光纖通信的習題

1、北京郵電大學高等函授教育、遠程教育 光纖通信技術綜合練習題及答案適用于高等函授教育： 光纖通信、移動通信、計算機通信專業(yè) （專科） 四年級 通信工程專業(yè) （高起本） 五年級適用于遠程教育： 通信工程專業(yè) （?？疲?四年級 通信工程專業(yè) （高起本） 五年級 第一部分 習題 注:帶*的為光纖通信原理的階段作業(yè)題 一、 填空題：1. 矢量是指即有 又有 的量。2所謂場是指 在空間或一部分空間中的分布。3梯度既有大小又有方向，是一 。4積分形式的麥克斯韋方程為 。5變化電場和變化磁場的相互激發(fā)，從而形成了 的傳播。6相位常數是 。7. 光的全反射是指 的全反射，此時折射波是 。8. 導波是指 。 波導

2、是指 /9. 光纖是 。10.所謂光纖通信是 的一種通信方式。11.光纖通信是以 作為傳輸信號，是以 作為傳輸線路。12.在光纖通信中起主導作用的是 和 。* 13.光纖通信的主要優(yōu)點是 、 、 、 、 、 。14.在光纖中，纖芯是由 稍高的 構成，它的作用是 。15.目前實用的光纖通信系統普遍采用的是 的光纖通信系統。16.強度調制直接檢波光纖數字通信系統是由 、 、 、 、 、 構成的。* 17.目前在光纖通信系統中采用的調制方式是 。*18.目前，實用光纖的三個低損耗窗口在 、 、 附近,色散位移單模光纖是在 處，實現 和 .* 19.光波在均勻介質里，沿 傳播，當光射線遇到兩種介質交界

3、面時，將產生 或 。20.均勻光纖的導光原理為 ，它的數值孔徑表示了 ，定義式為 ，也可表示為 。21. 均勻光纖的光路長度的表示式為 ，對于長度和折射率確定的光纖來說，光路長度隨著 的變化而變化，從而不同光線經過光纖的 不同，從而引起 。22. 采用非均勻光纖的目的是為了 ，這樣會在光纖中近似產生 現象，這需要纖芯折射率服從 分布。23. 在非均勻光纖中， 處的折射率最大，因而此處的 達到最大值，即表示該點捕捉光線的能力最 。24. 光纖中產生衰減的主要原因是 和 。25. 色散系數的定義式為 。26. 所謂模場是指 ，模場直徑是描述 。 27.松套光纖的優(yōu)點是耐 好，防 強，成纜時，光纖

4、。28.緊套光纖的緩沖層是為了 而設置的，但是它的抗 差。 *29.單模光纖的色散包括 色散和 色散，此外，系統所使用的光源與光纖色散相互作用，給系統引進了的干擾和噪聲主要有三種，即 、 和 。30.一般光纖分為單模光纖和多模光纖，單模光纖的芯徑為 ，存在 色散和 色散，傳輸的基模是 。31.在單模光纖中所存在的基模是 ，它的歸一化截止頻率為 ，單模傳輸條件是 。 32.多模光纖的芯徑為 ，存在 色散、 色散和 色散。 *33按照纖芯折射率分布的不同，光纖可分為 、 ，按照傳輸模式的多少來分，可分為 、 。* 34階躍型光纖的相對折射指數差的表達式為 。35 光纖的數值孔徑是 的物理量。36.

5、 在非均勻光纖中，其集光能力是用 數值孔徑表示，定義式為 。37.頻域中以半功率點來確定光纖的帶寬，即為光纖 。*38所謂線極化波是指 ，以 表示。39在弱波導光纖中，光射線幾乎與 平行，因此，弱波導光纖中的和分布是一種 。*40導波的徑向歸一化相位常數U是表明 ，而波導的徑向歸一化衰減常數W是表明 。41漸變型光纖中，纖芯折射率是 ，包層折射率是 。*42.漸變型光纖的本地數值孔徑的定義為 .43.漸變型光纖子午線的軌跡方程是 .*44.平方律型折射指數分布光纖的折射指數表示式為 .45.單模光纖是 .在階躍型單模光纖中,只傳輸 模.*46.單模光纖的雙折射是指 .47.光纖色散的概念是 .

6、48.多縱模激光器在高速調制下的輸出譜線呈 譜線，各譜線功率總合 ，但每根譜線的功率 ，即各譜線的 。49.在采用多縱模激光器的光纖通信系統中，激光器的譜線特性和 相互作用，產生了一種叫 的現象，它限制了 和 。50.一條光纜，一般由 、 和 構成。常用的光纜結構有 結構、 結構、 結構和 結構。51.在研究光和物質相互作用時,愛因斯坦指出存在三種不同的基本過程: 、 、 。52在熱平衡條件下，一個電子占據一個能級的幾率為 53激活物質是指 。54 叫縱模。55諧振腔的諧振條件是 。56光纖通信中半導體光源的主要作用是 ，常用的種類有 和 。 57發(fā)光二極管與激光器在結構上的根本區(qū)別是 ，它所

7、發(fā)的光是 。 58光發(fā)送機的消光比是 ，它將使光纖系統產生 ，使接收靈敏度 。 59光電檢測器在光纖通信系統中的作用是 ，常采用的半導體光電檢測器為 、 。 60光接收靈敏度的定義是 。 61.比特率即 ，定義為 。 62暗電流是指 。 63光電檢測器引入的噪聲有 、 、 。 64響應度R0和之間的關系式為 。 65APD管是在二極管P-N結上加 。 66判決器和時鐘恢復電路和起來構成 。 67監(jiān)控系統是指 、 、 的總稱。 68光纖數字傳輸系統的誤碼性能用 來描述，定義為 。 69光纖數字傳輸系統的抖動定義是 ，抖動的程度目前大多用 來表示，其符號為 。 70抖動容限的定義是 。 71.并聯

8、系統的可靠度 每個元件的可靠度，而且并聯的元件越多，系統的可靠性越 。 72.摻餌光纖放大器的工作波長范圍在 ，與光纖的 窗口一致。二、 畫圖題：1.畫出光纖通信系統組成方框圖。2.畫出松套光纖結構示意圖。3.畫出緊套光纖結構示意圖。4.畫出層絞式光纜結構示意圖。5.畫出骨架式光纜結構示意圖。6.畫出帶狀式光纜結構示意圖。*7畫出數字光纖通信光發(fā)射端機的方框圖，并簡述各部分主要作用。*8畫出數字光纖通信光接收端機的方框圖，并簡述各部分主要作用。*9.畫出數字光纖通信光中繼器的方框圖，并簡述各部分主要作用。10.畫出光接收機中脈沖再生電路原理方框圖，并簡述各部分主要作用。11試畫出PIN光電二極

9、管的結構示意圖。12試畫出APD雪崩光電二極管的結構示意圖13請畫出外加正偏壓后P-N結形成的能帶分布。14請畫出激光器輸出特性曲線，并標明激光區(qū)。15請畫出用LED管進行模擬信號內調制原理圖。16請畫出用LD管進行數字信號內調制原理圖。三、 問答題：*1什么是弱導波光纖？為什么標量近似解法只適用于弱導波光纖？2. 請簡述階躍型折射率分布光纖和梯度型折射率分布光纖的不同導光原理。 *3試證明：階躍型光纖的數值孔徑為什么等于最大射入角的正弦？ 4.數值孔徑的定義是什么？請用公式推導出其計算式： 5. 光纖色散有哪幾種？它們分別與哪些因素有關？ *6.為什么說采用漸變型光纖可以減少光纖中的模式色散

10、？ *7.如何解釋光纖中的模式色散、材料色散及波導色散？ *8.光與物質間的作用有哪三種基本過程？說明各具有什么特點？9什么是激光器的閾值條件？ 10.簡述半導體的光電效應？ 11.光纖通信系統都有哪些噪聲？ 12請寫出費米分布函數的表達式，并說明式中各符號的含義。 13什么是量子噪聲？形成這一噪聲的物理原因是什么？ 14.什么是模分配噪聲？它是如何產生的？ 15請寫出誤碼率的三種性能分類及定義。 16. 什么是接收靈敏度和動態(tài)范圍，它們之間的表示式是什么？ 17什么是碼間干擾？其產生的原因是什么？ 18什么是可靠性？什么是可靠度？它們之間的區(qū)別是什么？ 19請用公式推導出串聯系統總的故障率等

11、于各部件故障率之和。20.抖動容限的指標有幾種？并說明其含義？21光波分復用通信技術的特點有哪些？四、 計算題1. 在空氣中行進的光入射到一個玻璃板上，入射光線與玻璃表面之間的夾角為35°角，此時發(fā)生折射，且折射光線與反射光線彼此成90°角，問這種玻璃的折射率是多大？對這種玻璃來說，臨界角是多大？*2弱導波階躍型光纖芯子和包層的折射指數分別為n1=1.5, n2=1.48, 試計算：光纖的數值孔徑。3上題中，若纖芯半徑a=6m, 0=1m, 試計算光纖中傳輸的模數量。4階躍型光纖，若n1=1.5, 0=1m, 若=0.018， 當保證單模傳輸時，光纖芯徑取多大？5.已知階躍

12、光纖的n1=1.62，n2=1.52, 試計算：（1） 相對折射率 （2）數值孔徑 6.已知階躍型光纖的n1=1.5，=0.01，芯子半徑a=10m，波長0=1.5m, 試計算： （1）數值孔徑NA （2）歸一化頻率 （3）入射光線的激勵角范圍7. 已知均勻光纖的n1=1.51，=0.01，工作波長0=0.85m, 當纖芯半徑a=25m，此光纖中傳輸的導模數是多少？若要實現單模傳輸，纖芯半徑應為多少？8. 已知階躍型光纖的n1=1.5，=0.5%，0=1.3m, 若光纖中的導模數量N=2，試問至少纖芯半徑為多大？9已知光功率為2.4mw，光波頻率為1015Hz,求單位時間傳播的光子數。10某光

13、纖通信系統，其發(fā)送光功率為-4dBm，光接收機靈敏度為-40dBm，設備富余度為6 dB，光纜富余度為0.1dB/km，光纖接頭損耗為0.2dB/km，且不考慮色散的影響，求當無光纜配線架時，如果希望最長中繼距離為60 km，此時的光纜的衰減系數為多大？11有一五次群單模光纜傳輸系統，線路碼型為3B4B碼，應用InGaAs-LD，其It<50mA，標稱波長為1310nm，光譜寬度為2nm，發(fā)送光功率為-2.3dBm, 接收靈敏度為-38dBm, 動態(tài)范圍20dB。采用的光纜其固有損耗為0.4dB/km, 接頭損耗為0.1dB/km，光連接器衰減為1dB，光纖色散系數2.0ps/nm

14、83;km, 光纖富余度為0.1dB/km。若考慮1dB色散代價（取0.115），5dB設備富余度，試計算在系統設計時，最大中繼距離為多少？12一無備用系統的光纜通信系統，在420km內共設10個中繼器，各種設備的故障率如下：設備種類故障率（fit）140Mb/s光端機20000（一端）140Mb/s中繼器7000（一線）光纜200（一公里）供電7500（一端）求：系統總故障率。 平均無故障時間。 13. 若上題中平均故障率修復時間為4小時，求系統的失效率。14若在題7所示的系統中采用11的主備比，在系統發(fā)送和接收端各存在一個轉換設備，轉換設備的故障率為200fit（一端），平均故障修復時間為

15、4小時。 求：此系統的失效率。 若系統的設計壽命為20年，則在此間系統的中斷通信時間。 15如果在無備用系統情況下，容許5000km光纖通信系統雙向全程每年4次全程故障，那么280km的數字段雙向全程每年允許出現的全程故障是多少次？ 16某激光器的輸出光功率為500mw, 問此功率可折合為多少dBm? 第二部分 答案一、 填空題：1 大小、方向2 物理量3 矢量4 5. 電磁波6.均勻平面波在無限大介質中傳播單位距離所產生的相位變化7. 能量，表面波8. 能量被局限在某個系統內部或系統周圍并沿該系統導引的方向傳輸的電磁波。 凡是能引導和限制電磁波傳輸的系統。9.一種具有把光封閉在其中進行傳輸的

16、介質光導波。10以光波作為載頻，以光導纖維作為傳光媒質11.光、光纜。12.激光器，光纖13.直徑細、重量輕、不受電磁干擾、損耗低、傳輸頻帶寬、抗化學腐蝕14.折射率，石英玻璃，引入電磁波15.數字編碼強度調制直接檢波16.電、光發(fā)射端機，光中繼器，光、電接收端機，光纖，監(jiān)控系統，備用系統17內調制 180.85m、1.31m、1.55m、1.55m、最低損耗、最低色散 19直線、全反射、部分反射 20. 全反射原理，光纖收集光線的能力。NA=noSinMax, NA=n1。 21.S=，光線在光纖端面上的入射角，時間，模式色散。 22.減少光纖的模式色散，自聚焦，平方律型折射指數分布。 23

17、.r=0,本地數值孔徑，強 24.吸收損耗，散射損耗 25.色散系數 （） 26.光纖中基模場的電場強度隨空間的分布，單模光纖中光能集中的程度。 27.側壓性能，水性能，不受力， 28.減少外界側壓力的影響，側壓性能 29.材料、波導、碼間干擾、模分配噪聲、啁啾聲 30.410m，材料，波導，LP01， 31.LP01，0， 0<VC<2.4048. 32.50m, 模式，材料，波導 33.階躍型光纖（均勻光纖）、漸變型光纖（非均勻光纖）、單模光纖、多摸光纖 34. 35.光纖捕捉光射線能力 36.本地， 37.3dB光帶寬 38.波的電場矢量空間取向不變，即合成矢量的端點的軌跡為

18、一直線的波，LP 39.光纖軸線，近似的TEM波 40.在纖芯中，導波沿徑向場的分布規(guī)律，在纖芯包層中，場的衰減規(guī)律 41.漸變的，常數 42.射入到纖芯中距光軸r處的光線的數值孔徑 43. 44. 45.在給定的工作波長上，只傳輸單一基模的光纖，LP01 46.兩個相互正交的偏振光，有不同的相位常數 47.在光纖中，攜帶不同頻率成份和不同的模式成份的信號有不同的傳播速度，從而使光脈沖在時間上發(fā)生展寬的現象。 48.多縱模，是一定的，是隨機的，能量隨機分配 49.光纖色散，模分配噪聲，通信距離，容量 50.纜芯，護層，加強件，層絞式，單位式，骨架式，帶狀式。 51.自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射

19、 52. 53.可以處于粒子數反轉分布狀態(tài)的物質 54.在光學諧振腔中，駐波沿軸向的分布狀態(tài) 55. 56.電光變換、LD、LED 57.它沒有光學諧振腔、熒光 58.全“0”碼時的平均輸出光功率與全“1”碼時的輸出光功率之比、噪聲、降低 59.光電變換、PIN、APD 60.在保證接收機達到給定的誤碼率或信噪比指標條件下，光接收機所需要的最低的輸入平均光功率Pmin。 61.數字信號的傳輸速率，每秒傳送的比特數。 62.在無光功率照射時，光電檢測器仍有的輸出電流 63.量子噪聲、暗電流噪聲、雪崩倍增噪聲 64. 65.高反向電壓 66.碼形成電路 67.監(jiān)視、監(jiān)測、控制 68.誤碼率，BER

20、=在某段時間內 69.數字信號的有效瞬間，與其理想時間位置的短時間偏離，數字周期，UI 70.為使光纖通信系統在有抖動的情況下，仍能保證系統的指標，那么抖動應限制的范圍。 71.大于，大 72.1531.56m,最小衰減 二、 畫圖題：1.見教材P24 圖1-22.見教材P70 圖2-22（a）3.見教材P70 圖2-22（b）4.見教材P72 圖2-23（a）5.見教材P72 圖2-23（c）6.見教材P72 圖2-23（d）7.見教材P107 圖3-288.見教材P118 圖3-439.見教材P133 圖4-210.見教材P118 圖3-43結合圖3-50的部分11.見教材P114 圖3-

21、4012.見教材P115 圖3-4113.見教材P89 圖3-914.見教材P92 圖3-1115.見教材P98 圖3-2016.見教材P99 圖3-2317.見教材P190 圖5-4三、 問答題：1.當光纖中纖芯折射率n1略高于包層折射率n2，它們的差別極小時，這種光纖為弱導波光纖。在弱導波光纖中，由于，在光纖中形成導波時，光射線的入射角1應滿足的全反射條件為90°>1>C=Sin,由此可得190°，亦即在弱導波光纖中，光射線幾乎與光纖軸平行。從波動理論講，導波是均勻平面波，即和與傳播方向（光射線指向）垂直，故弱導波光纖中的和分布是近似TEM波。其橫向場的極化

22、方向不變。由于（或）近似在橫截面上，且空間指向基本不變，這樣就可把一個大小和方向都沿傳輸方向變化的（或）變?yōu)檠貍鬏敺较蚱浞较虿蛔兊臉肆浚ɑ颍?，它將滿足標量的亥姆霍茲方程，進而求出弱導波光纖的近似解，這種方法稱為標量近似解法。2.階躍光纖中入射光線在纖芯和包層分界面上發(fā)生全反射，從而在纖芯中沿之字形的曲折路徑前進，實現光的傳輸。 非均勻光纖中入射光線按折射定律在纖芯中傳輸到某一點時發(fā)生全反射，折向光纖軸線，從而以曲線形式在光纖中傳輸。3當光射線從空氣射向光纖端面時，發(fā)生折射，滿足折射定律=，此光線在纖芯中沿角方向前進，此光線若能在纖芯中傳輸，則需滿足全反射條件，即，又因為z= 90°-

23、1所以可得=，由此可見，有=，只要光射線的射入角，此光線就可在纖芯中形成導波，也即這些光線被光纖捕捉到了。而反映這種捕捉光線能力的物理量就定義為數值孔徑，所以數值孔徑等于最大射入角的正弦。 4.數值孔徑是用來表示光纖收集光線的能力的。 見教材P30，圖2-6 若發(fā)生全反射，至少應等于，所以，此時對應入射角， 因為 所以 5.光纖的色散有材料色散、波導色散和模式色散。 材料色散由光纖材料的折射率隨頻率的變化而變化引起的。 波導色散由模式本身的群速度隨頻率的變化而變化引起的。 模式色散由光纖中的各模式之間的群速度不同而引起的。 6.漸變型光纖纖芯折射率隨 r的增加按一定規(guī)律減小，即n1(r),則就

24、有可能使芯子中的不同射線以同樣的軸向速度前進，產生自聚焦現象，從而減小光纖中的模式色散。 7.材料色散是由于材料本身的折射率隨頻率而變化，使得信號各頻率成份的群速不同引起的色散。 波導色散是對于光纖某一模式而言，在不同的頻率下，相位常數不同，使得群速不同而引起的色散。 模式色散是指光纖不同模式在同一頻率下的相位常數不同，因此群速不同而引起的色散。8.自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收 自發(fā)輻射：可自發(fā)光，是非相干光，不受外界影響。 受激輻射：吸收外來光子能量，發(fā)相干光，產生全同光子，產生光放大。 受激吸收：吸收外來光子能量，不發(fā)光。 9.為了補償激光器內光學諧振腔存在的損耗，使激光器維持穩(wěn)定的激光輸

25、出需要滿足的振幅平衡條件，就是閾值條件。 10.光照射到半導體的P-N結上，使半導體材料中價帶電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶，在導帶中出現光電子，在價帶中出現光空穴，總稱光生載流子。光生載流子在外加負偏壓和內建電場的共同作用下，在外電路中出現光電流，這就實現了輸出電信號隨輸入光信號變化的光電轉換作用。 11.量子噪聲，光電檢測器噪聲、雪崩管倍增噪聲，光接收機中的熱噪聲，晶體管噪聲。 12.f(E)= 式中f(E)費米分布函數，即能量為E的能級被一個電子占據的幾率。 E某一能級的能量值。 K波爾茲曼常數， K=1.38×10J/K T絕對溫度 Ef費米能級13.由于光波的傳

26、播是由大量光子傳播來進行的。這樣大量的光量子其相位和幅度都是隨機的。因此，光電檢測器在某個時刻實際接收到的光子數是在一個統計平均值附近浮動，因而產生了噪聲。這就是量子噪聲，這就是量子噪聲，這也是量子噪聲的形成原因。14.高速率的激光器，其譜線呈現多縱模譜線特性，而且各譜線的能量呈現隨機分配。因而單模光纖具有色散，所以激光器的各譜線（各頻率分量）經光纖傳輸之后，發(fā)生不同的延時，在接收端造成脈沖展寬。又因為各譜線的功率呈現隨機分布，因此當它們經過上述光纖傳輸后，在接收端取樣點得到取樣信號就會有強度起伏，至此引入了附加噪聲，這種噪聲就稱為模分配噪聲，這也是模分配噪聲產生的原因。15. 劣化分：1分鐘的誤碼率劣于1×10。嚴重誤碼秒：1分鐘內誤碼率劣于1×10。誤碼秒：1秒內出現誤碼。16.所謂接收靈敏度是指滿足給定誤碼率（BER）的條件下，光端機光接口R的最小平均光功率電平值。所謂動態(tài)范圍是指在滿足給定誤碼率的條件下，光端機輸入連接器R點能夠接收的最大功率電平值與最小功率電平值（即接收靈敏度）之差。17. 由于激光器發(fā)出的光波是由許多根線