光纖通信課后習(xí)題參考答案

光纖通信課后習(xí)題答案

第一章習(xí)題參考答案

1、第根光纖是什么時候出現(xiàn)的？其損耗是多少？

答：第一根光纖大約是1950年出現(xiàn)的。傳輸損耗高達(dá)1000dB/km左右。

2、試述光纖通信系統(tǒng)的組成及各部分的關(guān)系。

答：光纖通信系統(tǒng)主要由光發(fā)送機、光纖光纜、中繼器和光接收機組成。

系統(tǒng)中光發(fā)送機將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將生成的光信號注入光纖光纜，調(diào)制過的光

信號經(jīng)過光纖長途傳輸后送入光接收機，光接收機將光纖送來的光信號還原成原始的電信

號，完成信號的傳送。

中繼器就是用于長途傳輸時延長光信號的傳輸距離。

3、光纖通信有哪些優(yōu)缺點？

答：光纖通信具有容量大，損耗低、中繼距離長，抗電磁干擾能力強，保密性能好，體積小、

重量輕，節(jié)省有色金屬和原材料等優(yōu)點；但它也有抗拉強度低，連接困難，怕水等缺點。

第二章光纖和光纜

1.光纖是由哪兒部分組成的？各部分有何作用？

答：光纖是由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層組成的。纖芯和包

層是為滿足導(dǎo)光的要求；涂覆層的作用是保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，同時增加光

纖的柔韌性。

2.光纖是如何分類的？階躍型光纖和漸變型光纖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將光纖分為階躍型光纖和漸變型光纖；按光

纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖和單模光纖；按光纖的工作波長可以將光纖

分為短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖；按照ITU-T關(guān)于光纖類型的建議，可以將

光纖分為G.651光纖（漸變型多模光纖）、G652光纖（常規(guī)單模光纖）、G.653光纖（色散

位移光纖）、G654光纖（截止波長光纖）和G655（非零色散位移光纖）光纖；按套塑（二

次涂覆層）可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。

,fn.r<a

（2）階躍型光纖的折射率分布〃（［?）x=《1

n2r>a

漸變型光纖的折射率分布"（〃）=,%"I—?"/）r<a

ncr>a

3.階躍型光纖和漸變型光纖的數(shù)值孔徑NA是如何定義的？兩者有何區(qū)別？它是用來衡量

光纖什么的物理量？

答：階躍型光纖的數(shù)值孔徑M4=sin%=〃]J五

漸變型光纖的數(shù)值孔徑NA=sin。。=J"?），-屋=〃（0”^不

兩者區(qū)別：階躍型光纖的數(shù)值孔徑是與纖芯和包層的折射率有關(guān)；而漸變型光纖的數(shù)值

孔徑只與纖芯內(nèi)最大的折射率和包層的折射率有關(guān)。

數(shù)值孔徑是衡量光纖的集光能力，即凡是入射到圓錐角外以內(nèi)的所有光線都可以滿足

全反射條件，在芯包界面上發(fā)生全反射，從而將光線束縛在纖芯中沿軸向傳播。

4.簡述光纖的導(dǎo)光原理。

答：光纖之所以能夠?qū)Ч饩褪抢美w芯折射率略高于包層折射率的特點，使落于數(shù)值孔

徑角）內(nèi)的光線都能收集在光纖中，并在芯包邊界以內(nèi)形成全反射，從而將光線限制在光纖

中傳播。

5.什么是傳導(dǎo)模？推導(dǎo)相位一致條件，并說明其物理意義。

答：（1）能在光纖中長距離傳播的模式稱之為傳導(dǎo)模，簡稱導(dǎo)模。

（2）

若:①》=%

則：①/一①B，=2N萬（N=0,l,2…）

即：僅0勺五7—26）—勺勺麗=2N乃（N=0,1,2…）

根據(jù)平面幾何知識，可化簡為：

2koniacos0-3=N7r（N=0,1,2…）

（3）光波在有限空間傳播時，形成駐波。因此，當(dāng)光波橫向傳播一個周期時，其波相

位變化2兀的整數(shù)倍，才會相干加強形成駐波，否則相干抵消。

6.在均勻光纖中，為什么單模光纖的芯徑和相對折射率差△比多模光纖??？

答：光纖單模傳輸?shù)臈l件是光纖的歸一化頻率-要小于次低階模的歸一化截止頻率Vc,

即：V<Vc；當(dāng)/>%時，光纖進行多模傳輸。

而匕=左0〃]°。

A）

因此，單模光纖的芯徑。和相對折射率差△比多模光纖小。

7.均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為6=1.50,n2=1.45,光纖的長度L=10Km。試求：

（1）光纖的相對折射率差A(yù);

（2）數(shù)值孔徑NA；

（3）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求裸光纖的NA和相對折射率差A(yù)。

2222

Ani'n21.5-1.45

解：⑴3.3%

2nJ2xl.52

(2)NA=n1V2A=1.5x72x0.033=0.39

(3)若將光纖的包層和涂敷層去掉，則相當(dāng)于包層的折射率由=1,則

222

nJ-n2_1.5-I

△=28.1%

2“2x1.52

NA=n1V2A=1.5x,2x0.281=1.12

而AU=sin。。最大為1,所以說只要光纖端面的入射角在90°以內(nèi)，就可以在光纖中

形成全反射。

8.已知階躍型光纖，纖芯折射率m=L50,相對折射率差A(yù)=0.5%,工作波長A?=1.31nm,

試求：

（1）保證光纖單模傳輸時，光纖的纖芯半徑。應(yīng)為多大？

（2）若a=5nm,保證光纖單模傳輸時，?應(yīng)如何選擇？

解：（1）因為是階躍型光纖，所以歸一化截止頻率@=2.405；

r=—rt,oV2A<2.405

4）

2.4054)2.405x野=334.)

a<——F=X—

［伍2兀1.50x72x0.5%

（2）若o=5|im,保證光纖單模傳輸時,

r=—M,aV2A<2.405

%

2.4051.31即

——x

1.50x5/zm24

△<0.22%

△二5一？<022%=

2n,2

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

9.已知拋物線型漸變多模光纖，纖芯軸線處的最大折射率”"=1.50,相對折射率4=5%,

纖芯半徑2a=50pm,工作波長2（）=0.85|im。試求此光纖可傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)。

解：因為：拋物線型漸變多模光纖，1=2

所以：Vc=2.405xJ1+2=2.405x+22=3.4

a2

V-幺'n(o\2兀

----------------X1.50x25/zwx72x5%=87.6>3.4

4)0.85〃m

所以該拋物線型漸變多模光纖為多模傳輸，可傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)為:

N=，^.d=2=1918

a+222+22

10.證明：垂直極化波和水平極化波的反射系數(shù)和傳遞系數(shù)的表達(dá)式（略）。

垂直極化波：

R_〃]COS。]-〃2COS%

nxcos。1+%cos%

ecos，

T=------J-----1----

n}cosg+々cos%

水平極化波:

R_n?cos。[一〃]cos^2

n2cos。[+〃]cos%

_2?]cos(9,

1=

n2cos。1+勺cos

11.根據(jù)上一題證明的結(jié)果，推導(dǎo)垂直極化波和水平極化波在全反射情況下介質(zhì)1和介質(zhì)2

中場的表達(dá)式，并簡要說明介質(zhì)1和介質(zhì)2中波的特點。

答：垂直極化波在全反射情況下

、2

2

cos02=-j.sin*-1

Jsin?g-sin24

jlarctg

cos0一ncos%7COS^|

lx.—}21

“Icos優(yōu)+n2cos%

、'sin20-sin20

i]C

令：①Iarctg—

COS4

則R=L/25

在介質(zhì)1中，既有入射波，又有反射波，并且入射波和反射波電場方向相同，因此合成

波可在直角坐標(biāo)系下展開，并表示為：

jkjk

E=E#E；=Eaie-^e-^+0/6/值/3

=2E0]cos（^lvx+①]

所以，全反射情況下介質(zhì)1中波的特點是沿X方向按三角函數(shù)規(guī)律變化，說明能量在

X方向上不傳播，波呈駐波分布。沿Z方向呈行波狀態(tài)，說明合成波是沿Z方向傳播的，

其相位傳播常數(shù)為B=h=幻4sinq

在介質(zhì)2中只有傳遞波:

T=Te/2%-2〃icos仇

?)cosa+n2cos%

2

Jsin2(-sin0C

arc

n,cos仇J's可

2,=ecos

/22

M一〃2

E\T\ej2^e-jk^e-jk^

E2m

昂咋“e-Mz-2%)

("，丫

由于：左2*=攵()〃2cos%=_"o〃iJsin2仇——

V

k2z—k0n2sin02-sin優(yōu)==0

-%加1

所以:

因此,全反射情況下介質(zhì)2中波的特點是沿Z方向呈行波分布，且傳播常數(shù)與介質(zhì)1

卜仇一仁）

中的相同;隨X方向變化的因子是e"，說明波的幅度隨離開界面的距離按指

數(shù)形式衰減，衰減的快慢由參數(shù)叫。物一曾決定。

12.簡述TEM波、TE波、TM波、EH波和HE波各自的特點。弱導(dǎo)光纖中存在哪些類型

的波？為什么不存在TEM波？

答：（1）TEM波的電場和磁場方向與波的傳播方向垂直，即在傳播方向上既沒有磁場

分量也沒有電場分量，且三者兩兩相互垂直。TE波在傳播方向上只有磁場分量而沒有電場

分量；TM波在傳播方向上只有電場分量而沒有磁場分量；EH波在傳播方向上既有磁場分

量又有電場分量，但以電場分量為主；HE波在傳播方向上既有磁場分量又有電場分量，但

以磁場分量為主。

（2）在弱導(dǎo)光纖中存在TE波、TM波、EH波和HE波四種波型。

（3）TEM波在傳播方向（Z方向）上既沒有電場分量，又沒有磁場分量。即E“=0、

Hz=0。如果光纖中存在TEM波，則根據(jù)Ez、凡的表達(dá)式可以得到A=B=0,從而得到民、

Eg乩、Eq都為零，即光纖中不存在電磁場，所以光纖中根本不存在TEM波。

13.模的特性是用哪些參數(shù)來衡量的？各描述的是什么含義？

答：模的特性可以用三個特征參數(shù)。、〃和夕來描述。其中：

U表示導(dǎo)模場在纖芯內(nèi)部的橫向分布規(guī)律；W表示表示導(dǎo)模場在纖芯外部的橫向分布

規(guī)律；U和田結(jié)合起來，就可以完整地描述導(dǎo)模的橫向分布規(guī)律?！晔禽S向的相位傳播常

數(shù)，表明導(dǎo)模的縱向傳輸特性。

14.根據(jù)TE。。和TM0n模在弱導(dǎo)光纖中的特征方程

/（。）（（%）

UJM底。（叼

證明TEOn和Tmon模在截止?fàn)顟B(tài)下有：J。（。,）=0

證明：根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)，當(dāng)W-0時,

2

勺仍）=院

KW)=T(1-I,1

Iw

模式處于臨界狀態(tài)時，勿=0,對應(yīng)的徑向歸一化相位常數(shù)記為Uc.

￡

——'/、=hm——/，\=11m———=lim-=00

4/(4)豚。(叼7

w

nUcJo(Uc)=O

4(4)4(0)

若Uc=0,貝ij---成為不定型,

5人。)-O-Jo(O)0

所以UcWO,只有Jo（4，）=O

15.根據(jù)HEmn模在弱導(dǎo)光纖中的特征方程

JmM&T（印）

試求：HE”、HE12、HE21和HE22模的歸一化截止頻率VC.

解：（1）當(dāng)m=l時，HEM在臨界狀態(tài)下的特征方程

1.噂2

J?)limK。⑹

=lim——、=hmIn—=8

44(4)…叫伊)ir->o……印

W

Uc=0

，M)=o

即:&=0、3.8317k7.01559、10.17347、13.32369

（2）當(dāng)mN2時，HEmn在臨界狀態(tài)下的特征方程

綱-2）02

"4'lim0駕=limW

U/M)%。叫價)吟。

即：

根據(jù)貝塞爾函數(shù)的遞推公式：2mJm（4）=—（Uc）+UcJnt+i（Uc）

所以:

=>UCJ）=o

Uc=O,則JmT（,c）=」時1（，）=Q,成為不定型,

u/m。）o/（o）o

所以：Uc^O,此時只有J,“_2(Uj=0

當(dāng)m=2時，，Jo（Uc）=0

?=2.40483、5.52008、8.65373、11.79153....,

所以，HE”、HE12、HE21和HE22模的歸一化截止頻率%分別為:

HE”模幺=0

HEn模Fc=3.83171

HE21模幺=2.40483

HE22模憶=5.52008

16.根據(jù)EHmn模在弱導(dǎo)光纖中的特征方程

用（。）儲用（%）

UJ.MWK,"（W）

試求：EH”、EH|2、EH21和EH22模在遠(yuǎn)離截止時的徑向歸一化相位常數(shù)。值。

解：遠(yuǎn)離截止時，Wf8。

根據(jù)：劇K，G)獷

UJ,?（。）…WKm（%）—w

從而得到：，?+i(u)=o

U(EH11)=MI=5」3562,

U(EH|2)=22=8.41724

U(EH2I)=內(nèi)1=6.38016

U(EH22)=%2=9.76102

17.如果在導(dǎo)弱光纖中存在EH21模，則光纖中至少還存在哪些模式？如果光纖中只讓HEu

模存在，則光纖的歸一化頻率/必須滿足什么條件？

答：如果在導(dǎo)弱光纖中存在EH21模，則光纖中至少還存在HE”、TEoi、TM(n三種模式。

如果光纖中只讓HEn模存在，則光纖的歸一化頻率k必須小于2.40483o

18.已知階躍型多模光纖，其纖芯半徑a=8nm,纖芯折射率m=1.46,相對折射率差A(yù)=l%,

工作波長Xo=1.31pm。試求此階躍型光纖中可傳輸哪些模式？

解：V=—/7,OV2A=一2萬—一xl.46x4umx72x0.01=7.92

4,11.31/zm

所以，此階躍型光纖中可傳輸HEmTEoi、TMOi>HE21,EH”、HE.、HE3I>EH2I>

HE”、TE02、TMO2>HE22、EH31、HE51、EH12、HE13、HE32共17種模式。

19.光纜的典型結(jié)構(gòu)有哪幾種？各有什么特點？

答：光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同?般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式

四種。

層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，加強構(gòu)件位于光纜的中心，屬中心加強

構(gòu)件配置方式，制造較容易，光纖數(shù)量較少（例如12芯以下）時多采用這種結(jié)構(gòu)。

骨架式光纜中結(jié)構(gòu)簡單，對光纖保護較好，耐壓、抗彎性能較好，節(jié)省了松套管材料和

相應(yīng)的工序，但也對放置光纖入槽工藝要求高。

束管式結(jié)構(gòu)的光纜體積小、重量輕、制造容易、成本低，是更能發(fā)揮光纖優(yōu)點的光纜結(jié)

構(gòu)之一。

帶狀式結(jié)構(gòu)光纜是一種空間利用率最高的光纜，優(yōu)點是可容納大量的光纖（一般在100

芯以上），作為用戶光纜可滿足需要；同時每個單元的接續(xù)可以一次完成，以適應(yīng)大量光纖

接續(xù)、安裝的需要。

20.光纜進潮進水有哪些危害？光纜在結(jié)構(gòu)上是如何防潮防水的？

答：（1）水進入光纜后，會在光纖中產(chǎn)生OH吸收損耗，使信道總衰減增大，甚至使

通信中斷；（2）水和潮氣進入光纜后，使光纖材料的原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致光纖的抗拉強

度降低；（3）會造成光纜中金屬構(gòu)件的腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致光纜強度降低；（4）水和潮氣進入光

纜后，遇到低溫時，水結(jié)冰后體積增大，可能壓壞光纖。

因此為了保證光纖的特性不致劣化，在光纖和光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、施工和維護

中都采取了一系列的防水措施。一般直埋光纜從外到內(nèi)有聚乙烯外護套、金屬護層、聚乙烯

內(nèi)護套、防水填充料、光纖松套管、油膏、光纖。

21.光纜型號是山哪幾部分構(gòu)成的？

答：光纜的型號是由光纜的型式代號和光纖的規(guī)格兩部分構(gòu)成，中間用一短線分開。

22.識別光纜型號

GYFTY21-12J50/125（30409）B

GYZT53-24D8/125（303）A

答：⑴GYFTY21-12J50/125（30409）B是非金屬加強構(gòu)件、填充式結(jié)構(gòu)、聚乙烯護

套、雙鋼帶鎧裝、纖維外護層的通信用室外光纜，光纜內(nèi)有12根芯徑/包層直徑為50/125Hm

的二氧化硅系多模漸變型光纖，在1.55同n波長上光纖的衰減系數(shù)不大于0.4dB/km,模式帶

寬不大于900MHzkm,光纜的適用溫度范圍是-30℃?+50℃。

（2）GYZT53-24D8/125（303）A是金屬加強構(gòu)件、自承式填充式結(jié)構(gòu)、單鋼帶皺紋縱

包、聚乙烯外護層的通信用室外光纜，光纜內(nèi)有24根模場直徑/包層直徑為8/125nm的二氧

化硅系單模光纖，在1.55|im波長上光纖的衰減系數(shù)不大于0.3dB/km,光纜的適用溫度范圍

是一40℃?+40℃。

第三章光纖的傳輸特性

1.簡述石英系光纖損耗產(chǎn)生的原因，光纖損耗的理論極限值是由什么決定的？

答：（1）

P廣征吸收制器

吸收損耗雜質(zhì)吸收信饕屬嘉盛收

光纖損耗＜〔原子缺陷吸收

［瑞利散射損耗

微射損耗t結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗

［光纖彎曲損耗

（彎曲損耗I光纖微彎損耗

（2）光纖損耗的理論極限值是由紫外吸收損耗、紅外吸收損耗和瑞利散射決定的。

2.當(dāng)光在一段長為10km光纖中傳輸時，輸出端的光功率減小至輸入端光功率的一半。

求：光纖的損耗系數(shù)a。

解：設(shè)輸入端光功率為P”輸出端的光功率為P2。

則PI=2P2

光纖的損耗系數(shù)a="lg4=』一吆也=0.3（〃/碗）

LP210kmP2、'

3.光纖色散產(chǎn)生的原因有哪些？對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)有何危害？

答：（1）按照色散產(chǎn)生的原因，光纖的色散主要分為：模式（模間）色散、材料色散、

波導(dǎo)色散和極化色散。

（2）在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，色散會引起光脈沖展寬，嚴(yán)重時前后脈沖將相互重疊，

形成碼間干擾，增加誤碼率，影響了光纖的傳輸帶寬。因此，色散會限制光纖通信系統(tǒng)的傳

輸容量和中繼距離。

4.為什么單模光纖的帶寬比多模光纖的帶寬大得多？

答：光纖的帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，而色散特性是在時域中的表現(xiàn)形式，即色

散越大，帶寬越窄。由于光纖中存在著模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散四種，并

且模式色散＞＞材料色散〉波導(dǎo)色散〉極化色散。由于極化色散很小，?般忽略不計。在多

模光纖中，主要存在模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散；單模光纖中不存在模式色散，而只存

在材料色散和波導(dǎo)色散。因此，多模光纖的色散比單模光纖的色散大得多，也就是單模光纖

的帶寬比多模光纖寬得多。

5.均勻光纖纖芯和包層的折射率分別為川=1.50,n2=1.45,光纖的長度L=10km。試求：

（1）子午光線的最大時延差；

（2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，求子午光線的最大時延差。

%

_10%加xl.50BH"72（詞

3x1（V人加

（2）若將光纖的包層和涂敷層去掉，則出=1.0

LL_Ln}]

=Y；

￡Cl?2>

一sinOc

n\?l

粵等尋=25（小）

6.一制造長度為2km的階躍型多模光纖，纖芯和包層的折射率分別為川=1.47,n2=1.45,

使用工作:波長為1.31M，光源的譜線寬度△入=3nm,材料色散系數(shù)Dm=6ps/nm?km,波

導(dǎo)色散8=0,光纖的帶寬距離指數(shù)Y=0.8。試求：

（1）光纖的總色散；

（2）總帶寬和單位公里帶寬。

2府x1.47（1.47

解：⑴3x105力w/s〔而-1=135.2（〃s）

rm-Dm--L-6ps/nm-kmx3Hmx2km-36（ps）

「總=:M—g"+".）2=V135.22+0.0362=135.2（〃s）

（2）B].==0-441=3.26（MHz）

T135.2/75

B=BT-U=3.26X2°8=5.68（MWz）

7.一制造長度為2km的拋物線型漸變多模光纖，纖芯軸線處的折射率n（0）=1.5,包層的折

射率nc=L48,使用工作波長為0.85pm,光源的譜線寬度以=6nm,材料色散系數(shù)Dm=

15ps/nm-km,波導(dǎo)色散、=10ps，光纖的帶寬距離指數(shù)Y=0.9。試求：

（1）光纖的總色散；

（2）總帶寬和單位公里帶寬。

_n（oy-n；1.52-1.482

解：⑴A=1.34%

2n（0）22x1.5?

_W）_I_2Amxl.5x0.01342

A2=898（ps）

2C23,x\Q5km/s

Tm=Dm-A2-L=15ps/nm-kmx6nmx2km=180（ps）

T總=〃1+（%+4）2=）8982+（180+10）2=9[8（ps）

0.4410.441

（2）BT

T918Ps

8=%-7/=480x2°°=896（M"z）

8.某系統(tǒng)使用工作波長Xo=1.31“m,譜線寬度△入=5nm的光源和長度為3km的階躍型光

纖，其纖芯的折射率m=1.458,相對折射率差A(yù)=0.8%,纖芯半徑a=8|im,光纖的材料

色散系數(shù)Dm=8ps/nm-km,波導(dǎo)色散、=0,其帶寬速率比為。8。試求光纖的模式畸變

帶寬和波長色散帶寬。

Ln.?3^wx1.458..,,,、

解：r―L-A=---------------x0.8%=116.7（M5）

C3x105km/s''

BM丹=鼠=3,8叱）

0.4410.441

3.68（G%）

Dm?￡8Psinm-kmx5nmx3km

第四章習(xí)題參考答案

1.光纖連接器的作用是什么？

答：光纖連接器的作用是實現(xiàn)光纖之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖與

其它無源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。

2.我國常用的光纖連接器有哪些類型？

答：我國常用的光纖連接器有FC、SC和ST三種類型連接器。

3.光纖連接器的結(jié)構(gòu)有哪些種類？分析各自的優(yōu)缺點。

答：光纖連接器的結(jié)構(gòu)主要有套管結(jié)構(gòu)、雙錐結(jié)構(gòu)、V形槽結(jié)構(gòu)、球面定心結(jié)構(gòu)和

透鏡耦合結(jié)構(gòu)。

套管結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，加工技術(shù)能夠達(dá)到要求的精度，因而得到了廣泛應(yīng)用。雙錐結(jié)

構(gòu)的精度和一致性都很好，但插針和基座的加工精度要求極高。V形槽結(jié)構(gòu)可以達(dá)到較

高的精度，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量多。球面定心結(jié)構(gòu)設(shè)計思想巧妙，但零件形狀復(fù)雜,

加工調(diào)整難度大。透鏡耦合結(jié)構(gòu)降低了對機械加工的精度要求，使耦合更容易實現(xiàn)，但

其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整元件多、接續(xù)損耗大。

4.光纖耦合器的作用是什么？

答：光纖耦合器的作用是將光信號進行分路、合路、插入、分配。

5.光纖耦合器常用的特性參數(shù)有哪些？如何定義這些參數(shù)。

答：光纖耦合器常用的特性參數(shù)主要有：插入損耗、附加損耗、分光比、方向性、

均勻性、偏振相關(guān)損耗、隔離度等。

插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。

附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。

分光比定義為耦合器輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比。

方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光

功率的比值。

均勻性定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量。

偏振相關(guān)損耗是指當(dāng)傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360。變化時，器件各輸出端口輸出光

功率的最大變化量。

隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔離能力。

6.簡述系統(tǒng)對波分復(fù)用器與解復(fù)用器要求的異、同點。

答：系統(tǒng)對波分復(fù)用器與解復(fù)用器共同的要求是：復(fù)用信道數(shù)量要足夠多、插入損

耗小、串音衰減大和通帶范圍寬。波分復(fù)用器與波分解復(fù)用器的不同在于：解復(fù)用器的

輸出光纖直接與光檢測器相連，芯徑與數(shù)值孔徑可以做得大些，因此制造低插入損耗的

解復(fù)用器并不太難；而復(fù)用器的輸出光纖必須為傳輸光纖，不能任意加大芯徑和數(shù)值孔

徑，而減小輸入光纖的芯徑和數(shù)值孔徑，又會增加光源到輸入光纖的耦合損耗，所以復(fù)

用器的插入損耗一般比較大。

7.光開關(guān)的種類有哪些？有哪些新的技術(shù)有待開發(fā)？

答：光開關(guān)根據(jù)驅(qū)動方式可分為機械式光開關(guān)和非機械式光開關(guān)，根據(jù)工作原理可

分為機械式光開關(guān)、液晶光開關(guān)、電光式光開關(guān)和熱光式光開關(guān)。

有哪些新的技術(shù)有待開發(fā)？（隨著材料、技術(shù)的發(fā)展會有不同的答案，建議根據(jù)當(dāng)

時的文獻進行回答）

8.光隔離器的功能是什么？其主要技術(shù)參數(shù)是什么？

答：光隔離器的功能是只允許光波向一個方向傳播，而阻止光波向其它方向特別是反方

向傳播。

主要技術(shù)參數(shù)有：插入損耗、隔離度。

9.簡述光隔離器的組成及各部分的作用。

答：單模光纖隔離器由起偏器、檢偏器和法拉第旋轉(zhuǎn)器三部分組成，如圖所示:

入射光①。。O

起偏器.法拉第多檢偏器

II旋轉(zhuǎn)器修

QQO反射光

起偏器的透振方向是垂直方向，即允許垂直偏振光順利通過；檢偏器的透振方向是

45°方向，即允許45°方向上的偏振光順利通過；法拉第旋轉(zhuǎn)器使通過它的光的偏振方向順時

針旋轉(zhuǎn)45°。

10.一個簡單的光隔離器需要多少偏振器來阻擋錯誤方向傳輸?shù)墓猓?/p>

答：2個。

11.當(dāng)?束光注入光纖時，由于菲涅爾反射、瑞利散射等原因，會有部分光傳回到注入

端（稱之為后向光），用光環(huán)行器在注入端可以將后向光分離出來，請畫出連接圖。

答：

12.現(xiàn)有一束包含1550nm波長的混合光，請用光纖光柵和光環(huán)行器設(shè)計一個光路將

1550nm的光信號分離出來。

答：

"反射型光柵反射

波長155cHm

l55Cnm光信號

第五章習(xí)題解答

1、比較LED和LD,并說明各自適應(yīng)的工作范圍。

答：LED的發(fā)射光功率比LD要小，不適合長距離系統(tǒng)；LED的光譜寬度比LD大得多，不

適合長距離系統(tǒng)；LED的調(diào)制帶寬比LD小得多，不適合長距離系統(tǒng)；LED的溫度特性比

LD好得多。所以，LED適應(yīng)于短距離小容量光纖通信系統(tǒng)，而LD適應(yīng)于長距離大容量光

纖通信系統(tǒng)。

2、試說明LED的工作原理。

答：當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時，Pp結(jié)之間的勢壘（相對于空穴）和Np結(jié)之間的勢

壘（相對于電子）降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴散到p區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)（由

于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴散到P區(qū)和N區(qū)），在有源區(qū)形成粒子

數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其它衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。

3、試說明LD的工作原理。

答：當(dāng)給LD外加適當(dāng)?shù)恼螂妷簳r，由于有源區(qū)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布而首先發(fā)生自發(fā)輻射現(xiàn)

象，那些傳播方向與諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會在有源層內(nèi)部邊傳播、邊發(fā)

生受激輻射放大（其余自發(fā)輻射光子均被衰減掉），直至傳播到高反射率界面由被反射回有

源層，再次向另一個方向傳播受激輻射放大。如此反復(fù)，直到放大作用足以克服有源層和高

反射率界面的損耗后，就會向高反射率界面外面輸出激光。

4、為什么應(yīng)用單縱模LD光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率遠(yuǎn)大于使用LED光纖通信系統(tǒng)的傳輸速

率？

答：因為單縱模LD的譜線寬度比LED的譜線寬度小得多，單縱模LD的調(diào)制帶寬比LED

的調(diào)制帶寬大得多，所以單縱模LD光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率遠(yuǎn)大于使用LED光纖通信系

統(tǒng)的傳輸速率。

5、若激光物質(zhì)的禁帶寬度為0.8eVo試問該激光物質(zhì)所能輻射的光波長是多少？

=1.24/0.85

=1.55(Mm)

6、光與物質(zhì)的相互作用有哪幾種方式？

答：光與物質(zhì)的相互作用時，存在自發(fā)輻射、受激輻射及受激吸收三種基本過程。

7、什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布？

答：高能級上的電子數(shù)多于低能級上電子數(shù)，這種現(xiàn)象稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。

8、在光纖通信系統(tǒng)中，光源為什么要加正向電壓？

答：利用外加適當(dāng)?shù)恼螂妷嚎梢詫崿F(xiàn)發(fā)光物質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而使物質(zhì)總體呈

現(xiàn)發(fā)光過程。

9、光發(fā)送機主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

答：光發(fā)送機主要由光源、驅(qū)動電路及輔助電路等構(gòu)成。驅(qū)動電路的主要作用是為光源提供

要求的驅(qū)動電流；光源的主要作用是完成電光變換(光調(diào)制)；輔助電路主要完成自動功率

控制、自動溫度控制及光源保護等功能。

10、光調(diào)制方式有哪些？目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)采用的是數(shù)字調(diào)制方式？還是模擬調(diào)制方

式？

答：光調(diào)制方式主要按照光源與調(diào)制信號的關(guān)系及已調(diào)制信號的性質(zhì)兩種方式分類。根據(jù)光

源與調(diào)制信號的關(guān)系，可以將光源的調(diào)制方式分為直接調(diào)制方式和外部(或間接)調(diào)制方式;

根據(jù)已調(diào)制信號的性質(zhì)，可以將光源的調(diào)制方式分為模擬調(diào)制方式和數(shù)字調(diào)制方式。從調(diào)制

的本質(zhì)上來說，目前的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)采用的是模擬調(diào)制方式。

11、若歸-化調(diào)制信號波形為x6=sinQt,試寫出已調(diào)光信號的電場表達(dá)式和對應(yīng)的平均發(fā)

送光功率表達(dá)式。

分.

2

er(/)-KT\l+msin(Q/)]'cos(a)ct+德)

2

Pi=<eT(t)>

22

=KT<[l+msin(Qt)]cos(wct+小o)>

=K」/2<[1+msin(Qt)]>+K『/2<[1+msin(Qt)]cos2(3ct+60)>

2

=KT/2

12、一個優(yōu)良的驅(qū)動電路一般要滿足哪些要求？

答：能夠提供較大的、穩(wěn)定的驅(qū)動電流；有足夠快的響應(yīng)速度，最好大于光源的驅(qū)動速度；

保證光源具有穩(wěn)定的輸出特性。

13、在光發(fā)送機中，為什么要設(shè)置APC電路？

答：主要是為了保持LD光發(fā)送機輸出的平均光功率達(dá)到穩(wěn)定，同時具有保護光源安全的作

用。

14、在光發(fā)送機中，主要應(yīng)用哪些類型的自動功率控制電路？

答：在光發(fā)送機中，主要應(yīng)用普通電參數(shù)自動功率控制電路和光電反饋自動功率控制電路。

15、為什么說圖5.18電路具有連“0”保護作用？

答：在輸入信號為連“0”時，A1和A3的輸出的增加基本相同，所以不會使光源的輸出光

功率增加或增加很大，因此具有保護LD的功能。

16、在光發(fā)送機中，為什么要設(shè)置ATC電路？

答：為了保證光發(fā)送機具有穩(wěn)定的輸出特性，對LD的溫度特性進行控制是非常必要的，而

且對LD的溫度控制也是保護LD的一項關(guān)鍵措施。

17、試敘述在溫度升高時圖5.20電路的工作過程。

答：當(dāng)某種原因引起光源溫度升高時，熱敏電阻Rr阻值降低，使由Ri、R2>R3及RT組成

的電橋失去平衡，A1放大器反向輸入端電位提高，使A1放大器輸出端電位降低，晶體三

極管T提供的制冷電流增加。所以，半導(dǎo)體制冷器(SemiconductorCooler,SCR)冷面溫度

下降，致使安裝于半導(dǎo)體制冷器SCR冷面的LD溫度回落，直至基本恢復(fù)到原來的溫度。

第六章習(xí)題解答

1、在光纖通信系統(tǒng)中，使用最多的光電檢測器有哪些？它們分別使用于什么場合？

答：在光纖通信系統(tǒng)中，使用最多的光電檢測器包括PINPD和APD兩種，它們分別使用于

短距離小容量光纖通信系統(tǒng)和長距離大容量光纖通信系統(tǒng)。

2、光電檢測器是在什么偏置狀態(tài)下工作的？為什么要工作在這樣的狀態(tài)下？

答：光電檢測器工作于負(fù)偏置狀態(tài)。只有工作于負(fù)偏置狀態(tài)，才能使材料的受激吸收占據(jù)主

導(dǎo)地位，從而完成光電變換功能。

3、在PINPD中，I層半導(dǎo)體材料的主要作用是什么？

答:通過擴展受激吸收的區(qū)域提高光電變換的效率及通過一定的內(nèi)建電場提高器件的響應(yīng)速

度。

4、簡述PINPD的工作原理。

答：當(dāng)光照射到PIN光電二極管的光敏面上時，會在整個耗盡區(qū)及耗盡區(qū)附近產(chǎn)生受激輻

射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電子空穴對。在外加電場作用下，這種光生載流子運動到電極。當(dāng)外部電

路閉合時，就會在外部電路中有電流流過，從而完成光電的變換過程。

5、在APD中，?般雪崩倍增作用只能發(fā)生于哪個區(qū)域？

答：高場區(qū)（即雪崩倍增區(qū)）。

6、簡述APD的工作原理。

答：當(dāng)光照射到APD的光敏面上時，由于受激吸收而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對。在

外加電場作用下，-次電子空穴對運動到高場區(qū)，經(jīng)過反復(fù)的碰撞電離過程而形成雪崩倍增

現(xiàn)象，從而產(chǎn)生出大量的二次電子空穴對。在外加電場的作用下，一次電子空穴對和二次電

子空穴對一起運動到電極。當(dāng)外部電路閉合時，就會在外部電路中有電流流過，從而完成光

電變換過程。

7、光電檢測器的響應(yīng)度和量子效率有什么樣的關(guān)系？這兩個參數(shù)相互獨立嗎？

響應(yīng)度從宏觀角度描述光電檢測器的光電變換效率,而量子效率則從微觀角度描述光電

檢測器的光電變換效率。所以，響應(yīng)度和量子效率不是相互獨立的參數(shù)。

8、光電檢測器的暗電流山哪些部分組成？這些組成部分分別對PINPD和APD的暗電流有

何影響？

答：由表面暗電流和體內(nèi)喑電流組成。對于PINPD,表面暗電流遠(yuǎn)大于體內(nèi)暗電流。對于

APD,由于倍增效應(yīng)的存在，其體內(nèi)暗電流遠(yuǎn)大于表面暗電流。

9、APD的倍增因子是否越大越好？為什么？

答：當(dāng)M〈MOPT時，隨著M的增加，系統(tǒng)的信噪比（S/N）也隨著增大；當(dāng)M增大到Mo”

時，系統(tǒng)的信噪比（S/N）達(dá)到最大；如果M再增大時，由于噪聲功率N的增加超過了信

號功率S的增加，使得系統(tǒng)的信噪比（S/N）開始變小。所以，在實際應(yīng)用中倍增因子并不

是越大越好，而是應(yīng)該取最佳值。

10、在非相干檢測方式或直接功率檢測方式中，什么說光電檢測器實際是一個平方率檢測

器？若光接收機接收的光信號電場為：

必（。=K/1+2COSGJ

試用理論證明之。

答：在非相干檢測方式或直接功率檢測方式中，實際上是從解調(diào)信號的平方項中接收有用信

號的。所以，常常稱光電檢測器為平方率檢測器。

122

=a0+atKr[1+wx(z)]cosa)ct+%{K；[1+/nx(/)]cos(oct]

12

=a0+a,[1+wx(Z)]cos(oct+a?{K；[1+加-geos2iy/)}

2

-A+Bmx(/)+C[1+coscoJ+0x(/)cos2a>ct+Ecoscoct

從推導(dǎo)過程可以看出，有用信號是從平方項而來的。所以說，光電檢測器實際是一個平

方率檢測器。

11、主要有哪些類型的相干檢測方式？

答：非相干檢測方式和相干檢測方式。

12、試畫出光接收機的方框組成，并說明各部分的作用。

答：

直接功率檢測方式原理組成

光電檢測器的主要作用是將接收的光信號變換成包括基本調(diào)制信號分量的電信號；前置

放大器的主要作用是低噪聲接收：功率放大器(又稱為主放大器)主要作用是信號幅度放大

到適合再生的電信號;均衡濾波器作用是低通濾波和將信號波形變換成無碼間干擾的信號波

形；再生器的作用是將接收的信號恢復(fù)成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號；AGC電路主要作用是穩(wěn)定光接收

機輸出的信號幅度；高壓變換器是為APD提供合適的電壓(同時通過調(diào)整平均倍增因子大

小，來進步穩(wěn)定光接收機的輸出信號幅度)。

13、光接收機有哪些主要指標(biāo)？它們的定義是什么？

答：光纖通信系統(tǒng)主要包括光接收機靈敏度和光接收機動態(tài)范圍兩個指標(biāo)。

所謂光接收機靈敏度，是指在一定誤碼率或信噪比(有時還要加上信號波形失真量)條

件卜光接收機需要接收的最小平均光功率。而光接收機動態(tài)范圍，是指在一定誤碼率或信噪

比(有時還要加上信號波形失真量)條件下光接收機允許的光信號平均光功率的變化范圍。

14、出現(xiàn)在光電檢測器上的噪聲有哪些？哪些是屬于光電檢測器本身產(chǎn)生的噪聲？

答：光電檢測器上的噪聲包括光檢測噪聲(有可能與信號強度相關(guān)的噪聲)、暗電流噪聲及

背景輻射噪聲。光檢測噪聲和暗電流噪聲屬于光電檢測器本身產(chǎn)生的噪聲。

15、為什么經(jīng)過噪聲處理后，光接收機的放大器通道可以看成線性通道？

答：在噪聲分析中，光接收機放大器的噪聲已經(jīng)歸類到前置放大器。所以，光接收機的放大

器通道可以看成線性通道。

16、為了避免使用煩瑣費時的數(shù)值計算技術(shù)，在計算誤碼率時通常將概率密度函數(shù)近似為什

么函數(shù)？

答：為了簡化計算，一般均將概率密度函數(shù)近似成高斯函數(shù)來進行相應(yīng)的分析。

17、什么是理想光接收機？為什么理想光接收機的靈敏度又稱為理想光接收機的量子極限？

答:光電檢測器暗電流為零、放大器無噪聲和系統(tǒng)帶寬無限大的光接收機稱為理想光接收機。

因為理想光接收機靈敏度僅僅受到光檢測器量子噪聲的影響，所以又稱為理想光接收機的量

子極限。

18、影響光接收機靈敏度的主要因素有哪些？

答：輸入和輸出信號波形、非理想均衡濾波、直流光和背景光和判決閾值等。

第七章光放大器

復(fù)習(xí)思考題答案

1.光放大器在光纖通信中有哪些重要用途？

答：（1）利用光放大器代替原有的光電光再生中繼器，能夠大幅度延長系統(tǒng)傳輸距離。

（2）在波分復(fù)用系統(tǒng)中，它一方面可以同時實現(xiàn)多波長的低成本放大，另一方面，可

以補償波分復(fù)用器，波分解復(fù)用器、光纖光纜等無源器件帶來的損耗。

（3）光放大器在接入網(wǎng)中使用，可以補償由于光分支增加帶來的損耗，使得接入網(wǎng)服

務(wù)用戶增加，服務(wù)半徑擴大。

（4）光孤子通信必須依靠光放大器放大光信號，使光脈沖能量大到可以在光纖中滿足

孤子傳輸條件，從而實現(xiàn)接近無窮大距離的電再生段傳輸。

（5）光放大器在未來的光網(wǎng)絡(luò)中必將發(fā)現(xiàn)越來越多的新用途。

2.光放大器按原理可分為兒種不同的類型？

答：光放大器按原理不同大體上有三種類型。

（1）摻雜光纖放大器，就是將稀土金屬離子摻于光纖纖芯，稀土金屬離子在泵浦源的

激勵下，能夠時光信號進行放大的一種放大器。

（2）傳輸光纖放大器，就是利用光纖中的各種非線性效應(yīng)制成的光放大器。

（3）半導(dǎo)體激光放大器，其結(jié)構(gòu)大體上與激光二極管（LaserDiode,LD）相同。如果

在法布里一派羅腔（Fabry-Perotcavity,F-P）兩端面根本不鍍反射膜或者鍍增透膜則形成行

波型光放大器。半導(dǎo)體光放大器就是行波光放大器。

3.光放大器有哪些重要參數(shù)？

答：光放大器參數(shù)主要有（1）增益；（2）增益帶寬；（3）飽和輸出光功率；（4）噪聲

指數(shù)。

4.簡述摻雜光纖放大器的放大原理。

答：在泵浦源的作用下，摻雜光纖中的工作物質(zhì)粒子山低能級躍遷到高能級，得到了粒

子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而具有光放大作用。當(dāng)工作頻帶范圍內(nèi)的信號光輸入時，信號光就會得到

放大，這就是摻雜光纖放大器的基本工作原理。只是摻雜光纖放大器細(xì)長的纖形結(jié)構(gòu)使得有

源區(qū)能量密度很高，光與物質(zhì)的作用區(qū)很長，有利于降低對泵浦源功率的要求。

5.EDFA有哪些優(yōu)缺點？

答：EDFA之所以得到迅速的發(fā)展，源于它的一系列優(yōu)點：

（1）工作波長與光纖最小損耗窗口一致，可在光纖通信中獲得廣泛應(yīng)用。

（2）耦合效率高。因為是光纖型放大器，易于與光纖耦合連接，也可用熔接技術(shù)

與傳輸光纖熔接在一起，損耗可降至O.ldB,這樣的熔接反射損耗也很小，不易自激。

（3）能量轉(zhuǎn)換效率高。激光工作物質(zhì)集中在光纖芯子，且集中在光纖芯子中的近

軸部分，而信號光和泵浦光也是在近軸部分最強，這使得光與物質(zhì)作用很充分。

（4）增益高，噪聲低。輸出功率大，增益可達(dá)4OdB,輸出功率在單向泵浦時可達(dá)

14dBm，雙向泵浦時可達(dá)17dBm，甚至可達(dá)20dBm,充分泵浦時,噪聲系數(shù)可低至3~4dB,

串話也很小。

（5）增益特性不敏感。首先是EDFA增益對溫度不敏感，在100。（2內(nèi)增益特性保

持穩(wěn)定，另外，增益也與偏振無關(guān)。

（6）可實現(xiàn)信號的透明傳輸，即在波分復(fù)用系統(tǒng)中可同時傳輸模擬信號和數(shù)字信

號，高速率信號和低速率信號，系統(tǒng)擴容時，可只改動端機而不改動線路。

EDFA也有固有的缺點：

（1）波長固定，只能放大1.55pm左右的光波，換用其他基質(zhì)的光纖時，鋰離子

能級也只能發(fā)生很小的變化，可調(diào)節(jié)的波長有限，只能換用其它元素。

（2）增益帶寬不平坦，在WDM系統(tǒng)中需要采用特殊的手段來進行增益譜補償。

6.EDFA有光纖通信中哪些應(yīng)用？

答：EDFA在光纖通信中可以作用（1）光功率放大器；（2）光前置放大器；