《光纤通信系统》第二版-李履信-沈建华——习题解答
《光纤通信》第1章课后习题答案
习题一1．光纤通信的优缺点各是什么？答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。
缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。
2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。
光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。
光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。
模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。
光源是LED 或LD，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。
电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。
光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。
光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。
光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。
光检测器将光信号转化为电流信号。
常用的器件有PIN和APD。
然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。
模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。
光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。
光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。
光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km时，每隔2km将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。
光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。
光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。
3．假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？解：根据题意，求得在5GHz的微波载波下，数字通信系统的比特率为50Mb/s，则能传输781路64kb/s 的音频信道。
(完整版)[光纤通信]西电第二版课后习题答案
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1．光纤通信的优缺点各是什么？答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。
缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。
2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。
光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。
光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。
模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。
光源是LED 或LD ，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。
电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。
光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。
光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。
光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。
光检测器将光信号转化为电流信号。
常用的器件有PIN 和APD 。
然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。
模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。
光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。
光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。
光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km 一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km 时，每隔2km 将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。
光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。
光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。
6．简述WDM 的概念。
光纤通信第二版答案完全版（随书附赠）光纤通信原理第二版
光纤通信第二版答案完全版(随书附赠) 光纤通信原理第二版第一章习题参考答案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。
第二章光纤和光缆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。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
n1nr （2）阶跃型光纤的折射率分布n2r ar a2 r nm 12 渐变型光纤的折射率分布n r ancr a r a3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？n 答：阶跃型光纤的数值孔径NA si 0 n120 渐变型光纤的数值孔径NA sinn0-nc n0222两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
《光纤通信》课后习题答案
习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻璃表面之间的夹角。
根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。
由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。
由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到sin /sin sin67/sin33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来）其中利用了空气折射率1i n =。
这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=（自己用matlab 算出来） 2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。
如果光纤端面外介质折射率 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ=允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算（1）纤芯和包层的相对折射率∆；（2）光纤的数值孔径NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -∆=≈光纤的数值孔径为0.38NA =4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01∆=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。
解：光纤的归一化频率002233.3V a n ππλλ==⋅=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。
光纤通信系统(第2版)杨祥林 第一章答案(仅供参考)
《光纤通信系统》（第2版）杨祥林 主编第1章 导论 课后习题答案 维E 的常客 编（仅供参考，如有不足之处，请指正）1.1设光信号在损耗分别为0.2dB/km 、20dB/km 、2000dB/km 的3种光纤中传输，试求光功率衰减至1/10时的传播距离。
假定光功率按exp(−αL)减少，计算3种光纤的α(cm −1)值。
解：光的传输距离L =−10lg |p i p 0|/αdB ;0.2dB/km L =−10lg 1100.2=50km20dB/km L =−10lg 11020=0.5km2000dB/km L =−10lg 1102000=0.005km光功率p i =p 0exp(−αL)衰减系数α=ln (p 0p i )∗αdB 10lg (p 0p i )=αdB 10lge ≅αdB 4.343 则α(cm −1)=αdB10lge ×10−5cm −10.2dB/km α=4.61×10−7cm −1 20dB/km α=4.61×10−5cm −12000dB/km α=4.61×10−3cm −11.2假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz 的微波载波和1.55μm 的光载波上能传输多少路64Kb/s 音频信道？ 解：根据题意得5GHz 的微波载波上，数字通信系统的比特率为5×109×1%=5×107b/s ，能传输的音频信道的路数为5×10764×103≅781路；1.55μm 的光载波上，数字通信系统的比特率为3×1081.55×10−6×1%≅1.935×1012b/s ， 能传输的音频信道的路数为1.935×101264×103≅30241935路。
1.3以ASCII 格式存在于计算机硬盘的1h 演讲稿，假定传送速率为200字/min ，平均每字5个字母，试估计总比特数。
光纤通信-练习题答案
《光纤通信技术》练习册参考答案第一章1.简述光纤通信的优点。
参考教材第2~3页。
a)通信容量大b)中继距离长c)保密性能好d)抗电磁干扰能力强e)体积小、重量轻、便于施工维护f)原材料来源丰富，潜在价格低廉2.简述光纤通信系统基本组成中各部分的主要作用。
参考教材第4页。
模拟信息模拟信息光发送机的功能是把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。
光纤线路的功能是把来自光发送机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。
光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。
光接收机的功能是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号。
第二章1.突变光纤纤芯和包层的折射率分别为：n1=1.465、n2=1.460，试计算：（1）相对折射率差∆？（2）光纤的数值孔径NA？（3）在2km长的光纤上，由子午线的光程差造成的最大时迟差∆τmax?参考答案：（1）∆=(n1-n2)/n1=0.0034（2）NA=n1(2∆)½=0.121（3）∆τmax=(n1L∆)/c=32ns2.工程实际中如何测量光纤的损耗？参考教材第35~39页。
第三章1．什么是粒子数反转分布？参考教材第45页。
在同一物质内,光和物质相互作用的三个过程是同时存在的.为了使物质发光,就必须使其内部的自发辐射或受激辐射的几率大于受激吸收的几率,这就要求高能级上的电子数多于低能级上电子数,这种现象称为粒子数反转分布状态.2．简述光隔离器的工作原理。
参考教材第58页。
第四章1．已测得某数字光接收机的灵敏度Pr为10μW，求它的dBm值。
参考答案：10lg(Pr/1mw)=-30dBm2．在光纤数字通信系统中，选择码型时应考虑哪几个因素？参考教材第96页。
第五章1.画图说明2Mb/s是如何复用映射进入到STM-1帧结构的。
参考教材第117页。
2.简述两纤双向复用段保护环的原理。
《光纤通信》课后习题答案
解： 时的响应度为 ；
时的响应度为 。
因为响应度正比于波长，故在 处光电二极管比 处灵敏。
解：粒子数为
4．光与物质间的相互作用过程有哪些？
答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？
答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？
答：阈值增益为
其中 是介质的损耗系数， 分别是谐振腔反射镜的反射系数。当激光器的增益 时，才能有激光放出。（详细推导请看补充题1、2）
（1）纤芯和包层的相对折射率 ；
（2）光纤的数值孔径 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为
光纤的数值孔径为
4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为 ，相对折射（指数）差 ，纤芯半径 ，若 ，计算光纤的归一化频率 及其中传播的模数量 。
解：光纤的归一化频率
光纤中传播的模数量
5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000个左右的传播模式。试问：
由折射定律 ，得到
（自己用matlab算出来）
其中利用了空气折射率 。这种玻璃的临界角为
（自己用matlab算出来）
2．计算 及 的阶跃折射率光纤的数值孔径。如果光纤端面外介质折射率 ，则允许的最大入射角 为多少？
解：阶跃光纤的数值孔径为
允许的最大入射角
自己用matlab算出来
3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为 ， ，试计算
解：对于1300nm波长的光信号，在8km和20km处的功率各是
《光纤通信系统》第二版-李履信,沈建华-习题解答
<< 光电子器件导论 >> 习题解答1-1.光纤通信有哪些优点？答：光纤通信具有下面一些优点：1、传输容量大；2、传输损耗小，中继距离长；3、泄漏小，保密性好；4、节约大量有色金属；5、抗电磁干扰性能好；6、重量轻，可挠性好，敷设方便。
1-2.比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。
答：五代光纤通信系统的主要特点与差别如下：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代后期投入使用，工作波长在850nm波长段的多模光纤系统。
光纤的衰减系统为 2.5~4.0 dB/Km，系统的传输速率在20～100Mbit/s之间，实用的系统容量为脉冲编码调制（PCM）三次群，最高传输速率为34Mbit/S，中继距离为8～10km。
20世纪80年代初，工作波长在1310nm波长段的多模光纤系统投入使用，光纤衰减系数为0.55～1.0dB/Km，传输速率达140Mbit/s，中继距离为20~30Km。
2、第二代光纤通信系统在20世纪80年代中期投入使用，工作波长在1310nm波长段的单模光纤通信系统。
光纤衰减系数为0.～0.5 dB/Km，可传送准同步数字体系（PDH）的各次群信号，最高传输速率可达1.7Gbit/s，中继距离约为50Km。
3、第三代光纤通信系统在20世纪80年代后期投入使用，工作波长在1550nm波长段的单模光纤系统。
光纤衰减系数为0.2 dB/Km，应用在同步数字体系（SDH）光纤传输网，传输速率达2.5～10Gbit/s，中继距离可超过100Km。
4、第四代光纤通信系统采用光放大器来增加中继距离，同时采用波分复用/频分复用（WDM/FDM）技术来提高传输速率。
已完成的有单信道传输速率为40Gbit/s，不采用电中继器，结合先进的调制技术和编码技术等，实现传输距离达10000Km的试验。
20世纪90年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。
目前在实验室中最高的系统容量已经达到10Tbit/s级。
《光纤通信网络（第2版）》习题及题解
1《光纤通信网络（第2版）》习题及题解3-16 从SDH 的帧结构计算STM-1和STM-64每秒传送的比特速率 解：对于STM-1（N = 1），每秒传送的比特速率为8 比持/字节 ⨯ 9 ⨯ 270字节/帧 ⨯ 8 000帧/秒 = 155.52 Mb/s对于STM-64（N = 6 4），每秒传送速率为 8 ⨯ 9 ⨯ 270 ⨯ 64 ⨯ 8 000 = 9953.28 Mb/sSDH 各等级信号的标准速率如附录F 所示。
4-1 mW 和dBm 换算一个LED 的发射功率是3 mW ，如用dBm 表示是多少？经过20 dB 损耗的光纤传输后还有多少光功率？解：LED 的输出功率用式（B.1）计算为dBm = 10 log P = 10 log 3 ≈ 4.77 dBm或者从附录D 中查表也可以近似得到。
经过20 dB 损耗的光纤传输后，还有4.77 - 20 = -15.23 dBm 的光功率。
4-2 光纤衰减注入单模光纤的LD 功率为1 mW ，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10 nW ，在1.3 μm 波段工作，光纤衰减系数是0.4 dB/km ，请问无需中继器的最大光纤长度是多少？ 解：由式（4.1.3）可得3in9dB out111010lg 10lg 125 km 0.41010PL P α--⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⨯⎝⎭⎝⎭4-3 计算单模光纤脉冲展宽考虑波长1 550 nm 处，用群速度色散17 ps/nm ⋅km 的标准单模光纤传输10 Gb/s 的信号，计算经100 km 传输后的脉冲展宽。
如果改用色散值为3.5 ps/nm ⋅km 的色散移位单模光纤传输，脉冲展宽又是多少？ 解：对于10 Gb/s 的信号，其脉冲宽度为τ = 100 ps ，光谱带宽近似为∆f = 1/τ = 10 GHz ，对应的波长带宽由附录式（F.4）得到nm 08.01031010101.5589262=⨯⨯⨯=∆=∆-）（ c f λλ 利用式（4.1.6）可以得到标准单模光纤的脉冲展宽为ps 13608.010100173cd =⨯⨯⨯=∆=∆λτDL色散移位单模光纤的脉冲展宽为2ps 2808.0101003.53cd =⨯⨯⨯=∆=∆λτDL4-4 计算单模光纤带宽计算例4-3的标准单模光纤段和色散移位光纤段的带宽。
光纤通信技术(第2版)答案
着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散
10.什么是模式色散？材料色散？波导色散？
答：模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同所引起的色散
材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长 而变化所引起的色散
对于阶跃型光纤，运用标量解的特征方程解出方程中的U（或W），从而确定传输常数β，分析 其传输特性；对于渐变型光纤，也是通过确定出传输常数β，从而分析其传输特性
5.为什么说采用渐变型光纤可以减小光纤中的模式色散？ 答：模式色散是由于不同模式的光功率脉冲沿不同轨迹传输，由于每个模式的轴向传输速度不同， 于是它们在相同的光纤长度上到达某一点所需要的时间不同，从而使得沿光纤行进的脉冲在时间上 展宽。而渐变型光纤利用了n随r变化的特点，消除了模式色散
n
2
(0)1
2(
a a
)
a
NA(r)
2n
2
(0)
1
(
a r
)
a
其中r为光纤纤芯中任一点到轴线之间的距离
第三章
1.光与物质间的相互作用存在哪三种基本物理过程？它们各自的特点是什么？ 答：三种基本物理过程：自发辐射、受激吸收以及受激辐射
自发辐射的特点： （1）这个过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁 （2）由于发射出光子的频率决定于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不是一个，可以是一个系列的高 能级，因此，辐射光子的频率亦不同，频率范围很宽 （3）即使有些电子是在相同的能级差间进行跃迁的，也就是辐射出的光子的频率相同，但由于它们是独立 地、自发地辐射，因此它们的发射方向和相位也是各不相同的，是非相干光 受激吸收的特点： （1）这个过程必须在外来光子的激发下才会产生 （2）外来光子的能量等于电子跃迁的能级之差 （3）受激跃迁的过程不是放出的能量，而是消耗外来光能 受激辐射的特点： （1）外来光子的能量等于跃迁的能级之差 （2）受激过程中发射出来的光子与外来光子不仅频率相同，而且相位、偏振方向和传播方向都相同，因此称 它们是全同光子 （3）这个过程可以使光得到放大。因为受激过程中发射出来的光子与外来光子是全同光子，相叠加的结果使 光增加，使入射光得到放大，所以受激辐射引起光放大，是产生激光的一个重要的基本概念
《光纤通信》课后习题答案
习题二1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻璃表面之间的夹角。
根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。
由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。
由折射定律sin sin i i y y n n θθ=，得到sin /sin sin 67/sin 33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来）其中利用了空气折射率1i n =。
这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=（自己用matlab 算出来） 2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。
如果光纤端面外介质折射率 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ==允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算（1）纤芯和包层的相对折射率∆；（2）光纤的数值孔径NA 。
解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -∆=≈光纤的数值孔径为0.38NA4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01∆=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。
解：光纤的归一化频率002233.3V a n ππλλ=⋅=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。
光纤通信课后习题解答第2章习题参考答案
第二章 光纤和光缆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。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G .651光纤（渐变型多模光纤）、G .652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21⎩⎨⎧≥<=ar n ar n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=ar n a r a r n r n cm α 3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ 渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0sin 220∆===n n n NA c φ两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。
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。
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<< 光电子器件导论 >> 习题解答1-1.光纤通信有哪些优点？答：光纤通信具有下面一些优点：1、传输容量大；2、传输损耗小，中继距离长；3、泄漏小，保密性好；4、节约大量有色金属；5、抗电磁干扰性能好；6、重量轻，可挠性好，敷设方便。
1-2.比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。
答：五代光纤通信系统的主要特点与差别如下：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代后期投入使用，工作波长在850nm波长段的多模光纤系统。
光纤的衰减系统为 2.5~4.0 dB/Km，系统的传输速率在20～100Mbit/s之间，实用的系统容量为脉冲编码调制（PCM）三次群，最高传输速率为34Mbit/S，中继距离为8～10km。
20世纪80年代初，工作波长在1310nm波长段的多模光纤系统投入使用，光纤衰减系数为0.55～1.0dB/Km，传输速率达140Mbit/s，中继距离为20~30Km。
2、第二代光纤通信系统在20世纪80年代中期投入使用，工作波长在1310nm波长段的单模光纤通信系统。
光纤衰减系数为0.～0.5 dB/Km，可传送准同步数字体系（PDH）的各次群信号，最高传输速率可达1.7Gbit/s，中继距离约为50Km。
3、第三代光纤通信系统在20世纪80年代后期投入使用，工作波长在1550nm波长段的单模光纤系统。
光纤衰减系数为0.2 dB/Km，应用在同步数字体系（SDH）光纤传输网，传输速率达2.5～10Gbit/s，中继距离可超过100Km。
4、第四代光纤通信系统采用光放大器来增加中继距离，同时采用波分复用/频分复用（WDM/FDM）技术来提高传输速率。
已完成的有单信道传输速率为40Gbit/s，不采用电中继器，结合先进的调制技术和编码技术等，实现传输距离达10000Km的试验。
20世纪90年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。
目前在实验室中最高的系统容量已经达到10Tbit/s级。
5、第五代光纤通信系统是基于利用光纤的非线性效应，抵消由于光纤色散产生的脉冲展宽而产生的光孤子，来实现光脉冲信号的保形传输。
20世纪90年代后，各国的试验都取得了重大的进展。
例如在日本，实验室中已经实现了将80 Gbit/s和160Gbit/s的数据分别传输了500Km和200Km，目前已经开始有商用化的光孤子通信系统面世。
1-3.为什么使用石英光纤的光纤通信系统中，工作波长只能选择850nm、1310nm和1550nm三种。
答：石英光纤的损耗一波长特性中有三个低损耗的波长区，即：波长为850nm、1310nm、1550nm。
为此光纤通信系统的工作波长只能是选择在这三个波长窗口。
2-1. 光纤产生衰减的原因是什么？衰减对通信有什么影响？在一个光纤通信系统中，光源波长为1550nm ，光波经过5Km 长的光纤线路传输后，其光功率下降了25%，求该光纤的衰减系数α为多少？答：1、光纤产生衰减的原因是：光纤中存在损耗。
损耗包括：①吸收损耗；②散射损耗；③辐射损耗；2、衰减限制了系统的传输距离。
3、()oi P P L lg 10=λα （dB/Km ） ()()()Km dB P P nm ii /25.0%251lg 5101550≈-=α2-2. 光脉冲在光纤中传输时，为什么会产生瑞利散射？瑞利散射损耗的大小与什么有关？答：1、瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，从而使折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀点的尺寸比光波波长还要小。
光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射。
2、瑞利散射损耗R α的大小为：4λαA R =。
瑞利散射系数A ，取决于纤芯和包层的相对折射率差∆。
所以R α的大小与波长λ和相对折射率差∆有关。
2-3.光纤中产生色散的原因是什么？色散对通信有什么影响？答：1、光纤的色散是由于光纤中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。
2、色散会导致传输光脉冲的展宽，继而引起码间干扰，增加误码。
对于高速率长距离光纤通信系统而言，色散是限制系统性能的主要因素之一。
2-4.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多模传输光纤中主要是什么色散？答：1、从产生机理而言，光纤中的色散主要包括：材料色散、波导色散和模式间色散；2、单模光纤中主要是波导色散；3、多模光纤中主要是模式间色散。
注：偏振模色散可以理解为特殊的模式色散，但在速率较低的系统中影响较小。
2-6. 目前光纤通信为什么只选用以下三个波长段：nm 850=λ，nm 1310=λ，nm 1550=λ？答：nm 850=λ，nm 1310=λ，nm 1550=λ附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为：2～3dB/Km 、0.5 dB/Km 、 0.2 dB/Km 。
而且在这些波段，目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。
2-7.何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射率光纤中线性极化模LP 11模对应的是什么矢量模？答：1、对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。
如果一个传输模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。
所以一个传播模在包层中 衰减常数W=0时，表示导模截止。
2、光纤单模传输的条件是：归一化频率V ≤2.405。
3、单模光纤中传输的是LP 01模，对应的矢量模是HE 11模。
4、其截止波长由下式计算：408.222221n n a C -=πλ5、LP 11模对应的矢量模是TE 01,TM 01,HE 21。
2-8. 由光源发出的m μλ31.1=的光，在m a μ9=，01.0=∆，45.11=n ，光纤折射率分布为阶跃型时，光纤中导模的数量为多少？若光纤折射率分布为2=α的渐变型时，其导模的数量为多少？（传播模式的归一化频率22212n n aV -=λπ） 解：()21121222122n n n a n n a V ⋅∆--=-=λπλπ ()83.845.101.045.145.131.19222≈⨯--⨯=m m μμπ 光纤中导模的数量：222V g g N ⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+= 1、光纤折射率分布为阶跃型时：∞→g ，22V N = 所以，导模的数量为：()98.38283.8222≈==V N 2、2=α的平方律渐变型光纤时：2=g ，42V N = 所以，此时导模的数量为：()49.19483.8422≈==V N2-10. 某阶跃折射率光纤的参数为n 1=1.5，n 2=1.485，现有一光波在光纤端面轴线处，以15°的入射角入射进光纤，试问该入射光线在光纤中是成为传导模还是辐射模？为什么？解：根据：2221sin n n n a o -=θ 即： 22485.15.1sin 1-=⋅a θ得：入射临界角（最大入射角）︒=22.12a θ 而现入射角︒=>︒=22.1215a θθ入所以，入射光线不满足全反射条件，不能传输，是辐射模。
2-12. 已知光纤参数为：45.11=n ，01.0=∆，m μλ31.1=，估算光纤的模场直径。
解：模场直径 2/12122t NA NA d ⋅=⋅=πλπλ光纤最大理论数值孔径NA t 为：212.001.0245.1212221≈⨯=∆≈-=n n n NA t()m md μμ56.52/212.01141592654.331.12≈⨯⨯=2-13. 光谱线宽度为1.5nm 光脉冲经过长为20km ，色散系数为3ps/nm ·km 的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？解：光脉冲被展宽了m τ为：Km Km nm Ps nm L D m m 20/35.1⨯⋅⨯⨯=⋅⋅∆=λτ=1.5×3×20=90ps2-14. 为什么G.653光纤不适合于波分复用系统使用？答：由于G.653光纤在1550nm工作波长处具有最低色散（零色散），多信道（波分复用）系统使用时易引起四波混频效应，影响系统的性能，所以G.653光纤不适合于波分复用系统使用。
3-1. 比较半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的异同。
答：一、半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）的不同之处：1、工作原理不同：LD发射的是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。
2、LED不需要光学谐振腔，而LD需要。
3、和半导体激光器（LD）相比：（1）发光二极管（LED）输出光功率较小，光谱较宽，调制频率较低。
（2）但LED性能稳定，寿命长，输出功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。
4、LED的主要应用场合是小容量（窄带）、短距离通信系统。
5、LD主要应用于大容量（宽带）、长距离通信系统。
二、LD和LED的相同之处：1、使用的半导体材料相同；2、结构相似；3、LED和LD大多采用双异质结（DH）结构；4、都是把有源层夹在P型和N型限制层中间。
3-2. 为什么LD要工作在正向偏置状态？何谓激光器的阈值电流？激光器的阈值电流与激光器的使用温度、使用时间有什么关系？答：1、LD加正向偏置电压用以克服PN结中自建场的影响，从而降低势垒，以形成粒子数反转分布。
2、激光器阈值电流是指：满足克服谐振腔内损耗而产生激光的最小的外加激励电流。
3、激光器的阈值电流th I 与激光器的使用温度、使用时间成正比关系。
3-4. 已知半导体材料GaAs 的Eg=1.43eV ，InGaAsP 的Eg=0.96eV ，分别求由这两种材料组成的半导体激光器的发射波长。
解：发射波长为：()m eV E E hc gg μλ24.1== 1、GaAs 的发射波长为：()m eV μλ867.043.124.11== 2、InGaAsP 的发射波长为：()m eV μλ292.196.024.12==3-6. 在光纤通信系统中对LD 驱动电路和偏置电路有什么要求？在LD 驱动电路中为什么一定要加偏置电流？偏置电流应加多大才合适？若偏置电流加得过大或过小对LD 的调制特性会产生什么影响？答：1、对LD 驱动电路和偏置电路的要求是：①输出的光脉冲峰值保持恒定；②光脉冲的通断比应>>10；③激光发射的时间必须远短于码元时间；④采用阻尼电路以避免驰张振荡。
2、因为LD 是阈值器件，只有外加驱动电流超过阈值后才能发出激光，为使得较小的数据电流D I 亦可产生足够的光输出，因此需要加偏置电流B I 。
3、B I 的选择取原则是略小于阈值电流th I 。
4、①太大的B I 会引起消光比性能下降，同时较高的电流也会产生较大的热量，以及寿命的缩短；②太小的B I 需要较大的数据电流D I 才能满足阈值条件。