光纤光学_刘德明_光电学院二00一级《光纤光学》期末考试试卷

光电学院二00一级《光纤光学》期末考试试卷（半开卷）

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一、选择题  （从下列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。每小题2分，共12分）

（D）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

（ABD）2 常规单模光纤的三个工作窗口是：

          A、0.85μm；  B、1.31μm；  C、1.40μm；  D、1.55μm

（D）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

（D）4 数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？

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益越高；

D、NA越大，多模光纤的模式色散越小

（B）5  有关光纤的色散曲线，下列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

（A）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

二、填空题  （共10分）

1  光纤由纤芯、包层、套层三层构成，其中 套层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»λ（或远大于工作波长）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越大，其收光能力越强。

3 光纤的色散主要有模式色散、材料色散、波导色散三种形式。

4  单模光纤的芯径比多模光纤的芯径细。对于相同材料、相同折射率差的多模光纤，芯径越细，模式数目越少。

5  光纤中导模传播常数β的取值范围为 n2k0<β< n1k0 。弱导光纤的弱导条件为 n1≈n2。

三、简答题  （回答要点，并简明扼要作解释。每小题5分，共20分）

1、简述光有源器件与无源器件的定义？

答：光有源器件：需要外加能源驱动才能工作的器件；

光无源器件：无需外加能源驱动即能工作，通过本身的结构特性即能实现某些光学功能的器件。

2、某种光纤的截止波长为1.5um，请问当入射波长为1.3um和1.65um时，光纤里传输的是单模还是多模？

答：入射波长为1.3um和1.65um时分别传输的是单模与多模。

3、画出LP4，5模式的模斑图

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=1.5，Δ=0.001，纤芯直径2a=50μm，当用波长λ0=0.85μm的光激励时，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=1.5，工作波长λ0=1.3μm，芯径2a=10μm，若要保证单模传输，则对相对折射率差Δ有何要求？（共8分）

解：<0.0022

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下图所示，试计算：（1）该光纤的截止波长；（2）若该光纤工作波长为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1.379um。

（2）V=3.31584，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分离——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——变量分离，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）

简述光纤应如何发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。