2025年光纤光学期末试题及答案

2025年光纤光学期末试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.阶跃折射率光纤中，若纤芯折射率n₁=1.46，包层折射率n₂=1.455，则其数值孔径NA约为（）A.0.12B.0.15C.0.17D.0.202.单模光纤的截止波长λc是指（）A.仅能传输基模的最小波长B.仅能传输基模的最大波长C.多模传输的最小波长D.多模传输的最大波长3.光纤损耗的主要机制不包括（）A.瑞利散射B.受激辐射C.本征吸收D.弯曲损耗4.渐变折射率光纤中，模式色散被有效抑制的主要原因是（）A.纤芯折射率随半径增加而减小B.纤芯折射率均匀分布C.包层折射率高于纤芯D.采用大芯径设计5.若某光纤的色散系数D=18ps/(nm·km)，传输长度L=50km，光源谱宽Δλ=0.8nm，则总色散导致的脉冲展宽Δτ约为（）A.720psB.1440psC.360psD.180ps6.掺铒光纤放大器（EDFA）的最佳工作波长窗口为（）A.850nmB.1310nmC.1550nmD.1064nm7.光纤通信中，LED与光纤的耦合效率通常低于LD，主要因为（）A.LED光谱更宽B.LED输出光为非相干光C.LED发光面积大D.LED功率更低8.单模光纤的模场直径（MFD）与纤芯直径的关系是（）A.模场直径等于纤芯直径B.模场直径小于纤芯直径C.模场直径大于纤芯直径D.无固定关系9.光纤的归一化频率V的表达式为（）A.V=2πa(n₁²-n₂²)/λB.V=2πa√(n₁²-n₂²)/λC.V=πa√(n₁²-n₂²)/λD.V=2πa(n₁-n₂)/λ10.以下哪种效应属于光纤的非线性效应（）A.材料色散B.波导色散C.自相位调制D.模式色散二、填空题（每空1分，共20分）1.光纤的基本结构由内到外依次为______、______和______。2.阶跃光纤中，导光的必要条件是纤芯折射率______包层折射率（填“大于”“等于”或“小于”）。3.单模光纤中仅传输______模式（填写模式名称）。4.光纤损耗的单位通常为______，其定义式为______（用输入功率P₁、输出功率P₂和长度L表示）。5.多模阶跃光纤的模式数量约为______（用归一化频率V表示）。6.光纤色散可分为______、______和______三类。7.光纤的弯曲损耗包括______和______两种类型。8.EDFA的三个主要组成部分是______、______和______。9.光纤传感的基本原理是将被测物理量转换为光的______、______或______等参数的变化。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述阶跃折射率光纤与渐变折射率光纤在导光原理和色散特性上的差异。2.说明单模光纤模场直径（MFD）的物理意义及其对光纤性能的影响。3.分析光纤损耗中瑞利散射的产生原因及与波长的关系。4.比较LED和LD作为光纤通信光源的优缺点。5.解释光纤的“截止波长”概念，并说明其对单模光纤设计的意义。四、计算题（每题8分，共32分）1.已知阶跃光纤的纤芯折射率n₁=1.48，包层折射率n₂=1.46，工作波长λ=1.31μm，纤芯半径a=25μm。计算该光纤的归一化频率V，并判断其传输模式数量（假设V>2.405时为多模）。2.某单模光纤在1550nm处的色散系数D=-20ps/(nm·km)，光源谱宽Δλ=0.5nm，传输长度L=80km。计算色散导致的脉冲展宽Δτ，并说明符号的物理意义。3.一光纤链路中，输入光功率为-10dBm，经过长度为50km的光纤传输（损耗系数α=0.2dB/km），后接EDFA放大器（增益G=30dB）。计算最终输出光功率（单位：dBm）。4.某渐变光纤的最大纤芯折射率n₀=1.5，包层折射率n_c=1.48，纤芯半径a=10μm，工作波长λ=1.55μm。假设折射率分布为平方律分布（g=2），计算其归一化频率V，并估算模式数量。五、综合分析题（共18分）1.（10分）在长距离光纤通信系统中，为何优先选择单模光纤而非多模光纤？结合色散、损耗和带宽特性展开分析。2.（8分）设计一个基于光纤的温度传感系统，需说明选用的光纤类型、光源类型、传感原理及信号解调方法。答案一、选择题1.C（NA=√(n₁²-n₂²)=√(1.46²-1.455²)≈0.17）2.B（单模光纤仅当波长大于截止波长时，才能保证单模传输）3.B（受激辐射是激光器的工作原理，非光纤损耗机制）4.A（渐变光纤通过折射率渐变使不同模式的群速度趋于一致，降低模式色散）5.A（Δτ=|D|×L×Δλ=18×50×0.8=720ps）6.C（EDFA增益峰值在1550nm窗口）7.C（LED发光面积大，与光纤纤芯的模场匹配差，耦合效率低）8.C（单模光纤的模场分布扩展至包层，故模场直径大于纤芯直径）9.B（归一化频率定义式为V=2πa√(n₁²-n₂²)/λ）10.C（自相位调制由光纤非线性折射率引起，属于非线性效应）二、填空题1.纤芯；包层；涂覆层2.大于3.LP₀₁（基模）4.dB/km；α=(10/L)lg(P₁/P₂)5.V²/26.材料色散；波导色散；模式色散7.微弯损耗；宏弯损耗8.掺铒光纤（EDF）；泵浦光源；耦合器9.强度；相位；波长（或频率、偏振态）三、简答题1.导光原理：阶跃光纤依靠纤芯与包层的折射率突变形成全反射导光；渐变光纤依靠纤芯折射率随半径增加而减小，通过连续折射实现模式聚焦。色散特性：阶跃光纤模式色散显著（不同模式传输路径差异大），总色散高；渐变光纤通过折射率渐变使不同模式的群速度接近，模式色散被抑制，总色散较低。2.模场直径（MFD）是描述单模光纤中光场能量分布的有效宽度，反映了基模场在纤芯和包层中的扩展程度。影响：MFD越大，光纤与其他器件（如光源、探测器）的耦合效率越高，弯曲损耗越小；但MFD过大会导致与标准单模光纤的连接损耗增加（模场失配）。3.瑞利散射由光纤材料（如SiO₂）的微观密度起伏引起，属于本征散射。其散射损耗与波长的四次方成反比（α_R∝1/λ⁴），因此短波长（如850nm）的瑞利散射损耗显著高于长波长（如1550nm），这是光纤通信选择长波长窗口的重要原因。4.LED优点：成本低、寿命长、光谱较宽（适用于短距离多模通信）；缺点：输出功率低、相干性差、调制速率低（<100Mb/s）。LD优点：输出功率高、相干性好、调制速率高（可达10Gb/s以上）；缺点：成本高、温度敏感性强、需要严格的驱动电路。5.截止波长λc是单模光纤中高阶模（如LP₁₁）截止的最小波长。当工作波长λ>λc时，仅基模（LP₀₁）传输；λ<λc时，存在多模传输。设计意义：通过控制光纤参数（如纤芯半径、折射率差）使λc小于实际工作波长，确保单模传输，避免模式色散。四、计算题1.归一化频率V=2πa√(n₁²-n₂²)/λ计算n₁²-n₂²=(1.48²-1.46²)=(1.48-1.46)(1.48+1.46)=0.02×2.94=0.0588√(0.0588)=0.2425V=2π×25×10⁻⁶×0.2425/(1.31×10⁻⁶)≈2π×25×0.2425/1.31≈(15.23)/1.31≈11.63模式数量≈V²/2≈11.63²/2≈67.6（取整为68个模式）2.脉冲展宽Δτ=|D|×L×Δλ=20×80×0.5=800ps符号（负号）表示该波长下光纤的色散为正常色散（群速度色散系数β₂<0），即短波长光的群速度大于长波长光。3.光纤传输损耗：α×L=0.2×50=10dB传输后功率：-10dBm-10dB=-20dBmEDFA增益后功率：-20dBm+30dB=10dBm4.平方律渐变光纤的归一化频率V=2πa√(n₀²-n_c²)/λn₀²-n_c²=(1.5²-1.48²)=(1.5-1.48)(1.5+1.48)=0.02×2.98=0.0596√(0.0596)=0.2441V=2π×10×10⁻⁶×0.2441/(1.55×10⁻⁶)≈2π×10×0.2441/1.55≈(15.34)/1.55≈9.89平方律光纤模式数量≈V²/(2g)（g=2时）≈V²/4≈9.89²/4≈24.5（取整为25个模式）五、综合分析题1.长距离通信优先选择单模光纤的原因：（1）色散特性：单模光纤仅传输基模，无模式色散，总色散主要由材料色散和波导色散组成，且在1550nm窗口可通过色散位移光纤（DSF）实现零色散，显著降低脉冲展宽，支持更高传输速率（如10Gb/s以上）。多模光纤存在严重模式色散（不同模式传输时间差大），限制传输距离（通常<2km）。（2）损耗特性：单模光纤纤芯细（约8-10μm），材料纯度高，1550nm窗口损耗可低至0.2dB/km，适合长距离传输。多模光纤芯径大（50-62.5μm），杂质吸收和散射损耗较高，损耗通常>2dB/km。（3）带宽：单模光纤色散小，带宽可达THz·km量级；多模光纤受模式色散限制，带宽仅为GHz·km量级，无法满足长距离高速需求。2.温度传感系统设计：（1）光纤类型：选择单模光纤（如G.652），利用其对温度敏感的相位特性；或采用保偏光纤（PMF），抑制偏振噪声。（2）光源类型：窄线宽激光器（如DFB-LD