光纤通信基础复习题及答案要点

光纤通信基础复习题

1．光通信的发展大致经历几个阶段？

光通信的发展大致经历如下三个阶段

可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代战争中的信号弹、信号树，舰船使用的灯塔、灯光信号、旗语等，都属于可视光通信。

大气激光通信阶段：光通信技术的发展应该说始于激光器的诞生。1960年美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使人们开始对激光大气通信进行研究。激光大气通信是将地球周围的大气层作为传输介质，这一点与可视光通信相同。但是，激光在大气层中传输会被严重的吸收并产生严重的色散作用，而且，还易受天气变化的影响。使得激光大气通信在通信距离、稳定性及可靠性等方面受到限制。

光纤通信阶段：早在1950年，就有人对光在光纤中的传播问题开始了理论研究。1951年发明了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，达到1000 dB/km，即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不可能。1970年，美国康宁公司果然研制出了损耗为20dB/km的光纤，使光纤远距离通信成为可能。自此，光纤通信技术研究开发工作获得长足进步，目前，光纤的损耗已达到0.5dB/km（1.3µm）0.2dB/km（1.55µm）的水平。

2. 光纤通信技术的发展大致经历几个阶段？

第一阶段（1966～1976）为开发时期.

波长: λ= 0.85um,

光纤种类: 多模石英光纤,

通信速率: 34～45Mb/s,

中继距离: 10km.

第二阶段（1976～1986）为大力发展和推广应用时期.

波长: λ= 1.30um,

光纤种类: 单模石英光纤,

通信速率: 140～565Mb/s,

中继距离: 50～100km.

第三阶段（1986～1996）以超大容量超长距离为目标,全面推广

及开展新技研究时期.

波长：λ= 1.55um,

光纤种类: 单模石英光纤,

通信速率: 2.5～10Gb/s,

中继距离: 100～150km.

3.光通信基本概念：

光通信：利用光波进行信息传输的一种通信方式。

光纤通信：利用光导纤维作为光波传输介质的一种通信方式。

光波导：传输光波的介质。例如光纤。

光纤通信的三个窗口: 0.85um 1.30um 1.55um.

4.推导光纤数值孔径公式

NA称之为光纤的数值孔径。NA是反映光纤扑捉光线能力大小的一个参数。NA = √n1²- n2²

n

图2-3 光波在光纤子午截面内的传播

由图可知:

sinθc=n2 / n1

sinθ1 /sinθa =n1 / n0

sinθa = sin(90°- θc) = cos θc

sinθ1 / cos θc =n1 / n0

sinθ1 = cosθc ×n1/n0

=√1-sin²θc × n1/n0

又 sinθc = n2 / n1

故 sinθ1=√1-（n2 / n1）²× n1 / n0

n0sinθ1=√n1²- n2²

n0sinθ1 = NA

NA = 12²

5.何谓光纤的损耗？光纤的传输损耗有哪几种？

光纤损耗：指光能在传输过程中逐渐减小或消失的现象。

光纤传输损耗主要有三种：

①吸收损耗

②散射损耗

③微扰损耗

⑴吸收损耗：吸收损耗是由光纤材料吸收光能并转化为其他形式能量而引起的损耗。

吸收损耗可分为两种：固有吸收损耗、非固有吸收损耗

⑵散射损耗

这是由光纤材料在微观上的颗粒状结构和气泡等不均匀结构引起的损耗。散射损耗分为线性散射损耗和非线性损耗。

⑶微扰损耗

是指光纤的几何不均匀性引起的损耗.包括内部因素和外部干扰引起的不均匀性.如折射率、直径的不均匀性、微小弯曲等。

6. 何谓光纤的色散？光纤的色散有哪几种？

指具有一定谱线宽度的光脉冲信号在光纤中传输时由于各波长的群速度不同引起光脉冲展宽的现象。

光纤的色散可以分为四种：

⑴材料色散

材料的折射率n是波长λ的非线性函数，从而使光的传播速度随波长而变.光脉冲通过光纤时，由于速度不一样，到达终端的时间不一样，造成光脉冲的展宽。

⑵波导色散

又称结构色散。是由光纤几何结构引起的色散，例如横向尺寸沿光轴的波动，使部分光波进入包层。

⑶模式色散

存在于多模光纤中.在多模光纤中存在多种传播模式,即使是同一波长，每个模式到达光纤终端的时间不同，造成光脉冲的展宽。由模式引起的色散叫模式色散。

⑷偏振色散

单模光纤中存在双折射时，偏振方向相互正交的两个基模传播速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。

7.光无源器件有哪几种结构形式？何谓自聚焦棒透镜？

有三种结构形式: 体块型、全光纤型、波导型。

自聚焦棒透镜，用梯度折射率光纤制作，如图所示。

图4-1自聚焦棒透镜

自聚焦棒透镜的长度：

L = P/4

P = 2π/√A

A =｛n²(0)-n2²｝/2 n²(0) (渐变)

或

A =｛n1²-n2²｝/2 n1² (阶跃)

8.光纤间连接时可能存在哪几种连接缺陷？

光纤间连接时可能存在的连接缺陷如图所示。

(a) 存在间隙（b）存在横向错位

(c) 倾斜（d）端面不平滑

光纤纵向连接的有效性可用传输系数T来表示。

T = P R / P T

模场半径分别为s1、s2的两条单模光纤在不同情况下的传输系数。

①存在纵向间隙Ｄ时的功率传输系数

T = 4(4Ｚ²+s1²/s2²)/｛[4Ｚ²+(s1²+s2²)/s2²]²+4Ｚ²s2²/s1²｝

（4-9）

当Ｄ = 0时，即光纤间的间隙为0，则：

T = T0= (2s1s2)²/(s1²+s2²)²（4-10）

②存在横向位移ｄ时的传输系数

T = T0exp[-2d²/(s1²+s2²)] （4-11）

当s1=s2时:

T = exp(- d²/s²) （4-12）

③存在倾斜角θ时的传输系数

T = T0exp{-(k0n2s1s2θ)²/2(s1²+s2²)} （4-13）

k0 = 2π/λ

n2—光纤包层折射率