光纤通信技术试题

1．什么是弱导波光纤？为什么标量近似解法只适用于弱导波光纤？

2. 请简述阶跃型折射率分布光纤和梯度型折射率分布光纤的不同导光原理 3．试证明：阶跃型光纤的数值孔径为什么等于最大射入角的正弦？ 4.数值孔径的定义是什么？请用公式推导出其计算式：NAn12

5. 光纤色散有哪几种？它们分别与哪些因素有关？

6.为什么说采用渐变型光纤可以减少光纤中的模式色散？ 7.如何解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散？

8.光与物质间的作用有哪三种基本过程？说明各具有什么特点？ 9．什么是激光器的阈值条件？ 10.简述半导体的光电效应？ 11.光纤通信系统都有哪些噪声？

12．请写出费米分布函数的表达式，并说明式中各符号的含义。 13．什么是量子噪声？形成这一噪声的物理原因是什么？ 14.什么是模分配噪声？它是如何产生的？ 15．请写出误码率的三种性能分类及定义。

16. 什么是接收灵敏度和动态范围，它们之间的表示式是什么？ 17．什么是码间干扰？其产生的原因是什么？

18．什么是可靠性？什么是可靠度？它们之间的区别是什么？ 19．请用公式推导出串联系统总的故障率等于各部件故障率之和。 20.抖动容限的指标有几种？并说明其含义？ 21．光波分复用通信技术的特点有哪些？

22 光纤WDM与同轴电缆FDM技术不同点有哪些？ 23 什么是光通信中的斯托克斯频率? 24 什么是光通信中的受激拉曼散射?

25 在理论上，光通信中的克尔效应能够引起哪些不同的非线性效应? 26 简述光纤通信中激光器直接调制的定义、用途和特点。

27什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？ 28分别说明G.652G.653光纤的性能及应用。

1.当光纤中纤芯折射率n1略高于包层折射率n2，它们的差别极小时，这种光纤为弱导波光纤。在弱导波光纤中，由于

n21，在光纤中形成导波时，光射线的入射角θ1应满足的n1n2,由此可得θ1→90°，亦即在弱导波光纤中，光射线几n1全反射条件为90°>θ1>θC=Sin1乎与光纤轴平行。从波动理论讲，导波是均匀平面波，即E和H与传播方向（光射线指向）垂直，故弱导波光纤中的E和H分布是近似TEM波。其横向场的极化方向不变。由于E（或

H）近似在横截面上，且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变

化的E（或H）变为沿传输方向其方向不变的标量E（或H），它将满足标量的亥姆霍兹

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方程，进而求出弱导波光纤的近似解，这种方法称为标量近似解法。 2.阶跃光纤中入射光线在纤芯和包层分界面上发生全反射，从而在纤芯中沿之字形的曲折路径前进，实现光的传输。

非均匀光纤中入射光线按折射定律在纤芯中传输到某一点时发生全反射，折向光纤轴线，从而以曲线形式在光纤中传输。

3．当光射线从空气射向光纤端面时，发生折射，满足折射定律n0sin=n1sinz，此光线在纤芯中沿z角方向前进，此光线若能在纤芯中传输，则需满足全反射条件，即

1≥CSin1n2nsin1≥2，又因为θz= 90°-θ1所以可得sin=n1sinz=n1n1222，由此可见，有sinmax=n1n2，只要光射线的n1sin1n11sin21≤n12n2射入角≤max，此光线就可在纤芯中形成导波，也即这些光线被光纤捕捉到了。而反映这种捕捉光线能力的物理量就定义为数值孔径，所以数值孔径等于最大射入角的正弦。 4.数值孔径是用来表示光纤收集光线的能力的。NAn0sinφmax 见教材P30，图2-6 n0sinφn1sinθt θt90θi

若发生全反射，θi至少应等于θC，所以θt90θC，此时对应入射角φmax， NAn0sinφmaxn1cosθ2n12n2 因为  22n1Cn11sin2θCn11(n222 )n12n2n1 所以 NAn12

5.光纤的色散有材料色散、波导色散和模式色散。

材料色散由光纤材料的折射率随频率的变化而变化引起的。 波导色散由模式本身的群速度随频率的变化而变化引起的。 模式色散由光纤中的各模式之间的群速度不同而引起的。 6.渐变型光纤纤芯折射率随 r的增加按一定规律减小，即n1(r),则就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，产生自聚焦现象，从而减小光纤中的模式色散。

7.材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成份的群速不同引起的色散。

波导色散是对于光纤某一模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。

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模式色散是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数β不同，因此群速不同而引起的色散。

8.自发辐射、受激辐射、受激吸收

自发辐射：可自发光，是非相干光，不受外界影响。

受激辐射：吸收外来光子能量，发相干光，产生全同光子，产生光放大。 受激吸收：吸收外来光子能量，不发光。

9.为了补偿激光器内光学谐振腔存在的损耗，使激光器维持稳定的激光输出需要满足的振幅平衡条件，就是阈值条件。 10.光照射到半导体的P-N结上，使半导体材料中价带电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，总称光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的共同作用下，在外电路中出现光电流，这就实现了输出电信号随输入光信号变化的光电转换作用。 11.量子噪声，光电检测器噪声、雪崩管倍增噪声，光接收机中的热噪声，晶体管噪声。 12.f(E)=

11e(EEf)/KT

式中f(E)——费米分布函数，即能量为E的能级被一个电子占据的几率。 E——某一能级的能量值。 K——波尔兹曼常数， K=1.38×10

23

J/K

T——绝对温度 Ef——费米能级

13.由于光波的传播是由大量光子传播来进行的。这样大量的光量子其相位和幅度都是随机的。因此，光电检测器在某个时刻实际接收到的光子数是在一个统计平均值附近浮动，因而产生了噪声。这就是量子噪声，这就是量子噪声，这也是量子噪声的形成原因。

14.高速率的激光器，其谱线呈现多纵模谱线特性，而且各谱线的能量呈现随机分配。因而单模光纤具有色散，所以激光器的各谱线（各频率分量）经光纤传输之后，发生不同的延时，在接收端造成脉冲展宽。又因为各谱线的功率呈现随机分布，因此当它们经过上述光纤传输后，在接收端取样点得到取样信号就会有强度起伏，至此引入了附加噪声，这种噪声就称为模分配噪声，这也是模分配噪声产生的原因。

15. 劣化分：1分钟的误码率劣于1×10严重误码秒：1分钟内误码率劣于1×10

6。 。

3误码秒：1秒内出现误码。

16.所谓接收灵敏度是指满足给定误码率（BER）的条件下，光端机光接口R的最小平均光功率电平值。

所谓动态范围是指在满足给定误码率的条件下，光端机输入连接器R点能够接收的最大功率电平值LR与最小功率电平值LR（即接收灵敏度）之差。

'DL'RLR

17. 由于激光器发出的光波是由许多根线谱构成，而每根谱线的传播速度不同，因而前后错开，使合成的波形的宽度展宽，出现拖尾，造成相邻两光脉冲之间的相互干扰，这种

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现象称为码间干扰。这也是码间干扰产生的原因。

18．可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠性对产品做出了定性的 分析，它反映了总的性能，可靠度对产品做出了定量的分析，它反映出一种数量特性。

19. 若光纤数字通信系统由几个部分串联而成，系统的可靠度 表示为：

RSR1R2Rn

式中R1，R2，·······Rn分别是串联系统中n个部分的可靠度。 RSeStR1R2Rn =e1te2tent =e(12n)t

S12ni1ni

由上式可见，系统总的故障率等于各串联部件故障率之和。

20. 抖动容限的指标分为输入抖动容限和无输入抖动时的最大输出抖动容限。 输入抖动容限是指光纤通信系统（或设备）允许输入脉冲存在抖动的范围。 无输入抖动时的最大输出抖动容限是指输入信号无抖动的情况下，光纤通信系统（或设备）输出信号的抖动范围。

21. ①光波分复用器结构简单、体积小、可靠性高

②不同容量的光纤系统以及不同性质的信号均可兼容传输 ③提高光纤的频带利用率

④可更灵活地进行光纤通信组网 ⑤存在插入损耗和串光问题

22⑴传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。

⑵在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4kHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是2.5Gbit/sSDH或更高速率的数字信号系统。

23当一定强度的光入射到光纤中时，会引起光纤材料的分子振动，低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度强于后者，两者之间的频差称为斯托克斯频率

24当两个频率间隔恰好为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，高频波的能量将转移到低频波上，这就是所谓的受激拉曼散射(SRS)。

25在理论上，克尔效应能够引起下面三种不同的非线性效应，即自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)。

26直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。传统的PDH和2.5Gbit／s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基本上采用的都是这种调制方式。直接调制方式的特点是，输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低。一般情况下，在常规G.652光纤上使用时，传输距离≤100km，传输速率≤2.5Gbit/s。

27由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。28 G.652称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤其性能特点是：

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(1)在1310nm波长处的色散为零。

(2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm²km)。

(3)这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652光纤是当前使用最为广泛的光纤。G.653 称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。

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