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，抗电磁干扰实力强，保密性能好，体积小，重量轻,

节约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。纤芯和包层是为满意导

光的要求：涂覆层的作用是爱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.匀称光纤纤芯和包层的折射率分别为m=L50,m=l.45,光纤的长度L=10Km。试求:(1)光纤的相对折

射率差A；(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

(2)NA=V2A=1.5xJ2x0.033=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由=1,则

-n,21.52-1

=28.1%

2x1.52

NA=%V2A=1.5x72x0.281=1.12

而仇4=sin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m=1.50,相对折射率差A=o.5%,工作波长入。=1.31um,试求：(1)保

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，也应如何选择？

解：(1)因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频率Vc=2.405；

V=—n1aV2A<2.405

2.4051.31/rnn

3.34（s）

1.50x72x0.5%2兀

(2)若a=5um,保证光纤单模传输时,

V=—nlaV2A<2.405

A)

=0.22%

n2>n|A/l-2A=1.5x71-2x0.22%=1.4967

1.简述石英系光纤损耗产生的缘由，光纤损耗的理论极限值是由什么确定的？

答：⑴

―、（紫外汲取

「广征汲17取1r｛红外汲取

汲取损耗\出席、H由J氢氧根（OHD汲取

杂质汲取t过渡金属离子汲取

光纤损耗＜〔原子缺陷汲取

叫财产轩［瑞利散射损耗

以由执礼1结构不完善引起的散射损耗

［光纤弯曲损耗

.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汲取损耗，红外汲取损耗和瑞利散射确定的。

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

则P尸2P2

光纤的损耗系数a=电1ga=1°lg—=0.3（JB/km）

?10k〃22

3.光纤色散产生的缘由有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？

答：（1）依据色散产生的缘由，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，严峻时前后脉冲

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，一般忽视不计。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。

5.匀称光纤纤芯和包层的折射率分别为m=l.50,nkl.45,光纤的长度L=10km。试求：

（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。

LLLn

解：⑴x

C

-sin^.ck«2

(2)若将光纤的包层和涂敷层去掉，则%;1.0

10碗x1.501.50

-1=25（萍）

3x10‘女加To"

6.一制造长度为2km的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为m=l.47,m=l.45,运用工作波长为

1.31um,光源的谱线宽度AX=3nm,材料色散系数D.=6ps/nm•km,波导色散T.=0,光纤的带宽

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。

Ln,4-12匕1.47

解：(1)TM=-=135.2（ns）

1%3xIO,km/s

rm-Dm•A4-L=6ps/nm•kmx3nmx2km-36（〃s）

22

T&=j7j+（%+%）2=7135.2+0.036=135.2（〃s）

0.4410.441

（2）B3.26（MHz）

r135.2〃s

B=BT-U=3.26x2°8=5.68(MHz)

7.一制造长度为2km的抛物线型渐变多模光纤，纤芯轴线处的折射率n(0)=1.5,包层的折射率nc=L48,

运用工作波长为0.85uin,光源的谱线宽度AX=6nm,材料色散系数D“=15ps/nm•km,波导色散T.

=10ps,光纤的带宽距离指数丫=0.9。试求：

(1)光纤的总色散；

(2)总带宽和单位公里带宽。

2222

An（o）-nc1.5-1.48

解:（1）△='/,、。c=-----------------------=1.34%

2n（0）'2x1.5-

（」2Amx1.5x0.01342

1"Oh=898（ps）

2C~23x1。'km/s

Dm-A2-L=15ps/nm-kmx6nm又2km=180（ps）

7总==)8982+(180+10)2=9i8(ps)

(2)BT

8=%•〃=480x2°®=896(MHz)

8.某系统运用工作波长x0=1.31um,谱线宽度A入=5nm的光源和长度为3km的阶跃型光纤，其纤芯的

折射率m=1.458,相对折射率差A=0.8%,纤芯半径a=8um,光纤的材料色散系数D.=8ps/nm•km,

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。

Ln3痴x1.458「久引\

}LnQ0/

解:TM=-•A=-----------x0.8%=116n\ns)

C3x10km/s

0.441_Q.441

3.78(M”z)

BM

T116.7〃s

0.441_________0441__________

B.=3.68(G”z)

D,“"L8ps/nm•kmx5nmx3km

1,比较LED和LD,并说明各自适应的工作范围。

答：LED的放射光功率比U）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，最终克服受激汲取及其它衰减

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

向及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福射放大。

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，驱动电路及协助电路等构成。驱动电路的主要作用是为光源供应要求的驱动电

流；光源的主要作用是完成电光变换（光调制）；协助电路主要完成自动功率限制，自动温度限制及光源

爱护等功能。

10,光调制方式有哪些？目前的数字光纤通信系统采纳的是数字调制方式？还是模拟调制方式？

答：光调制方式主要依据光源及调制信号的关系及已调制信号的性质两种方式分类。依据光源及调制信号

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；依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

统采纳的是模拟调制方式。

4,简述PINPD的工作原理。

答：当光照耀到PIN光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区及耗尽区旁边产生受激辐射现象，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API）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API）的工作原理。

答：当光照耀到APD的光敏面上时，由于受激汲取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重量的电信号；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复原成

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供应合适的电压

（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）。