光纤光学练习题.docx

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光纤光学练习题

一、选择题（下列各题四个备选答案中只有一个正确答案,请将其代号写在题干前面得括号内。

每小题1、5分,共30分）

1有关光纤中传输得模式,下列哪一个命题就是错误得？

A、对于结构参数给定得光纤,其中传输得模式就是唯一确定得;

B、TE01、TM01与HE21模具有相同得截止频率;

C、一个模式都有自己对应得截止频率;

D、HE11模就是唯一不能截止得模式。

2光纤中能够支持得模式由光纤波导本身决定,但光纤中能够激励出得模式与很多因素有关,问光纤中实际能够激励出得模式与下列哪些因素无关:

A、入射光源得光功率;B、入射介质得折射率;

C、光得入射角;D、入射点得位置。

3主模式号为14得模群中所含得精确模式总数为:

A、14;B、26;C、28;D、7

4通常将光纤通信划分为三个传输窗口,其主要原因就是:

A、光纤得弯曲损耗;B、OH—吸收损耗;

C、过渡金属离子吸收;D、瑞利散射损耗。

5线偏振模得模斑为:

A、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为暗;

B、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为暗;

C、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为亮;

D、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为亮。

6光纤得损耗就是由许多不同因素造成得,其中不可能消除得因素就是:

A、弯曲损耗;B、OH吸收;C、过度金属离子吸收;D、瑞利散射

7一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗了15%,该光纤得损耗就是

A、0、14dB/km;B、0、71dB/km;

C、0、64dB/km;D、0、32dB/km。

8对于1330nm得单模光纤,当入射光中心波长为1550nm,光谱宽度为10nm时,不可能存在得色散就是哪一个？

A、模间色散;B、材料色散;C、波导色散;D、偏振模色散。

9数值孔径NA就是光纤得一个重要参数,下列哪些命题就是错误得？

A、NA越大,光纤得收光能力越大;

B、NA越大,光纤得收光角越大;

C、NA越大,光源与光纤得耦合效率越高;

D、NA越大,多模光纤得模式色散越小。

10下列光纤得色散,由小到大得排列次序为:

A、多模得GIOF、多模SIOF、单模光纤;B、多模SIOF、多模得GIOF、单模光纤;

C、单模光纤、多模得GIOF、多模SIOF;D、多模SIOF、单模光纤、多模得GIOF

11以下那一种就是非零色散位移光纤:

A、G.655光纤;B、G.653光纤;C、G.652光纤;D、G.651光纤。

12有关光纤中得色散论述错误得就是:

A、色散得存在使光纤通信系统得传输速率降低、传输容量变小;

B、色散位移得目得就是使零色散波长与最低损耗波长一致;

C、正色散得光纤使光脉冲展宽,而负色散得光纤使光脉冲压缩,所以,负色散得光纤也成为色散补偿光纤;

D、通过适当调整光纤波导得结构参量可使波导色散与材料色散互相抵消。

13以下关于自聚焦透镜论述错误得就是:

A、0、25节距得GRIN得物方焦点在透镜入射平面上

B、0、25节距得GRIN,同一点离轴入射,出射仍为平行光线

C、0、25节距得GRIN,不同入射点得斜平行线入射,出射位置不同;

D、自聚焦透镜得长度一般以节距来表示。

14下列光波长不属于通常所说得光纤得三个传输窗口就是:

A、0、85μm;B、1、31μm;C、1、48μm;D、1、55μm。

15有关G、652光纤,以下命题哪个就是错误得:

A、工作在1310nm波长时,损耗就是通信容量得主要限制因素;

B、工作在1550nm波长时,色散就是通信容量得主要限制因素;

C、工作在1550nm波长时,损耗与色散均就是通信容量得主要限制因素;

D、工作在850nm波长时,损耗与色散均就是通信容量得主要限制因素;

16标准单模光纤纤芯直径一般为:

A、10μmB、10nmC、80μmD、100nm

17关于光纤连接损耗,以下那一种说法就是错误得:

A、光纤间得连接损耗与光得传输方向无关;

B、对于单模光纤,模场半径得不匹配就是光纤损耗主要因素;

C、通过充以折射率匹配液,可大大降低光纤端面间菲涅尔反射损耗;

D、多模光纤得连接损耗可用几何光学进行分析计算。

18有关光纤光栅得命题,哪一个就是不对得:

A、光纤光栅得理论基础就是模式耦合理论;

B、长周期光纤光栅可应用于OADM中;

C、长周期光纤光栅可用作EDFA得增益均衡;

D、Bragg光纤光栅可应用于光纤激光器中。

19光时域反射仪（OTDR）不能够完成得功能有:

A、光纤端面得判断;B、光纤色散大小得测量;

C、光纤断点得判断;D、光纤长度得测量。

20以下命题哪个就是错误得:

A、掺铒光纤激光器中谐振腔就是不可缺少得;

B、EDFA与掺铒光纤激光器得工作机理均为受激辐射;

C、EDFA得增益与泵浦功率大小有关;

D、EDFA得增益与信号光功率大小无关。

二、简答题（每小题5分,共20分）

1、简述光纤中包层存在得必要性。

答:

1、与纤芯共同组成光波导,限制光在纤芯内传输。

2、保护纤芯。

2、简述光纤中导模截止与远离截止条件得物理意义。

答:

当W趋向0时,场在包层中不衰减,导模转化为辐射模,对应于导模截止。

当W趋向无穷大时,场在包层中不存在,导模场得约束最强,对应于导模远离截止。

3、应用已有得《光纤光学》知识,提高光纤通信容量,应如何完善光纤？

答:

可从降低光纤色散得角度分析。

4、画出偏振无关隔离器得结构图,并简述其工作原理。

答:

光正向传输时,经偏振分光镜分成两束光,两束光经YIG与互易旋光片后,偏振方向如上图所示,径偏振分光镜合束输出。

光反向传输时,由于YIG得非互易性,反响传输得光无法在输出口合束,因而光得损耗大,无法通过。

三、设计题（每小题10分,共20分）

1、请用如下器件:

980/1550nm得波分复用耦合器、2/8Y型耦合器、光环形器、Bragg光纤光栅、980nm半导体激光器、一段掺铒光纤,单模光纤若干米,分别构成光纤放大器与激光器,画出结构示意图,并简单介绍工作原理。

答:

1）EDFA:

工作原理:

输入信号与泵浦光在WDM中复用,光信号经EDF介质放大,从3输出,两个环行器起到隔离得作用,以提高EDFA得工作性能。

2）光纤环行器

结构如下图所示:

980nm得泵浦光激发基态电子产生自发辐射,在EDF中激发新得辐射,经由环行器,由光纤光栅选定波长由3端口输出。

激光波长与泵浦波长由wdm复用继续在EDF中作用,在2/8Y型耦合器,8份继续增益,2份输出。

2、有一卷大约几十公里长得光纤需要测量其长度,现有一段100米可以测试得光纤与需测量得光纤具有相同得参数,试设计三种测量方法用以测量光纤长度。

答:

1）切断法测损耗求长度:

（1）某一光功率得光源注入待测光纤,测其输出光功率Pout1

（2）在距待测光纤入射处2m处切断,测其Pout2

（3）由损耗定义:

Pout1=2、LPin

Pout2=2、2Pin

所以,L=2、Pout1/Pout2（m）

2）背向散射法

3）用相同得光源分别输入100米与待测光纤,光源脉宽已知,分别测得两端光纤输出脉冲展宽值,由于两光纤得色散相等,由,得L2,为光源线宽度。

四、计算题（共30分）

1、某光纤出现故障,用OTDR仪表进行测量。

OTDR发射得周期性矩形脉冲得宽度10ns,测得光脉冲从光纤始端返回光纤始端得时间为3μs,已知光纤纤芯折射率n1=1、5,

（1）问此光纤故障点距始端距离有多长？

（2）该OTDR判断故障点得误差为多少？

（3）若OTDR能测得损耗范围为32dB,想用它测试78km得光缆线路,光缆得衰减系数为0、3dB／km,问OTDR能否瞧到末端得衰减曲线？

解:

1）由L=Ct/（2n）=3*108*3*106/（2*1、5）=300m

2）ΔL=CΔt/（2n）=+1m

3）经总得路程损耗为:

0、3dB/km*78*2=46、8dB>32dB

所以OTDR不能瞧到末端衰减得曲线。

2、某抛物线分布光纤,n1=1、5,Δ=0、001,纤芯直径2a=50μm,当用波长λ0=0、85μm得光激励时,试求:

（1）光纤得最大数值孔径;

（2）光纤得截止波长;（3）基模得模场半径;（4）模式总数。

1）GIOF中得局部数值孔径为

当r=0时,

2）抛物线型:

3）基模模场半径:

4）V=12、38,模数M=38

3、如下图所示为X－型光纤耦合器,工作波长为1、55μm。

若仅由Input1端口注入光功率,从Output1与Output2端口输出得分别为注入光功率得75％与25％。

耦合器得耦合系数为:

求:

（1）在上述耦合分光比下,耦合器得最小耦合长度;

（2）若仅从Output1端口注入0dBm光功率,则从Input1与Input2端口分别输出多少光功率;（3）假设从Input1注入0dBm光功率,Input2输入－3dBm光功率时,分别从Output1与Output2输出多少光功率？

解:

1）由分光比75%:

25%=3:

1

从“1”耦合到“2”得光功率为sin2（kL）=（1cos（2kL））/2=1/4

所以cos（2kL）=1/2,所以,2kL=pi/3+2kpi,k=0,+1,1

最小耦合长度L=pi/（3、2k）=0、052cm

2）x型耦合器有对称型,从output1进入,耦合到input2得为sin2（kL）为1/4,进入input1得有3/4,所以input2输出为1/4mw,input1为3/4mw。

或P01=0dbm=1mw,Pin1=Po1cos2（kL）=0、75mw=1、25dBm

Pin2=Po1sin2（kL）=0、25mw=6dBm

3）Pin1=1mw,Pin2=0、5mw,Po1=Pin1cos2（kL）+Pin2sin2（kL）=0、875mw=0、58dBm

Po2=Pin1sin2（kL）+Pin2cos2（kL）=2、04dBm

4、光纤中得基模能否被截止,为什么？

答:

不能。

因为光纤半径不可能为0,入射波长也不可能为无穷大。

四、计算题（要求写出主要计算步骤及结果。

共32分）

1、某抛物线分布光纤,n1=1、5,Δ=0、001,纤芯直径2a=50μm,当用波长λ0=0、85μm得光激励时,试求:

（共10分）

（1）包层折射率n2=？

（2）光纤得数值孔径NA=？

解:

（1）纤芯与包层得相对折射率差

n2=1、4985

（2）光纤得数值孔径

2、一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗了85%,该光纤得损耗为多少dB/km？

（共5分）

解:

1.65dB/km

3、均匀光纤纤芯折射率n1=1、5,工作波长λ0=1、3μm,芯径2a=10μm,若要保证单模传输,则对相对折射率差Δ有何要求？

（共8分）

解:

<0、0022

4、一石英光纤,其折射率分布如下:

纵向传播常数与归一化频率如下图所示,试计算:

（1）该光纤得截止波长;

（2）若该光纤工作波长为1μm,将支持哪些模式传输;在忽略模式相互间得作用与光纤总色散得情况下,试分析这些模式在光纤中传输时得先后次序。

（9分）

解:

（1）该光纤得截止波长为1、379um。

（2）V=3、31584,有HE11,HE21,TE01,TM01模式。

模式在光纤中传输时得先后次序为:

跑得最快得为HE11,另外三个模式简并,跑得速度比HE11慢。

五、分析题（16分）

1、从麦克斯韦方程出发,试分析SIOF光纤中模场得求解过程。

（10分）

答:

分析思路:

从麦克斯韦方程经过三次变量分离——得到波导场方程——建立数学模型,在圆柱坐标系下讨论——

电磁场得纵向分量满足波导场方程——变量分离,得到贝塞尔方程——根据贝塞尔函数特征,结合光纤中纤芯与包层中

光场传输特征——得到纵向场得函数表达式——结合纵横关系式——得到其她场分量得数学表达式。

2、试分析SIOF光纤中各种模式得本征值方程得推导过程。

（6分）

答:

分析思路:

TE与TM模式得本征值方程得推导过程可根据边界条件,并结合模式得场分量得特征,得到其本征值方程。

对于HE与EH模式,可根据q参数,得到她们得本征值方程。

六、论述题（共10分）

简述光纤应如何发展以适应高速大容量光通信系统要求。

答:

分析思路:

从降低色散、损耗等角度进行论述。

1、什么就是光得全反射现象？

答:

当光从折射率高得介质向折射率低得介质行进时,折射光得前进方向将向靠近界面侧偏转。

因此,若增大入射角,使入射角增大到某一值时,折射光将与界面相平行,此时得入射角称之为临界角。

当入射角大于临界角时,折射光消失,入射光在界面处全部被反射,这种现象叫作全反射。

关于光得全反射,就是从高折射率得介质向低折射率介质入射时才能发生得一种现象。

2、光在光纤中就是怎样传播得？

答:

光纤得结构为介质圆柱体,由纤芯与包层组成。

纤芯区域完成光信号得传输;包层就是为了将光封闭在纤芯内并保护纤芯,增加光纤得机械强度。

目前通信光纤中纤芯与包层主题材料都就是石英,但两区域中掺杂情况不同,因此折射率也不同。

3、什么就是光纤中得传输模式？

答:

让我们考虑一下两束波产生得干涉情况。

如若这两束波得相位一致,则这两个波将相互加强,就可以一直传播下去;如若这两束波得相位不一致,则它们将彼此削弱直至最后消失。

波得相位就是否一致。

这就是由波束入射至包层壁得角度决定得。

只有以某些特定角度入射于包层壁得波才能相互得到加强,继续传播至远方。

也就就是说,当光线入射至包层壁时,只有光线与包层壁得角度为某些特定值得光波才不会被削弱而形成传输波组,将此称为传输模。

依据光线与包层壁间得夹角由小至大,分别称为0次模,1次模,2次模、、、、、、

4、光纤具有哪些参数？

答:

光纤得参数有:

1、相对折射率差2、收光角3、数值孔径4、折射率分布系数5、结构参数包括:

芯径、外径、纤芯不圆率、外径不圆率

5、140Mb/s单模光纤通信系统得线路为5B6B码,工作于1、31μm,光源线宽5nm,光纤色散系数3ps/km、nm,试计算其最大中继距离。

答:

最大传输距离可按下式计算:

L=0、325*106/|D|*Δλ*f0

其最大中继距离可达128km以上。

6、光纤通信系统得发射光功率为0、1mw,工作速率为100Mb/s,工作于1、31μm,光纤损耗系数为1dB/km,光纤两端得连接器损耗各为1dB,光纤每隔2km得接合损耗为0、2dB,接收机灵敏度为100nw。

试计算其最大传输距离。

7、为什么（9、1）式不能简单地用来描述多模光纤中得衰减？

答案:

因为在多模光纤中传输着大量得模式,各种模式就是光功率得携带者,总得光功率就是被分配在各传输模式之中得。

不同模式得衰减不同,其损耗系数a也不同,由于模式耦合,将使光纤a随传输长度z而变化。

因此不能简单用（9、1）式表示。

8、什么就是多模光纤得稳态损耗系数？

试写出它得表示式,与它成立条件。

答:

光纤中模式分布稳定时得损耗系数为稳态损耗系数。

其表达式为（9、6）式。

其成立条件必须使L1>Lc

9、什么就是光合波器、光分波器？

答:

光合波器、光分波器就是用在波分复用等传输方式中得无源器。

它们可以将不同波长得多个光信号合并在一起一根光纤中传输,将经一根光纤传输来得不同波长得复合光信号,按不同光波长分开。

前者称为光合波器,后者称为光分波器。

10、光时域反射计中为什么要进行平均化处理？

答:

由于光时域反射计所测量得背向散射光非常微弱,如果不对检测到得返回信号进行求平均得处理,即便就是在相同得测试条件下测量相同得光纤,也不可能得到相同得测试结果。

这就是因为背向散射光信号受到光时域反射计中PAD散粒噪声、前置放大器热噪声等测量系统所产生得噪声影响所致。

为了能从被噪声所淹没得信号中检测出被测光纤特性得信息,需对光纤上某一点得背向散射光信号作多次测量,取其数据得平均值作为测定值,这就就是平均化处理。

一.选择题（从下列各题四个备选答案中选出一个或多个正确答案,并将其代号写在题干前面得括号内。

答案选错或未选全者,该题不得分。

每小题2分,共16分）

1.光纤通信得三个工作窗口中,对于常规光纤,最低损耗窗口就是______

　　A、0、85μm　B、1、31μm　C、1、40μm　D、1、55μm

2.常规单模光纤得三个工作窗口就是_______

　　A、0、85μmB、1、31μm　C、1、40μmD、1、55μm

3.光纤得损耗就是由许多不同因素造成得,其中不可能消除得因素就是_______

　　A、弯曲损耗B、OH—吸收　C、过度金属离子吸收D、瑞利散射

4.数值孔径NA就是光纤得一个重要参数,下列哪些命题就是错误得?

________

　　ANA越大,光纤得收光能力越大

　　BNA越大,光纤得收光角越大　

　　CNA越大,光源与光纤得耦合效益越高

　　DNA越大,多模光纤得模式色散越小

5.有关光纤得色散曲线,下列哪一个命题就是错误得______

　　A、一个模式都有自己对应得截止频率

　　B、光纤归一化频率V越大,光纤中存在得模式越少　

　　C、HE11模就是唯一不能截止得模式

　　D、紧邻HE11模得高阶模就是TE01、TM01、HE21模

6.单模光纤不存在以下哪几种色散?

______

　　A、模式色散B、材料色散　C、波导色散D、偏振模色散

7.谱宽为4nm得光脉冲,在某单模光纤中传输50km后,脉冲在时域上展宽3000ps,该光纤总色散系数为多少？

______

A、60ps/nm、kmdBmB、15ps/nm、km　

C、750ps/nm、KmD、2800ps/nm、km

8.某阶跃多模光纤纤芯与包层折射率分别为n1=1、6,n2=1、584,该光纤每公里因模式色散所引起得最大时延差Δτm为多少ns/km？

_______

　　A、68B、40　C、53、3D、23

9.某阶跃多模光纤,纤芯折射率n1=1、5,相对折射率差Δ=0、01,工作波长λ0=0、85μm,芯径2a=50μm,该光纤中模数量M为多少？

________

　　A、768B、400　C、532D、123

10.相干光波必须满足得条件包括______

　　A、相干光波得频率必须相同B、相干光波得相位差必须恒定　

　　C、相干光波得振动方向必须一致D、必须在相干长度以内

一.填空题（共17分）

　　1.光纤由、、三层构成,其中一般由高损耗得材料制成,起到保护光纤得作用。

　　2.当光纤芯径时,可将光波近似瞧成一根根光线,采用几何光学方法分析光波在光纤中得传播特性。

光纤得数值孔径NA,其收光能力越强。

　　3.光纤得色散主要有、、三种形式。

　　4.单模光纤得芯径比多模光纤得芯径。

对于相同材料、相同折射率差得多模光纤,芯径越细,模式数目越。

　　5.光纤中导模传播常数β得取值范围为。

弱导光纤得弱导条件为。

一.选择题（下列各题四个备选答案中只有一个正确答案,请将其代号写在题干前面得括号内。

每小题1分,共10分）

1.有关光纤中传输得模式,下列哪一个命题就是错误得？

就是______

　　A、对于结构参数给定得光纤,其中传输得模式就是唯一确定得

　　B、TE01、TM01与HE21模具有相同得截止频率

　　C、一个模式都有自己对应得截止频率

　　D、HE11模就是唯一不能截止得模式

2.光纤中能够支持得模式由光纤波导本身决定,但光纤中能够激励出得模式与很多因素有关,问光纤中实际能够激励出得模式与下列哪些因素无关_______

　　A、入射光源得光功率B、入射介质得折射率　

　　C、光得入射角D、入射点得位置

3.主模式号为14得模群中所含得精确模式总数为_______

　　A、14B、26　C、28D、7

4.通常将光纤通信划分为三个传输窗口,其主要原因就是________

　　A、光纤得弯曲损耗B、OH—吸收损耗　

　　C、过渡金属离子吸收D、瑞利散射损耗

5.有关光纤得色散曲线,下列哪一个命题就是错误得______

　　A、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为暗

　　B、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为暗　

　　C、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为亮

　　D、径向亮斑数为,角向亮斑数为,而且中心为亮

6.光纤得损耗就是由许多不同因素造成得,其中不可能消除得因素就是______

　　A、弯曲损耗B、OH吸收　C、过度金属离子吸收D、瑞利散射

7.一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗了15%,该光纤得损耗就是______

　　A、0、14dB/kmB、0、71dB/km　C、0、64dB/kmD、0、32dB/km

8.对于1330nm得单模光纤,当入射光中心波长为1550nm,光谱宽度为10nm时,不可能存在得色散就是_______

　　A、模间色散B、材料色散　C、波导色散D、偏振模色散

9.数值孔径NA就是光纤得一个重要参数,下列哪些命题就是错误得？

________

　　A、NA越大,光纤得收光能力越大B、NA越大,光纤得收光角越大

　　C、NA越大,光源与光纤得耦合效率越高D、NA越大,多模光纤得模式色散越小

10.下列光纤得色散,由小到大得排列次序为______

　　A、多模得GIOF、多模SIOF、单模光纤B、多模SIOF、多模得GIOF、单模光纤

　　C、单模光纤、多模得GIOF、多模SIOFD、多模SIOF、单模光纤、多模得GIOF

一.选择题（下列各题四个备选答案中只有一个正确答案,请将其代号写在题干前面得括号内。

每小题1分,共10分）

1.以下那一种就是非零色散位移光纤________

　　A、G.655光纤　B、G.653光纤　　C、G.652光纤　　D、G.651光纤

2.有关光纤中得色散论述错误得就是______

　　A、色散得存在使光纤通信系统得传输速率降低、传输容量变小

　　B、色散位移得目得就是使零色散波长与最低损耗波长一致　

　　C、正色散得光纤使光脉冲展宽,而负色散得光纤使光脉冲压缩,所以,负色散得光纤也成为色散补偿光纤

　　D、通过适当调整光纤波导得结构参量可使波导色散与材料色散互相抵消

3.以下关于自聚焦透镜论述错误得就是________

　　A0、25节距得GRIN得物方焦点在透镜入射平面上

　　B0、25节距得GRIN,同一点离轴入射,出射仍为平行光线

　　C0、25节距得GRIN,不同入射点得斜平行线入射,出射位置不同

　　D自聚焦透镜得长度一般以节距来表示

4.下列光波长不属于通常所说得光纤得三个传输窗口就是______

　　A、0、85μmB、1、31μmC、1、48μmD、1、55μm

5.有关G、652光纤,以下命题哪个就是错误得________

　　A、工作在1310nm波长时,损耗就是通信容量得主要限制因素

　　B、工作在1550nm波长时,色散就是通信容量得主要限制因素

　　C、工作在1550nm波长时,损耗与色散均就是通信容量得主要限制因素