光纖基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)

1,第一根光纖是什么時(shí)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(jī)，光纖光纜，中繼器和光接收機(jī)組成。

系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并將生成的光信號(hào)注入光纖光纜，調(diào)制過的光信號(hào)經(jīng)過光纖長(zhǎng)途

傳輸后送入光接收機(jī)，光接收機(jī)將光纖送來的光信號(hào)還原成原始的電信號(hào)，完成信號(hào)的傳送。中繼器就是

用于長(zhǎng)途傳輸時(shí)延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離。

3,光纖通信有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

答：光纖通信具有容量大，損耗低，中繼距離長(zhǎng)，抗電磁干擾實(shí)力強(qiáng)，保密性能好，體積小，重量輕,

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

1.光纖是由哪幾部分組成的？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。纖芯和包層是為滿意導(dǎo)

光的要求：涂覆層的作用是愛護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性。

4.簡(jiǎn)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(diǎn)，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。

7.勻稱光纖纖芯和包層的折射率分別為m=L50,m=l.45,光纖的長(zhǎng)度L=10Km。試求:(1)光纖的相對(duì)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(duì)折射率差

(2)NA=V2A=1.5xJ2x0.033=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

-n,21.52-1

=28.1%

2x1.52

NA=%V2A=1.5x72x0.281=1.12

而仇4=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=1.50,相對(duì)折射率差A(yù)=o.5%,工作波長(zhǎng)入。=1.31um,試求：(1)保

證光纖單模傳輸時(shí)，光纖的纖芯半徑a應(yīng)為多大？

(2)若a=5Um,保證光纖單模傳輸時(shí)，也應(yīng)如何選擇？

解：(1)因?yàn)槭请A躍型光纖，所以歸一化截止頻率Vc=2.405；

V=—n1aV2A<2.405

2.4051.31/rnn

3.34（s）

1.50x72x0.5%2兀

(2)若a=5um,保證光纖單模傳輸時(shí),

V=—nlaV2A<2.405

A)

=0.22%

n2>n|A/l-2A=1.5x71-2x0.22%=1.4967

1.簡(jiǎn)述石英系光纖損耗產(chǎn)生的緣由，光纖損耗的理論極限值是由什么確定的？

答：⑴

―、（紫外汲取

「廣征汲17取1r｛紅外汲取

汲取損耗\出席、H由J氫氧根（OHD汲取

雜質(zhì)汲取t過渡金屬離子汲取

光纖損耗＜〔原子缺陷汲取

叫財(cái)產(chǎn)軒［瑞利散射損耗

以由執(zhí)禮1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汲取損耗，紅外汲取損耗和瑞利散射確定的。

2.當(dāng)光在一段長(zhǎng)為10km光纖中傳輸時(shí)，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

則P尸2P2

光纖的損耗系數(shù)a=電1ga=1°lg—=0.3（JB/km）

?10k〃22

3.光纖色散產(chǎn)生的緣由有哪些？對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)有何危害？

答：（1）依據(jù)色散產(chǎn)生的緣由，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(huì)引起光脈沖展寬，嚴(yán)峻時(shí)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(huì)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(shí)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，一般忽視不計(jì)。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.勻稱光纖纖芯和包層的折射率分別為m=l.50,nkl.45,光纖的長(zhǎng)度L=10km。試求：

（1）子午光線的最大時(shí)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(shí)延差。

LLLn

解：⑴x

C

-sin^.ck?2

(2)若將光纖的包層和涂敷層去掉，則%;1.0

10碗x1.501.50

-1=25（萍）

3x10‘女加To"

6.一制造長(zhǎng)度為2km的階躍型多模光纖，纖芯和包層的折射率分別為m=l.47,m=l.45,運(yùn)用工作波長(zhǎng)為

1.31um,光源的譜線寬度AX=3nm,材料色散系數(shù)D.=6ps/nm?km,波導(dǎo)色散T.=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。

Ln,4-12匕1.47

解：(1)TM=-=135.2（ns）

1%3xIO,km/s

rm-Dm?A4-L=6ps/nm?kmx3nmx2km-36（〃s）

22

T&=j7j+（%+%）2=7135.2+0.036=135.2（〃s）

0.4410.441

（2）B3.26（MHz）

r135.2〃s

B=BT-U=3.26x2°8=5.68(MHz)

7.一制造長(zhǎng)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,

運(yùn)用工作波長(zhǎng)為0.85uin,光源的譜線寬度AX=6nm,材料色散系數(shù)D“=15ps/nm?km,波導(dǎo)色散T.

=10ps,光纖的帶寬距離指數(shù)丫=0.9。試求：

(1)光纖的總色散；

(2)總帶寬和單位公里帶寬。

2222

An（o）-nc1.5-1.48

解:（1）△='/,、。c=-----------------------=1.34%

2n（0）'2x1.5-

（」2Amx1.5x0.01342

1"Oh=898（ps）

2C~23x1。'km/s

Dm-A2-L=15ps/nm-kmx6nm又2km=180（ps）

7總==)8982+(180+10)2=9i8(ps)

(2)BT

8=%?〃=480x2°?=896(MHz)

8.某系統(tǒng)運(yùn)用工作波長(zhǎng)x0=1.31um,譜線寬度A入=5nm的光源和長(zhǎng)度為3km的階躍型光纖，其纖芯的

折射率m=1.458,相對(duì)折射率差A(yù)=0.8%,纖芯半徑a=8um,光纖的材料色散系數(shù)D.=8ps/nm?km,

波導(dǎo)色散T.=0,其帶寬速率比為0.8。試求光纖的模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬。

Ln3癡x1.458「久引\

}LnQ0/

解:TM=-?A=-----------x0.8%=116n\ns)

C3x10km/s

0.441_Q.441

3.78(M”z)

BM

T116.7〃s

0.441_________0441__________

B.=3.68(G”z)

D,“"L8ps/nm?kmx5nmx3km

1,比較LED和LD,并說明各自適應(yīng)的工作范圍。

答：LED的放射光功率比U）要小，不適合長(zhǎng)距離系統(tǒng)；LED的光譜寬度比LD大得多，不適合長(zhǎng)距離系統(tǒng)；

LED的調(diào)制帶寬比LD小得多，不適合長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，Pp結(jié)之間的勢(shì)壘（相對(duì)于空穴）和Np結(jié)之間的勢(shì)壘（相對(duì)于電子）

降低，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)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(huì)分別擴(kuò)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)，最終克服受激汲取及其它衰減

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(shí)，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

向及諧振腔高反射率界面垂直的自發(fā)輻射光子會(huì)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(gè)方向傳播受激福射放大。

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(huì)向高反射率界面外面輸出激光。

9,光發(fā)送機(jī)主要由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

答：光發(fā)送機(jī)主要由光源，驅(qū)動(dòng)電路及協(xié)助電路等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是為光源供應(yīng)要求的驅(qū)動(dòng)電

流；光源的主要作用是完成電光變換（光調(diào)制）；協(xié)助電路主要完成自動(dòng)功率限制，自動(dòng)溫度限制及光源

愛護(hù)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)采納的是數(shù)字調(diào)制方式？還是模擬調(diào)制方式？

答：光調(diào)制方式主要依據(jù)光源及調(diào)制信號(hào)的關(guān)系及已調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)兩種方式分類。依據(jù)光源及調(diào)制信號(hào)

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；依據(jù)已調(diào)制信號(hào)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)采納的是模擬調(diào)制方式。

4,簡(jiǎn)述PINPD的工作原理。

答：當(dāng)光照耀到PIN光電二極管的光敏面上時(shí)，會(huì)在整個(gè)耗盡區(qū)及耗盡區(qū)旁邊產(chǎn)生受激輻射現(xiàn)象，從而產(chǎn)

生電子空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)作用下，這種光生載流子運(yùn)動(dòng)到電極。當(dāng)外部電路閉合時(shí)，就會(huì)在外部電路中

有電流流過，從而完成光電的變換過程。

5,在API）中，一般雪崩倍增作用只能發(fā)生于哪個(gè)區(qū)域？

答：高場(chǎng)區(qū)（即雪崩倍增區(qū)）。

6,簡(jiǎn)述API）的工作原理。

答：當(dāng)光照耀到APD的光敏面上時(shí)，由于受激汲取而在器件內(nèi)產(chǎn)生出一次電子空穴對(duì)。在外加電場(chǎng)作用下,

一次電子空穴對(duì)運(yùn)動(dòng)到高場(chǎng)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(duì)。在外加電場(chǎng)的作用下，一次電子空穴對(duì)和二次電子空穴對(duì)一起運(yùn)動(dòng)到電極。當(dāng)外部電路閉合時(shí),

就會(huì)在外部電路中有電流流過，從而完成光電變換過程。

12,試畫出光接收機(jī)的方框組成，并說明各部分的作用。

直接功率檢測(cè)方式原理組成

光電檢測(cè)器的主要作用是將接收的光信號(hào)變換成包括基本調(diào)制信號(hào)重量的電信號(hào)；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(hào)幅度放大到適合再生的電信號(hào)；均衡

濾波器作用是低通濾波和將信號(hào)波形變換成無碼間干擾的信號(hào)波形；再生器的作用是將接收的信號(hào)復(fù)原成

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)；AGC電路主要作用是穩(wěn)定光接收機(jī)輸出的信號(hào)幅度；高壓變換器是為APD供應(yīng)合適的電壓

（同時(shí)通過調(diào)整平均倍增因子大小，來進(jìn)一步穩(wěn)定光接收機(jī)的輸出信號(hào)幅度）。