光纤通信第二版刘增基参考答案Word格式文档下载.docx

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长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。

1-5光网络的优点是什么?

答光网络具有如下的主要优点：

（1）可以极大地提高光纤的传输容量和结点的吞吐量，以适应未来宽带（高速）通信网的要求。

（2）光交叉连接器（oXC）和光分插复用器（OADM）对信号的速率和格式透明，可以建立一个支持多种业务和多种通信模式的、透明的光传送平台。

（3）以波分复用和波长选路为基础，可以实现网络的动态重构和故障的自动恢复，构成具有高度灵活性和生存性的光传送网。

光网状网具有可重构性、可扩展性、透明性、兼容性、完整性和生存性等优点，是目前光纤通信领域的研究热点和前沿。

2-1均匀光纤芯与包层的折射率分别为:

n1=1.50，n2=1.45,试计算：

（1）光纤芯与包层的相对折射率差△为多少?

（2）光纤的数值孔径NA为多少?

（3）在1米长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差

为多少?

解

（1）由纤芯和包层的相对折射率差

=（n1-n2）/n1得到

（2）

（3）

2-2已知均匀光纤芯的折射率n1=1.50，相对折射率差

=0.01，芯半径25

。

试求：

（1）LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？

（2）若

，计算光纤的归一化频率

以及其中传输的模数量

各等于多少？

解

（1）由公式（2.29）可得：

其中，

来自于P23表2.1。

因为

所以

对于LP01，

不存在。

对于LP11，

对于LP02，

对于LP12，

（2）

2-3均匀光纤，若n1=1.50，

，试计算：

（1）若

=0.25，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？

（2）若取

，为保证单模传输，

应取多大？

解

（1）由单模传输条件

推导出

，

，则

（2）当

时，

解得

2-4目前光纤通信为什么采用以下三个工作波长：

？

答

附近是光纤传输损耗较小或最小的波长“窗口”，相应的损耗分别为2~3dB/km、0.5dB/km、0.2dB/km，而且在这些波段目前有成熟的光器件（光源、光检测器等）。

2-5光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展?

答长波长、单模光纤比短波长、多模光纤具有更好的传输特性。

（1）单模光纤没有模式色散，不同成分光经过单模光纤的传播时间不同的程度显著小于经过多模光纤时不同的程度。

（2）由光纤损耗和波长的关系曲线知，随着波长增大，损耗呈下降趋势，且在1.55

处有最低损耗值；

而且1.31

和1.55

处的色散很小。

故目前长距离光纤通信一般都工作在1.55

2-6光纤色散产生的原因及其危害是什么?

答光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的。

光纤色散对光纤传输系统的危害有：

若信号是模拟调制的，色散将限制带宽；

若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）。

2-7光纤损耗产生的原因及其危害是什么?

答光纤损耗包括吸收损耗和散射损耗。

吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收的。

散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。

光纤损耗使系统的传输距离受到限制，大损耗不利于长距离光纤通信。

2-8阶跃折射率光纤中n1=1.52,n2=1.49。

（1）光纤浸在水中（n0=1.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角；

（2）光纤放置在空气中，求数值孔径。

解

（1）如图2.4所示，由

得

由

得

2-9一阶跃折射率光纤，折射率n1=1.5，相对折射率差

=1%，长度L=1km。

求：

（1）光纤的数值孔径；

（2）子午线的最大时延差；

（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。

解

（1）

（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则此时n1=1.5，n2=1.0，所以

2-10一阶跃折射率光纤的相对折射率差

=0.005，n1=1.5，当波长分别为0.85

、1.31

、1.55

时，要实现单模传输，纤芯半径

应小于多少？

解由单模传输的条件

当

同理，当

；

2-11已知光纤的纤芯直径2

=50

=0.01，n1=1.45，

=0.85

，若光纤的折射率分布分别为阶跃型和

=2的渐进型，求它们的导模数量。

若波长改变为1.31

，导模数量如何变化？

故得导模数量：

阶跃型

渐进型

（2）若波长改变为1.31

=25，故得

313

156

2-12一个阶跃折射率光纤，纤芯折射率n1=1.4258，包层折射率n2=1.4205.该光纤工作在1.3

两个波段上。

求该光纤为单模光纤时的最大纤芯直径。

解由截止波长

时单模传输，由已知条件得

即该光纤为单模光纤时，最大纤芯直径为

2-13具有光功率

的一个非常窄的脉冲（理想情况下一个单位冲击函数），被输入光纤并产生一个输出波形。

输出脉冲

相应于光纤的冲击响应。

假设脉冲输出是高斯型：

是脉冲宽度的均方根值。

证明FWHM（半峰值宽度）带宽

证明因

为冲击响应，故

即为频率响应，设

时为半峰值宽度，则

所以

即

即得FWHM带宽

2-14考虑10km长，NA=0.30的多模阶跃折射率光纤。

如果纤芯折射率为1.450，计算光纤带宽。

解10km光纤产生的时间延迟（即脉冲展宽）为

则

即该10km光纤的带宽

2-15光波从空气中以角度

投射到平板玻璃表面上，这里的

是人射光线与玻璃表面之间的夹角。

根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射。

如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为

，请问玻璃的折射率等于多少?

这种玻璃的临界角又为多少?

解如图所示的角度对应关系，得到入射角

，折射角

，由斯涅尔定律得

所以，玻璃折射率

这种玻璃的临界角

2-16计算

=1.48及

=1.46的阶跃折射率光纤的数值孔径。

如果光纤端面外介质折射率

=1.00，则允许的最大入射角

为多少？

解光纤数值孔径

若光纤端面外介质折射率

为

2-17弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率指数分别为

=1.5，

=1.45，试计算：

（1）纤芯和包层的相对折射率差

（2）光纤的数值孔径NA。

解

（1）相对折射率差

（2）光纤的数值孔径

2-18已知阶跃光纤纤芯的折射率

=1.5，相对折射率差

=0.01，纤芯半径

若

及其中传播的模数量

解由

得光纤包层折射率

则光纤归一化频率

对于阶跃光纤，传播的模数量

2-19一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm波长上可以支持1000个左右的传播模式。

试问：

（1）其纤芯直径为多少?

（2）在1310nm波长上可以支持多少个模?

（3）在1550nm波长上可以支持多少个模?

解

（1）对于阶跃光纤，传输的模数量

根据公式

（2）在1310nm波长上，归一化频率

则传播模数量

（3）在1550nm波长上，归一化频率

2-20用纤芯折射率

=1.5，长度未知的弱导光纤传输脉冲重复频率

的光脉冲，经过该光纤后，信号延迟半个脉冲周期，试估算光纤的长度L。

解信号延迟时间

则光纤长度

2-21有阶跃型光纤，若

，那么

=0.25，为保证单模传输，光纤纤芯半径

应取多大?

（2）若取纤芯半径

=5

，保证单模传输时，

应怎么样选择?

解

（1）由单模传输条件

而

（2）当

则

即

2-22渐变型光纤的折射指数分布为

求光纤的局部数值孔径。

解光纤的局部数值孔径为

2-23某光纤在1300nm波长处的损耗为0.6dB/km，在1550nm波长处的损耗为0.3dB/km。

假设下面两种光信号同时进入光纤：

1300nm波长的150

W的光信号和1550nm波长的100

W的光信号。

这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少?

以

W为单位。

解

（1）对于1300nm波长的150

W的光信号，在8km处损耗值为

则8km处功率值为

在20km处损耗值为

则20km处功率值为

（2）对于1550nm波长的100

2-24一段12km长的光纤线路，其损耗为1.5dB／km。

（1）如果在接收端保持0.3

W的接收光功率，则发送端的功率至少为多少?

（2）如果光纤的损耗变为2.5dB／km，则需要的输入光功率为多少?

解

（1）光纤线路总损耗为

则发送端功率最小值为

（2）光纤的损耗变为2.5dB／km时，光纤线路总损耗为

2-25有一段由阶跃折射率光纤构成的5km长的光纤链路，纤芯折射率

=1.49，相对折射率差

=0.01。

（1）求接收端最快和最慢的模式之间的时延差；

（2）求由模式色散导致的均方根脉冲展宽；

（3）假设最大比特率就等于带宽，则此光纤的带宽距离积是多少