光纤通信习题

Huanyingcankao光纤通信课后习题 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 第一章习题参照答案1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大概是1950年出现的。传输损耗高达1000dB/km左右。2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机将电信号变换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号复原成原始的电信号，达成信号的传送。中继器就是用于长途传输时延伸光信号的传输距离。3、光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信拥有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁扰乱能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节俭有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连结困难，怕水等缺点。第二章光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。纤芯和包层是为知足导光的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵害和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。2．光纤是怎样分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率散布是怎样 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示的？答：（1）按照截面上折射率散布的不同能够将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，能够将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长能够将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T对于光纤种类的建议，能够将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（惯例单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）能够将光纤分为松套光纤和紧套光纤。（2）阶跃型光纤的折射率散布n1ranrran212nm12ra渐变型光纤的折射率散布nrrancra3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA是怎样定义的？两者有何区别？它是用来权衡光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径NAsin0n12渐变型光纤的数值孔径NAsin0n02-nc2n02两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率相关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率相关。数值孔径是权衡光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光芒都能够知足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，进而将光芒束缚在纤芯中沿轴向流传。4．简述光纤的导光原理。答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光芒都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，进而将光芒限制在光纤中流传。5．什么是传导模？推导相位一致条件，并说明其物理意义。答：（1）能在光纤中长距离流传的模式称之为传导模，简称导模。2）AB'k0n1θ2aBA'若：则：ABAB2N（N＝0,1,2）即：k0n1AA2k0n1BB2NN0,1,2根据平面几何知识，可化简为：2k0n1acosNN0,1,23）光波在有限空间流传时，形成驻波。因此，当光波横向流传一个周期时，其波相位变化2π的整数倍，才会相干加强形成驻波，否则相干抵消。6．在平均光纤中，为什么单模光纤的芯径和相对折射率差比多模光纤小？答：光纤单模传输的条件是光纤的归一化频次V要小于次低阶模的归一化截止频次Vc，即：VVc；当VVc时，光纤进行多模传输。Vk0n1a22而n1a2。0因此，单模光纤的芯径a和相对折射率差比多模光纤小。7．平均光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10Km。试求：（1）光纤的相对折射率差；（2）数值孔径NA；（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求裸光纤的NA和相对折射率差。解：（1）＝n12-n221.521.4523.3%2n1221.52（2）NAn121.520.0330.39（3）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则相当于包层的折射率n2=1，则＝n12-n221.521228.1%2n1221.52NAn12而NAsin0最大为1，所以说只需光纤端面的入射角在90O以内，就能够在光纤中形成全反射。8．已知阶跃型光纤，纤芯折射率n1=1.50，相对折射率差=0.5%，工作波长λ0=1.31μm，试求：（1）保证光纤单模传输时，光纤的纤芯半径a应为多大？（2）若a=5μm，保证光纤单模传输时，n2应怎样选择？解：（1）因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频次Vc＝2.405；V2n1a22.4050a2.40502.4051.31m3.34mn1221.5020.5%2（2）若a=5μm，保证光纤单模传输时，V2n1a22.40502.40522.4051.31m20n1a221.505m220.22%2n1-n20.22%2n12n2n1121.5120.22%1.49679．已知抛物线型渐变多模光纤，纤芯轴线处的最大折射率n(o)＝1.50，相对折射率＝5%，纤芯半径2a=50μm，工作波长λ0=0.85μm。试求此光纤可传输的模式数。解：因为：抛物线型渐变多模光纤，α＝2所以：Vc2.40522.40523.4112V2no1a22m1.5025m25%87.63.400.85所以该抛物线型渐变多模光纤为多模传输，可传输的模式数为：NV2287.6219182222210．证明：垂直极化波和水平极化波的反射系数和传达系数的表达式（略）。垂直极化波：Rn1cos1n2cos2n1cos1n2cos2T2n1cos1n1cosn2cos12水平极化波：n2cos1n1cos2Rn1cosn2cos12T2n1cos1n2cosn1cos2111．根据上题证明的结果，推导垂直极化波和水平极化波在全反射情况下介质1和介质2中场的表达式，并简要说明介质1和介质2中波的特点。答：垂直极化波在全反射情况下n12cosjsi2n112n2sin21sin2n1cos1n2cosj2arctgcR2＝1ecos1n1cos1n2cos2n12sin2sin2令：1arctg1cn2cos1则R1ej21在介质1中，既有入射波，又有反射波，并且入射波和反射波电场方向相同，因此合成波可在直角坐标系下展开，并表示为：EE1E1E01ejk1xxejk1zzE01ej21ejk1xxejk1zz2E01cosk1xx1ejk1zz1所以，全反射情况下介质1中波的特点是沿X方向按三角函数规律变化，说明能量在X方向上不流传，波呈驻波散布。沿Z方向呈行波状态，说明合成波是沿Z方向流传的，其相位流传常数为k1zk0n1sin1在介质2中只有传达波：TTej222n1cos1n1cos1n2cos2n1cos1sin21sin2cjarctgecos12n12n22E2E01Tej22ejk2xxejk2zzE01Texejk1zz22n22由于：k2xk0n2cos2jk0n12sin1n1k2zk0n2sin2k0n1sin1k1zn22xknsin2E2E01Te011n1ejk1zz22所以：因此，全反射情况下介质2中波的特点是沿Z方向呈行波散布，且流传常数与介质1n22xk0n1sin21n1中的相同；随X方向变化的因子是e，说明波的幅度随走开界面的距离按指n22数形式衰减，衰减的快慢由参数k0n1sin2决定。1n112．简述TEM波、TE波、TM波、EH波和HE波各自的特点。弱导光纤中存在哪些种类的波？为什么不存在TEM波？答：（1）TEM波的电场和磁场方向与波的流传方向垂直，即在流传方向上既没有磁场分量也没有电场分量，且三者两两相互垂直。TE波在流传方向上只有磁场分量而没有电场分量；TM波在流传方向上只有电场分量而没有磁场分量；EH波在流传方向上既有磁场分量又有电场分量，但以电场分量为主；HE波在流传方向上既有磁场分量又有电场分量，但以磁场分量为主。（2）在弱导光纤中存在TE波、TM波、EH波和HE波四种波型。（3）TEM波在流传方向（Z方向）上既没有电场分量，又没有磁场分量。即Ez＝0、Hz＝0。如果光纤中存在TEM波，则根据Ez、Hz的表达式能够获得A＝B＝0，进而获得Er、Eφ、Hr、Eφ都为零，即光纤中不存在电磁场，所以光纤中根本不存在TEM波。13．模的特性是用哪些参数来权衡的？各描绘的是什么含义？答：模的特性能够用三个特点参数U、W和β来描绘。其中：U表示导模场在纤芯内部的横向散布规律；W表示表示导模场在纤芯外部的横向散布规律；U和W联合起来，就能够完整地描绘导模的横向散布规律。β是轴向的相位流传常数，表示导模的纵向传输特性。14．根据TE0n和TM0n模在弱导光纤中的特点方程J1UK1WUJ0UWK0W证明TE0n和Tm0n模在截止状态下有：J0Uc0证明：根据贝塞尔函数的性质，当W→0时，K0Wln2W111K1W1!212WW模式处于临界状态时，W＝0，对应的径向归一化相位常数记为Uc。J1UcK1W11limlimWUcJ0UcW2lim2W0WK0W0W0WWlnWUcJ0Uc0若Uc＝0，则J1UcJ100，成为不定型，UcJ0Uc0J000所以Uc≠0，只有J0Uc015．根据HEmn模在弱导光纤中的特点方程Jm1UKm1WUJmUWKmW试求：HE11、HE12、HE21和HE22模的归一化截止频次Vc。解：（1）当m＝1时，HE1n在临界状态下的特点方程J0UcK0Wln2limln2limlimWUcJ1UcW0WK1WW01W0WWWUc0J1Uc0即：Uc＝0、3.83171、7.01559、10.17347、13.32369，（2）当m≥2时，HEmn在临界状态下的特点方程m2Jm1UcKm1W1m2!2lim2WUcJmUclim1m1W0WKmWW0Wm1!22W12m1即：UcJmUc2m1Jm1Uc根据贝塞尔函数的递推公式：2mJmUcUcJm1UcUcJm1Uc所以：UcJmUc＝UcJm－2Uc＋UcJmUcUcJm－2Uc0Jm1UcJm100，成为不定型，Uc＝0，则0Jm00UcJmUc所以：Uc≠0，此时只有Jm2Uc0当m=2时，J0Uc0Uc＝2.40483、5.52008、8.65373、11.79153，所以，HE11、HE12、HE21和HE22模的归一化截止频次Vc分别为：HE11模Vc＝0HE12模Vc＝3.83171HE21模Vc＝2.40483HE22模Vc＝5.5200816．根据EHmn模在弱导光纤中的特点方程Jm1UKm1WUJmUWKmW试求：EH11、EH12、EH21和EH22模在远离截止时的径向归一化相位常数U值。解：远离截止时，W→∞。根据：limKmWeWW2WJm1UlimKm1Wlim10UJmUWWKmWWW进而获得：Jm1U0U（EH）＝μ＝5.13562，1121U（EH12）＝μ＝8.4172422U（EH21）＝μ＝6.3801631U（EH22）＝μ＝9.761023217．如果在导弱光纤中存在EH21模，则光纤中起码还存在哪些模式？如果光纤中只让HE11模存在，则光纤的归一化频次V必须知足什么条件？答：如果在导弱光纤中存在EH21模，则光纤中起码还存在HE11、TE01、TM01三种模式。如果光纤中只让HE11模存在，则光纤的归一化频次V必须小于2.40483。18．已知阶跃型多模光纤，其纤芯半径a=8μm，纤芯折射率n1=1.46，相对折射率差=1%，工作波长λ0=1.31μm。试求此阶跃型光纤中可传输哪些模式？解：V221.464m20.017.92n1a21.31m0所以，此阶跃型光纤中可传输HE11、TE01、TM01、HE21、EH11、HE12、HE31、EH21、HE41、TE02、TM02、HE22、EH31、HE51、EH12、HE13、HE32共17种模式。19．光缆的典型构造有哪几种？各有什么特点？答：光缆的基本构造按缆芯组件的不同一般能够分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。层绞式光缆的构造近似于传统的电缆构造方式，加强构件位于光缆的中心，属中心加强构件配置方式，制造较容易，光纤数量较少（比如12芯以下）时多采用这种构造。骨架式光缆中构造简单，对光纤保护较好，耐压、抗弯性能较好，节俭了松套管材料和相应的工序，但也对放置光纤入槽工艺要求高。束管式构造的光缆体积小、重量轻、制造容易、成本低，是更能发挥光纤优点的光缆结构之一。带状式构造光缆是一种空间利用率最高的光缆，优点是可容纳大量的光纤（一般在100芯以上），作为用户光缆可知足需要；同时每个单元的接续能够一次达成，以适应大量光纤接续、安装的需要。20．光缆进潮进水有哪些危害？光缆在构造上是怎样防潮防水的？答：（1）水进入光缆后，会在光纤中产生OH－吸收损耗，使信道总衰减增大，甚至使通信中止；（2）水和潮气进入光缆后，使光纤材料的原子构造产生缺陷，致使光纤的抗拉强度降低；（3）会造成光缆中金属构件的腐化现象，致使光缆强度降低；（4）水和潮气进入光缆后，碰到低温时，水结冰后体积增大，可能压坏光纤。因此为了保证光纤的特性不致劣化，在光纤和光缆构造 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、生产、运输、 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 和维护中都采取了一系列的防水举措。一般直埋光缆从外到内有聚乙烯外护套、金属护层、聚乙烯内护套、防水填充料、光纤松套管、油膏、光纤。21．光缆型号是由哪几部分组成的？答：光缆的型号是由光缆的型式代号和光纤的规格两部分组成，中间用一短线分开。22．辨别光缆型号GYFTY21-12J50/125（30409）BGYZT53-24D8/125（303）A答：（1）GYFTY21-12J50/125（30409）B是非金属加强构件、填充式构造、聚乙烯护套、双钢带铠装、纤维外护层的通信用室外光缆，光缆内有12根芯径/包层直径为50/125μm的二氧化硅系多模渐变型光纤，在1.55μm波长上光纤的衰减系数不大于0.4dB/km，模式带宽不大于900MHz·km，光缆的合用温度范围是-30℃～+50℃。（2）GYZT53-24D8/125（303）A是金属加强构件、自承式填充式构造、单钢带皱纹纵包、聚乙烯外护层的通信用室外光缆，光缆内有24根模场直径/包层直径为8/125μm的二氧化硅系单模光纤，在1.55μm波长上光纤的衰减系数不大于0.3dB/km，光缆的合用温度范围是-40℃～+40℃。第三章光纤的传输特性1．简述石英系光纤损耗产生的原因，光纤损耗的理论极限值是由什么决定的？答：（1）紫外吸收本征吸收红外吸收吸收损耗杂质吸收氢氧根（OH－）吸收过渡金属离子吸收光纤损耗原子缺陷吸收散射损耗瑞利散射损耗构造不完善惹起的散射损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗（2）光纤损耗的理论极限值是由紫外吸收损耗、红外吸收损耗和瑞利散射决定的。2．当光在一段长为10km光纤中传输时，输出端的光功率减小至输入端光功率的一半。求：光纤的损耗系数α。解：设输入端光功率为P1，输出端的光功率为P2。则P1＝2P2光纤的损耗系数10P110lg2P20.3dB/km＝lg10kmP2LP23．光纤色散产生的原因有哪些？对数字光纤通信系统有何危害？答：（1）按照色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。2）在数字光纤通信系统中，色散会惹起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间扰乱，增加误码率，影响了光纤的传输带宽。因此，色散会限制光纤通信系统的传输容量和中继距离。4．为什么单模光纤的带宽比多模光纤的带宽大得多？答：光纤的带宽特性是在频域中的表现形式，而色散特性是在时域中的表现形式，即色散越大，带宽越窄。由于光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散四种，并且模式色散>>材料色散＞波导色散＞极化色散。由于极化色散很小，一般忽略不计。在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。因此，多模光纤的色散比单模光纤的色散大得多，也就是单模光纤的带宽比多模光纤宽得多。5．平均光纤纤芯和包层的折射率分别为n1=1.50，n2=1.45，光纤的长度L=10km。试求：1）子午光芒的最大时延差；2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，求子午光芒的最大时延差。解：（1）MLLLn1n11CCCn2sincn1n110km1.501.503105km11.72s1.45（2）若将光纤的包层和涂敷层去掉，则n2=1.0MLLLn1n11CCCn2csinn1n110km1.501.5025s3105km11.06．一制造长度为2km的阶跃型多模光纤，纤芯和包层的折射率分别为n1=1.47，n2=1.45，使用工作波长为1.31μm，光源的谱线宽度Δλ＝3nm，材料色散系数Dm＝6ps/nm·km，波导色散τ＝w0，光纤的带宽距离指数γ＝0.8。试求：1）光纤的总色散；2）总带宽和单位公里带宽。解：（1）MLn1n112km1.471.471135.2nsC3105km/s1.45n2mDmL6ps/nmkm3nm2km36ps2(mw)2135.220.0362135.2ns总M（2）BT0.4410.4413.26MHz135.2nsBBTL3.2620.85.68MHz7．一制造长度为2km的抛物线型渐变多模光纤，纤芯轴线处的折射率n(0)＝1.5，包层的折射率nC=1.48，使用工作波长为0.85μm，光源的谱线宽度Δλ＝6nm，材料色散系数Dm＝15ps/nmkm·，波导色散τw＝10ps，光纤的带宽距离指数γ＝0.9。试求：1）光纤的总色散；2）总带宽和单位公里带宽。解：（1）n02-nc21.521.4821.34%＝221.522n01Ln(0)212km1.50.01342898psMC23105km/s2mDmL15ps/nmkm6nm2km180ps2(w)28982180102总Mm918ps0.4410.441480MHz（2）BT918psBBTL48020.9896MHz8．某系统使用工作波长λ0＝1.31μm，谱线宽度Δλ＝5nm的光源和长度为3km的阶跃型光纤，其纤芯的折射率n1=1.458，相对折射率差＝0.8%，纤芯半径a＝8μm，光纤的材料色散系数D＝8ps/nm·km，波导色散τ＝0，其带宽速率比为0.8。试求光纤的模式畸变mw带宽和波长色散带宽。解：MLn13km1.4580.8%116.7nsC3105km/sBM0.4410.4413.78MHz116.7nsBc0.4410.4413.68GHzDmL8ps/nmkm5nm3km