光纖通信基礎復習題及答案

1、光纖通信基礎復習題1光通信的發(fā)展大致經歷幾個階段？光通信的發(fā)展大致經歷如下三個階段可視光通信階段：我國古代的烽火臺，近代戰(zhàn)爭中的信號彈、信號樹，艦船使用的燈塔、燈光信號、旗語等，都屬于可視光通信。大氣激光通信階段：光通信技術的發(fā)展應該說始于激光器的誕生。1960年美國人梅曼發(fā)明了第一臺紅寶石激光器，使人們開始對激光大氣通信進行研究。激光大氣通信是將地球周圍的大氣層作為傳輸介質，這一點與可視光通信相同。但是，激光在大氣層中傳輸會被嚴重的吸收并產生嚴重的色散作用，而且，還易受天氣變化的影響。使得激光大氣通信在通信距離、穩(wěn)定性及可靠性等方面受到限制。光纖通信階段： 早在1950年，就有人對光在光纖中

2、的傳播問題開始了理論研究。1951年發(fā)明了醫(yī)用光導纖維。但是，那時的光纖損耗太大，達到1000 dB/km，即一般的光源在光纖中只能傳輸幾厘米。用于長距離的光纖通信幾乎是不可能。1970年，美國康寧公司果然研制出了損耗為20dB/km的光纖，使光纖遠距離通信成為可能。自此，光纖通信技術研究開發(fā)工作獲得長足進步，目前，光纖的損耗已達到0.5dB/km（1.3µm）0.2dB/km（1.55µm）的水平。2. 光纖通信技術的發(fā)展大致經歷幾個階段？第一階段（19661976）為開發(fā)時期. 波 長: = 0.85um, 光纖種類: 多模石英光纖, 通信速率: 3445Mb/s, 中

3、繼距離: 10km.第二階段（19761986）為大力發(fā)展和推廣應用時期. 波 長: = 1.30um, 光纖種類: 單模石英光纖, 通信速率: 140565Mb/s, 中繼距離: 50100km.第三階段（19861996）以超大容量超長距離為目標,全面推廣及開展新技研究時期. 波 長： = 1.55um, 光纖種類: 單模石英光纖, 通信速率: 2.510Gb/s, 中繼距離: 100150km.3.光通信基本概念：光通信： 利用光波進行信息傳輸的一種通信方式。光纖通信： 利用光導纖維作為光波傳輸介質的一種通信方式。光波導： 傳輸光波的介質。例如光纖。光纖通信的三個窗口: 0.85um 1

4、.30um 1.55um.4.推導光纖數值孔徑公式NA稱之為光纖的數值孔徑。NA是反映光纖撲捉光線能力大小的一個參數。NA = n1²- n2²n2no c a 1 n1 圖2-3 光波在光纖子午截面內的傳播由圖可知:sinc = n2 / n1 sin1 /sina = n1 / n0 sina = sin(90°- c) = cos csin1 / cos c = n1 / n0 sin1 = cosc × n1/n0=1-sin²c × n1/n0又 sinc = n2 / n1 故 sin1 =1-（n2 / n1）²

5、;× n1 / n0n0 sin1 =n1²- n2² n0 sin1 = NANA = n1²- n2² 5.何謂光纖的損耗？光纖的傳輸損耗有哪幾種？光纖損耗：指光能在傳輸過程中逐漸減小或消失的現象。 光纖傳輸損耗主要有三種：吸收損耗散射損耗微擾損耗吸收損耗： 吸收損耗是由光纖材料吸收光能并轉化為其他形式能量而引起的損耗。吸收損耗可分為兩種： 固有吸收損耗、非固有吸收損耗散射損耗這是由光纖材料在微觀上的顆粒狀結構和氣泡等不均勻結構引起的損耗。散射損耗分為線性散射損耗和非線性損耗。微擾損耗是指光纖的幾何不均勻性引起的損耗.包括內部因素和外部干擾

6、引起的不均勻性.如折射率、直徑的不均勻性、微小彎曲等。6. 何謂光纖的色散？光纖的色散有哪幾種？指具有一定譜線寬度的光脈沖信號在光纖中傳輸時由于各波長的群速度不同引起光脈沖展寬的現象。光纖的色散可以分為四種：材料色散 材料的折射率n是波長的非線性函數，從而使光的傳播速度隨波長而變.光脈沖通過光纖時，由于速度不一樣，到達終端的時間不一樣，造成光脈沖的展寬。波導色散 又稱結構色散。是由光纖幾何結構引起的色散，例如橫向尺寸沿光軸的波動，使部分光波進入包層。模式色散 存在于多模光纖中.在多模光纖中存在多種傳播模式,即使是同一波長，每個模式到達光纖終端的時間不同，造成光脈沖的展寬。由模式引起的色散叫模式

7、色散。偏振色散 單模光纖中存在雙折射時，偏振方向相互正交的兩個基模傳播速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。7.光無源器件有哪幾種結構形式？何謂自聚焦棒透鏡？有三種結構形式: 體塊型、全光纖型、波導型。自聚焦棒透鏡，用梯度折射率光纖制作，如圖所示。 L 圖4-1自聚焦棒透鏡自聚焦棒透鏡的長度： L = P/4 P = 2 /A A =n²(0)-n2²/2 n²(0) (漸變)或A =n1²-n2²/2 n1² (階躍)8.光纖間連接時可能存在哪幾種連接缺陷？ 光纖間連接時可能存在的連接缺陷如圖所示。 (a) 存在間隙 （b）存在橫向錯

8、位 (c) 傾斜 （d） 端面不平滑 光纖縱向連接的有效性可用傳輸系數T來表示。T = PR / PT 模場半徑分別為s1、s2的兩條單模光纖在不同情況下的傳輸系數。 存在縱向間隙時的功率傳輸系數T = 4(4²+s1²/s2²)/4²+(s1²+s2²)/s2²²+4²s2²/s1²（4-9）當 = 0時，即光纖間的間隙為0，則： T = T0 = (2s1s2)²/(s1²+s2²)² （4-10）存在橫向位移時的傳輸系數T = T0exp-

9、2d²/(s1²+s2²) （4-11） 當s1=s2 時:T = exp(- d²/s²) （4-12）存在傾斜角時的傳輸系數T = T0 exp-(k0n2s1s2)²/2(s1²+s2²) （4-13）k0 = 2/n2光纖包層折射率9.透鏡耦合式光纖連接器有那幾種形式？透鏡耦合式連接器有如下三種形式： （a）薄球面透鏡式（b）球或柱面式（ c）自聚焦棒透鏡式 圖4-15 透鏡耦合式連接器的形式10. 2×2定向耦合器的結構及工作原理？ 圖4-21 2×2定向耦合器2×2定向耦合

10、器是最基本的耦合器，是用兩光纖的芯子盡量靠近制作而成的。方法：側面研磨法、熔錐法 2×2定向耦合器的工作原理：靠倏逝場的作用而工作的。側面研磨法制作時兩光纖間的距離計算：d（Z）= d0 + 2（RR² + Z²） （4-34） d0 -兩光纖的最小間距R-光纖軸線的彎曲曲率半徑Z耦合長度坐標11. 如何用2×2定向耦合器測定光纖故障點的位置？如圖所示。測試系統(tǒng)由光源及脈沖驅動電路、2×2定向耦合器、ADP、示波器組成。半導體激光器輸出光脈沖，在光纖中傳輸到故障點時產生部分反射，測量反射脈沖的延遲時間就能計算出故障點的位置L。L=c×

11、t/2LD及其脈沖驅動電 路ADPtL同步信號示波器2×2定向耦合器至斷點的距離光纖 斷點 圖4-22 光纖故障點的測試 12有相同頻率間隔的8路光信號進入由2×2定向耦合器組成的8×8星形耦合器，繪圖說明它是如何合波的？f1f8f1 f1f8F8 8×8星形耦合器 8個輸入端8個輸出端 每個輸入端子1個輸入信號 每個輸出端子8個輸出信號13繪圖說明F-P型光濾波器工作原理？F-P腔的構成 體塊型F-P腔光濾波器工作原理如圖所示。反射鏡M1、M2間的距離為L、反射率為r1、r2、透過率為t1、t2。一平面光波垂直入射到反射鏡M1上，此時有部分光反射，部分

12、光進入F-P腔，在腔內經多次反射與透射后，則在腔的左右兩側各有一組光束輸出。在左方輸出的一組光束叫反射光，在右方輸出的一組光束叫傳輸光。兩組光束都產生多光束干涉，而呈諧振現象，因而具有頻率選擇特性。因透射型光濾波器使用方便，所以在此討論傳輸光。傳輸光At1At2At3M1M2反射光平面入射光L 圖4-29 F-P腔濾波原理設入射光的復數振幅為Ai，以t1透過M1進入F-P腔；到M2分成兩部分，一部分透出腔外，振幅為At1，一部分在M2上反射，留在腔內繼續(xù)傳播。如此進行多次反射、折射，形成多束反射光和多束透射光。透射光由復數振幅為At1、At2、At3的各次透射光束組成。每次透射光束比前次透射光

13、束在相位上延遲= 2L= 4nL/0 = 4nLf/c，每次振幅都減小，因此須乘以因子r1r2。令：h = r1r2 exp（-j） （4-39）則：At1 = Ai t1t2 exp（-j）At2 = h At1At3 = h² At1 （4-40）透射光的復數振幅為各次透射光的疊加At = At1 + At2 +At3 += At1（1+ h+ h²+）= At1/(1- h) = Ai t1t2 exp（-j）/(1- h) （4-41） 若r1=r2= r，t1=t2=t 則R= r² ，T= t²。在無損耗的情況下R+T= 1，則 At=AiT

14、exp（-j）/1-Rexp（-j） （4-42）輸出光強為It = At² = IiT²/（1-R）²+ 4RSin²（/2） （4-43）設F-P腔的功率傳輸系數為，即輸出光強與入射光強之比。則= It / Ii （4-44a）由式（4-43）得=T²/（1-R）²+4RSin²（/2） （4-44b）以T=1-R代入，再分子分母除以（1-R）²，得：= 1/1 + 4R/（1-R）²Sin²（/2） （4-44c）將/2=2nLf/c代入得= 1/1 +（2F/）²Sin

15、8;（2nLf/c） （4-44d） F = R /（1-R）最大透過率=1,因此 (2F/）²Sin²（2nfL/c）=0 Sin²（2nf/cL）=0 2nLf/c = q （q=0,1,2,3） （4-45） 在多個q值對應的頻率上，呈現諧振現象，出現峰值。與峰值對應的頻率叫諧振頻率。諧振頻率Foq或諧振波長oq可用下式表示: foq = c q/2nL （4-46） oq = 2nL/ q （4-47） （f=c）由此可以看出：F-P腔具有選頻特性，對于某一級諧振頻率而言只要調整L即可。14繪圖說明波導型MZ光濾波器的結構和工作原理？波導型M-Z干涉儀的結

16、構原理圖見圖。 DC1 L2 1+2 DC2L1 1+2PZT12圖4-32波導型M-Z干涉儀它用兩個2×2定向耦合器構成。DC1、DC2是分光比為1：1的2×2定向耦合器，光纖L1、L2的長度不相等，可通過PZT來調整。當從DC1的輸入端同時輸入波長為1和2的兩個光信號時，在DC2中會分選出光波1和2，最后從、端輸出。其工作原理與傳統(tǒng)M-Z干涉儀相同。工作原理光纖L1、L2中光波的光程差L為: L = n（L1 - L2） （4-51） 光纖L1、L2中光波的相位差為: = k.L = 2L/= 2.L.f/c（4-52） 相干條件: 2.L.f1/c = (2q-1)

17、（4-53） 2.L.f2/c = 2q （4-54） 則在、端分別輸出f1、 f2兩個信號。峰值響應頻率f1 = (2q-1) c / 2n.L （4-55）f2 = q c / 2n.L （4-56）峰值間隔 f = f2 - f1 = c / 2n.L （4-57）f1f44f4f2ff1、3、5、7f1、3、5、72ff1f5f3f7f1、5F3、715. 畫出8分波 M-Z濾波器組成圖 ？f2、4、6、8f2ff5f8 4f4f2ff6f4f8f2、6F4、8 圖4-34 多級M-Z濾波16以光柵方程說明，為什么用閃耀光柵作波分復用器？ 衍射光柵的光柵方程 d×（sin&#

18、177;sin）=±m （4-79）各級極大值的位置（或方位角），由下式確定： Sin(）= ± m/d ± sin （4-80）（m=0，1，2，） m = 0，為零級極大值,位于sin）=± sin處,零級極大位置只與平面波入射角度有關,與波長無關,即無分光作用. m 0, 由光柵方程Sin(）= ± m/d ± sin （m=0，1，2，）知: 各次級極大位置與波長有關,而且以零級極大位置為參考點,由短波長向長波長依次散開。此特性叫光柵的角色散特性，是光柵作解復用器的原理。 m越大，級次越高，不同波長的間隔越大，分辨波長的能力越

19、強。 這種光柵制作解復用器的問題是：零級極大集中的光能最多，但無色散作用；次級極大集中的光能最少，但有色散作用。因此，要想即最大利用光能又能分光，必須尋找新的光柵。解決此問題的方案是采用閃耀光柵。 閃耀光柵又稱定向光柵，是一種反射式光柵。其形狀與一般光柵不一樣。如圖所示。da 閃耀光柵閃耀光柵的刻痕形狀與平面光柵不同，由按一定要求刻出的反射面組成。它把光能由原來的零級極大移至由刻痕形狀決定的反射光方向，從而使與這一級次相應的極大既有大的色散作用，又集中了較強的光能。 圖4-28表示了閃耀光柵的截面形狀。它以拋光的金屬板或鍍金屬膜的玻璃板為坯，在其上刻出一序列的鋸齒狀槽面。槽面與光柵宏觀表面的夾

20、角叫閃耀角，鋸齒周期d為光柵常數，a為光柵長度。閃耀光柵的各級極大值的方向由光柵各槽之間的干涉作用決定,不受光柵形狀的影響，其光柵方程仍為： sin ± sin = ±m/d 但是,單槽衍射的入射角和發(fā)散角就不再以光柵法線而是以光柵槽面法線為參考了。為了區(qū)別用帶撇的字母表示：sin+ sin=±m/d （4-81） 它的中央最大值,滿足下式：sin+ sin=0 （4-82） 因而 = - （4-83） 可見中央最大出現在反射波的方向。如干涉圖樣中某級次的最大也出現在這個方向，則可得到加強，稱為閃耀。 這就可將光能轉移到有色散作用的非零級極大中去。 17電光效應？

21、普克爾效應？克爾效應？ 電光效應 指介質的光參數折射率n隨外加電場強度E的變化而變化的現象。即n是E的函數。為討論方便，常采用一個叫做介電抗?jié)B系數的參數表示。與n的關系為： =0/=1/n² （4-91）會隨外加電場強度E的變化而變化，即是E的函數.二者之間的關系可用下式表示: (E)= (0)+ E + E² (4-92)上式為電光效應數學表達式。第一項(0) = 1/n²，是未加外電場時的介電抗?jié)B系數值，n是未加外電場時的折射率。第二項E表明與外加電場E呈線性關系，叫普克爾電光效應，相應的系數叫線性電光系數。第三項 E²表明與外電場E的平方成正比，叫

22、做克爾電光效應，相應的系數叫非線性電光系數。對普克爾材料，其(E)的表達式簡化為(E) =(0) + E =(0) + (4-93)其中 = E 由可求出相應的n值. = 1 /（n +n）² - 1 / n² -2n/n³ (4-94)故 n = - n³/2 = - n³E/2 (4-95)那末 n(E) = n + n = n(1- n²E/2) (4-96) n 是未加電場時的晶體折射率n是加電場后的晶體折射率變化可見，n(E)也是外加電場的線性函數。當信號電場作為外加電場而變化時，介質的折射率也隨著發(fā)生線性變化。18體塊型相

23、位調制器的結構及工作原理？體塊型電光相位調制器如圖所示。 LLVV光軸 (a) 縱向調制 (b)橫向調制 圖4-41 體相位調制器 在一塊電光晶體的橫向或縱向通過電極加上調制電壓V，便在晶體中產生電場強度E。由普克爾效應知，在此電場的作用下，晶體的折射率發(fā)生變化： n(E) = n + n = n(1- n²E/2) 當光波通過此晶體時，經受的位相變化為： = k0 n(E) L = L ×n(1- n²E/2) ×2 /0 =2n L/0 - n³LE /0 = （0）- n³LE/0 (4-97)式中：0 為光波波長；（0）= 2

24、 n L/0，是未加電場時的相位。 上式表明:光波相位與信號電場強度E成正比，受到了信號電場的調制。電場強度E和電壓V的關系如下：根據外加電壓方式不同其關系式不同橫向相位調制：外加電場的方向垂直于光波的傳播方向。E和V的關系： E = V/d 橫向調制器 (4-98)縱向相位調制：外加電場的方向平行于于光波的傳播方向。E和V的關系： E = V/L 縱向調制器 (4-99)半波電壓V： 相位變化時所需加的電壓。將V代入（4-97）: = （0）- n³LE/0 可得: = （0）- V/V (4-100)則：橫向調制器的半波電壓 V = d0 / n³L (4-101)縱向

25、調制器的半波電壓 V =0 /n³ (4-102) 19. 何謂相位調制器的半波電壓？推導橫向相位調制器的半波電壓的表達公式？半波電壓V： 它定義為: 相位變化時所需加的電壓。推導橫向相位調制器的半波電壓表達公式：V = d0 / n³L橫向相位調制器的相位變化表達式為：= （0）- n³LV/d0 根據定義 n³LV/d0 =V = d0/n³L縱向相位調制器的相位變化表達式為：= （0）- n³V/0根據定義 n³V/0 =V=0/n³ 20. 波導型M-Z干涉強度調制器的結構及工作原理？波導型M-Z干涉儀強度

26、調制器如圖所示。V0調制光輸入光波導型馬赫-澤德干涉儀調制電極圖：波導型M-Z干涉儀強度調制器 波導型馬赫-澤德（M-Z）干涉儀強度調制器應用了兩個Y形分支作為分波器與合波器。由輸入光纖送來的輸入光強度為Ii，在輸入Y分支按1：1的比例分成兩束光信號, 通過干涉儀的兩臂，并在一個臂上進行相位調制，兩臂的輸出強度各為Ii/2，但兩束光信號產生了相位差,其大小為，則調制器輸出端的光強為: IO = Iicos²(/2) (4-103)傳輸系數為: = IO / Ii =cos²(/2) (4-104)設兩臂的相位各為1，2，由于臂1中有相位調制，故 1 = 1（0） V / V

27、 (4-105)1（0）是未加調制電壓時的相位。那末, 兩臂的相位差為: = 12 = （0） V / V (4-106)第一項（0）=1（0） 2是未加電壓時兩臂的相位差，為常數。第二項由調制電壓引起，因而正比于電壓V。傳輸系數為： （V）= cos²（0）/2 V /2 V (4-107) 該調制器可作線性調制器。此時需使（0）= / 2，因而未加調制信號時 （V）=cos²（/4）=1/2 (4-108)以便使其工作于（V） V曲線的線性段的中點。 由圖可知: 改變V, 可使調制器的傳輸系數在1，0之間轉換，構成光開關，或稱開關鍵調制器。21. 體偏振型強度調制器的結

28、構及工作原理？體偏振型強度調制器的構成如圖所示。它是在兩個正交的偏振器之間加一個電控的相位延遲器而成。延遲器的主軸與兩偏振器成45º角放置。45º45º主軸偏振方向 圖4-45偏振型強度調制器 相位延制器的工作原理: 相位延遲器由各向異性介質構成，其快慢軸上的折射率不同，各為n1、n2；電光系數不同，各為1，2。在外加電場的作用下兩方向的折射率各為： n1（E）= n11 n1³E/2 (4-109a) n2（E）= n22 n2³E/2 (4-109b)在傳輸L的長度之后，快慢軸方向兩個正交模的相位延遲量(差)為： = n1（E）n2（E）

29、k0L = n1-1 n1³E/2 - n2 +2 n2³E/2 k0L=（n1n2）k0L（1 n1³2 n2³）k0 L E/2 (4-110)半波電壓：因為E = V/d，根據半波電壓定義，則（1 n1³2 n2³）k0 L E/2 = 又 E = V/d （1 n1³2 n2³）L V/d =0V = d0/（1n1³2n2³）L (4-111)令 （0）= k0（n1n2）L式(4-110)可寫成 =（0） V / V (4-112)可見上述結構是一個延遲量與外加電壓成正比的動態(tài)相位延

30、遲器。將上述延遲器如圖4-45那樣置于兩偏振器之間就構成強度調制器。設輸入光強為Ii，它將平分到與之成45°角的延遲器快慢軸方向。通過延遲器后這兩部分光場的相位差為，如式(4-112)。因此，通過第二偏振器后其輸出光強為：I = Ii sin² (/2) (4-113)傳輸系數為（V）= I/Ii = sin²（/2） = sin² （0）/2 V /2 V (4-114) 當改變V時,傳輸系數在0，1之間變化。如選擇（0）= / 2，則（0）=0.5，在曲線線性段的中點。再使V << V，則 （V）= sin² /4 V /2V

31、1/2 - V /2 V 可見，（V）是V的線性函數，構成線性調制器。22. 偏振控制器結構及工作原理？結構如圖4-53所示。它由兩個相位波片PP1和PP2構成。PP1是/4波片， PP2是/2波片。兩波片皆可繞軸旋轉，即主軸方向是可變的。通過變化波片主軸的方向可達到改變光的偏振態(tài)的目的。 CPP2（/2） BPP1（/4） A光主軸方向y y y yx x圖4-53 偏振控制器原理工作原理：假如在A點輸入一個任意的橢圓偏振光，要求在C點輸出y方向的線偏振光。/4波片會使通過他的偏振光產生/2的相位延遲量，它的作用是改變光主軸到合適的方向，使任意的橢圓偏振光變?yōu)榫€偏振光。而/2波片，有的延遲量，它的作用是改變光主軸的方向，將任意方向的線偏振光變到指定方向。 如圖所示，在輸入點A，在xoy坐標系中，橢圓偏振光的方位角為，而在xoy坐標系中，橢圓偏振光的方位角為=0，為一正橢圓。通過/4波片后，變成了一束振動方向與x軸成角的線偏振光，再經過/2波片，線偏振光的振動方向與y軸一致，實現了偏振方向的控制。23. 繪圖說明光隔離器的結構及工作原理？光隔離器的結構如圖4-56所示。它由兩個線偏振器中間夾一個法拉第旋轉器而成。x 法拉第旋轉器y偏振器B返回波 輸入波 偏振器A 圖4-56 光隔離器原理結構