2025年高二物理上學(xué)期光纖通信原理探究題一、基礎(chǔ)理論分析題（一）光纖傳輸?shù)奈锢碓砣珒?nèi)反射條件分析某階躍型光纖的纖芯折射率為1.50，包層折射率為1.48，空氣折射率為1.00。（1）計(jì)算光在纖芯-包層界面發(fā)生全內(nèi)反射的臨界角；（2）若光從空氣斜射入光纖端面，求最大入射角（數(shù)值孔徑對(duì)應(yīng)的孔徑角）；（3）若將該光纖浸入水中（水的折射率1.33），分析最大入射角的變化并解釋原因。解析思路：臨界角公式：$\sinC=\frac{n_2}{n_1}$，其中$n_1=1.50$，$n_2=1.48$，代入得$C=\arcsin(1.48/1.50)\approx80.6^\circ$；數(shù)值孔徑$NA=\sqrt{n_1^2-n_2^2}=\sqrt{1.50^2-1.48^2}\approx0.24$，最大入射角$\theta_{\text{max}}=\arcsin(NA/n_0)$，空氣中$n_0=1.00$，故$\theta_{\text{max}}\approx13.9^\circ$；水中$n_0=1.33$，$\theta_{\text{max}}=\arcsin(0.24/1.33)\approx10.4^\circ$，因水的折射率增大，光從光疏介質(zhì)（水）射入光密介質(zhì)（纖芯）時(shí)折射角減小，導(dǎo)致最大入射角減小。光纖類(lèi)型與色散現(xiàn)象對(duì)比分析單模光纖與多模光纖的結(jié)構(gòu)差異，并解釋為何單模光纖更適合長(zhǎng)距離通信：結(jié)構(gòu)差異：?jiǎn)文９饫w纖芯直徑約5-10μm，僅允許基模（LP??模）傳輸；多模光纖纖芯直徑50-62.5μm，可傳輸數(shù)百種模式。色散影響：多模光纖存在嚴(yán)重的模式色散（不同模式傳播速度不同導(dǎo)致脈沖展寬），而單模光纖主要受材料色散和波導(dǎo)色散影響，總色散較小，適合高頻信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸。（二）光纖通信系統(tǒng)組成光源與光檢測(cè)器的工作特性光纖通信中常用的光源有LED（發(fā)光二極管）和LD（激光二極管），光檢測(cè)器有PIN光電二極管和APD（雪崩光電二極管）：（1）從光譜寬度、調(diào)制速率、輸出功率三個(gè)角度比較LED與LD的性能差異；（2）APD的雪崩倍增效應(yīng)如何提高檢測(cè)靈敏度？為何在接收微弱信號(hào)時(shí)優(yōu)先選擇APD？參考答案：（1）LED光譜寬度寬（20-100nm）、調(diào)制速率低（<100MHz）、輸出功率?。?lt;10mW）；LD光譜寬度窄（<5nm）、調(diào)制速率高（>10GHz）、輸出功率大（>100mW）。（2）APD通過(guò)反向偏壓下的碰撞電離使光生載流子倍增，靈敏度比PIN高10-20dB；微弱信號(hào)經(jīng)倍增后可避免被噪聲淹沒(méi)，適合長(zhǎng)距離通信的接收端。二、實(shí)際問(wèn)題解決題（一）損耗與中繼距離計(jì)算光纖損耗的工程應(yīng)用某海底光纜采用G.652單模光纖，工作波長(zhǎng)1550nm，損耗系數(shù)為0.2dB/km，光發(fā)射機(jī)輸出功率2mW，光接收機(jī)靈敏度為-30dBm（即最小可檢測(cè)功率）。忽略連接器損耗和熔接損耗，計(jì)算該系統(tǒng)的最大無(wú)中繼傳輸距離。計(jì)算步驟：功率單位轉(zhuǎn)換：$2\text{mW}=10\lg(2/1\text{mW})=3\text{dBm}$；總允許損耗：$3\text{dBm}-(-30\text{dBm})=33\text{dB}$；最大傳輸距離：$L=33\text{dB}\div0.2\text{dB/km}=165\text{km}$。中繼器與光放大器的作用若上述海底光纜傳輸距離需延長(zhǎng)至500km，需在中間添加中繼設(shè)備：傳統(tǒng)光中繼器：采用“光-電-光”轉(zhuǎn)換模式，先將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)放大，再調(diào)制為光信號(hào)發(fā)送，適用于數(shù)字信號(hào)再生；EDFA（摻鉺光纖放大器）：直接對(duì)光信號(hào)放大，工作波長(zhǎng)1550nm窗口，增益可達(dá)30-40dB，可級(jí)聯(lián)使用且無(wú)光電轉(zhuǎn)換延遲，顯著提升系統(tǒng)容量。（二）波分復(fù)用技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用WDM（波分復(fù)用）系統(tǒng)設(shè)計(jì)某通信公司需通過(guò)一根光纖同時(shí)傳輸4路信號(hào)，波長(zhǎng)分別為1550nm、1552nm、1554nm、1556nm，回答以下問(wèn)題：（1）計(jì)算相鄰波長(zhǎng)的頻率間隔（已知光速$c=3\times10^8\text{m/s}$，頻率$f=c/\lambda$）；（2）若每路信號(hào)速率為10Gbps，該光纖的總傳輸容量是多少？解答：（1）以1550nm和1552nm為例，$\lambda_1=1550\text{nm}=1550\times10^{-9}\text{m}$，$f_1=3\times10^8/(1550\times10^{-9})\approx193.55\text{THz}$；$\lambda_2=1552\text{nm}$，$f_2\approx193.30\text{THz}$，頻率間隔$\Deltaf=193.55-193.30=0.25\text{THz}=250\text{GHz}$。（2）總?cè)萘?波長(zhǎng)數(shù)×單路速率=4×10Gbps=40Gbps。光纖通信的抗干擾特性對(duì)比光纖通信與傳統(tǒng)電纜通信（如同軸電纜）的抗干擾能力：電磁干擾（EMI）：光纖由石英材料制成，不導(dǎo)電、不輻射電磁波，可在高壓電網(wǎng)、變電站等強(qiáng)電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作；串?dāng)_：電纜中多信號(hào)傳輸時(shí)易通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生串?dāng)_，而光纖中光信號(hào)獨(dú)立傳播，無(wú)串?dāng)_問(wèn)題；應(yīng)用場(chǎng)景：軍事通信、工業(yè)自動(dòng)化控制等對(duì)抗干擾要求高的領(lǐng)域優(yōu)先采用光纖。三、拓展探究題（三）新興技術(shù)與物理原理量子通信與光纖傳輸我國(guó)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星通過(guò)量子密鑰分發(fā)（QKD）實(shí)現(xiàn)保密通信，其原理基于量子態(tài)不可克隆定理和測(cè)不準(zhǔn)原理：（1）若采用單光子作為量子態(tài)載體，在光纖中傳輸時(shí)會(huì)因損耗導(dǎo)致光子丟失，如何通過(guò)“誘騙態(tài)協(xié)議”解決這一問(wèn)題？（2）結(jié)合光的粒子性，分析單光子在光纖中發(fā)生瑞利散射的概率與波長(zhǎng)的關(guān)系（提示：瑞利散射強(qiáng)度與$\lambda^4$成反比）。探究方向：（1）誘騙態(tài)協(xié)議通過(guò)隨機(jī)發(fā)送弱相干光脈沖（包含0、1、2個(gè)光子），使竊聽(tīng)者無(wú)法區(qū)分信號(hào)態(tài)與誘騙態(tài)，從而檢測(cè)竊聽(tīng)行為；（2）短波長(zhǎng)光（如850nm）瑞利散射更強(qiáng)，長(zhǎng)波長(zhǎng)（1550nm）散射較弱，故量子通信光纖多工作在1550nm窗口以減少光子損耗。光纖傳感器的物理應(yīng)用利用光纖的倏逝波效應(yīng)可制成溫度傳感器：當(dāng)外界溫度變化時(shí)，光纖包層的折射率發(fā)生改變，導(dǎo)致倏逝波能量泄漏量變化，通過(guò)檢測(cè)光功率變化實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。若某光纖溫度傳感器在20℃時(shí)輸出功率為5mW，溫度每升高1℃功率下降0.1mW，當(dāng)檢測(cè)到功率為3.5mW時(shí)，環(huán)境溫度為多少？計(jì)算：溫度變化量$\DeltaT=(5-3.5)/0.1=15℃$，環(huán)境溫度$=20+15=35℃$。（四）工程實(shí)踐與安全防護(hù)光纖熔接損耗控制在光纖接續(xù)過(guò)程中，若纖芯錯(cuò)位1μm（纖芯直徑5μm），會(huì)導(dǎo)致多大的附加損耗？（提示：附加損耗與錯(cuò)位量的平方成正比，錯(cuò)位1μm時(shí)損耗約0.5dB）分析：錯(cuò)位量占纖芯直徑的比例為$1/5=20%$，實(shí)際工程中需通過(guò)精密對(duì)準(zhǔn)（誤差<0.5μm）將熔接損耗控制在0.02dB以下。光纖彎曲損耗的物理機(jī)制解釋為何光纖過(guò)度彎曲會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減：當(dāng)光纖彎曲半徑小于臨界彎曲半徑時(shí)，部分光信號(hào)不再滿足全內(nèi)反射條件（入射角小于臨界角），從包層泄漏出去，導(dǎo)致?lián)p耗增大。工程中規(guī)定光纜彎曲半徑不小于20倍光纖直徑（如125μm光纖的彎曲半徑≥2.5mm）。四、綜合應(yīng)用題（五）通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化校園光纖網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計(jì)某高中需搭建校園光纖網(wǎng)絡(luò)，連接教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓和圖書(shū)館，要求支持10Gbps速率，傳輸距離最遠(yuǎn)3km，預(yù)算有限：（1）選擇單模光纖（G.652D）還是多模光纖（OM3）？說(shuō)明理由；（2）設(shè)計(jì)光鏈路預(yù)算：光發(fā)射機(jī)功率+5dBm，接收機(jī)靈敏度-20dBm，連接器損耗0.5dB/個(gè)（共4個(gè)），熔接損耗0.1dB/處（共6處），預(yù)留5dB余量，計(jì)算總允許光纖損耗，并判斷是否滿足3km傳輸需求（G.652D在1310nm窗口損耗0.35dB/km）。方案優(yōu)化：（1）選擇G.652D單模光纖，因其色散小、傳輸距離遠(yuǎn)，且10Gbps速率下多模光纖傳輸距離僅300m，無(wú)法滿足3km需求；（2）總損耗=發(fā)射功率-接收靈敏度-預(yù)留余量=5-(-20)-5=20dB；附加損耗=連接器損耗+熔接損耗=4×0.5+6×0.1=2.6dB；光纖允許損耗=20-2.6=17.4dB，最大傳輸距離=17.4/0.35≈49.7km>3km，滿足需求。5G通信與光纖的協(xié)同5G基站需通過(guò)光纖回傳數(shù)據(jù)，若基站發(fā)射功率20W，工作頻率3.5GHz，通過(guò)光纖傳輸至核心網(wǎng)：（1）計(jì)算5G信號(hào)的波長(zhǎng)，并與光纖中光信號(hào)波長(zhǎng)（1550nm）對(duì)比；（2）分析為何5G毫米波（28GHz）無(wú)法長(zhǎng)距離傳輸，而光纖可實(shí)現(xiàn)100km無(wú)中繼傳輸。物理本質(zhì)：（1）5G信號(hào)波長(zhǎng)$\lambda=c/f=3\times10^8/(3.5\times10^9)\approx0.086\text{m}=86\te