光纤通信教案

课程教案

（2015—2016学年第二学期）

课程名称：光纤通信

授课学时： 44学时

授课班级：电子信息工程13级

任课教师：

教案（首页）

第2章光纤与光缆

（一）教学内容：

基本光学定律和定义，光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，圆波导的模式理论，单模光纤的基本原理，光纤材料和制造基本原理。

重点：光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，单模光纤的基本原理，光

纤材料和制造基本原理。

难点：圆波导的模式理论

（四）概述

对光纤的结构和分类做简单介绍,对光纤的导光原理采用射线法和标量近似解法进行重点分析。对单模光纤的结构特点、主模及单模传输条件进行讨论。介绍光纤的传输特性及特殊光纤。

教学环节教学过程

引言

本章课程的讲授

在整个通信技术的发展中传输介质始终是人们需要不断研究和改进的课题，光通信从19世纪前就已得到应用，但由于没有找到合适的传输介质，使得光通信无法充分发挥其优点。1966年英籍华人科学家C.K.Kao发表论文提出可以利用纯度极高的石英玻璃作为传输煤质来传送光信号，从而拉开了光纤通信技术飞速发展的序幕（C.K.Kao博士也因此成就获得2009年Nobel物理学奖）。近半个世纪来，人们对光纤的结构、制造工艺不断改善，使得光纤的传输性能越来越优良，光纤已经成为现代长途干线网络信息传输的首选传输介质。

本章将对光纤进行详细的讨论，使学生对光纤通信课程建立较好的基本理解。

在讲授基本内容之前请学生回答自己对实际生活中所接触的光纤光缆的认识和理解，大家在什么地方用过光纤呢？家里或宿舍上网时信息是通过什么进行传输或如何进行传输的呢？通过提问对学生进行较好的引导，让学生上课时很快提高兴趣。

2.1 光纤的结构和分类

2.1.1 光纤的结构

光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为，直径为2b。

让学生自行思考为何要采用这种结构？提问！强调纤芯和包层的折射率很接近、差值不能太大。

采用芯包结构的目的：

（1）进行全反射，减小散射损耗。

（2）增加纤芯的机械强度。

（3）保护纤芯不受外界的污染。

1

n

2

n

2.1.2 光纤的分类

按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下

1. 按照纤芯折射率分布来分

一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种

（1）阶跃型光纤(SIOF)

如果纤芯折射率（指数）沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。

强调在阶跃型光纤中光线是直线传播，该光纤的传播特性可以用射线光学原理较好的解释。

（2）渐变型光纤(GIOF)

如果纤芯折射率沿着半径加大而逐渐减小，而包层折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。

在渐变型光纤中光纤是曲线传播，必须用模式理论才能较为严格的解释光波在此光纤中的传播特性。

向学生强调实际中的所有光纤均是渐变型的，所以对此光纤纤芯折射率的设计需要人们进行较好的研究。

2. 按照传输模式的多少来分

所谓模式，实际上上电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光

纤和多模光纤。

（1）单模光纤

光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直

μ，通常，纤芯中折射率的分布认为是均匀分径较小，约为4 ~10m

布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。

（2）多模光纤

μ，由于模色散的存在使多模光多模光纤的纤芯直径约为50m

纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。

适合对传输特性要求较低的应用场合。Array

3. 按光纤的材料来分

（1）石英系光纤

掺有适当的杂质制成。这种光这种光纤的纤芯和包层是由SiO

2

纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用做广泛。

（2）石英芯、塑料包层光纤

这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。

（3）多成分玻璃纤维

（4）塑料光纤

结合该损耗曲线对光纤的发展进行说明。在解释过程中让学生

色散的概念要重点强调，建立脉冲展宽的思想

1.吸收损耗

吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关。

2.散射损耗

由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。

散射损耗包括线性散射损耗和非线形散射损耗。所谓线性和非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。

线性损耗主要包括：瑞利散射和材料不均匀引起的散射;

非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布理渊散射等 .

2.3.2 光纤的色散特性

上面介绍了光纤的损耗特性，光纤通信的另一个重要特性。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

1.光纤色散的概念

信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称为色散。

光纤色散包括材料色散、波导色散和模式色散。前两种色散是由于信号不是单一频率而引起的，后一种色散是由于信号不是单一模式所引起的。

2.光纤中的色散

各种色散在不同情况下，有不同的重要性。对于单模光纤来说，主要是材料色散和波导色散；而对于多模光纤来说，模式色散占主要地位。材料色散、波导色散核模式色散，在光纤重往往交织在一