光纤光学练习题.docx

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光纤光学练习题

一、选择题〔以下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的括号内。

每题分，共30分〕

1有关光纤中传输的模式，以下哪一个命题是错误的？

A、对于结构参数给定的光纤，其中传输的模式是唯一确定的；

B、TE01、TM01和HE21模具有相同的截止频率；

C、一个模式都有自己对应的截止频率；

D、HE11模是唯一不能截止的模式。

2光纤中能够支持的模式由光纤波导本身决定，但光纤中能够鼓励出的模式与很多因素有关，问光纤中实际能够鼓励出的模式与以下哪些因素无关：

A、入射光源的光功率；B、入射介质的折射率；

C、光的入射角；D、入射点的位置。

3主模式号为14的模群中所含的精确模式总数为：

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，其主要原因是：

A、光纤的弯曲损耗；B、OH—吸收损耗；

C、过渡金属离子吸收；D、瑞利散射损耗。

5

线偏振模的模斑为：

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光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其中不可能消除的因素是：

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%，该光纤的损耗是

A、；B、；

C、；D、。

8对于1330nm的单模光纤，当入射光中心波长为1550nm，光谱宽度为10nm时，不可能存在的色散是哪一个？

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是光纤的一个重要参数，以下哪些命题是错误的？

A、NA越大，光纤的收光能力越大；

B、NA越大，光纤的收光角越大；

C、NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；

D、NA越大，多模光纤的模式色散越小。

10以下光纤的色散，由小到大的排列次序为：

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

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

11以下那一种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有关光纤中的色散论述错误的选项是：

A、色散的存在使光纤通信系统的传输速率降低、传输容量变小；

B、色散位移的目的是使零色散波长与最低损耗波长一致；

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

D、通过适当调整光纤波导的结构参量可使波导色散和材料色散互相抵消。

13以下关于自聚焦透镜论述错误的选项是：

A、节距的GRIN的物方焦点在透镜入射平面上

B、节距的GRIN，同一点离轴入射，出射仍为平行光线

C、节距的GRIN，不同入射点的斜平行线入射，出射位置不同；

D、自聚焦透镜的长度一般以节距来表示。

14以下光波长不属于通常所说的光纤的三个传输窗口是：

A、μm；B、μm；C、μm；D、μm。

15有关光纤，以下命题哪个是错误的：

A、工作在1310nm波长时，损耗是通信容量的主要限制因素；

B、工作在1550nm波长时，色散是通信容量的主要限制因素；

C、工作在1550nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素；

D、工作在850nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素；

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，以下那一种说法是错误的：

A、光纤间的连接损耗与光的传输方向无关；

B、对于单模光纤，模场半径的不匹配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、多模光纤的连接损耗可用几何光学进行分析计算。

18有关光纤光栅的命题，哪一个是不对的：

A、光纤光栅的理论根底是模式耦合理论；

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的增益均衡；

D、Bragg光纤光栅可应用于光纤激光器中。

19光时域反射仪〔OTDR〕不能够完成的功能有：

A、光纤端面的判断；B、光纤色散大小的测量；

C、光纤断点的判断；D、光纤长度的测量。

20以下命题哪个是错误的：

A、掺铒光纤激光器中谐振腔是不可缺少的；

B、EDFA与掺铒光纤激光器的工作机理均为受激辐射；

C、EDFA的增益与泵浦功率大小有关；

D、EDFA的增益与信号光功率大小无关。

二、简答题〔每题5分，共20分〕

1、简述光纤中包层存在的必要性。

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和远离截止条件的物理意义。

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，导模场的约束最强，对应于导模远离截止。

3、应用已有的?

光纤光学?

知识，提高光纤通信容量，应如何完善光纤？

答：

可从降低光纤色散的角度分析。

4、画出偏振无关隔离器的结构图，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和互易旋光片后，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的非互易性，反响传输的光无法在输出口合束，因而光的损耗大，无法通过。

三、设计题〔每题10分，共20分〕

1、请用如下器件：

980/1550nm的波分复用耦合器、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，单模光纤假设干米，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的作用，以提高EDFA的工作性能。

2〕光纤环行器

结构如以下图所示：

980nm的泵浦光激发基态电子产生自发辐射，在EDF中激发新的辐射，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的光纤需要测量其长度，现有一段100米可以测试的光纤与需测量的光纤具有相同的参数，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）某一光功率的光源注入待测光纤，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：

所以，L=2.Pout1/Pout2（m）

2）背向散射法

3〕用相同的光源分别输入100米和待测光纤，光源脉宽，分别测得两端光纤输出脉冲展宽值

由于两光纤的色散相等，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发射的周期性矩形脉冲的宽度10ns，测得光脉冲从光纤始端返回光纤始端的时间为3μs，光纤纤芯折射率n1，

〔1〕问此光纤故障点距始端距离有多长？

〔2〕该OTDR判断故障点的误差为多少？

〔3〕假设OTDR能测的损耗范围为32dB,想用它测试78km的光缆线路，光缆的衰减系数为0.3dB／km，问OTDR能否看到末端的衰减曲线？

解：

1〕由L=Ct/〔2n〕=3*108*3*10-6/〔〕=300m

2〕ΔL=CΔt/〔2n〕=+1m

3〕经总的路程损耗为：

0.3dB/km*78*2=46.8dB>32dB

所以OTDR不能看到末端衰减的曲线。

2、某抛物线分布光纤，n1，Δ=，纤芯直径2a=50μm，当用波长λ0μm的光鼓励时，试求：

〔1〕光纤的最大数值孔径；〔2〕光纤的截止波长；〔3〕基模的模场半径；〔4〕模式总数。

1〕GIOF中的局部数值孔径为

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、如以下图所示为X－型光纤耦合器，工作波长为μm。

假设仅由Input1端口注入光功率，从Output1和Output2端口输出的分别为注入光功率的75％和25％。

耦合器的耦合系数为：

，求：

〔1〕在上述耦合分光比下，耦合器的最小耦合长度；〔2〕假设仅从Output1端口注入0dBm光功率，那么从Input1和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和Output2输出多少光功率？

解：

1〕由分光比75%：

25%=3：

1

从“1〞耦合到“2〞的光功率为sin2〔kL〕=〔1-cos〔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）=

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

或P01=0dbm=1mw，Pin1=Po1cos2〔kL〕

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、光纤中的基模能否被截止，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，Δ=，纤芯直径2a=50μm，当用波长λ0μm的光鼓励时，试求：

〔共10分〕

〔1〕包层折射率n2=？

〔2〕光纤的数值孔径NA=？

解：

〔1〕纤芯与包层的相对折射率差

n2=1.4985

〔2〕光纤的数值孔径

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

〔共5分〕

解：

1．65dB/km

3、均匀光纤纤芯折射率n1，工作波长λ0μm，芯径2a=10μm，假设要保证单模传输，那么对相对折射率差Δ有何要求？

〔共8分〕

解：

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以下图所示，试计算：

〔1〕该光纤的截止波长；〔2〕假设该光纤工作波长为1μm，将支持哪些模式传输；在忽略模式相互间的作用和光纤总色散的情况下，试分析这些模式在光纤中传输时的先后次序。

〔9分〕

解：

〔1〕该光纤的截止波长为。

〔2〕，有HE11，HE21，TE01，TM01模式。

模式在光纤中传输时的先后次序为：

跑的最快的为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光纤中模场的求解过程。

〔10分〕

答：

分析思路：

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

电磁场的纵向分量满足波导场方程——变量别离，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——得到纵向场的函数表达式——结合纵横关系式——得到其他场分量的数学表达式。

2、试分析SIOF光纤中各种模式的本征值方程的推导过程。

〔6分〕

答：

分析思路：

TE和TM模式的本征值方程的推导过程可根据边界条件，并结合模式的场分量的特征，得到其本征值方程。

对于HE和EH模式，可根据q参数，得到他们的本征值方程。

六、论述题〔共10分〕

简述光纤应如何开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、什么是光的全反射现象？

答：

当光从折射率高的介质向折射率低的介质行进时，折射光的前进方向将向靠近界面侧偏转。

因此，假设增大入射角，使入射角增大到某一值时，折射光将与界面相平行，此时的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。

关于光的全反射，是从高折射率的介质向低折射率介质入射时才能发生的一种现象。

2、光在光纤中是怎样传播的？

答：

光纤的结构为介质圆柱体，由纤芯和包层组成。

纤芯区域完成光信号的传输；包层是为了将光封闭在纤芯内并保护纤芯，增加光纤的机械强度。

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

3、什么是光纤中的传输模式？

答：

让我们考虑一下两束波产生的干预情况。

如假设这两束波的相位一致，那么这两个波将相互加强，就可以一直传播下去；如假设这两束波的相位不一致，那么它们将彼此削弱直至最后消失。

波的相位是否一致。

这是由波束入射至包层壁的角度决定的。

只有以某些特定角度入射于包层壁的波才能相互得到加强，继续传播至远方。

也就是说，当光线入射至包层壁时，只有光线与包层壁的角度为某些特定值的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的夹角由小至大，分别称为0次模，1次模，2次模......

4、光纤具有哪些参数？

答：

光纤的参数有：

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单模光纤通信系统的线路为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、光纤通信系统的发射光功率为0.1mw，工作速率为100Mb/s，工作于1.31μm，光纤损耗系数为1dB/km，光纤两端的连接器损耗各为1dB，光纤每隔2km的接合损耗为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的衰减？

答案：

因为在多模光纤中传输着大量的模式，各种模式是光功率的携带者，总的光功率是被分配在各传输模式之中的。

不同模式的衰减不同，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、什么是多模光纤的稳态损耗系数？

试写出它的表示式，和它成立条件。

答：

光纤中模式分布稳定时的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、什么是光合波器、光分波器？

答：

光合波器、光分波器是用在波分复用等传输方式中的无源器。

它们可以将不同波长的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的不同波长的复合光信号，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的背向散射光非常微弱，如果不对检测到的返回信号进行求平均的处理，即便是在相同的测试条件下测量相同的光纤，也不可能得到相同的测试结果。

这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的噪声影响所致。

为了能从被噪声所淹没的信号中检测出被测光纤特性的信息，需对光纤上某一点的背向散射光信号作屡次测量，取其数据的平均值作为测定值，这就是平均化处理。

一．选择题〔从以下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的括号内。

答案选错或未选全者，该题不得分。

每题2分，共16分〕

1．光纤通信的三个工作窗口中，对于常规光纤，最低损耗窗口是______

　　A、0.85μm　B、1.31μm　C、1.40μm　D、1.55μm

2．常规单模光纤的三个工作窗口是_______

　　A、B、1.31μm　C、D、1.55μm

3．光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其中不可能消除的因素是_______

　　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是光纤的一个重要参数，以下哪些命题是错误的?

________

　　ANA越大，光纤的收光能力越大

　　BNA越大，光纤的收光角越大　

　　CNA越大，光源与光纤的耦合效益越高

　　DNA越大，多模光纤的模式色散越小

5．有关光纤的色散曲线，以下哪一个命题是错误的______

　　A、一个模式都有自己对应的截止频率

　　B、光纤归一化频率V越大，光纤中存在的模式越少　

　　C、HE11模是唯一不能截止的模式

　　D、紧邻HE11模的高阶模是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的光脉冲，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的最大时延差Δτm为多少ns/km？

_______

　　A、68B、40　C、D、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．相干光波必须满足的条件包括______

　　A、相干光波的频率必须相同B、相干光波的相位差必须恒定　

　　C、相干光波的振动方向必须一致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，其中一般由高损耗的材料制成，起到保护光纤的作用。

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

光纤的数值孔径NA，其收光能力越强。

　　3．光纤的色散主要有、、三种形式。

　　4．单模光纤的芯径比多模光纤的芯径。

对于相同材料、相同折射率差的多模光纤，芯径越细，模式数目越。

　　5．光纤中导模传播常数β的取值范围为。

弱导光纤的弱导条件为。

一．选择题〔以下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的括号内。

每题1分，共10分〕

1．有关光纤中传输的模式，以下哪一个命题是错误的？

是______

　　A、对于结构参数给定的光纤，其中传输的模式是唯一确定的

　　B、TE01、TM01和HE21模具有相同的截止频率

　　C、一个模式都有自己对应的截止频率

　　D、HE11模是唯一不能截止的模式

2．光纤中能够支持的模式由光纤波导本身决定，但光纤中能够鼓励出的模式与很多因素有关，问光纤中实际能够鼓励出的模式与以下哪些因素无关_______

　　A、入射光源的光功率B、入射介质的折射率　

　　C、光的入射角D、入射点的位置

3．主模式号为14的模群中所含的精确模式总数为_______

　　A、14B、26　C、28D、7

4．通常将光纤通信划分为三个传输窗口，其主要原因是________

　　A、光纤的弯曲损耗B、OH—吸收损耗　

　　C、过渡金属离子吸收D、瑞利散射损耗

5．有关光纤的色散曲线，以下哪一个命题是错误的______

　　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．光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其中不可能消除的因素是______

　　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%，该光纤的损耗是______

　　A、B、0.71dB/km　C、D、

8．对于1330nm的单模光纤，当入射光中心波长为1550nm，光谱宽度为10nm时，不可能存在的色散是_______

　　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是光纤的一个重要参数，以下哪些命题是错误的？

________

　　A、NA越大，光纤的收光能力越大B、NA越大，光纤的收光角越大

　　C、NA越大，光源与光纤的耦合效率越高D、NA越大，多模光纤的模式色散越小

10．以下光纤的色散，由小到大的排列次序为______

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

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

一．选择题〔以下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的括号内。

每题1分，共10分〕

1．以下那一种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．有关光纤中的色散论述错误的选项是______

　　A、色散的存在使光纤通信系统的传输速率降低、传输容量变小

　　B、色散位移的目的是使零色散波长与最低损耗波长一致　

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

　　D、通过适当调整光纤波导的结构参量可使波导色散和材料色散互相抵消

3．以下关于自聚焦透镜论述错误的选项是________

　　A0.25节距的GRIN的物方焦点在透镜入射平面上

　　B0.25节距的GRIN，同一点离轴入射，出射仍为平行光线

　　C0.25节距的GRIN，不同入射点的斜平行线入射，出射位置不同

　　D自聚焦透镜的长度一般以节距来表示

4．以下光波长不属于通常所说的光纤的三个传输窗口是______

　　A、B、C、D、

5．有关G.652光纤，以下命题哪个是错误的________

　　A、工作在1310nm波长时，损耗是通信容量的主要限制因素

　　B、工作在1550nm波长时，色散是通信容量的主要限制因素

　　C、工作在1550nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素

　　D、工作在850nm波长时，损耗与色散均是通信容量的主要限制因素

6．标准单模光纤纤芯直径一般为______

　　A、10μm　　B、10nm　　　C、80μm　D100、nm

7．关于光纤连接损耗，以下那一种说法是错误的________

　　A、光纤间的连接损耗与光的传输方向无关

　　B、对于单模光纤，模场半径的不匹配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、多模光纤的连接损耗可用几何光学进行分析计算

8．有关光纤光栅的命题，哪一个是不对的__