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标题:
光纤答题
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作者:
碧日空
时间:
2011-10-18 23:00
标题:
光纤答题
一、如图所示，用射线理论分析子午光线在阶跃光纤中的传输原理。
简答：射线光学的基本关系式是反射和折射的菲涅耳定律：
反射临界角：
，相应的光纤端面的入射角为入射临界角。在图中如
光线
1
所示。当子午光线以大于入射临界角从空气入射纤芯端面的入射角时，该光线将
进入包层，并从光纤透射出来被损耗掉，如光线
2
所示。当子午光线以小于入射角从空
气入射纤芯端面的入射角时，
如光线
3
所示，
进入纤芯的光线将会不断在芯包界面间
产生全反射，从而使光波向前传播。
这就是光纤的传光原理。
二、简答下列问题：
1
、什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？
2
、分别说明
G.652
、
G.653
光纤的性能及应用。
1
、简答：
由于光纤中所传信号的不同频率成分，
或信号能量的各种模式成分，
在传输过程
中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。
光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机
理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一
频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。
2
、简答：
G.652
称为非色散位移单模光纤，
也称为常规单模光纤，
其性能特点是：
(1)
在
1310nm
波长处的色散为零。
(2)
在波长为
1550nm
附近衰减系数最小，约为
0.22dB/km
，但
在
1550nm
附近其具有最大色散系数，为
17ps/(nm·km)
。
(3)
这种光纤工作波长即可选在
1310nm
波长区域，又可选在
1550nm
波长区域，它的最佳工作波长在
1310nm
区域。
G.652
光纤是当前使用最为广泛的光纤。
G.653
称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率
分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从
1310nm
位移到
1550nm
，实现
1550nm
处
最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在
1550nm
区域。它非常适合于长距离单
信道光纤通信系统。
三、如图所示，分析说明雪崩光电二极管的工作原理。
简答：雪崩光电二极管如图所示
雪崩光电二极管
:
雪崩光电二极管工作时外加高反向偏压（约
100V
～
150V
），在
PN
结内部形成一高电
场区，入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些
高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产
生新的电子空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子
空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使载流子和反向光生电流迅速增大，这个物
理过程称为雪崩倍增效应，雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管内
部就产生了放大作用。
四、如图所示，分析说明掺铒光纤放大器主要由几部分构成？各部分的作用是什么？
简答：掺铒光纤放大器
掺铒光纤放大器主要由一段掺铒光纤、泵浦光源、光耦合器及光隔离器等构成。采
用掺铒单模光纤作为增益物质，在泵浦光激发下产生粒子数反转，在信号光诱导下实现
受激辐射放大。泵浦光和信号光一起通过光耦合器注入掺铒光纤；光隔离器作用是只允
许光单向传输，用于隔离反馈光信号，提高稳定性。
五、光纤通信系统构成的框图如图所示，分析说明各部分的作用。
光纤通信系统构成的框图
简答：
（
1
）光发信机：
光发信机是实现电
/
光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组成。其功能是
将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，
成为已调光波，然后再将已调
的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
（
2
）
光收信机：
光收信机是实现光
/
电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组成。其功能是将
光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，
然后再将这微弱的电信号经
放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端汲去。
（
3
）
光纤或光缆：
光纤或光缆构成光的传输通路。
其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤
或光缆的远距离传
输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
（
4
）中继器：
中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光
信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。
（
5
）光纤连接器、耦合器等无源器件：
由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和
光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如
1Km
)
。
因此一条光纤线路
可能存在多根光纤相连接的问题。
于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，
对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。
突变型多模光纤的光线传播原理：
光线在光纤端面以小角度
Ø
从空气入射到纤芯（n0
，折射角为
Ø1
，折射后的光线在纤芯直接传播，并在纤芯与包层界面以角度ψ1
入射到包层（n1
）。改变角度
Ø
，不同Ø
相应的光线将在纤芯与包层界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角Øc
，当Ø
<
Øc
时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1
。根据斯奈尔定律得到n0sinØ=n1sinØ1=n1cos
ψ1
。当Ø=Øc
时，相应的光线将以ψc
入射到交界面，并沿交界面向前传播（折射角为90
°
），如光线
2
，当
Ø
>
Øc
时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3.
自愈网：
（1）
二纤单向通道倒换环
：二纤单向通道倒换环如图
8.6
所示。通常单向环由两根光纤来实现，
S1
光纤用来携带业务信号，
P1
光纤用来携带保护信号。
这种环采用“首端桥接，
末端倒换”结构。例如，在结点
A
进入环传送给结点
C
的支路信号
(AC)
同时馈入
S1
和
P1
向两个不同方向传送到
C
点，其中
S1
光纤按顺时针方向，
P1
光纤按逆时针方向，
C
点的接收机同时收到两个方向传送来的支路信号，择优选择其中一路作为分路信号。正常情况下，
S1
传送的信号为主信号。同理，在
C
点进入环传送至结点
A
的支路信号
(CA)
按上述同样的方法传送到结点
A
，
S1
光纤所携带的
CA
信号为主信号。当
BC
结点间的光缆被切断时，两根光纤同时被切断，从
A
经
S1
光纤到
C
的
AC
信号丢失，结点
C
的倒换开关由
S1
转向
P1
，
结点
C
接收经
P1
光纤传送的
AC
信号，从而使
AC
间业务信号不会丢失，实现了保护作用。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。
（
2
）
二纤单向复用段倒换环：
二纤单向复用段倒换环的结构如图
8.7
所示。这是一种路径保护方式。在这种环形结构中每一结点都有一个保护倒换开关。正常情况下，
S1
光纤传送业务信号，
P1
光纤是空闲的。
当
BC
结点间光缆被切断，
两根光纤同时被切断，与光缆切断点相邻的两个结点
B
和
C
的保护倒换开关将利用
APS(Automatic Protection Switching)
协议执行环回功能。例如在
B
结点
S1
光纤上的信号
(AC)
经倒换开关从
P1
光纤返回，沿逆时针方向经
A
结点和
D
结点仍然可以到达
C
结点，并经
C
结点的倒换开关环回到
S1
光纤后落地分路。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。
当
BC
结点间光缆被切断，两根光纤同时被切断，与光缆切断点相邻的两个结点
B
和
C
的保护倒换开关将利用
APS(Automatic Protection Switching)
协议执行环回功能。例如在
B
结点
S1
光纤上的信号
(AC)
经倒换开关从
P1
光纤返回，沿逆时针方向经
A
结点和
D
结点仍然可以到达
C
结点，并经
C
结点的倒换开关环回到
S1
光纤后落地分路。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。
四纤双向复用段倒换环
：通常双向环工作在复用段倒换方式，既可以是四纤又可以是二纤。四纤双向复用段倒换环的结构如图
8.8
所示，它由两根业务光纤
S1
与
S2(
一发一收
)
和两根保护光纤
P1
与
P2(
一发一收
)
构成，其中
S1
光纤传送顺时针业务信号，
S2
光纤传送逆时针业务信号，
P1
与
P2
分别是和
S1
与
S2
反方向传输的两根保护光纤。每根光纤上都有一个保护倒换开关。正常情况下，从
A
结点进入环传送至
C
结点的支路信号顺时针沿光纤
S1
传输，而由
C
结点进入环传送至
A
结点的支路信号则逆时针沿光纤
S2
传输，
保护光纤
P1
和
P2
是空闲的。当
BC
结点间光缆被切断，四根光纤同时被切断。根据
APS
协议，
B
和
C
结点中各有两个倒换开关执行环回功能，从而环工作的连续性得以维持。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。在四纤环中，仅仅光缆切断或结点失效才需要利用环回方式来保护，而如果是单纤或设备故障可以使用传统的复用段保护倒换方式。
（3）
二纤双向复用段倒换环
：在四纤双向复用段倒换环中，光纤
S1
上的业务信号与光纤
P2
上的保护信号的传输方向完全相同。如果利用时隙交换技术，可以使光纤
S1
和光纤
P2
上的信号都置于一根光纤
(
称
S1/P2
光纤
)
中，例如
S1/P2
光纤的一半时隙用于传送业务信号，
另一半时隙留给保护信号。同样，光纤
S2
和光纤
P1
上的信号也可以置于一根光纤
(
称
S2/P1
光纤
)
上。这样
S1/P2
光纤上的保护信号时隙可以保护
S
2/P1
光纤上的业务信号，
S2/P1
光纤上的保护信号时隙可保护
S1/P2
光纤上的业务信号，于是四纤环可以简化为二纤环，如图
8.9
所示。当
BC
结点间光缆被切断，二根光纤也同时被切断，与切断点相邻的
B
和
C
结点中的倒换开关将
S1/P2
光纤与
S2/P1
光纤沟通，利用时隙交换技术，可以将
S1/P
２光纤和
S2/P1
光纤上的业务信号时隙转移到另一根光纤上的保护信号时隙，于是就完成了保护倒换作用。
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