第三章 光通信信道
专业通信103班 代高凯 201027209 3-2.什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？
答：光纤按照折射率的分布分类，可分为阶跃光纤和渐变光纤。
(1).阶跃光纤是指在纤芯和包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，折射率分布的表达式为
⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤=2
1)2()1()1()(a r a n a r n n r ，， 阶跃光纤是早起光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤取代，但是它用来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。
(2).渐变光纤是指光纤轴心处的折射率n1最大，而随沿剖面径向的增加而逐渐减小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2
⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤∆-=212
1211)()(21a r a n a r a r n n r ，， 式中，n1为光纤轴心处的折射率；n2包层区域的折射率；a1为纤芯半径；121n n n -=
∆称为相对折射率差。
3-4.什么是单模光纤？什么是多模光纤？
答：光纤按照传播的模式分类，可分为多模光纤和单模光纤。
(1).当光纤的几何尺寸（主要是纤径直径d1）远远大于光波波长（约1μm ）时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。
不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。
这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。
计算多模光纤中除传播模式数量的经典公式为4/2V N =，其中V 为归一化频率。
模式色散会使许多多模光纤的带宽变窄，降低其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。
多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布，即渐变折射率分布，其纤芯直径d1大约为50μm 。
(2)根据电磁场理论与求解麦克斯韦方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与波长相比拟时，如芯径d1在5~10μm 范围，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤，由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信，但是必须满足 归一化频率4048.221
≤=NA a V λπ
光纤的纤芯半径NA
a πλ2024.11≤ 3-7.光纤损耗主要有几种原因？其对光纤系统有何影响？
答：光纤损耗主要包括：
（1）吸收损耗(Absorbtion)—由制造光纤材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根粒子（OH-）等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。
（2）散射损耗(Scattering)—线性散射损耗：任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率呈线性关系，所以称为线性散射损耗，包括瑞利散射和在制造过程导致的波导散射损耗；非线性散射损耗：光纤中存在两种非线性损耗，它们都与石英光纤的震动激发态有关，分别为受激拉曼散射和受激布里渊散射。
（3）弯曲损耗(Bending Losses)—一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲称为微弯。
由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小，光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。
3-8.光纤色散主要有哪几种类型？其对光纤通信系统有何影响？
答：色散是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应，主要包括模式色散、材料色散和波导色散等。
（1）
材料色散 L D m m λλλτ∆=)()(
色度色散
波导色散
单模光纤中的色散
偏振模色散(PMD)
（2）多模光纤中的色散—主要是模式色散，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差，它取决于光纤的折射分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。
最大模式时延差
τθττδτL cn Ln n c L n c L ==-=-=22
111min max /sin // 光纤色散是光纤通信中的一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。
因此，制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。
3-13.某阶阶跃折射率光纤的纤芯折射率n1=1.50，相对折射率差△=0.01，试求：
（1）光纤的包层折射率n2=？
（2）该光纤的数值孔径NA=？
解：
（1）由相对折射率1
21n n n -=∆ 得 485.150.1*)01.01()1(12=-=⋅∆-=n n （2）数值孔径212.001.0*2*50.12sin 12221≈=∆=-==n n n NA c θ。