2025年光纤通信技术试题及答案

2025年光纤通信技术试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.阶跃型光纤中，若纤芯折射率n₁=1.465，包层折射率n₂=1.460，其数值孔径NA约为（）A.0.121B.0.108C.0.096D.0.0832.以下哪种损耗是单模光纤在1550nm窗口的主要损耗来源？（）A.瑞利散射B.材料吸收C.波导散射D.弯曲损耗3.G.654.E光纤的主要优化目标是（）A.降低1310nm色散B.提高1550nm有效面积C.兼容波分复用D.增强抗弯性能4.光发射机中，直接调制半导体激光器（DML）的主要缺点是（）A.调制速率低B.啁啾效应明显C.功耗过高D.温度敏感性差5.EDFA（掺铒光纤放大器）的最佳泵浦波长通常为（）A.808nmB.980nmC.1310nmD.1480nm6.400G光模块中采用的PAM4调制，其每个符号携带的比特数为（）A.1bitB.2bitC.3bitD.4bit7.相干光通信相比强度调制-直接检测（IM-DD）的核心优势是（）A.成本更低B.对光源线宽要求低C.可同时恢复幅度、相位和偏振信息D.无需色散补偿8.密集波分复用（DWDM）系统中，相邻信道间隔通常为（）A.100GHzB.200GHzC.50GHzD.25GHz9.OTDR（光时域反射仪）通过测量（）来定位光纤故障点A.后向瑞利散射光B.前向散射光C.自发辐射噪声D.受激拉曼散射光10.未来800G光传输系统中，降低功耗的关键技术是（）A.提高调制阶数B.采用硅光集成C.增大发射功率D.简化数字信号处理二、填空题（每空1分，共20分）1.光纤的三个主要低损耗窗口为______nm、______nm和______nm。2.单模光纤的截止波长λc=______（用纤芯半径a、纤芯与包层折射率差Δ、常数V表示）。3.阶跃型多模光纤的最大理论数值孔径NA=______（用n₁、n₂表示）。4.光检测器的响应度R定义为______与______的比值，单位为A/W。5.EDFA的增益介质是______，其工作波长覆盖______nm波段。6.PM-QPSK调制格式中，每个符号同时调制光的______和______，可实现______bit/符号的信息传输。7.相干接收机通常由______、______和模数转换器（ADC）组成。8.光信噪比（OSNR）的定义是______与______在单位带宽内的功率比。9.拉曼放大器的增益基于______效应，其增益波长由______决定。10.5G前传网络中，常用的光纤技术是______，要求传输距离一般不超过______km。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述阶跃型多模光纤的模式色散产生原因及改善方法。2.对比EDFA（掺铒光纤放大器）与拉曼放大器（FRA）的主要区别（至少列出4点）。3.相干光通信中，数字信号处理（DSP）的主要功能有哪些？4.波分复用（WDM）系统中，为何需要搭配使用正色散光纤（如G.652）和负色散光纤（如DCF）？5.100G/400G光模块中，PAM4调制相比NRZ（非归零码）的优势与挑战分别是什么？四、计算题（每题10分，共20分）1.某阶跃型单模光纤，纤芯直径8μm，纤芯折射率n₁=1.460，包层折射率n₂=1.458，工作波长λ=1550nm。计算该光纤的归一化频率V值，并判断是否满足单模传输条件（已知单模光纤截止时V≈2.405）。2.某光接收机的灵敏度为-28dBm（对应误码率1×10⁻¹²），接收光功率为-25dBm时，计算实际接收功率与灵敏度的差值（以dB表示），并说明该差值对系统的意义。五、综合分析题（20分）随着5G、AI等业务发展，光纤通信系统需支持更高速率、更长距离、更低功耗的传输。请结合当前技术趋势，分析以下场景的技术需求与解决方案：（1）数据中心内部短距互联（<2km）；（2）城域骨干网中距传输（50-200km）；（3）长途干线超距传输（>1000km）。答案一、单项选择题1.A（NA=√(n₁²-n₂²)=√(1.465²-1.460²)≈0.121）2.A（1550nm窗口瑞利散射损耗约0.2dB/km，是主要损耗）3.B（G.654.E光纤优化1550nm有效面积，降低非线性效应）4.B（直接调制会引起载流子浓度变化，导致波长漂移即啁啾）5.B（980nm泵浦效率高，1480nm次之）6.B（PAM4有4个电平，2bit/符号）7.C（相干检测可恢复幅度、相位、偏振，支持高阶调制）8.C（DWDM常用50GHz或25GHz间隔，CWDM为20nm）9.A（OTDR利用后向瑞利散射光的时间延迟定位故障）10.B（硅光集成可将激光器、调制器等集成，降低功耗）二、填空题1.850、1310、15502.2πa√(2n₁²Δ)/V（或2πa(n₁√(2Δ))/V）3.√(n₁²-n₂²)4.输出光电流、输入光功率5.掺铒光纤、1530-1565（C波段）6.偏振态、相位、27.90°混频器、平衡探测器8.信号光功率、噪声光功率9.受激拉曼散射、泵浦光波长10.彩光WDM（或灰光+无源波分）、10三、简答题1.模式色散产生原因：阶跃型多模光纤中不同模式的传输路径不同（如子午光线的最大/最小入射角），导致群速度差异，信号脉冲展宽。改善方法：采用渐变型多模光纤（折射率沿径向渐变，使各模式群速度趋于一致）；或使用单模光纤（消除模式色散）。2.主要区别：①泵浦方式：EDFA需980/1480nm泵浦源，FRA利用入射光与泵浦光的受激拉曼散射；②增益位置：EDFA增益集中在掺铒光纤段，FRA增益分布在整个光纤链路；③增益带宽：FRA带宽由泵浦波长决定（可达100nm以上），EDFA带宽约35nm（C波段）；④噪声特性：EDFA有自发辐射（ASE）噪声，FRA噪声较低（仅放大信号，不产生新噪声）；⑤应用场景：EDFA用于集中放大，FRA用于分布式放大（降低非线性效应）。3.DSP主要功能：①色散补偿（补偿光纤正色散引起的信号畸变）；②偏振模色散（PMD）补偿（纠正偏振态随机变化导致的脉冲展宽）；③相位恢复（消除激光器线宽引起的相位噪声）；④时钟恢复（提取信号时钟，同步采样）；⑤前向纠错（FEC）编码/解码（提高系统误码性能）；⑥均衡（补偿光纤非线性效应及器件带宽限制）。4.搭配原因：正色散光纤（如G.652，1550nm色散约17ps/(nm·km)）在传输中会积累正色散，导致信号脉冲展宽；负色散光纤（DCF，色散为-80~-120ps/(nm·km)）可提供负色散补偿。通过级联正色散光纤与DCF，可使整个链路的总色散接近零，避免色散导致的码间干扰（ISI），同时降低非线性效应（如自相位调制SPM）的影响，提升系统传输容量和距离。5.优势：①相同波特率下，PAM4传输速率翻倍（NRZ为1bit/符号，PAM4为2bit/符号），降低对器件带宽的要求（如400GPAM4仅需50GHz带宽，而NRZ需100GHz）；②可兼容现有电接口（如100G电信号通过PAM4调制到25GBaud光信号），降低成本。挑战：①对噪声更敏感（4个电平间隔小，相同信噪比下误码率更高）；②需要更高精度的DAC/ADC（量化位数需≥5bit）；③激光器/调制器的线性度要求严格（非线性失真会导致电平重叠）；④需引入更复杂的DSP（如线性/非线性均衡、前向纠错）。四、计算题1.归一化频率V=2πa√(n₁²-n₂²)/λ已知a=4μm=4×10⁻⁶m，λ=1550nm=1.55×10⁻⁶m，n₁=1.460，n₂=1.458Δ=(n₁²-n₂²)/(2n₁²)≈(1.460²-1.458²)/(2×1.460²)≈(0.005832)/(4.2632)≈0.00137√(n₁²-n₂²)=√(2n₁²Δ)≈√(2×1.460²×0.00137)≈√(0.00583)≈0.0763V=2π×4×10⁻⁶×0.0763/(1.55×10⁻⁶)≈(2×3.14×4×0.0763)/1.55≈(1.917)/1.55≈1.237因V≈1.237<2.405，满足单模传输条件。2.接收功率与灵敏度的差值=(-25dBm)-(-28dBm)=3dB意义：该差值为系统的功率余量（或裕量），用于补偿链路中的额外损耗（如连接器损耗、熔接损耗、光纤老化引起的损耗增加等）。余量越大，系统抗干扰能力越强，长期运行的可靠性越高。五、综合分析题（1）数据中心短距互联（<2km）：需求：超高速（400G/800G）、低功耗、低成本。解决方案：①采用并行多模光纤（MMF）或单模光纤（SMF）；②光模块以硅光集成为主（集成激光器、调制器、探测器）；③调制格式选择NRZ或PAM4（短距下噪声影响小，PAM4可降低带宽需求）；④使用VCSEL（垂直腔面发射激光器）+多模光纤（850nm）或DFB（分布反馈激光器）+单模光纤（1310nm）；⑤支持CPO（共封装光学）技术，缩短电互连线，降低功耗。（2）城域骨干网中距传输（50-200km）：需求：高速率（100G-400G）、适中距离、低运维成本。解决方案：①采用DWDM技术（50GHz/25GHz信道间隔）提升容量；②光放大器以EDFA为主（C/L波段），搭配拉曼放大器（FRA）扩展带宽；③调制格式选择PM-QPSK（相位调制+偏振复用，4bit/符号）或PAM4（中短距下成本更低）；④使用色散补偿模块（DCM）或DSP色散补偿（减少光层色散补偿器件）；⑤引入可重构光分插复用器（ROADM）实现灵活调度。（3）长途干线超距传输（>1000km）：需求：超长距离（跨洲/跨洋）、高可靠性、抗非线性。解决方案：①采用超低