第七讲(光纤通信技术)教学教案
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第七讲 光纤通信技术
了解光纤通信技术的发展与现状 掌握光纤通信系统的组成 了解光纤通信系统的分类 熟悉光纤通信系统的特点 熟悉主要光源的特点和适用场合 熟悉常见的光纤连接器的特点和适用场合 熟悉光纤配线架的作用 掌握光缆的构造和标识 了解光接收机和光放大器的作用 了解光纤通信复用技术
数据通信原理 软件学院 2006
护层
光缆护层同电缆护层的情况一样，是由 护套和外护层构成的多层组合体。
光缆护层的作用是进一步保护光纤，使 光纤能适应在各种场地敷设，如架空、 管道、直埋、室内、过河、跨海等。
对于采用外周加强元件的光缆结构，护 层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲 等机械特性方面的能力。
LED一般用于低速系统。
数据通信原理 软件学院 2006
发光二极管的工作原理
当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之 间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒 (相对于电子)降低，大量的空穴和电子分 别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由 于双异质结构，p区中外来的电子和空穴 不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形 成粒子数反转分布状态，最终克服受激 吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输 出。
数据通信原理 软件学院 2006
光信号的调制
把信号加到光源上的方法有多种： 内调制，直接调节光源的电流；
外调制，采用 电光调制器，一 般采用电吸收调 制器，和光源集 成在一块芯片上。
调制部分
激光部分
集成电吸收调制
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光纤连接器
光纤连接器的作用是使两根光纤的纤芯对准， 保证90%以上的光能够通过。
数据通信原理 软件学院 2006
光纤配线架
光纤配线架(ODF，Optical Fiber Distribution Frame)是光传输系统中一个 重要的配套设备，它主要用于光缆终端 的光纤熔接、光连接器安装、光路的调 接、多余尾纤的存储及光缆的保护等， 它对于光纤通信网络安全运行和灵活使 用有着重要的作用。
数据通信原理 软件学院 2006
光纤通信的主要特性
质地脆，机械强度低； 弯曲半径来自百度文库宜过小； 连接困难，切断不易； 分路和耦合不方便；
数据通信原理 软件学院 2006
光发送器
光发送器的主要核心是光源。 常用光源主要有：
发光二极管； F-P腔半导体激光器； 分布反馈式（DFB）半导体激光器； 分布布拉格反射式（DBR)半导体激光 器；
SC型连接器
SC型光纤连接器外壳呈矩形，所采用的 插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全 相同，其中插针的端面多采用PC型或APC 型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩 式，不须旋转。
此类连接器价格低廉，插拔操作方便， 介入损耗波动小，抗压强度较高，安装 密度高。
数据通信原理 软件学院 2006
ST型光纤连接器
数据通信原理 软件学院 2006
LC型光纤连接器
LC型光纤连接器是著名的 Bell研究所研究开发出来的， 采用操作方便的模块化插 孔(RJ)闩锁机理制成。该连 接器所采用的插针和套筒 的尺寸是普通SC、FC等所 用尺寸的一半，为1.25m， 提高了光配线架中光纤连 接器的密度。
目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占 据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。
V形槽结构
球透镜耦合结构 自聚焦透镜耦合
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光纤连接器性能指标
光学性能，主要是插入损耗和回波损耗。 插入损耗，即连接损耗，因连接器的导入而引起的链路有效光功
率的损耗，不大于0.5dB； 回波损耗，连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不
少于25dB； 互换性和重复性，指对同一类型光纤能任意组合使用，并可多次
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发光二极管
半导体发光二极管(Light-emitting Diode， LED)，通常应用GaAlAs（镓铝砷）和 InGaAsP（铟镓砷磷）材料，可以覆盖整个 光纤通信系统使用波长范围，典型值为 0.85μm、1.31μm及1.55μm。
按照器件输出光的方式，可以将发光二极管 分为三种类型结构：表面发光二极管、边发 光二极管及超辐射发光二极管。
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现代光通信的起源
1880年，贝尔发明了第一个光电话，其原理是：将弧光灯 的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强 弱变化的反射光束。
这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。 贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，
光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离 很短，遇到下雨下雪天也有影响。
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缆芯
在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合 理，与光纤的安全运行关系很大。
一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光 纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传 输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力 等外力时，光纤不受外力影响；其次缆芯内的 金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性 能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和 节省敷设空间。
此类连接器结构简单，操作方便，制作容易， 但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅 尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来， 对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球 面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插 入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。
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MU型光纤连接器
MU(Miniature unit Coupling)光 纤连接器是以SC型连接器为基 础研发的世界上最小的单芯光 纤连接器。
MU连接器系列包括用于光缆连 接的插座型光连接器(MU-A系 列)、具有自保持机构的底板连 接器(MU-B系列)以及用于连接 LD/PD模块与插头的简化插座 (MU-SR系列)等。 该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优 势在于能实现高密度安装。
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根据系统的工作波长，分为短波长光纤 通信系统，长波长光纤通信系统和超长 波长光纤通信系统；
根据调制信号的类型，分为模拟光纤通 信系统和数字光纤通信系统；
根据光源的调制方式，分为直接调制光 纤通信系统和间接调制光纤通信系统。
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光纤通信的主要特性
频带宽，通信容量大； 损耗低，中继距离长； 抗电磁干扰； 无串扰，保密性好； 线径细，重量轻，柔软； 原材料资源丰富，节约金属资源。
插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧， 利用对准原理使纤芯对准。 球面定芯结构：球面定心结构由两部分组成， 一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装 有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。 透镜耦合结构：透镜耦合又称远场耦合，它分 为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种。
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机架式光纤配线架
机架式配线架又分为两 种，一种是固定配置的 配线架，光纤耦合器被 直接固定在机箱上；另 一种采用模块化设计， 用户可根据光缆的数量 和规格选择相对应的模 块，便于网络的调整和 扩展。
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光纤耦合器
光耦合器是将光信号进行分路或合路、 插入、分配的一种器件。
重复使用，由此而导入的附加损耗一般小于0.2dB； 抗拉强度，不低于90N； 工作温度，在-40℃～70℃的温度下能正常使用； 插拔次数，能插拔1000次以上。
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FC型光纤连接器
FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强 方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早， FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面 是平面接触方式(FC)。
光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题， 其结果是增加了光纤系统的通信容量。
光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。
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光放大器
90年代初，光放大器的问世引起了光纤 通信技术的重大变革，这在光通信史上 具有里程碑的意义。
光放大器节省了光电变换的中继过程， 而且实现了波长透明、速率透明和调制 方式透明的光信号放大，从而诞生了采 用波分复用（WDM）技术的新一代光纤 系统商用化。
光纤配线架作为光缆线路的终端设备拥 有以下4项基本功能：固定功能、熔接功 能、调配功能以及存储功能。
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壁挂式光纤配线架
壁挂式光纤配线架可直接固定于墙体上，一般 为箱体结构，适用于光缆条数和光纤芯数都较 小的场所。机架式光纤配线架可直接安装在标 准机柜中，适用于较大规模的光纤网络。
ST型光纤连接器外壳呈圆 形，所采用的插针与耦合 套筒的结构尺寸与FC型完 全相同，其中插针的端面 多采用PC型或APC型研磨 方式；紧固方式为螺丝扣。
此类连接器适用于各种光纤网络，操作简便，且 具有良好的互换性。
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MT-RJ连接器
• MT-RJ带有与RJ-45型LAN电 连接器相同的闩锁机构， 通过安装于小型套管两侧 的导向销对准光纤，为便 于与光信号收发机相连， 连接器端面光纤为双芯(间 隔0.75mm)排列设计，是 主要用于数据传输的高密 度光连接器。
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波导的研究
在大气光通信 受阻之后，人 们将研究的重 点转入到地下 光波通信的实 验，先后出现 过反射波导和 透镜波导等地 下通信的实验。
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光源与光探测器
光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极 管到半导体激光器的进步。
目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作， 而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更 高，逐渐满足了高效率、高速率、低噪声、大 功率、长寿命等要求。
熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去 涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高 温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终 在加热区形成双锥体形式的特殊波导结 构，实现传输光功率耦合的一种方法。
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光耦合器
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光缆
光缆的构造一般分为缆芯和护层两 大部分。
数据通信原理 软件学院 2006
光纤通信系统的组成
光纤通信系统是以光波为载体，光 导纤维为传输介质的通信系统。
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光纤通信系统的组成
发送器：发送器的核心是一个光源，其主要功 能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格 式。可采用发光二极管(LED)或激光二极管(LD) 作为光源。
光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。 接收器：光接收器的关键设备是光检测器，其
主要功能就是把光信息信号转换回电信号(光电 流)。当今光纤通信系统中的光检测器是个半导 体光电二极管(PD)
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光纤通信系统的分类
根据光纤的传导模数量，分为多模光纤 通信系统和单模光纤通信系统；
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激光二极管
在结构上，半导体激光二极管(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器是相 同的，都主要由三部分构成：激励 源、工作物质及谐振腔。
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LD的工作原理
当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒 子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那 些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发 辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激 辐射放大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直 至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再 次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复， 直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面 的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。
光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的光 无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、 光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。
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光纤连接器内部结构
数据通信原理 软件学院 2006
光纤连接器常用结构
套管结构：套管结构的连接器由插针和套筒组 成。
双锥结构：双锥结构连接器是利用锥面定位。 V型槽结构： V形槽结构的光纤连接器是将两个
了解光纤通信技术的发展与现状 掌握光纤通信系统的组成 了解光纤通信系统的分类 熟悉光纤通信系统的特点 熟悉主要光源的特点和适用场合 熟悉常见的光纤连接器的特点和适用场合 熟悉光纤配线架的作用 掌握光缆的构造和标识 了解光接收机和光放大器的作用 了解光纤通信复用技术
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护层
光缆护层同电缆护层的情况一样，是由 护套和外护层构成的多层组合体。
光缆护层的作用是进一步保护光纤，使 光纤能适应在各种场地敷设，如架空、 管道、直埋、室内、过河、跨海等。
对于采用外周加强元件的光缆结构，护 层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲 等机械特性方面的能力。
LED一般用于低速系统。
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发光二极管的工作原理
当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之 间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒 (相对于电子)降低，大量的空穴和电子分 别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由 于双异质结构，p区中外来的电子和空穴 不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形 成粒子数反转分布状态，最终克服受激 吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输 出。
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光信号的调制
把信号加到光源上的方法有多种： 内调制，直接调节光源的电流；
外调制，采用 电光调制器，一 般采用电吸收调 制器，和光源集 成在一块芯片上。
调制部分
激光部分
集成电吸收调制
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光纤连接器
光纤连接器的作用是使两根光纤的纤芯对准， 保证90%以上的光能够通过。
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光纤配线架
光纤配线架(ODF，Optical Fiber Distribution Frame)是光传输系统中一个 重要的配套设备，它主要用于光缆终端 的光纤熔接、光连接器安装、光路的调 接、多余尾纤的存储及光缆的保护等， 它对于光纤通信网络安全运行和灵活使 用有着重要的作用。
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光纤通信的主要特性
质地脆，机械强度低； 弯曲半径来自百度文库宜过小； 连接困难，切断不易； 分路和耦合不方便；
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光发送器
光发送器的主要核心是光源。 常用光源主要有：
发光二极管； F-P腔半导体激光器； 分布反馈式（DFB）半导体激光器； 分布布拉格反射式（DBR)半导体激光 器；
SC型连接器
SC型光纤连接器外壳呈矩形，所采用的 插针与耦合套筒的结构尺寸与FC型完全 相同，其中插针的端面多采用PC型或APC 型研磨方式；紧固方式是采用插拔销闩 式，不须旋转。
此类连接器价格低廉，插拔操作方便， 介入损耗波动小，抗压强度较高，安装 密度高。
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ST型光纤连接器
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LC型光纤连接器
LC型光纤连接器是著名的 Bell研究所研究开发出来的， 采用操作方便的模块化插 孔(RJ)闩锁机理制成。该连 接器所采用的插针和套筒 的尺寸是普通SC、FC等所 用尺寸的一半，为1.25m， 提高了光配线架中光纤连 接器的密度。
目前，在单模SFF方面，LC类型的连接器实际已经占 据了主导地位，在多模方面的应用也增长迅速。
V形槽结构
球透镜耦合结构 自聚焦透镜耦合
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光纤连接器性能指标
光学性能，主要是插入损耗和回波损耗。 插入损耗，即连接损耗，因连接器的导入而引起的链路有效光功
率的损耗，不大于0.5dB； 回波损耗，连接器对链路光功率反射的抑制能力，其典型值应不
少于25dB； 互换性和重复性，指对同一类型光纤能任意组合使用，并可多次
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发光二极管
半导体发光二极管(Light-emitting Diode， LED)，通常应用GaAlAs（镓铝砷）和 InGaAsP（铟镓砷磷）材料，可以覆盖整个 光纤通信系统使用波长范围，典型值为 0.85μm、1.31μm及1.55μm。
按照器件输出光的方式，可以将发光二极管 分为三种类型结构：表面发光二极管、边发 光二极管及超辐射发光二极管。
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现代光通信的起源
1880年，贝尔发明了第一个光电话，其原理是：将弧光灯 的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强 弱变化的反射光束。
这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。 贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，
光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离 很短，遇到下雨下雪天也有影响。
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缆芯
在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合 理，与光纤的安全运行关系很大。
一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光 纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传 输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力 等外力时，光纤不受外力影响；其次缆芯内的 金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性 能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和 节省敷设空间。
此类连接器结构简单，操作方便，制作容易， 但光纤端面对微尘较为敏感，且容易产生菲涅 尔反射，提高回波损耗性能较为困难。后来， 对该类型连接器做了改进，采用对接端面呈球 面的插针(PC)，而外部结构没有改变，使得插 入损耗和回波损耗性能有了较大幅度的提高。
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MU型光纤连接器
MU(Miniature unit Coupling)光 纤连接器是以SC型连接器为基 础研发的世界上最小的单芯光 纤连接器。
MU连接器系列包括用于光缆连 接的插座型光连接器(MU-A系 列)、具有自保持机构的底板连 接器(MU-B系列)以及用于连接 LD/PD模块与插头的简化插座 (MU-SR系列)等。 该连接器采用1.25mm直径的套管和自保持机构，其优 势在于能实现高密度安装。
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根据系统的工作波长，分为短波长光纤 通信系统，长波长光纤通信系统和超长 波长光纤通信系统；
根据调制信号的类型，分为模拟光纤通 信系统和数字光纤通信系统；
根据光源的调制方式，分为直接调制光 纤通信系统和间接调制光纤通信系统。
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光纤通信的主要特性
频带宽，通信容量大； 损耗低，中继距离长； 抗电磁干扰； 无串扰，保密性好； 线径细，重量轻，柔软； 原材料资源丰富，节约金属资源。
插针放入V形槽基座中，再用盖板将插针压紧， 利用对准原理使纤芯对准。 球面定芯结构：球面定心结构由两部分组成， 一部分是装有精密钢球的基座，另一部分是装 有圆锥面(相当于车灯的反光镜)的插针。 透镜耦合结构：透镜耦合又称远场耦合，它分 为球透镜耦合和自聚焦透镜耦合两种。
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机架式光纤配线架
机架式配线架又分为两 种，一种是固定配置的 配线架，光纤耦合器被 直接固定在机箱上；另 一种采用模块化设计， 用户可根据光缆的数量 和规格选择相对应的模 块，便于网络的调整和 扩展。
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光纤耦合器
光耦合器是将光信号进行分路或合路、 插入、分配的一种器件。
重复使用，由此而导入的附加损耗一般小于0.2dB； 抗拉强度，不低于90N； 工作温度，在-40℃～70℃的温度下能正常使用； 插拔次数，能插拔1000次以上。
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FC型光纤连接器
FC是Ferrule Connector的缩写，表明其外部加强 方式是采用金属套，紧固方式为螺丝扣。最早， FC类型的连接器，采用的陶瓷插针的对接端面 是平面接触方式(FC)。
光纤与光源的逐年进步解决了衰减和色散问题， 其结果是增加了光纤系统的通信容量。
光探测器也达到了GHz的响应灵敏度。
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光放大器
90年代初，光放大器的问世引起了光纤 通信技术的重大变革，这在光通信史上 具有里程碑的意义。
光放大器节省了光电变换的中继过程， 而且实现了波长透明、速率透明和调制 方式透明的光信号放大，从而诞生了采 用波分复用（WDM）技术的新一代光纤 系统商用化。
光纤配线架作为光缆线路的终端设备拥 有以下4项基本功能：固定功能、熔接功 能、调配功能以及存储功能。
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壁挂式光纤配线架
壁挂式光纤配线架可直接固定于墙体上，一般 为箱体结构，适用于光缆条数和光纤芯数都较 小的场所。机架式光纤配线架可直接安装在标 准机柜中，适用于较大规模的光纤网络。
ST型光纤连接器外壳呈圆 形，所采用的插针与耦合 套筒的结构尺寸与FC型完 全相同，其中插针的端面 多采用PC型或APC型研磨 方式；紧固方式为螺丝扣。
此类连接器适用于各种光纤网络，操作简便，且 具有良好的互换性。
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MT-RJ连接器
• MT-RJ带有与RJ-45型LAN电 连接器相同的闩锁机构， 通过安装于小型套管两侧 的导向销对准光纤，为便 于与光信号收发机相连， 连接器端面光纤为双芯(间 隔0.75mm)排列设计，是 主要用于数据传输的高密 度光连接器。
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波导的研究
在大气光通信 受阻之后，人 们将研究的重 点转入到地下 光波通信的实 验，先后出现 过反射波导和 透镜波导等地 下通信的实验。
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光源与光探测器
光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极 管到半导体激光器的进步。
目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作， 而且其直接调制速率可以达到10Gbit/s乃至更 高，逐渐满足了高效率、高速率、低噪声、大 功率、长寿命等要求。
熔融拉锥法就是将两根(或两根以上)除去 涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高 温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终 在加热区形成双锥体形式的特殊波导结 构，实现传输光功率耦合的一种方法。
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光耦合器
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光缆
光缆的构造一般分为缆芯和护层两 大部分。
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光纤通信系统的组成
光纤通信系统是以光波为载体，光 导纤维为传输介质的通信系统。
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光纤通信系统的组成
发送器：发送器的核心是一个光源，其主要功 能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格 式。可采用发光二极管(LED)或激光二极管(LD) 作为光源。
光纤：光纤通信系统中的传输介质是光纤。 接收器：光接收器的关键设备是光检测器，其
主要功能就是把光信息信号转换回电信号(光电 流)。当今光纤通信系统中的光检测器是个半导 体光电二极管(PD)
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光纤通信系统的分类
根据光纤的传导模数量，分为多模光纤 通信系统和单模光纤通信系统；
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激光二极管
在结构上，半导体激光二极管(Laser Diode，LD)与其他类型的激光器是相 同的，都主要由三部分构成：激励 源、工作物质及谐振腔。
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LD的工作原理
当给LD外加适当的正向电压时，由于有源区粒 子数的反转分布而首先发生自发辐射现象，那 些传播方向与谐振腔高反射率界面垂直的自发 辐射光子会在有源层内部边传播、边发生受激 辐射放大(其余自发辐射光子均被衰减掉)，直 至传播到高反射率界面又被反射回有源层，再 次向另一个方向传播受激辐射放大。如此反复， 直到放大作用足以克服有源层和高反射率界面 的损耗后，就会向高反射率界面外面输出激光。
光纤活动连接器是实现光纤之间活动连接的光 无源器件，它还具有将光纤与其他无源器件、 光纤与系统和仪表进行活动连接的功能。
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光纤连接器内部结构
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光纤连接器常用结构
套管结构：套管结构的连接器由插针和套筒组 成。
双锥结构：双锥结构连接器是利用锥面定位。 V型槽结构： V形槽结构的光纤连接器是将两个