleigh)散射。（3）当理想的圆形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。9、光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。10、分别说明G.652、G.653、G655光纤的性能及应用。G.652称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：(1)在1310nm波长处的色散为零。（2）在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm•km)。（3）这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652光纤是当前使用最为广泛的光纤。G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。G.655这种光纤在1550nm波长处色散不为零，故其被称为非零色散位移单模光纤。它在1550nm波长区域具有合理的低色散，足以支持10Gbit/s的长距离传输而无需色散补偿；同时，其色散值又保持非零特性来抑制四波混频和交叉相位调制等非线性效应的影响。这种光纤主要适用密集波分复用传输系统。11、为什么必须把光纤与其它元件组合起来构成光缆？为了构成实用的传输线路，便于工程上安装和铺设12、光缆按结构形成主要分几种？主要是：缆芯、加强元件、护层三大部分缆芯是光缆结构中的主体，起作用主要是妥善地安置光纤的位置使光纤在各种外力的影响下仍能保持优良的传统传输新能加强元件两种结构方式，一是放在光缆中心的中心加强方式，另一种是放在护层中加强方式光纤护层同电缆护层一样，是由护套等构成多层组合体13、比较层绞式、沟槽式、套管式三种光缆，哪一种光缆抗倒性能较好？层绞式光缆-若干光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起，适用于芯线数较少的光缆；套管式光缆-将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中，管中填充油膏，光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理，重量轻，体积小，价格便宜；沟槽式光缆-将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是加强元件，这种结构的光缆抗侧压性能好，单制造工艺复杂第三章：1、光纤通信系统中常用的光源主要有几种？常用的光检测器主要有几种？目前光纤通信系统中常用的光源主要有：半导体激光器LD，半导体发光二极管LED,半导体分布反馈激光器DFB等。光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换。光纤通信系统中常用的光检测器有：半导体光电二极管，雪崩光电二极管。2、光源、光检测器各自作用是什么？光源的作用是将电信号电流变换为光信号功率，即实现电-光的转换，以便在光纤中传输。光检测器的作用是将接受的光信号功率变换为电信号电流，即实现光-电的转换3、激光器主要由几部分组成？各部分的作用是什么？4、说明光与物质的相互作用主要三种基本过程。受激吸收，自发辐射，受激辐射5、什么是粒子数的反转分布？要使物质能对光进行放大，必须使物质中的受激辐射强于受激吸收，即高能级上的粒子数多于低能级上的粒子数。物质的这一种反常态的粒子数分布，称为粒子数的反转分布6、分析说明半导体激光器产生激光输出的工作原理。半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光震荡，反馈，产生光的辐射放大，输出激光。7、画出LD模拟调制和数字调制的原理图。8、半导体发光二极管与半导体激光器的本质区别是什么？它没有光学谐振腔，不能形成激光震荡。9、半导体发光二极管是利用什么原理实现光-电的转换？10、雪崩光二极管（APD）是利用什么原理，使检测灵敏度大大提高？利用载流子在高场区的碰撞电离形成雪崩倍增效应，使检测灵敏度大大提高，APD的雪崩增益随偏压的提高而增大。or雪崩光电二极管工作时外加高反向偏压（约100V～150V），在PN结内部形成一高电场区，入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使载流子和反向光生电流迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应，雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管内部就产生了放大作用。第四章：1、为什么说在光纤通信系统中光无源器件的使用是必不可少的？2、什么是光纤连接器？永久性链接有几种方法？光纤与光纤的连接有两种形式，一种是永久性连接，另一种是活动连接。永久性连接具有粘接法和熔接法之分，目前多采用熔接法。单模光纤的纤芯直径要在10μm以下，因此熔接必须使用机器才行。3、光纤耦合器的功能是什么？光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。它是一种Y型分支，由一根芯线一端输入的光可用它加以等分。当分支器分支路的开角增大时，向包层中泄漏的光将增多以致增加了过剩损耗。开角一般在左右，因此分支器的长度不可能太短。4、什么是光合波器和光分波器？光合波器和光分波器是用于波分复用等传输方式中的无源光器件。可将不同波长的多

个光信号合并在一起精合到一根光纤中传输，或者反过来说，将从一根光纤传输来的不同

波长的复合光信号，按不同光波长分开。前者称为合波器，后者称为光分波器。

光合波器和光分波器可分为衍射光栅型，棱镜型,波导型等几种类型。5、什么是光滤波器？多层电介质干涉膜型合波分波器，是把具有接近λ／2或者λ／4光学厚度的高折射率电介质膜和低折射率电介质膜交替重叠形成薄膜，

于是对于特定波长表现出较强的选择性。这种波长选择性主要依赖于电介质膜的层数、膜的厚度、膜的材料等。

采用电子射束蒸镀方法，可将

Si02

(低折射率材料，n＝1.46)

和

Ti02

(高折射率材料，n＝2.3)积层20～40层，实现带通滤波器(BPF)、长波长带通滤波器(LWPF)、短波长带通滤波器(SWPF)等各种滤波特性。6、什么是光隔离器？半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉弟旋转的非互易性。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成

为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。7、光源与光纤的耦合，一般采用什么方法提高耦合效率？影响光源光纤的耦合效率主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径，所以减小发散角和增大数值孔径NA来提高耦合效率第五章：1、什么是掺饵光纤？掺饵光纤是一种向常规传输光纤的石英玻璃基质中参入微量铒元素的特种光纤2、掺饵光纤光放大的特性取决于什么？主要由掺饵元素决定（饵离子）3、在掺饵光纤放大器中，泵浦光源的作用是什么？掺饵光纤放大器采用掺饵离子单模光纤作为增益物质，在泵浦光源激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大4、掺饵光纤在1536nm波长处的激光过程属于几能级激光系统？三能级激光系统5、掺饵光纤放大器由几部分组成？

一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器以及光隔离器等组成6、分析掺饵光纤放大器的工作原理。-掺铒光纤放大器主要由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等构成。采用掺铒单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现受激辐射放大。泵浦光和信号光一起通过光耦合器注入掺铒光纤；光隔离器作用是只允许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高稳定性。7、EDFA有三种基本的应用方式，分别是什么？在光纤通信系统中，EDFA有三种基本的应用方式，分别是分别是功率放大器、前置放大器和在线放大器。它们对发放大器性能有不同的要求，功放要求输出功率大，前放对噪声性能要求高，而线放须两者兼顾。8、画出前向（同向）泵浦掺饵光纤放大器的结构图，并说明其特点。9、画出后向（反向）泵浦掺饵光纤放大器的结构图，并说明其特点。10、画出双向泵浦掺饵光纤放大器的结构图，并说明其特点。第六章：1、说明光发射机的组成及其功能。光发射机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。2、说明光接收机的组成及其功能。光接收机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。3、什么是光波的调制？在光纤通信系统中，把随信息变化的电信号加到光载波上，使光载波按信息的变化而变化，这就是光波的调制。从调制方式与光源的关系上来分，强度调制的方法有两种：直接调制和外调制。从调制信号的形式来分，光调制又分为模拟调制和数字调制。4、什么是直接调制？直接调制是用电信号直接调制光源器件的偏置电流，使光源发出的光功率随信号而变化。光源直接调制的优点是简单、经济、容易实现，但调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制。光纤通信中光源多采用直接调制方式。5、什么是外调制？外调制一般是基于电光、磁光、声光效应，让光源输出的连续光载波通过光调制器，光信号通过调制器实现对光载波的调制。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，特别适合高速率光通信系统。6、什么是模拟调制？模拟调制可分为两类，一类是利用模拟基带信号直接对光源进行调制；另一类采用连续或脉冲的射频波作副载波，模拟基带信号先对它进行调制，再用该已调制的副载波去调制光载波。由于模拟调制的调制速率较低，均使用直接调制方式。7、什么是数字调制？数字调制主要指PCM脉码调制。先将连续的模拟信号进行抽样、量化、编码，转化成一组二进制脉冲代码，对光信号进行通断调制。数字调制也可使用直接调制和外调制。8、线性通道是什么？由光电检测器、前置放大器、主放大器和均衡器构成的这部分电路，称为线性通道。在光接收机中，线性通道主要完成对信号的线性放大，以满足判决电平的要求。9、光接收机灵敏度指的是什么？光接收机的灵敏度是指满足给定信噪比指标的条件下，光接收机所需要的最小接收光功率10、光接收机的主要质量指标是灵敏度，影响灵敏度的主要因素是什么？光接收机的放大器的倍数第七章：1、什么是光纤通信系统？光纤通信系统是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信系统2、光纤通信系统由以下哪几个部分组成？光纤通信系统由光发信机、光收信机、光中继器、光纤连接器及耦合器的无源器件等五个部分组成。1、光发信机：----光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。电端机就是常规的电子通信设备。2、光收信机：----光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。3、光纤或光缆：----光纤或光缆构成光的传输通路。其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。4、中继器：----中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。5、光纤