1、原榮 編著光纖通信（第3版）第2章 復習思考題參考答案2-1 用光線光學方法簡述多模光纖導光原理答：現以漸變多模光纖為例，說明多模光纖傳光的原理。我們可把這種光纖看做由折射率恒定不變的許多同軸圓柱薄層na、nb和nc等組成，如圖2.1.2（a）所示，而且。使光線1的入射角qA正好等于折射率為na的a層和折射率為nb的b層的交界面A點發生全反射時臨界角，然后到達光纖軸線上的O'點。而光線2的入射角qB卻小于在a層和b層交界面B點處的臨界角qc(ab)，因此不能發生全反射，而光線2以折射角qB' 折射進入b層。如果nb適當且小于na，光線2就可以到達b和c界面的B'點，它正

2、好在A點的上方（OO'線的中點）。假如選擇nc適當且比nb小，使光線2在B'發生全反射，即qB' >qC(bc) = arcsin(nc/nb)。于是通過適當地選擇na、nb和nc，就可以確保光線1和2通過O'。那么，它們是否同時到達O'呢？由于na>nb，所以光線2在b層要比光線1在a層傳輸得快，盡管它傳輸得路經比較長，也能夠趕上光線1，所以幾乎同時到達O'點。這種漸變多模光纖的傳光原理，相當于在這種波導中有許多按一定的規律排列著的自聚焦透鏡，把光線局限在波導中傳輸，如圖2.1.1（b）所示。圖2.1.2 漸變（GI）多模光纖減小模

3、間色散的原理2-2 作為信息傳輸波導，實用光纖有哪兩種基本類型答：作為信息傳輸波導，實用光纖有兩種基本類型，即多模光纖和單模光纖。當光纖的芯徑很小時，光纖只允許與光纖軸線一致的光線通過，即只允許通過一個基模。只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖。用導波理論解釋單模光纖傳輸的條件是，當歸一化波導參數（也叫歸一化芯徑）時，只有一種模式，即基模（即零次模，N = 0）通過光纖芯傳輸，這種只允許基模傳輸的光纖稱為單模光纖。2-3 什么叫多模光纖？什么叫單模光纖答：傳播數百到上千個模式的光纖稱為多模（MultiMode，MM）光纖。2-4 光纖傳輸電磁波的條件有哪兩個答：光纖傳輸電磁波的條件除滿足光線在纖

4、芯和包層界面上的全反射條件外，還需滿足傳輸過程中的相干加強條件。2-5 造成光纖傳輸損耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小損耗在什么波長范圍內答：引起衰減的原因是光纖對光能量的吸收損耗、散射損耗和輻射損耗，如圖2.3.1所示。光纖是熔融SiO2制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、散射和波導缺陷等機理產生功率損耗，從而引起衰減。吸收損耗有純SiO2材料引起的內部吸收和雜質引起的外部吸收。內部吸收是由于構成SiO2的離子晶格在光波（電磁波）的作用下發生振動損失的能量。外部吸收主要由OH離子雜質引起。散射損耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纖制造過程中材料密度的不均勻（造成折射率不均勻

5、）產生的。非線性散射損耗：在DWDM系統中，當光纖中傳輸的光強大到一定程度時就會產生受激拉曼散射、受激布里淵散射和四波混頻等非線性現象，使輸入光能量轉移到新的頻率分量上，產生非線性損耗。減小OH離子雜質和提高光纖制造過程中材料密度的均勻性可以減小光纖的損耗。為了減小非線性散射損耗，可以使每個WDM信道的光功率不要太強。最小損耗在1.55mm波長附近。2-6 什么是光纖的色散？對通信有何影響？多模光纖的色散由什么色散決定？單模光纖色散又有什么色散決定答：色散是由于不同成分的光信號在光纖中傳輸時，因群速度不同產生不同的時間延遲而引起的一種物理效應。光信號分量包括發送信號調制和光源譜寬中的頻率分量，

6、以及光纖中的不同模式分量。如果信號是模擬調制，色散限制了帶寬。如果信號是數字脈沖，色散使脈沖展寬。對于多模光纖，主要是模式色散。對于單模光纖，由于只有一個模式在光纖中傳輸，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散。對于制造良好的單模光纖，偏振模色散最小。在DWDM和OTDM系統中，隨著光纖傳輸速率的提高，高階色散也必須考慮。2-7 光纖數值孔徑的定義是什么？其物理意義是什么答：數值孔徑（Numerical Aperture，NA）定義為 （2.2.3）式中，為纖芯與包層相對折射率差。用數值孔徑表示的子午光線最大入射角amax是（時） （2.2.4）角度2amax稱為入射光線的總接收角，它與

7、光纖的數值孔徑和光發射介質的折射率有關。NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA（或amax）越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對無損耗光纖，在amax內的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛能力越強，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經光纖傳輸后產生的輸出信號展寬越大，因而限制了信息傳輸容量，所以要根據使用場合，選擇適當的NA。圖2.2.1 光纖傳輸條件2-8 單模光纖的傳輸特性用哪幾個參數表示答：單模光纖的傳輸特性有衰減、色散和帶寬。在傳輸高強度功率條件下，則還要考慮光纖的非線性光學效應。2-9 多模光纖有哪兩種？單模光纖又有哪幾種答：多模光纖有折射率階躍光

8、纖和漸變光纖。單模光纖有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657光纖和色散補償光纖。2-10 簡述G.652、G.653、G.654、G.655、G.656和G.657各型號光纖的特征答：G.652標準單模光纖是指零色散波長在1.3 mm窗口的單模光纖，它屬于第一代單模光纖，其特點是當工作波長在1.3 mm時，光纖色散很小，系統的傳輸距離只受一個因素，即光纖衰減所限制。但這種光纖在1.3 mm波段的損耗較大，為0.30.4 dB/km；在1.55 mm波段的損耗較小，為0.20.25 dB/km。這種光纖可支持用于在1.55 mm波段的2.5 Gb/s的

9、干線系統，但由于在該波段的色散較大，若傳輸10 Gb/s的信號，傳輸距離超過50 km時，就要求使用價格昂貴的色散補償模塊，另外由于它的使用也增加了線路損耗，縮短了中繼距離，所以不適用于DWDM系統。G.653光纖是一種把零色散波長從1.3 mm移到1.55 mm的色散移位光纖，它屬于第二代單模光纖。G. 654光纖是衰減最小光纖，該光纖具有更大的有效面積（大于110 mm2），超低的非線性和損耗，它在1.55 mm波長附近僅為0.151 dB/km，可以盡量減少使用EDFA的數量，并具有氫老化穩定性和良好的抗輻射特性，特別適用于無中繼海底DWDM傳輸。G. 65

10、4光纖在1.3 mm波長區域的色散為零，但在1.55 mm波長區域色散較大，為1720 ps/(nm×km)。G. 655光纖是非零色散光纖，它實質上是一種改進的色散移位光纖，其零色散波長不在1.55 mm，而是在1.525 mm或1.585 mm處。在光纖的制作過程中，適當控制摻雜劑的量，使它大到足以抑制高密度波分復用系統中的四波混頻，小到足以允許單信道數據速率達到10 Gb/s，而不需要色散補償。非零色散光纖消除了色散效應和四波混頻效應，而標準光纖和色散移位光纖都只能克服這兩種缺陷中的一種，所以非零色散光纖綜合了標準光纖和色散移位光纖最好的傳輸特性，既能用于新的陸上網絡，又可對現

11、有系統進行升級改造，它特別適合于高密度WDM系統的傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統的最佳傳輸介質。G.656光纖是寬帶全波光纖，它是把1 380 nm波長附近的OH離子濃度降到以下，消除了1 3601 460 nm波段的損耗峰，使該波段的損耗也降低到0.3 dB/km左右，使S+C+L波段均可應用于DWDM光纖通信。 圖2.4.1 光纖的損耗譜和工作窗口G. 657光纖是一種具有小的模場直徑（MFD）和具有比較大的纖芯/包層折射率差的光纖，它對彎曲不敏感，可以在入戶環境下擁擠的管道中，或者經過多次彎曲后固定在接線盒和插座等狹小空間的線路終端設備中使用。2-11 用后向散射法測量光纖損

12、耗的根據是什么？答：瑞利散射光功率與傳輸光功率成正比，后向散射法就是利用與傳輸光方向相反的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數的。圖2.7.2為用后向散射法測量光纖損耗系數的原理圖。設在光纖中正向傳輸光功率經過長和的兩段光纖傳輸后反射回輸入端的光功率分別為和，如圖2.7.2（b）所示。經分析推導可知，正向和反向損耗系數的平均值為圖2.7.2 后向散射法（OTDR）測量光纖損耗系數（dB/mW） （2.7.2）2-12 從物理概念來看，色散、脈沖展寬和光纖帶寬三者之間的關系是什么答：由于光纖色散，光脈沖經光纖傳輸后使輸出脈沖展寬，從而影響到光纖的帶寬。高斯色散限制的光帶寬為 （2.3.31）式中，（GHz）。由式（2.3.31）可知，光纖帶寬和色散引起脈沖展寬的關系是。2-13 簡述光時域反