光纤综合练习题及答案

（适用二年级通信工程专升本、四年级计通移动专科、五年级通信工程本科）

一．填空题

1．光波在均匀介质里，沿-------传播，当光射线遇到两种介质交界面时，将产生------和------现象。

2．所谓的光纤通信是指-----------------------------------------------------------------的一种通信方式。 3．光纤通信的主要优点是-----------------------、--------------------------------、------------------------、----------------------、-----------------------、---------------------。

4．光纤通信与电通信方式的主要差异有两点：--------------------------------------------------------、-----------------------------------------------------------。 5．目前实用的光纤通信系统普遍采用的是----------------------------------------------的光纤通信系统。

6．按照纤芯折射率分布的不同，光纤可分为-------------------和-------------------------。按照传输模式的多少来分，可分为--------------------------------和--------------------------。 7．相对折射指数差的表示式为-------------------------------------。

8．光纤的数值孔径是表示----------------------------------------------------------------------定义式为------------------------。

9．在弱导光纤中，光射线几乎与---------------平行，因此，弱导光纤中的E和H分布是--------------------------------。

10．光纤的径向归一化相位常数U表明------------------------------------------------，而光纤的径向归一化衰减常数W表明----------------------------------------------------------。 11.渐变型光纤的本地数值孔径的定义为

---------------------------------------------------------------------。 12.当光纤中出现--------时，即认为导波截止。

13.平方律型光纤的折射指数表示式为-----------------------------------------------------------。 14.单模光纤是-----------------------------------------------。 15.在标量近似解中，阶跃单模光纤只传输-------------模。 16.光纤的传输特性有--------和---------。

17.光纤色散包括---------、---------和------------。

18.电子在不同能级上占据的几率服从-------------------统计分布规律，即--------------------------。 19.谐振腔的谐振条件是-----------------。 20.激光器的阈值条件是---------------。

21.光纤通信中半导体光源的主要作用是----------------，常用的种类有-------和-------。 22.LED和LD相比没有---------------------，发出的光为---------------。 23.光源的调制分为---------------和---------------。

24.常用的线路码型有---------、----------、----------、----------。

25.光电检测器在光纤通信系统中的作用是-----------，常采用的半导体光电检测器为------、--------。

26.暗电流是指--------------------------------------------------------------------------。 27.光电检测器的主要技术指标有----------、-----------、----------、----------。

28.光电检测器引入的噪声有------------------、-----------------------、---------------------------------。 29.响应度R0和量子效率η之间的关系式为---------------------。

30.PIN管在二极管的PN结上加-----------------------、LD和LED加------------------------。 31.监控系统为------------、-----------------和-------------------系统的简称。

32.常见的光纤局域网拓扑结构有---------------、---------------------和-------------------。

33.光纤数字传输系统的误码性能用----------------来描述，定义为----------------------------------------------------。

34.可靠性是指---------------------------------------------------------------------------------------------。 35.产品的可靠度是指产品在-----------------------------------------------------------------------。 36.要达到稳态模分布需要配置的设备有-----------------、-------------------、-------------------------。 37.所谓光纤损耗是指----------------------------------------------------------------------------、通常用----------------表示，衰减系数的定义为------------------------------------------。

38.光纤损耗的测量方法有----------------、-------------------、----------------------------。 39.色散系数的定义式为-----------------------------。

40.光端机光接口的测试指标有--------------------------------------、------------------、------------------------、---------------------。

41.光纤通信系统测量的指标有-----------和--------------。

42.抖动性能指标有-----------------、-----------------------------------------、----------------------。 43.光放大器可分为--------------------------------和----------------------------。

44.光纤通信复用技术主要分为-----------------------和---------------------------两大类。

二．画图题

1.画出光纤数字通信系统的组成

2.画出半导体激光器的P-I曲线，并解释其含义。

3.画出光发射机原理方框图，并说明各部分的主要功能。 4.画出LD进行数字信号内调制原理图。 5.画出LED进行数字信号内调制原理图。

6.画出光接收机的组成方框图，并说明各部分的主要功能。 7.画出中继器组成方框图，并说明各部分功能。 8.画出OTDR原理图，并解释各部分的作用。

9.画出EDFA的结构示意图，并描述各部分的主要作用。

三．回答问题

1. 什么是导行波，什么是辐射波？

2. 什么是全反射，全发射的条件是什么?

3.证明：阶跃型光纤的数值孔径等于最大入射角的正弦

4． 什么是弱导光纤，为什么标量近似解只适用于弱导光纤？ 5． 什么说采用渐变型光纤可以减小光纤的色散？ 6． 什么是自聚焦现象？

7．说明造成光纤损耗的原因。

8．说明色散的概念及可用什么方法来描述。

9．解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散。 10．什么是色散位移单模光纤。 11．什么是非零色散光纤。

12．什么是色散平坦光纤。 13．什么是色散补偿光纤。

14．光与物质间的作用有哪三种基本过程。 15．自发辐射的光有什么特点。

16．受激辐射发光有什么特点，什么叫全同光子。 17．什么叫粒子数反转分布。

18．构成激光器必须具备什么条件。

19．异质结激光器是怎样降低阈值电流的。 20．说明半导体激光器产生激光的机理。

21．解释激光器模式的含义，何为单纵模激光器。 22．试比较LD与LED的工作特性和特点。 23．选择码型应满足的主要要求是什么。 24．对光发射机有哪些要求

25．说明光接收机前置放大器与主放大器功能区别。 26．什么是光接收机的灵敏度和动态范围。 27．简述半导体的光电效应。

28.说明光纤监控系统中，监控信号的传输方式有哪些。 29.说明光中继器的功能。

30.说明抖动的定义及描述方法。

31.说明故障率、平均无故障时间、可用率、失效率的定义。 32.DM、SES、ES这三个参数的平均时间百分数是如何定义的。 33.掺铒光纤放大器的主要优点是什么。 34.简述EDFA的工作原理

35.什么是波分复用技术，什么是密集波分复用。

36.光波分复用的系统结构有哪些，各具有何优缺点。 37.简述光波分复用通信技术的特点。 四．计算题

1.均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1=1.5,n2=1.45 试计算： (1)光纤芯与包层的相对折射率差。 (2)光纤的数值孔径。

2.已知均匀光纤芯的折射率n1=1.5，相对折射率差△= 0.01，芯半径a=25m,试求： (1)LP11模的截止波长。

(2)若0=1m，计算光纤的归一化频率V以及其中传输模的模数量。 3.阶跃光纤，若n1=1.5，0=1.3m 计算：

(1)若△= 0.25，为了保证单模传输，其芯径应取多大。 (2)若取a=5m,为保证单模传输，△应取都多大。

4.阶跃光纤的相对折射率△=0.005，n1=1.5,当波长为1.3m时，要实现单模传输，a应小于多少。

5.已知光纤的芯径2a=50m，△=0.01，n1=1.45, 方律型，求导模数目。

6.计算一个波长=1m的光子能量，同时计算1MHz和1000MHz无线电波的能量

=0.85m,若折射率分布为阶跃型和平

7.已知GaAs材料Eg=1.43Ev，求发射波长。

8.已知光功率为23.4*10-3W,光波频率为3.53*1014Hz，求单位时间传输的光子数。

9.有一个DH-GaAs-LD,腔长0.3mm，αi=1/mm,未镀端面的反射率为0.33,求： 当一个端面的反射率提高到100%,阈值系数降低多少。

10.一个SiPIN光电二极管在0.85m波长上的量子效率为0.7，计算它的响应度。

11.光电二极管响应度为0.8A/W，波长为1.3m,计算它的量子效率。

12.已知光纤通信系统光纤损耗为1dB/km，有10个接头，平均接头损耗为0.1dB,光源入纤功率为-4dBm，接收机灵敏度为-45dBm，且无配线架，系统总富余度为7dB，求最大中继距离。

13.设140M/S数字光纤系统发射光功率为-3dBm, 接收灵敏度为-38dBm，系统富余度为4dB，连接器损耗为0.5dB/对，平均接头损耗为0.05dB/km,光纤衰减系数为0.4dB/km，光纤损耗余量为0.05dB/km，计算中继距离L.

14.根据上题的计算结果，设线路码传输速率B=168Mb/s,单模色散系数D=5ps/nm.km,问该系统应采用谱线宽度为多少的多纵模激光器。

15.某光纤通信系统，其发送光功率为-4dBm，光接收机灵敏度为-40 dBm，设备富余度为6 dBm，光缆富余度0.1dB/km，光纤接头损耗为0.2dB/km，且不考虑色散的影响，求当无光缆配线架时，如果希望最长中继距离为60km光缆的衰减系数。

16.一无备用系统的光缆通信系统，在420km内共设10个中继器，各种设备的故障率如下： 设 备 种 类 140MB/s光端机 140MB/s中继器 光缆 供电 故 障 率（fit） 20000（一端） 7000（一线） 200（一公里） 7500（一端） 求：（1）系统总故障率 (2)平均故障时间

(3)若平均故障修复时间为4小时，求系统的失效率。

17.若上题中的系统为1：1的主备系统，在系统发送和接收端各存在一个转换设备，转换设备的故障率为200fit(一端)，平均故障修复时间为4小时，求此系统的失效率。

18.如果在无备用系统情况下，容许5000km光纤通信系统双向全程每年4次全阻故障，那么280km的数字段双向全程每年允许出现的全阻故障是多少次。如果设每年修复时间为6小时，则此数字段的可用率为多少。

19.某光源发出全1码时的功率为 1000μW,全0码时的功率为60μW，若信号为伪随机序列，问光源输出的平均功率和消光比各为多少。

20.若测试出某光端机的接收灵敏度为-50dBm(BER=10-10),则该光端机的最小接收光功率Pr为多少?

21. 已知某光端机的接收灵敏度为-40dBm(BER=10-11)，动态范围为25dB，若接收光功率为2μW，问系统能否正常工作，为什么。

22．某四次群光纤通信系统，若要求平均误码率为10-11，问在5分钟内允许误码的码元数 是多少个。

23．有一三次群光缆通信系统，全长280km，当采用在三次群接口上对端环回，本端测量的方法观测全程24小时误码时，误码仪每秒纪录一次误码，其结果如下表

时间 误码个数 00：00：00 0 ……… ……… 06：00：01 500 06：00：02 1800 06：00：03 2400 06：00：04 2300 时间 误码个数 06：00：05 1200 06：00：06 600 06：00：07 0 …… ……… …… ……. 23：59：59 0 试求：（1）系统的平均误码率

（2）系统的三次群误码性能参数（DM,SES,ES）

西安邮电学院高等函授 《光纤通信原理》综合练习题答案

（适用二年级通信工程专升本、四年级计通移动专科、五年级通信工程本科）

一．填空题

1．直线 反射 折射 2．利用光纤传输光波信号

3．传输频带宽、通信容量大、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、线径细重量轻、资源丰富 4．光作为传输信号、光缆作为传输线路 5．强度调制-直接检波（IM/DD）

6．阶跃型光纤、渐变型光纤，单模光纤、多模光纤 7．n221n22n2

18．光纤捕捉光射线能力的物理量 NAn221n2

9．光纤轴线、一种近似的TEM波

10．在纤芯中，导波沿径向场的分布规律；在光纤包层中，场的衰减规律 11．射入纤芯某点r处的光线的数值孔径。 12．辐射模

13．n(r)n(0)[12(r)21/2a]

14．在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤 15．LP01

16．损耗 色散

17．材料色散 波导色散 模式色散 18．费米-狄拉克 f(E)11e(EEf)/kT

19．fcq2nL 20．G1i2Lln1R 1R221．电光转换 LD LED

22．光学谐振腔 荧光/自发辐射光 23．内调制 外调制

24．mBnB 伪双极性（CMI和AMI） mB1P mB1C 25．光电转换 PIN APD

26．在无光情况下，光电检测器仍有电流输出 27．响应度R0和量子效率η 响应时间 暗电流ID 雪崩倍增因子 过剩噪声系数F(G)

28．量子噪声 暗电流噪声 雪崩管倍增噪声

mB1H 倍增噪声和 29．R0(hf) e30．反向电压 正向偏压 31．监视 监测 控制 32．总线型 环形 星型

33．误码率 BEB=错误接收的码元数/码元传输总数

34．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 35．规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 36．扰模器 滤模器 包层模剥除器

37．光功率随着传输距离的增加而按指数规律衰减 衰减系数 dB/km

38．截断法 插入法 后向散射法 39．P10P(Z1)lg LP(Z2)1d()

Ld40．平均发送光功率 消光比 接收机灵敏度 动态范围 41．误码 抖动

42．输入抖动容限 无输入抖动时的输出抖动容限 抖动转移特性 43．半导体光纤放大器 光纤放大器 44．光波复用 光信号复用 二．画图题 1．P24 2．P92 3．P107 4．P99 5．P98 6．P118 7．P133 8．P190 9．P258

三．回答问题

1．电磁波的能量被限制在波导芯子和芯子附近，并且沿与界面平行的方向传输，被介质表面所导行的电磁波称为导行波，简称导波。平面波入射到两介质分界面，不满足全反射条件，形成部分反射，即一部分能量返回介质1中，另一部分透射到介质2中，将这种波叫做辐射波。

2．在两种介质交界面时，将发射反射和折射，若入射角大于临界角，则电磁波由界面全部反射回第一种物质，由界面全部反射回第一种物质的现象称为全反射。 全反射条件：n1>n2 θ1>θc。 3．P30

0

4．当n1和n2差别极小时的光纤，叫做弱导光纤。因为在弱导光纤中，n1≈n2，θ→90，即光射线几乎与光线轴平行，才可形成导波，可按平行平面波近似处理（TEM波），其极化方向在传输过程中保持不变，因此，可按标量进行处理。非弱导光纤中，极化方向会发生改变，因此不能运用标量近似解。

5．渐变型光纤的折射指数分布不均匀，因此光射线的轨迹将不再是直线，当射线起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。渐变型光纤利用n随r变化的特点，消除了模式色散。 6．渐变型光纤中不同射线，具有相同轴向速度的现象，称为自聚焦现象。 7．吸收损耗：本征吸收，杂质吸收（过渡金属离子和氢氧根离子）。散射损耗：瑞利散射损耗，材料不均匀所引起的散射损耗，非线性散射。

8光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称作色散。色散用时延差来描述。

9．波导色散：是对于光纤某一个模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速度不同而引起的色散。

模式色散：是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数βmn不同，因此群速度不同而引起的色散。 材料色散：是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速度不同引起的色散。

10．色散位移光纤（DSF）就是将零色散点移到1.55μm处的光纤。

11．所谓非零色散光纤是指光纤的工作点不是零色散点。在工作范围内，色散值较小，但不为零。

12．色散平坦光纤（DDF）是指在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性。

13．色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在，而使得光脉冲信号发生展宽和畸变。能够起到这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。 14．自发辐射，受激辐射，受激吸收。

15．所发出光的频率，相位，偏振方向都不相同，是非相干光。 16．（1）发光过程不是自发的，而是收到外来光激发引起的。

（2）所发的光，频率相位，偏振方向，传播方向也相同，称为全同光子，是相干光。 17．高能级的粒子数大于低能级的粒子数。

18．工作物质，能保证粒子数反转分布的激励能源――泵浦源，光学谐振腔。 19．（1）增加了位垒，对载流子进行了限制 （2）在界面上出现了n的突变，限制了光波。

20．当P-N结上外加的正偏压足够大，使注入结区的电子足够多时，由于出现了粒子数反转分布状态，使得P-N结区将出现受激吸收的情况。这时，在与高能级相应的光子的激发下，就将使得高能级上的大量电子跃迁回低能级，同时放出大量的全同光子的光波,这个光波在由P-N结构成的光学谐振腔中来回反射,光强不断增加,经谐振腔选频作用,从而形成激光,谐振腔的两个反射镜,是由半导体材料的天然解理面抛光而成的.

21．激光器光学谐振腔中的电磁场分布状态叫激光器模式.沿光学谐振腔纵向有一系列的电磁场分布,对应于激光器的纵模,只有一个纵模的激光器叫单纵模激光器.

22．a.由于LED是属于自发辐射发光,因此,其谱线宽度要比LD宽的多. LD为受激辐射，线

宽窄。

b.LED是无阈值器件,它随着注入电流的增加,输出光功率近似呈现性的增加,因此,在进.行调制时,其动态范围大,信号失真小. LD为阈值器件。

c.LED发射出的光束的发散角较大,因此,与光纤的耦合效率也较低,一般它只适用于短距离传输, LD与光纤的耦合效率高,适于长距离传输. d..LED比LD的寿命长.

e.激光器的阈值电流随温度变化而变化,而LED是无阈值器件,因此,温度特性较好,一般不需加温控电路,LD需加温控电路. 23 。 a.避免信码流中出现长”0”和长”1”码

b.能进行不中断业务的误码检测. c.尽量减少信码流中直流分量的起伏. 24 。1)光源的发光波长要合适

2)合适的输出光功率

3)较好的消光比 EXT<=10% 4)调制特性好

25．前置放大器低噪声,高增益.

主放大器的作用: 1.将前置放大器输出的信号放大到判决电路所需要的信号电平. 2.它还是一个增益可调节的放大器.

26．光接收机灵敏度这个指标,是描述接收机被调整到最佳状态时,在满足给定的误码指标条件下,接收机接收微弱信号的能力.

光接收机的动态范围,是在保证系统的误码率指标条件下,接收机的最低输入光功率和最大允许输入光功率之差.

27．半导体的光电效应是指如下情况:光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的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的效应。

28． 1)在光缆中设专用金属线传监控信号

2)用光纤传输监控信号，这种方法又可分为如下两种方式 a:频分复用传输方式 ------脉冲调顶方法 b:时分复用方式

29．光脉冲信号从光发射机输出经光纤传输若干距离以后，由于光纤损耗和色散的影响，将使光脉冲信号的幅度受到衰减，波形出现失真。光中继器，用以放大衰减的信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生。

30．抖动又称相位抖动，定时抖动，它是数字传输中的一种不稳定现象，即数字信号在传输过程中，脉冲在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的一种现象。

原则上可以用时间，相位，数字周期来表示，现在多数情况是用数字周期来表示。即一个码元的时隙为一个单位间隔，用符号UI来表示，也就是一个UI就是一个比特传输信息所占的时间。

31．故障率：指正常工作的产品在规定时间t之后，产品中丧失其规定的功能的产品所占比例，故此，有时故障率也称之为失效率。

平均无故障时间：两次故障之间的平均时间，即为平均无故障时间(MTBF) 可用率：指在系统总的工作时间内系统无故障工作时间的百分比 失效率：指在系统总的工作时间内，系统出现故障时间的百分比。 32 。BERav劣于1*10-6的分钟称为劣化分，用DM表示 BERav劣于1*10-3的秒称为严重劣化秒。

把有误码发生的秒称为误码秒。设可用时间为Su秒，在可用时间内,发现共有m个劣化分,n个劣化秒,p个严重误码秒,则(m/MU)*100%,

(n/SU)*100%,(P/SU)*100%分别表示劣化秒,误码秒,严重误码秒的平均时间百分数. 33. 1)工作波长在1.53～1.56μm范围,与光纤最小损耗窗口一致

2)对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低,仅需几时毫瓦,而拉曼放大器需0.5～1W的泵浦源进行激励

3)增益高,噪声低,输出功率大.

4)连接损耗低,因为它是光纤型放大器,因此与光纤连接比较容易,连接损耗可低至0.1dB 34．铒离子有三个能级E1,E2,E3,其中E2为亚稳态。因而在泵浦光的作用下，可实现粒子数反转，当入射光信号的光子能量E=hf=E2-E1时，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形

式跃迁到基态E1上，并辐射出和入射光信号中的光子一样的全同光子，实现了对光信号的放大。图见P259

35．光波分复用是指将两种或多种各自携带有大量信息的不同波长的光载波信号,在发射端经复用器汇合,并将其耦合到同一根光纤中进行传输,在接收端通过解复用器对各种波长的光载波信号进行分离,然后由光端机做进一步的处理,使原信号复原.

当同一根光纤传输的光载波路数更多,波长间隔更小(通常小于0.8nm)时,波分复用系统称为密集波分复用系统.

36．光波分复用通信传输系统有单向和双向两种结构.

单向WDM传输系统的扩容效率高,具有升级效应,同时并不要求对原有的光纤设施进行改动,而单根光纤的双向传输结构,具有简化传输网络等方面的优点. 结构图参见P267

37 。 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 四．计算题 1．n1n22n122221.521.452==0.033

2*1.52NAn1n2=0.384

2．c22a2n113.8m

2.405V2an1n2222an12=33.3

Mmax

V2=554 22.4052n123．a=0.469m

2 4．a2.405=0.06638 0.0022

2an12.4052n12=3.32m

25．V2an1n222an12=37.88

MmaxV2=717 2V2=358 4c6.631034Mmax6．Ehfh3.0108191.98910J 61107．Eg

hc hc1.240.867m Eg1.438．nhfE23.410n=1*10-17 9．

3

G0i1111ln1ln2.85mm12LR1R20.60.331G0i

1111ln1ln4.7mm1 2LR1R20.60.330.33e1.610190.851060.70.48A/W 10．R0hf6.631034310811．

hfR06.63103431080.876.5%

e1.610191.3106 12．L13．

PTPRACTACRMPdAsAf4(45)100.1733km

1L

PTPRACTACRMEPd33840.561.8km

AfAs/LfMc0.050.40.050.1151062.24nm 14．BDL168561106 15．

L60PTPRACTACRMEPd4406 As/LfMc0.10.20.2dB/km

sL200002700010242020075002279000fit111093584小时16．BTBFs279000若MTTR4小时，则q 17．

41.121033584(mn)!(n1)MTTR22q0qsq0qs()qs

m!(n1)!MTBF(1.12103)242006 2.0510910 18．

系统可分为;

5000/280=17.85 18段

则每段每年的全阻故障为 4/18=0.22 次

q0.2260.00015

36524A99.985%

19．PT1/2P1500W

EXT

P0600.06 P1100020．LR10lg(103PR)50

PR0.01W

2106)27dBm 21．10lg(3110DLRLR

LRDLR254015dBm

''-15〉-27〉-40 正常工作

22．139.26410560106110.42

23．

（1） 24小时内总误码为

500+1800+2400+2300+1200+600=8800

BERav88009 2.9610634.36810243600（2） DM门限

34.368106601062062bit

24小时内，DM个数有一个

DM10.069%

2460SES门限

34.36810610334368bit

SES=0

ES的个数为6

ES

6100%6.9103%

243600