《光纤通信》第2章 复习思考题带参考答案

2-1 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？什么是单模光纤？，什么是多模光纤？传输单模的条件？

答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。用导波理论解释单模光纤传输的条件是，当归一化波导参数（也叫归一化芯径）V2.405时，只有一种模式，即基模LP01（即零次模，N = 0）通过光纤芯传输，这种只允许基模LP01传输的光纤称为单模光纤。

答：传播数百到上千个模式的光纤称为多模（MultiMode，MM）光纤。

2-2 光纤传输电磁波的条件有哪两个？

答：光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。

2-3 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么

答：数值孔径（Numerical Aperture，NA）定义为

22NAn1n2n12 （2.2.3）

式中，n1n2n1为纤芯与包层相对折射率差。用数值孔径表示的子午光线最大入射角

max是

sinmaxNA n0sinmaxNA（n01时） （2.2.4）

角度2max称为入射光线的总接收角，它与光纤的数值孔径和光发射介质的折射率n0有关。

NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或max）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚能力越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据使用场合，选择适当的NA。

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图2.2.1 光纤传输条件

2-4 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示

答：单模光纤的传输特性有衰减、色散和带宽。在传输高强度功率条件下，则还要考虑光纤的非线性光学效应。

2-5 多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种

答：多模光纤有折射率阶跃光纤和渐变光纤。单模光纤有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纤和色散补偿光纤。

2-6 造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗在什么波长范围内

答：引起衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗，如图2.3.1所示。光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。外部吸收主要由OH离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。

非线性散射损耗：在DWDM系统中，当光纤中传输的光强大到一定程度时就会产生受激拉曼散射、受激布里渊散射和四波混频等非线性现象，使输入光能量转移到新的频率分量上，产生非线性损耗。

减小OH离子杂质和提高光纤制造过程中材料密度的均匀性可以减小光纤的损耗。为了减小非线性散射损耗，可以使每个WDM信道的光功率不要太强。

最小损耗在1.55m波长附近。

2-7 G.652光纤在1.3 m的损耗是多少？

答：G.652光纤在1.3 m波段的损耗较大，为0.3~0.4 dB/km。

2-8 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决定？单模光纤色散又有什么色散决定？

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答：色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。

对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。在DWDM和OTDM系统中，随着光纤传输速率的提高，高阶色散也必须考虑。

2-9 用后向散射法测量光纤损耗的根据是什么？

答：瑞利散射光功率与传输光功率成正比，后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图2.7.2为用后向散射法测量光纤损耗系数的原理图。

设在光纤中正向传输光功率经过长L1和L2的两段光纤传输后反射回输入端的光功率分别为Pref 1和Pref 2，如图2.7.2（b）所示。经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为

图2.7.2 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数

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P10lgref 1（dB/mW） （2.7.2）

2L2L1Pref 22-10 从物理概念来看，色散、脉冲展宽和光纤带宽三者之间的关系是什么

答：由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。高斯色散限制的光带宽为

f3dB,opln210.1880.188GHz0.75B （2.3.31） 2LDch2πrmsrms式中，rmsLDch（GHz）。由式（2.3.31）可知，光纤带宽和色散引起脉冲展宽的关系是f3dB,oprms0.188。

2-11 简述G.652、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657各型

号光纤的特征

答：G.652标准单模光纤是指零色散波长在1.3 m窗口的单模光纤，它属于第一代单模光纤，其特点是当工作波长在1.3 m时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3 m波段的损耗较大，为0.3~0.4 dB/km；在1.55 m波段的损耗较小，为0.2~0.25 dB/km。这种光纤可支持用于在1.55 m波段的2.5 Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10 Gb/s的信号，传输距离超过50 km时，就要求

图2.4.1 光纤的损耗谱和工作窗口

G. 657光纤是一种具有小的模场直径（MFD）和具有比较大的纤芯/包层折射率差的光纤，它对弯曲不敏感，可以在入户环境下拥挤的管道中，或者经过多次弯曲后固定在接线盒和插座等狭小空间的线路终端设备中使用。

2-12 简述光时域反射计的应用

答：利用光时域反射计不仅可以测量光纤的损耗系数（dB/km）和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上得到了广泛地使用。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。

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