光纤通信-第二版-刘增基-复习资料

2.405 0.85 10 2.164 m 2 0.15
6
同理，当 1.31 m 时， a 3.343 m ；当 1.55 m 时， a 3.955 m 。 2-17 弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率指数分别为 n1 =1.5， n2 =1.45，试计算：
0.3dB / km 8km 2.4dB
则 8 km 处功率值为
100 10
在 20 km 处损耗值为
2.4 10
57.544W
0.3dB / km 20km 6dB
则 20 km 处功率值为
100 10
6 10
25.12W
5
第 3 章
通信用光器
1、有源器件主要包括光源、光检测器和光放大器。光源是光发射机关键器件，其功能是把电信号转换为光信 号。目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发光管(LED)。 2、光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，这些器件对光纤通信系统 的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。 3-1 为 设激光器激活物质的高能级和低能级的能量各为
（1）纤芯和包层的相对折射率差 ； （2）光纤的数值孔径 NA。
解 （1）相对折射率差

（2）光纤的数值孔径
n1 n2 1.5 1.45 0.0333 n1 1.5
NA n12 n22 1.52 1.452 0.3841
3
2-19 一根数值孔径为 0.20 的阶跃折射率多模光纤在 850 nm 波长上可以支持 1000 个左右的传播模式。 试问： （1） 其纤芯直径为多少? （2） 在 1310 nm 波长上可以支持多少个模? （3） 在 1550 nm 波长上可以支持多少个模? 解 （1）对于阶跃光纤，传输的模数量 M V
0.6dB / km 8km 4.8dB
则 8 km 处功率值为
150 10
在 20 km 处损耗值为
4.8 10
49.67 W
0.6dB / km 20km 12dB
则 20 km 处功率值为
150 10
12 10
9.46W
（2）对于 1550 nm 波长的 100 W 的光信号，在 8 km 处损耗值为
34 由波尔兹曼条件得 E2 E1 hf ，其中 h 6.628 10 J s 。
（1） f =3000 MHz， T =300 K 时，
E2 E1 hf 6.628 1034 3 109 2.0 1024
所以
N2 E E1 2 1024 exp( 2 ) exp( ) 0.9995 N1 kT 1.3811023 300
E2
和
E1
，频率为 f ，相应能级上的粒子密度各
N2
和
N1
。试计算：
（1） 当 f =3000 MHz， T =300 K 时， N 2 N1 =？ （2） 当 1 m ， T =300 K 时， N 2 N1 =？ （3） 当 1 m ，若 N 2 N1 =0.1，环境温度 T =？（按波尔兹曼分布规律计算） 解
1
第 2 章
光纤和光缆
1. 突变型多模光纤 当θ=θc 时，相应的光线将以ψc 入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为 90°)， 如光线 2； 当θ>θc 时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线 3； 只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播，如光线 1。
1 2 NA n n n1 2 2 2 纤芯和包层折射率分别为 n1 和 n2：
NA 表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)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。
3 2
y
c
c
1
l L x 纤芯n 1 包层n 2
1 z
2 3
o
1
图 2.4
突变型多模光纤的光线传播原理
2. 光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高， 损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 3. 光纤的损耗 光纤会对经过其中传输的光信号产生损耗和色散。光纤的色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。 色散使输出的脉冲展宽，限制光信号的带宽。光纤的损耗包括包括吸收损耗和散射损耗，散射损耗是光纤的 固有损耗，决定光纤损耗的最低理论极限。 2-1 均匀光纤芯与包层的折射率分别为:n1=1.50，n2=1.45,试计算： (1) 光纤芯与包层的相对折射率差△为多少? (2) 光纤的数值孔径 NA 为多少? (3) 在 1 米长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差 max 为多少? 解 （1）由纤芯和包层的相对折射率差 =（n1-n2）/n1 得到
（1） 若 =0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径 a 应取多大? （2） 若取纤芯半径 a =5 m ，保证单模传输时， 应怎么样选择? 解 （1）由单模传输条件
V
得
2 a

a
n12 n2 2 2.405
2.405 2 n12 n2 2
而 1.31 m ， n2 n1 n1 1.125 ，则
a
2.405 1.31106 2 1.52 1.1252
4
0.5015 m
（2）当 a =5 m 时，
n12 n2 2
则
2.405 2.405 1.31 0.0995 2 a 2 5
2 n2 n12 0.09952 1.52 0.09952 2.2400
2
2-5 光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展? 答：长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。 单模光纤没有模式色散，不同成分光经过单模光纤的传播时间不同的程度显著小于经过多模光纤时不同 的程度。 由光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长增大，损耗呈下降趋势，且在 1.55 m 处有最低损耗值；而 且 1.31 m 和 1.55 m 处的色散很小。故目前长距离光纤通信一般都工作在 1.55 m 。 2-6 光纤色散产生的原因及其危害是什么? 答：光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。 光纤色散对光纤传输系统的危害有：若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；若信号是数字脉冲，色散 将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量） 。 2-7 光纤损耗产生的原因及其危害是什么? 答：光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。 吸收损耗是由 SiO2 材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收的。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。 光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。 2-10 一阶跃折射率光纤的相对折射率差 =0.005， n1=1.5，当波长分别为 0.85 m 、 1.31 m 、
k
5 109 1% 781(路) 64 103
在 1.55 m 的光载波上能传输的 64kb/s 的话路数
3 108 ( ) 1% 6 k 1.55 10 8 3.0242 107 (路) 64 10
1-4 简述未来光网络的发展趋势及关键技术。 答 未来光网络发展趋于智能化、全光化。其关键技术包括：长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光 放大器、WDM 复用技术和全光网络技术。 1-5 光网络的优点是什么? 答 光网络具有如下的主要优点： (1) 可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带(高速)通信网的要求。 (2) 光交叉连接器(oXC)和光分插复用器(OADM)对信号的速率和格式透明， 可以建立一个支持多种业务和 多种通信模式的、透明的光传送平台。 (3) 以波分复用和波长选路为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性 和生存性的光传送网。 光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是目前光纤通信领域的 研究热点和前沿。

（2） NA
n1 n2 1.50 1.45 0.033 n1 1.50
n12 n22 1.52 1.452 0.384
n1 L 1.5 1 0.033 1.66 10-10 ( S ) （已修正） 8 c 3 10
（3） max
第 1 章 概 论
1. 光发射机 光发射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。 光发射机由光源、 驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。 光发射机的性能基本上取决于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大， 调制频率足够高，谱线 宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长。 目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)。 光发射机把电信号转换为光信号的过程(常简称为电/光或 E/O 转换)， 是通过电信号对光的调制而实现的。 目前有直接调制和间接调制(或称外调制)两种调制方案。 直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流， 使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。 2. 光接收机 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。 光接收机由光检测器、 放大器和相关电路组成。光检测器是光接收机的核心。 对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。 目前广泛使用的光检测器有两种类型： 在半导体 PN 结中加入本征层的 PIN 光电二极管(PIN - PD)和雪崩 光电二极管(APD)。 1-3 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 5 GHz 的微波载波和 1.55 m 的光载波上能传输多少 64 kb/s 的话路? 解 在 5GHz 微波载波上能传输的 64 kb/s 的话路数