光纤通信基础复习题及答案要点.docx

光纤通信根底复习题1光通信的开展大致经验几个阶段？光通信的开展大致经验如下三个阶段可视光通信阶段：我国古代的烽火台，近代斗争中的信号弹, 信号树，舰船运用的灯塔, 灯光信号, 旗语等，都属于可视光通信。大气激光通信阶段：光通信技术的开展应当说始于激光器的诞生。1960年美国人梅曼创建了第一台红宝石激光器，使人们开场对激光大气通信进展探讨。激光大气通信是将地球四周的大气层作为传输介质，这一点及可视光通信一样。但是，激光在大气层中传输会被严峻的汲取并产生严峻的色散作用，而且，还易受天气变更的影响。使得激光大气通信在通信距离, 稳定性及牢靠性等方面受到限制。光纤通信阶段： 早在1950年，就有人对光在光纤中的传播问题开场了理论探讨。1951年创建了医用光导纤维。但是，那时的光纤损耗太大，到达1000 ，即一般的光源在光纤中只能传输几厘米。用于长距离的光纤通信几乎是不行能。1970年，美国康宁公司果真研制出了µµm的水平。2. 光纤通信技术的开展大致经验几个阶段？第一阶段19661976为开发时期. 波 长: = 0.85, 光纤种类: 多模石英光纤, 通信速率: 3445, 中继距离: 10.第二阶段19761986为大力开展和推广应用时期. 波 长: = 1.30, 光纤种类: 单模石英光纤, 通信速率: 140565, 中继距离: 50100.第三阶段19861996以超大容量超长距离为目标,全面推广及开展新技探讨时期. 波 长： = 1.55, 光纤种类: 单模石英光纤, 通信速率: 2.510, 中继距离: 100150.3.光通信根本概念：光通信： 利用光波进展信息传输的一种通信方式。光纤通信： 利用光导纤维作为光波传输介质的一种通信方式。光波导： 传输光波的介质。例如光纤。光纤通信的三个窗口: 0.85 1.30 1.55.称之为光纤的数值孔径。是反映光纤扑捉光线实力大小的一个参数。 = n1²- n2²n2 c a 1 n1 图2-3 光波在光纤子午截面内的传播由图可知:c = n2 / n1 1 a = n1 / n0 a = (90°- c) = c1 / c = n1 / n0 1 = c × n10=1²c × n10又 c = n2 / n1 故 1 =1-n2 / n1²× n1 / n0n0 1 =n1²- n2² n0 1 = = n1²- n2² 5.何谓光纤的损耗？光纤的传输损耗有哪几种？光纤损耗：指光能在传输过程中渐渐减小或消逝的现象。 光纤传输损耗主要有三种：汲取损耗散射损耗微扰损耗汲取损耗： 汲取损耗是由光纤材料汲取光能并转化为其他形式能量而引起的损耗。汲取损耗可分为两种： 固有汲取损耗, 非固有汲取损耗散射损耗这是由光纤材料在微观上的颗粒状构造和气泡等不匀称构造引起的损耗。散射损耗分为线性散射损耗和非线性损耗。微扰损耗是指光纤的几何不匀称性引起的损耗.包括内部因素和外部干扰引起的不匀称性.如折射率, 直径的不匀称性, 微小弯曲等。6. 何谓光纤的色散？光纤的色散有哪几种？指具有肯定谱线宽度的光脉冲信号在光纤中传输时由于各波长的群速度不同引起光脉冲展宽的现象。光纤的色散可以分为四种：材料色散 材料的折射率n是波长的非线性函数，从而使光的传播速度随波长而变.光脉冲通过光纤时，由于速度不一样，到达终端的时间不一样，造成光脉冲的展宽。波导色散 又称构造色散。是由光纤几何构造引起的色散，例如横向尺寸沿光轴的波动，使局部光波进入包层。模式色散 存在于多模光纤中.在多模光纤中存在多种传播模式,即使是同一波长，每个模式到达光纤终端的时间不同，造成光脉冲的展宽。由模式引起的色散叫模式色散。偏振色散 单模光纤中存在双折射时，偏振方向相互正交的两个基模传播速度不同，由此引起的色散叫偏振色散。构造形式？何谓自聚焦棒透镜？有三种构造形式: 体块型, 全光纤型, 波导型。自聚焦棒透镜，用梯度折射率光纤制作，如下图。 L 图4-1自聚焦棒透镜自聚焦棒透镜的长度： L = 4 P = 2 /A A =n²(0)2²/2 n²(0) (渐变)或A =n1²2²/2 n1² (阶跃)连接缺陷？ 光纤间连接时可能存在的连接缺陷如下图。 (a) 存在间隙 b存在横向错位 (c) 倾斜 d 端面不平滑 光纤纵向连接的有效性可用传输系数T来表示。T = / 模场半径分别为s1, s2的两条单模光纤在不同状况下的传输系数。 存在纵向间隙时的功率传输系数T = 4(4²1²2²)/4²+(s1²2²)2²²+4²s2²1²4-9当 = 0时，即光纤间的间隙为0，那么： T = T0 = (2s1s2)²/(s1²2²)² 4-10存在横向位移时的传输系数T = T0-2d²/(s1²2²) 4-11 当s12 时:T = (- d²²) 4-12存在倾斜角时的传输系数T = T0 -(k0n2s1s2)²/2(s1²2²) 4-13k0 = 2/n2光纤包层折射率9.透镜耦合式光纤连接器有那几种形式？透镜耦合式连接器有如下三种形式： a薄球面透镜式b球或柱面式 c自聚焦棒透镜式 图4-15 透镜耦合式连接器的形式10. 2×2定向耦合器的构造及工作原理？ 图4-21 2×2定向耦合器2×2定向耦合器是最根本的耦合器，是用两光纤的芯子尽量靠近制作而成的。方法：侧面研磨法, 熔锥法 2×2定向耦合器的工作原理：靠倏逝场的作用而工作的。侧面研磨法制作时两光纤间的距离计算：dZ= d0 + 2RR² + Z² 4-34 d0 两光纤的最小间距光纤轴线的弯曲曲率半径Z耦合长度坐标11. 如何用2×2定向耦合器测定光纤故障点的位置？如下图。测试系统由光源及脉冲驱动电路, 2×2定向耦合器, , 示波器组成。半导体激光器输出光脉冲，在光纤中传输到故障点时产生局部反射，测量反射脉冲的延迟时间就能计算出故障点的位置L。×2及其脉冲驱动电 路tL同步信号示波器2×2定向耦合器至断点的距离光纤 断点 图4-22 光纤故障点的测试 12有一样频率间隔的8路光信号进入由2×2定向耦合器组成的8×8星形耦合器，绘图说明它是如何合波的？f1f8f1 f1f8F8 8×8星形耦合器 8个输入端8个输出端 每个输入端子1个输入信号 每个输出端子8个输出信号13绘图说明型光滤波器工作原理？腔的构成 体块型腔光滤波器工作原理如下图。反射镜M1, M2间的距离为L, 反射率为r1, r2, 透过率为t1, t2。一平面光波垂直入射到反射镜M1上，此时有局部光反射，局部光进入腔，在腔内经屡次反射及透射后，那么在腔的左右两侧各有一组光束输出。在左方输出的一组光束叫反射光，在右方输出的一组光束叫传输光。两组光束都产生多光束干预，而呈谐振现象，因而具有频率选择特性。因透射型光滤波器运用便利，所以在此探讨传输光。传输光123M1M2反射光平面入射光L 图4-29 F腔滤波原理设入射光的复数振幅为，以t1透过M1进入腔；到M2分成两局部，一局部透出腔外，振幅为1，一局部在M2上反射，留在腔内接着传播。如此进展屡次反射, 折射，形成多束反射光和多束透射光。透射光由复数振幅为1, 2, 3的各次透射光束组成。每次透射光束比前次透射光束在相位上延迟= 2 40 = 4，每次振幅都减小，因此须乘以因子r1r2。令：h = r1r2 4-39那么：1 = t1t2 2 = h 13 = h² 1 4-40透射光的复数振幅为各次透射光的叠加 = 1 + 2 3 += 11+ h²+= 1/(1- h) = t1t2 /(1- h) 4-41 假设r12= r，t12 那么 r² ， t²。在无损耗的状况下 1，那么 /1 4-42输出光强为 = ² = ²/1²+ 4²/2 4-43设腔的功率传输系数为，即输出光强及入射光强之比。那么= / 4-44a由式4-43得²/1²+4²/2 4-44b以1代入，再分子分母除以1²，得：= 1/1 + 41²²/2 4-44c将/2=2代入得= 1/1 +2²²2 4-44d F = R /1最大透过率=1,因此 (2F/²²2=0 ²2=0 2 = q 0,1,2,3 4-45 在多个q值对应的频率上，呈现谐振现象，出现峰值。及峰值对应的频率叫谐振频率。谐振频率或谐振波长可用下式表示: = c 2 4-46 = 2 q 4-47 f由此可以看出：腔具有选频特性，对于某一级谐振频率而言只要调整L即可。14绘图说明波导型MZ光滤波器的构造和工作原理？波导型干预仪的构造原理图见图。 1 L2 1+2 2L1 1+212图4-32波导型干预仪它用两个2×2定向耦合器构成。1, 2是分光比为1：1的2×2定向耦合器，光纤L1, L2的长度不相等，可通过来调整。当从1的输入端同时输入波长为1和2的两个光信号时，在2中会分选出光波1和2，最终从, 端输出。其工作原理及传统干预仪一样。工作原理光纤L1, L2中光波的光程差L为: L = nL1 - L2 4-51 光纤L1, L2中光波的相位差为: = k.L = 2= 2.4-52 相干条件: 2.1 = (21) 4-53 2.2 = 2q 4-54 那么在, 端分别输出f1, f2两个信号。峰值响应频率f1 = (21) c / 2n.L 4-55f2 = q c / 2n.L 4-56峰值间隔 f = f2 - f1 = c / 2n.L 4-57f1f44f4f2ff1, 3, 5, 7f1, 3, 5, 72ff1f5f3f7f1, 5F3, 715. 画出8分波 滤波器组成图 ？f2, 4, 6, 8f2ff5f8 4f4f2ff6f4f8f2, 6F4, 8 图4-34 多级滤波16以光栅方程说明，为什么用闪烁光栅作波分复用器？ 衍射光栅的光栅方程 d×±=±m 4-79各级极大值的位置或方位角，由下式确定： (= ± m ± 4-800，1，2， m = 0，为零级极大值,位于=± 处,零级极大位置只及平面波入射角度有关,及波长无关,即无分光作用. m 0, 由光栅方程(= ± m ± 0，1，2，知: 各次级极大位置及波长有关,而且以零级极大位置为参考点,由短波长向长波长依次散开。此特性叫光栅的角色散特性，是光栅作解复用器的原理。 m越大，级次越高，不同波长的间隔越大，辨别波长的实力越强。 这种光栅制作解复用器的问题是：零级极大集中的光能最多，但无色散作用；次级极大集中的光能最少，但有色散作用。因此，要想即最大利用光能又能分光，必需找寻新的光栅。解决此问题的方案是采纳闪烁光栅。 闪烁光栅又称定向光栅，是一种反射式光栅。其形态及一般光栅不一样。如下图。da 闪烁光栅闪烁光栅的刻痕形态及平面光栅不同，由按肯定要求刻出的反射面组成。它把光能由原来的零级极大移至由刻痕形态确定的反射光方向，从而使及这一级次相应的极大既有大的色散作用，又集中了较强的光能。 图4-28表示了闪烁光栅的截面形态。它以抛光的金属板或镀金属膜的玻璃板为坯，在其上刻出一序列的锯齿状槽面。槽面及光栅宏观外表的夹角叫闪烁角，锯齿周期d为光栅常数，a为光栅长度。闪烁光栅的各级极大值的方向由光栅各槽之间的干预作用确定,不受光栅形态的影响，其光栅方程仍为： ± = ±m 但是,单槽衍射的入射角和发散角就不再以光栅法线而是以光栅槽面法线为参考了。为了区分用带撇的字母表示：+ =±m 4-81 它的中心最大值,满意下式：+ =0 4-82 因而 = - 4-83 可见中心最大出现在反射波的方向。如干预图样中某级次的最大也出现在这个方向，那么可得到加强，称为闪烁。 这就可将光能转移到有色散作用的非零级极大中去。 17电光效应？普克尔效应？克尔效应？ 电光效应 指介质的光参数折射率n随外加电场强度E的变更而变更的现象。即n是E的函数。为探讨便利，常采纳一个叫做介电抗渗系数的参数表示。及n的关系为： =0/=1² 4-91会随外加电场强度E的变更而变更，即是E的函数.二者之间的关系可用下式表示: (E)= (0)+ E + E² (4-92)上式为电光效应数学表达式。第一项(0) = 1²，是未加外电场时的介电抗渗系数值，n是未加外电场时的折射率。第二项E说明及外加电场E呈线性关系，叫普克尔电光效应，相应的系数叫线性电光系数。第三项 E²说明及外电场E的平方成正比，叫做克尔电光效应，相应的系数叫非线性电光系数。对普克尔材料，其(E)的表达式简化为(E) =(0) + E =(0) + (4-93)其中 = E 由可求出相应的n值. = 1 /n +n² - 1 / n² -2³ (4-94)故 n = - n³/2 = - n³2 (4-95)那末 n(E) = n + n = n(1- n²2) (4-96) n 是未加电场时的晶体折射率n是加电场后的晶体折射率变更可见，n(E)也是外加电场的线性函数。当信号电场作为外加电场而变更时，介质的折射率也随着发生线性变更。18体块型相位调制器的构造及工作原理？体块型电光相位调制器如下图。 LLVV光轴 (a) 纵向调制 (b)横向调制 图4-41 体相位调制器 在一块电光晶体的横向或纵向通过电极加上调制电压V，便在晶体中产生电场强度E。由普克尔效应知，在此电场的作用下，晶体的折射率发生变更： n(E) = n + n = n(1- n²2) 当光波通过此晶体时，经受的位相变更为： = k0 n(E) L = L ×n(1- n²2) ×2 /0 =2n 0 - n³ /0 = 0- n³0 (4-97)式中：0 为光波波长；0= 2 n 0，是未加电场时的相位。 上式说明:光波相位及信号电场强度E成正比，受到了信号电场的调制。电场强度E和电压V的关系如下：依据外加电压方式不同其关系式不同横向相位调制：外加电场的方向垂直于光波的传播方向。E和V的关系： E = 横向调制器 (4-98)纵向相位调制：外加电场的方向平行于于光波的传播方向。E和V的关系： E = 纵向调制器 (4-99)半波电压V： 相位变更时所需加的电压。将V代入497: = 0- n³0 可得: = 0- (4-100)那么：横向调制器的半波电压 V = d0 / n³L (4-101)纵向调制器的半波电压 V =0 /n³ (4-102) 19. 何谓相位调制器的半波电压？推导横向相位调制器的半波电压的表达公式？半波电压V： 它定义为: 相位变更时所需加的电压。推导横向相位调制器的半波电压表达公式：V = d0 / n³L横向相位调制器的相位变更表达式为：= 0- n³0 依据定义 n³0 =V = d0³L纵向相位调制器的相位变更表达式为：= 0- n³0依据定义 n³V/0 =V=0³ 20. 波导型干预强度调制器的构造及工作原理？波导型干预仪强度调制器如下图。V0调制光输入光波导型马赫-泽德干预仪调制电极图：波导型干预仪强度调制器 波导型马赫-泽德干预仪强度调制器应用了两个Y形分支作为分波器及合波器。由输入光纤送来的输入光强度为，在输入Y分支按1：1的比例分成两束光信号, 通过干预仪的两臂，并在一个臂上进展相位调制，两臂的输出强度各为2，但两束光信号产生了相位差,其大小为，那么调制器输出端的光强为: = ²(/2) (4-103)传输系数为: = / ²(/2) (4-104)设两臂的相位各为1，2，由于臂1中有相位调制，故 1 = 10 V / V (4-105)10是未加调制电压时的相位。那末, 两臂的相位差为: = 12 = 0 V / V (4-106)第一项0=10 2是未加电压时两臂的相位差，为常数。第二项由调制电压引起，因而正比于电压V。传输系数为： V= ²0/2 V /2 V (4-107) 该调制器可作线性调制器。此时需使0= / 2，因而未加调制信号时 V²/4=1/2 (4-108)以便使其工作于V V曲线的线性段的中点。 由图可知: 变更V, 可使调制器的传输系数在1，0之间转换，构成光开关，或称开关键调制器。21. 体偏振型强度调制器的构造及工作原理？体偏振型强度调制器的构成如下图。它是在两个正交的偏振器之间加一个电控的相位延迟器而成。延迟器的主轴及两偏振器成45º角放置。45º45º主轴偏振方向 图4-45偏振型强度调制器 相位延制器的工作原理: 相位延迟器由各向异性介质构成，其快慢轴上的折射率不同，各为n1, n2；电光系数不同，各为1，2。在外加电场的作用下两方向的折射率各为： n1E= n11 n1³2 (4-109a) n2E= n22 n2³2 (4-109b)在传输L的长度之后，快慢轴方向两个正交模的相位延迟量(差)为： = n1En2E k0L = n1-1 n1³2 - n2 +2 n2³2 k0L=n1n2k0L1 n1³2 n2³k0 L 2 (4-110)半波电压：因为E = ，依据半波电压定义，那么1 n1³2 n2³k0 L 2 = 又 E = V 1 n1³2 n2³L V =0V = d0/1n1³2n2³L (4-111)令 0= k0n1n2L式(4-110)可写成 =0 V / V (4-112)可见上述构造是一个延迟量及外加电压成正比的动态相位延迟器。将上述延迟器如图4-45那样置于两偏振器之间就构成强度调制器。设输入光强为，它将平分到及之成45°角的延迟器快慢轴方向。通过延迟器后这两局部光场的相位差为，如式(4-112)。因此，通过第二偏振器后其输出光强为：I = ² (/2) (4-113)传输系数为V= = ²/2 = ² 0/2 V /2 V (4-114) 当变更V时,传输系数在0，1之间变更。如选择0= / 2，那么0=0.5，在曲线线性段的中点。再使V << V，那么 V= ² /4 V /2V 1/2 - V /2 V 可见，V是V的线性函数，构成线性调制器。22. 偏振限制器构造及工作原理？构造如图4-53所示。它由两个相位波片1和2构成。1是/4波片， 2是/2波片。两波片皆可绕轴旋转，即主轴方向是可变的。通过变更波片主轴的方向可到达变更光的偏振态的目的。 C2/2 B1/4 A光主轴方向y y y yx x图4-53 偏振限制器原理工作原理：假设在A点输入一个随意的椭圆偏振光，要求在C点输出y方向的线偏振光。/4波片会使通过他的偏振光产生/2的相位延迟量，它的作用是变更光主轴到相宜的方向，使随意的椭圆偏振光变为线偏振光。而/2波片，有的延迟量，它的作用是变更光主轴的方向，将随意方向的线偏振光变到指定方向。 如下图，在输入点A，在xoy坐标系中，椭圆偏振光的方位角为，而在坐标系中，椭圆偏振光的方位角为=0，为一正椭圆。通过/4波片后，变成了一束振动方向及x轴成角的线偏振光，再经过/2波片，线偏振光的振动方向及y轴一样，实现了偏振方向的限制。23. 绘图说明光隔离器的构造及工作原理？光隔离器的构造如图4-56所示。它由两个线偏振器中间夹一个法拉第旋转器而成。x 法拉第旋转器y偏振器B返回波 输入波 偏振器A 图4-56 光隔离器原理构造图 工作原理 利用法拉第旋转效应，使通过它的偏振光的振动方向发生旋转。法拉第旋转效应：当在偏振光的传播方向外加磁场时，其偏振方向旋转一个角度： = V是费尔德常数； B是外加磁场的磁感应强度； L是材料厚度。偏振光的旋转方向：不管光的传播方向如何，迎着外加磁场的方向视察，偏振光按反时针方向旋转。而且这种转向性是不行逆的。光隔离器常用钇铁石榴石晶片外加磁场做成。它在长波段有较小的损耗和较大的费尔德常数。偏振器 有一透光轴，凡沿透光轴方向偏振的光就能完全透过，而及之垂直偏振光完全被阻挡。光隔离器的工作原理:偏振器A的透光轴在x方向，偏振器B的光轴及之成45角。法拉第旋转器的旋转角=45。对正向光，入射光经偏振器A，偏振方向沿x轴，经法拉第旋转器反时针旋过45角, 及偏振器B的透光轴方向一样，因而能顺当通过。对反向光，由偏振器B出来的偏振光经法拉第旋转器后仍沿反时针方向转过45角，恰及偏振器A的透光轴垂直，因而完全被阻挡。为便于及光纤耦合，可做成准光纤型或全光纤型。24. 说明掺铒光纤放大器的光放大原理？ 的根本构造如下图。泵浦源滤波器信号光输入光隔离器光隔离器信号光输出掺鉺光纤 图5-1 原理性光路图 为波分复用器，它的作用是将不同波长的泵浦光和信号光混合而送入掺鉺光纤。光隔离器的作用是防止反射光对光放大器的影响，保证系统工作稳定。滤波器的作用是滤除放大器的噪声，提高系统的信噪比。掺鉺光纤在泵浦源的作用下，通过光及工作物质的相互作用，泵浦光将自己的能量转移给信号光而将其放大。的工作原理根本原理： 掺鉺光纤中的鉺是以三价离子的形式参及工作的。光纤中鉺离子参及光放大过程的有三个能带。见图。980 1480 15201570 4I15/2 4I13/2 4I11/2 E1 E3 E2 图5-3 的工作能级E1为基态。E2为受激辐射的高能态。E2到E1放出光子，其频率为h 2 - E1 = 15201570。 所能放大的信号频率即在此范围内。E3 是泵浦的高能级。泵浦光的泵浦作用发生在E3及E1能级之间，泵浦频率为h = E3 - E1。在外界泵浦光的作用下，处于基态的粒子汲取泵浦源的光子，跃迁到E3能级，E3能级上的三价鉺离子通过无辐射形式转移到E2上。E2能级上的粒子寿命较长大于10，简单形成E2及E1能级之间的粒子数反转分布。当粒子从E2转移到E1时，放出光子，对信号光产生加强作用，即光放大。