光纤通信基本理论
第四章 光纤通信基本理论
一、填空题
1．光纤通信中所使用的光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有(束缚)和传输光的作用。
2．光具有波粒二像性，既可以将光看成光波，也可以将光看作是由光子组成的(粒子流)。
3．波动光学是把光纤中的光作为经典(电磁场)来处理。
4．光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致(信号畸变)的一种物理现象。
5．在数字光纤通信系统中，色散使(光脉冲)发生展宽。
6．波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的(几何结构)所引起的。
7、光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和（折射率扰动）。
8．当光纤中的非线性效应和色散(相互平衡)时，可以形成光孤子。
9．单模光纤的截止波长是指光纤的第一个(高阶模)截止时的波长。
10．单模光纤实际上传输两个(相互正交)的基模。
11、光纤通信是以（光波）为载频，以光纤为（传输媒介）的通信方式。
12、目前光纤通信在（1550nm）波段附近的损耗最小。
13、（数值孔径）表征了光纤的集光能力。
14、G．653光纤又称做色散位移光纤是通过改变折射率的分布将(1310)nm附近的零色散点，位移到(1550)nm附近，从而使光纤的低损耗窗口与零色散窗口重合的一种光纤。
15、G．655在1530-1565nm之间光纤的典型参数为：衰减<（0.25）dB/km;
色散系数在(1-6ps/nm·km)之间。
16、克尔效应也称作折射率效应，也就是光纤的折射率n随着光强的变化而变化的（非线性）现象。
17、在多波长光纤通信系统中，克尔效应会导致信号的相位受其它通路功率的（调制），这种现象称（交叉相位调制）。
18、当多个具有一定强度的光波在光纤中混合时，光纤的（非线性）会导致产生其它新的波长，就是（四波混频）效应。
19、G．652光纤有两个应用窗口，即1310nm和1550nm,前者每公里的典型衰耗值为（0.34dB）,后者为（0.2dB）。
20、单模光纤的（模场直径）是作为描述单膜光纤中光能集中程度的度量。
二、单项选择题
1．将光纤的低损耗和低色散区做到1 450～1 650 rim波长范围，则相应的带宽为( B)THz。
A.2．5 B．25 C．5.0 D．50
2．阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界面上( B )而使能量集中在芯子之中传输。
A．半反射 B．全反射
C．全折射 D．半折射
3．多
模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是( A )的。
A．连续变化 B．恒定不变 C．间断变化 D．基本不变
4．目前，光纤在( B )nm处的损耗可以做到0．2dB／km左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A．1050 B．1550 C．2050 D．2550
5．石英光纤材料的零色散系数波长在( B )nm附近。
A．127 B．1270 C．227 D．2270
6．普通石英光纤在波长( A )nm附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零。
A．1310 B．2310 C．3310 D．4310
7、非零色散位移单模光纤也称为(D )光纤，是为适应波分复用传输系统设计和制造的新型光纤。
A．G．652 B．G．653 C．G．654 D．G．655
8、G.652光纤可以将2.5 Gbit/s速率的信号无电再生中继传输至少（ C ）公里左右。
A、200 B、400 C、600 D、800
9、由于SPM随长度而积累，因而是采用G．652光纤的单波长系统的基本非线性损伤，门限功率大约为（ A ）dBm。
A、18 B、28 C、38 D、48
10、光纤通信的波段在电磁波谱中的（ A ）区。
A、 近红外 B、 远红外 C、 可见光 D、 紫外线
11、一路数字电话所占用的带宽为（ C ）。
A、4Kbit/s B、16Kbit/s
C、64Kbit/s D、256Kbit/s
12、用来描述传输系统可靠性的参数是 （ D ）
A、传输数率 B、频带利用率 C、转换效率 D、误码率
13、单波光纤通信限制中继距离的主要因素是（ C ）
A、数值孔径和模场直径 B、纤芯直径和包层直径
C、 衰减和色散 D、受激散色和克尔效应
14、光时域反射仪工作原理是根据光纤传输中的（ A ）理论来实现其相关
功能。
A、瑞利散射 B、拉曼散射 C、布里渊散射 D、克尔效应
15、表征光纤集光能力的光学参数为（ A ）
A、数值孔径 B、包层直径 C、模场直径 D、纤芯不圆度
16、ITU-T命名色散位移单模光纤为（ B ）光纤。
A、 G..652 B、G..653 C、G. 654 D、G.655
17、ITU-T命名非零色散位移单模光纤为（ D ）光纤。
A、 G.652 B、G..653 C、G.654 D、G.655
三、多项选择题
1．根据光纤横截面折射率分布的不同，常用的光纤可以分成( AB )。
A．阶跃光纤 B．渐变光纤 C．单模光纤 D．多模光纤
2．光纤的损耗因素主要有本征损耗、( ABCD )和附加损耗等。
A.制造损
耗 B．连接损耗 C．耦合损耗 D．散射损耗
3．光纤通信所使用的低损耗窗口是( AC )和1310nm波段。
A．850 nm波段 B．1050nm波段 C．1550 nm波段 D．2650 nm波段
4．根据色散产生的原因，光纤色散的种类主要可以分为( ABC )。
A．模式色散 B．材料色散 C．波导色散 D．偏振模色散
5．单模光纤可以分为( ABCD )。
A．非色散位移单模光纤 B．色散位移单模光纤
C．截止波长位移单模光纤 D．非零色散位移单模光纤
6、光纤是由（ ABC ）构成的圆柱介质光波导结构。
A、纤心 B、包层
C、涂敷层 D、缓冲层
7、光纤分类若按光纤传导电磁波模式数量可分为（ AB ）。
A、单模光纤 B、多模光纤 C、石英光纤 D、套塑光纤
8、G.653光纤可以在1550nm波长的工作区毫无困难地开通长距离（AD）系统，是最佳的应用于单波长远距离传输的光纤。
A、10Gbit/s B、14 Gbit/s C、17 Gbit/s D、20 Gbit/s
9、若按光纤横截面的折射率分类光纤可分为（ CD ）。
A、单模光纤 B、多模光纤 C、阶越光纤 D、渐变光纤
10、光纤通信系统主要是由（ ABC ）构成的。
A、光纤 B、光源 C、光检测器 D、光信号
11、克尔效应也称作折射率效应，在理论上，克尔效应能够引起下面不同的非线性效应，即（ABC）。
A、自相位调制 B、交叉相位调制 C、四波混频 D、受激散射效应
12、光纤衰减常数的常用测量方法有：（ BCD ）。
A、近场扫描法 B、 剪断法 C、插入损耗法 D、背向散射法
13、不是描述光纤的传输特性的参数为（ ABD ）
A、数值孔径 B、包层直径 C、衰减 D、纤芯不圆度
14、光纤的受激散射效应是指（ BC ）。
A、瑞利散射 B、喇曼散射 C、布里渊散射 D、微弯散射
15、引起光纤损耗的因素有（ABCD）
A、吸收损耗 B、散射损耗 C、弯曲损耗 D、微弯损耗
四、判断题
1．光纤是圆截面介质波导。(√)
2.在多模阶跃光纤的纤芯中，光按曲线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。 (×)
3．在渐变光纤中，光射线的轨迹是直线。(X)
4.光纤的折射率分布采取双曲正割函数的分布，所有的子午射线具有完善的自聚焦性质。(√)
5．材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比。(√)
6.偏振模色散是由于实际的光纤总 是存在一定的不完善性，使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数β不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。(√)
7．在高强度电磁场中光纤对光的响应会变成线性。(×)
8.四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。(√)
9．为了保证单模传输，光纤的芯径较小，一般其为4～10?m。(√)
10、由于光纤双折射的存在，将引起光波的偏振态沿光纤长度发生变化。(√)
11、按照ITU-T建议,2M信号的允许频偏范围是±50ppm。 （√）
12、描述光纤的传输特性的参数为衰减和色散。（√）
13、描述光纤的几何特性的参数为纤芯不圆度和包层不圆度。（√）
14、 在1310nm附近损耗值是0.34dB/km左右, 而色散趋于零的单模光纤为G.652光纤。（√）
15、在光纤通信系统中可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。（√）
16、一根光纤可以完成光信号的双向传输。（√）
17、一根光纤中实现两个方向光信号的同时传输，两个方向的光信号应安排在不同波长上。（√）
18、纤双向传输不允许单根光纤携带全双工通路。（×）
19、光波是一种高频电磁波，不同波长（频率）的光波复用在一起进行传输，彼此之间相互作用，将产生四波混频（FWM）。（√）
20、射的结果将导致WDM系统中短波长通路产生过大的信号衰减，从而限制了通路数。（√）
21、利用低色散光纤也可以减少SPM对系统性能的影响。（√）
22、发生拉曼散射的结果将导致WDM系统中短波长通路产生过大的信号衰减，从而限制了通路数。(√)
23、在G.652光纤的1550nm窗口处，光纤的色散系数D为正值，光载波的群速度与载波频率成正比。(√)
24、激光器的功率过大会在光纤中产生非线性效应。 (√ )
25、多模光纤通信的工作波长是在短波长波段，即波长为850nm。(√ )
26、PCM传输方式是指脉冲编码调制时分多路复用方式。(√ )
27、单模光纤通信的工作波长是在长波长波段，即波长为1310或1550nm。(√ )
28、通信光纤的工作波长越长，其固有损耗越小。(√ )
29、风扇故障或机房温度过高，设备散热不好会导致传输设备出现大量误码或业务中断。(√ )
30、非线性折射率和色散的相互作用，可以使光脉冲得以压缩，当二者相互平衡时，可以形成光孤子。(√ )
五、简答
题
1．简述光纤通信的特点。
答：(1)频带宽，通信容量大；
(2)传输损耗低，无中继距离长；
(3)抗电磁干扰；
(4)光纤通信串
话小，保密性强，使用安全；
(5)体积小，重量轻，便于敷设；
(6)材料资源丰富。
2．简述渐变光纤的折射率分布。
答：渐变光纤横截面的折射率分布，包层的折射率是均匀的，而在纤芯占中折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，是非均匀、且连续变化的。
3．简述光纤材料色散的定义及其引起的原因。
答：由于光纤材料的折射率是波长入的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散叫材料色散。材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起的。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样，不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。
4.解释什么是单模光纤的偏振色散 ？
答：所谓单模光纤，实际上传输两个相互正交的基模，在完美的光纤中，这两个模式有相同的相位常数，是互相兼并的。但实际光纤会有椭圆变形和制造过程中的残余应力等问题，这些因素使得两正交基模的传播常数不相等，这种现象叫做光纤的双折射，由于双折射，两模式的群速度不同，从而引起偏振色散。
5.解释什么是光通信中的斯托克频率？
答：当一定强度的光入射到光纤中时，会引起光纤材料的分子振动，低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，前者强度强于后者，两者之间的频
差称为斯托克斯频率。
6.简述光通信中的受激拉曼散射效应
答：当两个频率间隔恰好为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时，低频波将获得光增益，高频波将衰减，高频波的能量将转移到低频波上，这就是所谓的受激拉曼散射（SRS）。
7.在理论上，光通信中的克尔效应能够引起哪些不同的非线性效应？
答：在理论上，克尔效应能够引起下面三种不同的非线性效应，即自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）。
六、论述题
1．阐述光纤受激散射效应的定义、表现形式及其主要区别。
(1)定义。受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。
(2)表现形式。受激散射效应表现形式有两种，即受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子，
同时产生一个能皎为两个光子能量差的另一个能量子。
(3)主要区别。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里 渊散射只发生在后向，受激拉曼散射主要是前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。
2．阐述光纤的折射率扰动所引起的各种非线性效应。
答：折射率扰动主要引起自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)和光孤子形成四种非线性效应。
(1)自相位调制。自相位调制是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光谱展宽，从而影响系统的性能。
(2)交叉相位调制。交叉相位调制是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。交叉相位调制不仅与光波自身强度有关，而且与其他同时
传输的光波的强度有关，所以交叉相位调制总伴有自相位调制。交叉相位调制会使信号脉冲谱展宽。
(3)四波混频。四波混频是指由2个或3个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频对于密集波分复用(DWDM)光纤通信系统影响较大，，成为限制其性能的重要因素。
(4)光孤子形成。非线性折射率和色散问的相互作用，可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。
3、阐述受激拉曼散射与受激布里渊散射的区别。
答：从现象上看，SBS类型于SRS，只是SBS涉及声子振动，而非分子振动。然而实际上两者实际上有三个重要区别，第一，峰值SBS增益比SRS大2个量级；第二，SBS频移(10-13GHz)和增益带宽(20-100MHz)远小于SRS的相应值；第三，SBS只出现在后向散射方向上，其影响要大于SRS。
4、举例说明由SPM引起的非线性影响的结果有几种可能?
答：由SPM引起的非线性影响的结果有两种可能：当使用色散系统D为负的光纤工作区时(例如C．653光纤的短波长侧或工作区色散为负的G.655光纤)，系统色散受限距离变短；当使用色散系数D为正的光纤工作区时(例如C．652光纤、C·653光纤的长波长侧，或工作区色散为正的C．655光纤)，系统色散受限距离反而会延长。
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