光纤结构和基本原理
光纤工作原理
光纤工作原理
光纤是一种能够传输光信号的特殊材料，它在通信领域有着非常重要的作用。
光纤的工作原理是基于光的全反射现象，通过光的折射和反射来实现信号的传输。
光纤的工作原理涉及到光的物理特性和光纤的结构设计，下面我们来详细了解一下光纤的工作原理。
首先，光纤的工作原理基于光的全反射。
当光线从光密介质射向光疏介质时，
光线会发生折射现象，当入射角大于临界角时，光线会全部反射回光密介质中，这就是全反射现象。
光纤的核心部分是由光密介质构成的，外部是由光疏介质包裹的，这样设计可以使得光线在光纤内部发生全反射，从而实现信号的传输。
其次，光纤的工作原理还涉及到光的折射和反射。
光线在光纤中传输时，会发
生折射和反射现象。
当光线从一种介质射向另一种介质时，会发生折射，而在介质之间的边界上，光线会发生反射。
通过合理设计光纤的结构，可以使得光线在光纤内部不断地发生折射和反射，从而实现信号的传输。
最后，光纤的工作原理还与光的传输方式有关。
光纤可以实现单模传输和多模
传输，其中单模传输是指光线只能沿着一条特定的路径传输，而多模传输是指光线可以沿着多条不同的路径传输。
通过合理设计光纤的结构和使用不同的光源，可以实现不同方式的光传输，从而满足不同场景下的需求。
综上所述，光纤的工作原理是基于光的全反射现象，通过光的折射和反射来实
现信号的传输。
光纤的工作原理涉及到光的物理特性、结构设计以及传输方式等多个方面，只有充分理解和掌握光纤的工作原理，才能更好地应用光纤技术，为通信领域的发展做出贡献。
光纤结构、波导原理和制造
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
2 基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/s 波长：l = c/v 当光在媒介中传播时，速度cm = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027；
光纤结构、波导原理和制造
主要内容
回顾光的特性、基本的光学定律和定义
介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解 释
圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺 光纤的几种成缆方式
光的波动性 1 光的基本特性
- 17世纪意大利格里马蒂和英国胡克 观测到光的衍射现象
- 1690年海牙物理学家惠更斯提出光 的波动性学说
光纤的分类
按传输的模式数目分 • 单模光纤 • 多模光纤
按折射率的变化分 • 阶跃光纤 • 梯度光纤
ITU-T官方定义 • G.651光纤 (渐变型多模光纤) • G.652光纤 (常规单模光纤) • G.653光纤 (色散位移光纤) • G.654光纤 (衰减最小光纤) • G.655光纤 (非零色散位移光纤)
光传播的入射角条件 将s1和s2的值代入相位关系式并简化可以得到：
2pn1d sin mp l
假如只考虑波的电场分量垂直于入射面的情况，那么因发射带
来的相移为：
2arctan
cos2
n22 / n12
s in
代入简化式中可以得到：
tan pn1d
s in
kp
n12
cos2
水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介
光纤的原理及传输过程
光纤的原理及传输过程光纤是指将光束引导在加工成一定形状的均匀介质中传输的一种工程结构。
光纤传输的原理主要有两个：全反射和多重色散效应。
全反射是指当光线在两种介质交界面上射入时，入射角度大于或等于一定值（称为临界角），则全部反射回原始介质中，不发生折射。
利用这个原理，可以让光线沿着光纤无限制地传输。
而多重色散效应是指不同频率的光波传播速度不同，不同频率的光波传输的距离也不同。
在光纤传输过程中，多重色散效应可能导致光波信号的色散和扩展，影响光纤的传输质量。
为了减少多重色散效应的影响，通常在光纤的芯层中掺入少量的杂质，比如氧化铝、铌酸锂等，以改变光波的传播速度和频率分布，从而减少色散效应。
光纤传输过程分为两部分：发射和接收。
在发射端，光源将电信号转换为光信号，然后将光信号输入到光纤中。
常用的光源有：激光二极管、发光二极管、半导体激光器等。
将电信号转换为光信号的装置称为光调制器，其中较为常见的光调制方式有两种：强度调制和相位调制。
强度调制是指通过变化光源电流的大小来改变输出光的强度，从而改变光的信息。
相位调制则是指在光信号中注入一个调制信号，通过改变调制信号的相位来改变光波波峰和波谷的位置，从而改变光的信息。
在光纤中传输的光信号是由一种或多种波长的光波组成的，其中每个波长的光波都要经过一定的传输距离。
在传输过程中，由于存在衰减、色散等因素的影响，光信号的强度和频谱分布都会发生变化。
为了保证传输质量，通常在光纤的适当位置进行信号增强和频谱修正。
在接收端，光信号从光纤中传输到接收器，接收器将光信号转换为电信号，并进行处理。
接收器通常由两部分组成：探测器和放大器。
探测器是将光信号转换为电信号的部分，主要有两种类型：光电转换器和半导体光电二极管。
探测器将光信号转换为电信号后，还需要放大器对电信号进行放大和过滤。
放大器主要是为了增强和过滤电信号。
常见的放大器有半导体放大器和掺铒光纤放大器等。
放大器能够跨越较长距离传输信号，从而减少信号衰减和噪声。
第2章光纤通信的基本原理
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2.1光纤的结构与分类
2.按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模
光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目 决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的 结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。
2.1光纤的结构与分类
3.按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分
布的不同可以将光纤分为阶跃 型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(GradedIndex Fiber，GIF)，其折射 率分布如右图所示。
光纤的折射率分布
2.1光纤的结构与分类
阶跃型光纤是由半径为a、折 射率为常数n1的纤芯和折射率 为常数n2的包层组成，并且 n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。
2n12
n1
2.2光纤传光原理
数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与 光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。
NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的 耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能 在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤 抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎 变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。
光纤激光器的原理与结构
光纤激光器的原理与结构光纤激光器是一种利用光纤作为激光器介质的激光器。
它以光纤的光导特性为基础，具有小巧、灵活、高效等优点，被广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
光纤激光器的基本原理可以归纳为激光放大、光反馈和能量转换三个方面，下面将对其进行详细介绍。
第一，激光放大。
光纤激光器一般采用掺杂有特定材料的光纤作为放大介质。
其中，掺杂的材料可为稀土离子如铒、钕等，其主要作用是提供能级，实现电能到光能的转换。
当外界的能量供给（如光能、电能等）作用于掺杂材料时，稀土离子吸收入射光并转化为激活态，激活态颗粒与基底发生碰撞而迅速跃迁到较低能级并释放出辐射能，形成激光。
由于掺杂材料分布于光纤核心区域，使得光能在光纤中的驻留时间增加，从而增加放大系数，提高激光功率。
第二，光反馈。
为了获得高质量的激光输出，光纤激光器需要实现光的随轴反馈。
它一般采用光纤光栅和光耦合器等装置来实现。
光纤光栅是一种通过改变光纤折射率分布而形成的光波束反射镜，起到光反馈的作用。
光耦合器则是将输入光和输出光分别通过两根相互独立的光纤引入和引出，用以将反射的激光光束分离出来。
通过调整光栅结构和光耦合器的参数，可以实现激光的特定波长选择和功率调节，进而实现激光器的稳定输出。
第三，能量转换。
光纤激光器需要将外部能源（如电能）转化为激光输出。
一般情况下，光纤激光器采用半导体激光器作为光纤激励源。
通过将电能输入到半导体器件中，形成电子与空穴的复合，产生光子并通过光纤输送到激光器中进行放大和反馈，最终实现激光输出。
同时，光纤激光器还需要提供稳定的电源供给和温度控制系统，以保证激光器的正常工作。
光纤激光器的结构一般包括激光介质、激光泵浦、光栅和耦合器等组成。
其中，激光介质即掺杂有稀土离子的光纤，可为单模光纤或多模光纤。
激光泵浦是提供能源的装置，一般采用半导体激光器。
光栅是实现光的反馈的装置，采用了周期性折射率变化的结构。
耦合器则是实现输入光和输出光的分离，并且可根据需要进行功率调节和波长选择。
简述光纤通信系统的结构和各部分功能
简述光纤通信系统的结构和各部分功能光纤通信系统是一种基于光纤传输信号的通信系统，由多个部分组成，每个部分都有各自的功能。
下面将对光纤通信系统的结构和各部分功能进行简述。
一、光纤通信系统的结构光纤通信系统一般由光发射器、光纤传输介质、光接收器和光网络设备组成。
1. 光发射器：光发射器是光纤通信系统中的发送端，它将电信号转换成光信号并通过光纤传输介质发送出去。
光发射器的主要功能是将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
2. 光纤传输介质：光纤传输介质是光纤通信系统中的传输媒介，它能够将光信号传输到目标地点。
光纤传输介质具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点，使得光信号能够在长距离传输过程中保持较高的质量。
3. 光接收器：光接收器是光纤通信系统中的接收端，它接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光接收器的主要功能是将光信号转换为电信号，并能够对电信号进行放大和解调等处理。
4. 光网络设备：光网络设备包括光纤交换机、光开关等，它们用于光纤通信系统的网络管理和控制。
光网络设备的主要功能是实现光信号的路由选择、调度和管理，以及对光信号进行调制和解调等处理。
二、各部分功能的详细描述1. 光发射器的功能：光发射器主要负责将电信号转换为适合光纤传输的光信号，并能够调节光信号的强度和频率。
它包括以下几个主要功能：- 光源发生器：产生光信号的光源，常见的有激光二极管、LED等。
- 调制电路：对电信号进行调制，将其转换为光信号。
- 驱动电路：控制光源的开关和调节光信号的强度。
2. 光纤传输介质的功能：光纤传输介质主要负责将光信号传输到目标地点，具有高带宽、低损耗和抗干扰等特点。
其主要功能包括：- 光纤芯：传输光信号的核心部分，由高折射率的材料构成。
- 光纤包层：包裹光纤芯，起到保护和传导光信号的作用。
- 光纤护套：保护光纤传输介质免受外界环境的影响。
3. 光接收器的功能：光接收器主要负责接收光纤传输介质中传输的光信号，并将其转换为电信号。
光纤的结构及分类
光纤的结构及分类光纤是一种能够将光信号传输的特殊材料，它以其高带宽、低损耗和抗干扰能力强等优势，被广泛应用于通信、医疗、军事等领域。
光纤的结构和分类对于其应用的效果和性能起着重要作用。
一、光纤的结构光纤的基本结构包括纤芯、包层和包护层三部分。
纤芯是光信号传输的核心部分，它由高折射率材料制成，光信号在纤芯中传输。
包层是纤芯的外层，由低折射率材料构成，起到引导光信号的作用。
包护层是光纤的最外层，由塑料或聚合物材料制成，主要用于保护纤芯和包层，防止光信号的损耗和干扰。
二、光纤的分类根据光纤的传输模式不同，可以将光纤分为单模光纤和多模光纤两大类。
1. 单模光纤单模光纤的纤芯直径较小，通常为8-10微米，纤芯和包层的折射率差异较大。
由于纤芯较小，光线在光纤中传播时只有一条径路，因此称为单模光纤。
单模光纤的传输损耗较小，能够传输更远距离的信号，具有高带宽和高传输速率的特点。
单模光纤主要应用于长距离通信和高速数据传输领域。
2. 多模光纤多模光纤的纤芯直径较大，通常为50-100微米，纤芯和包层的折射率差异较小。
由于纤芯较大，光线在光纤中传播时会有多条径路，因此称为多模光纤。
多模光纤的传输损耗较大，传输距离较短，传输速率较低。
多模光纤主要应用于局域网、视频监控和短距离通信等领域。
除了按照传输模式分类，光纤还可以根据使用环境不同进行分类。
1. 室内光纤室内光纤是指用于建筑物内部的光纤，主要用于局域网、数据中心和室内通信等场合。
室内光纤采用低烟无卤材料制造，具有阻燃、低毒、低烟的特点。
室内光纤通常外层为白色或黄色，易于识别和安装。
2. 室外光纤室外光纤是指用于户外环境的光纤，主要用于长距离通信和城域网等场合。
室外光纤采用特殊的护套材料，具有良好的抗拉强度和耐候性。
室外光纤通常外层为黑色，能够抵御紫外线和恶劣天气的影响。
总结：光纤作为一种重要的信息传输介质，在现代通信领域起着不可替代的作用。
光纤的结构和分类对于其传输性能和应用场景有着重要影响。
光纤通信系统的结构及各部分的作用
光纤通信系统的结构及各部分的作用一、引言光纤通信系统是指利用光纤作为传输介质的通信系统，具有高速、大带宽、抗干扰等优点，被广泛应用于现代通信领域。
本文将详细介绍光纤通信系统的结构及各部分的作用。
二、光纤通信系统的结构光纤通信系统主要由三部分组成：发送端、传输介质和接收端。
其中，发送端和接收端都包含了多个子模块。
1. 发送端发送端主要由以下几个子模块组成：（1）调制电路：将数字或模拟信号转换成适合光纤传输的电信号。
（2）激光器：产生高强度的激光束，将电信号转换成激光脉冲。
（3）调制器：将激光脉冲进行调制，使其能够传输数字或模拟信号。
（4）耦合器：将调制后的激光脉冲与光纤进行耦合，使其能够进入光纤中进行传输。
2. 传输介质传输介质即为光纤，是一种由玻璃或塑料材料制成的细长管道，用于传输光信号。
光纤主要由以下几个部分组成：（1）芯：光信号在其中传输的区域。
（2）包层：包裹芯的区域，用于保护芯。
（3）绝缘层：包裹包层的区域，用于保护整个光纤。
3. 接收端接收端主要由以下几个子模块组成：（1）解调器：将传输过来的激光脉冲进行解调，恢复出原始的数字或模拟信号。
（2）探测器：将激光脉冲转换成电信号。
（3）放大器：放大电信号以便进一步处理和使用。
三、各部分的作用1. 调制电路调制电路是将数字或模拟信号转换成适合光纤传输的电信号。
在数字通信中，调制电路通常采用PAM码或ASK码等技术；在模拟通信中，调制电路通常采用AM、FM或PM等技术。
调制电路的作用是将原始信号进行编码和调制，使其能够通过激光器产生激光脉冲。
2. 激光器激光器是产生高强度的激光束，将电信号转换成激光脉冲。
激光器的作用是将调制后的电信号转换成激光脉冲，以便进一步进行传输。
3. 调制器调制器是将激光脉冲进行调制，使其能够传输数字或模拟信号。
调制器的作用是将激光脉冲进行编码和调制，使其能够通过耦合器进入光纤中进行传输。
4. 耦合器耦合器是将调制后的激光脉冲与光纤进行耦合，使其能够进入光纤中进行传输。
光纤光缆的基本知识
光纤光缆的基本知识一、内容描述首先让我们先来了解一下光纤光缆是什么，光纤光缆简单来说，就是一种用光信号来传输信息的线缆。
它是由玻璃或者塑料制成的一根细细的线，里面隐藏着强大的能量和信息传输能力。
就像我们生活中的快递小哥一样，光纤光缆是信息传输的快递员，快速、稳定地把我们的数据、声音、图像等送到目的地。
接下来我们就来详细说说光纤光缆的一些基本知识。
1. 光纤光缆的概念与重要性光纤光缆这个词，听起来好像很高科技，但其实它已经成为我们生活中不可或缺的一部分了。
光纤光缆是什么？简单来说就是一种用光信号传递信息的通信线路，它里面藏着一根细细的玻璃丝或者塑料丝，通过这丝“光的高速公路”，信息就像光一样快速地传输着。
你可能想不到，无论我们打电话、上网冲浪，还是看电视节目，背后都有光纤光缆在默默支撑着我们的通信需求。
那么光纤光缆的重要性体现在哪里呢？首先它的传输速度非常快，能够迅速传递大量的信息。
其次光纤光缆的抗干扰能力强，不容易受到电磁干扰或天气的影响。
因此它在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，光纤光缆技术的发展让信息的传递变得更快更方便，也给我们的生活带来了更多乐趣和便利。
每一次的拨通电话、每一条的信息传递背后，都是光纤光缆的默默付出。
现在你是不是对光纤光缆有了更深的认识和感慨呢？接下来我们将更深入地探讨光纤光缆的其他基本知识。
2. 光纤光缆的应用领域简介好的接下来让我为您撰写关于《光纤光缆的基本知识》中的“光纤光缆的应用领域简介”的部分：您知道吗？如今我们生活中的许多地方，都离不开小小的光纤光缆呢。
咱们一起来看看它们究竟应用在哪些地方吧！光纤光缆的广泛应用真可谓是无处不在呢！从城市的高楼大厦到偏远山区的小村落，都有它们的身影。
首先最明显的应用就是在通信领域了，无论是电话、手机还是互联网，光纤光缆都扮演着传输信息的角色，它们像信息的超级快递员一样，将信息快速准确地送达千家万户。
不仅如此光纤光缆还广泛应用于有线电视信号的传输，让我们的电视节目更加清晰稳定。
简述光纤结构
光纤结构引言光纤是一种用于传输光信号的特殊材料，它具有高速、大带宽和低损耗等优点，被广泛应用于通信、医疗、军事等领域。
本文将详细介绍光纤的结构和工作原理。
光纤的基本结构光纤由三个部分组成：芯、包层和外包层。
1. 芯光纤的芯是其中最重要的部分，它是一个细长的柱状结构，负责传输光信号。
芯通常由高折射率材料制成，如硅或玻璃。
其直径一般为几个微米至几十个微米。
2. 包层芯周围包覆着一个较低折射率的包层，用于限制光信号在芯内传播时的损耗。
包层通常由掺杂有其他元素的材料制成，如掺氟化碳或掺硅氧化物。
3. 外包层外包层是覆盖在包层外部的一层保护性涂层，主要起到保护和加强作用。
外包层通常由聚合物材料制成，具有良好的耐磨和抗化学腐蚀性能。
光纤的工作原理光纤传输光信号的原理基于总反射。
当光线从一介质（如芯）进入另一介质（如包层）时，会发生折射现象。
如果光线的入射角度大于临界角，就会发生全反射，即光线完全被反射回原介质中。
光纤利用这种全反射现象将光信号沿着芯内传输。
当光信号从一个端口输入到光纤中时，它会以一定的角度进入芯中并沿着芯内壁进行多次全反射，最终到达另一个端口。
这样就实现了信号的传输。
光纤的类型根据不同的应用需求和结构特点，可以将光纤分为多种类型。
1. 单模光纤单模光纤是一种核心直径非常小的光纤，通常为几个微米。
它可以使得只有一个波长（单色）的光能够在其中传播，并且具有较低的传输损耗和较高的传输容量。
单模光纤主要用于长距离通信和高速数据传输。
2. 多模光纤多模光纤的核心直径较大，通常为几十个微米。
它可以使得多个波长（多色）的光能够在其中传播，但由于不同波长的光在传播过程中会发生色散现象，导致信号失真和损耗增加。
多模光纤主要用于短距离通信和局域网。
3. 具有特殊结构的光纤除了单模和多模光纤外，还有一些具有特殊结构的光纤，如光栅光纤、微结构光纤等。
这些特殊结构的光纤可以实现更复杂的功能，如滤波、分束、耦合等。
光纤的应用由于其优异的性能和广泛的应用前景，光纤已经成为现代社会不可或缺的一部分。
光纤-导光原理,结构与分类1
光纤的导光原理
光的反射与折射示意图
光的全反射示意图
n2
2
1
3
n1
n2
0
①②
n1 n2
4
阶跃光纤的导光原理示意图
阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀 n2是包层折射率， n1是纤芯折射率。假设图中的阶跃 分布， 型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并 与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向 前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入 纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发 生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线 在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角 。由前面分析已知光纤的临界角为 n2 c arcsin( ) n1
多模传输的模式数
• 对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为
V2 Ns 2
• 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为
V2 Ns 4
截止波长
• 截止波长是单模光纤特有的参数，是对应于第 一高阶模的归一化截止频率 Vc 2.405 时的 波长。即 2a
V
c
n1
2 2.405
故
2an1 2 c 2.405
阶跃型光纤中模式色散示意图
图中，沿光纤轴线传播的光线①传播路径最短，经过长度为L的 光纤传播时延t1最小,等于
Ln1 Ln1 t1 = C C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时 延t2是最大时延，等于：
L / sin 0 t2 = C / n1
Ln1 C sin 0
传播常数β
• 传播常数 β 是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以 由该参数决定。 • 光纤通信中信息就是由传导模传送的 。传导 模的传播常数是限制在到之间的，即 k0 n1 ＜β＜ k0 n2 。 • 当β＞ k0 n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成 为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤 芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模 截止。 2 • 当β= k0 n 时，传导模处于临界截止状态，光线 在纤芯和包层的界面掠射。
光纤基础知识
多模光纤
常用的多模光纤主要有IEC－60793－2光纤产品 规范中的A1a类（50／125μm）和A1b类（62．5／ 125μm）两种； 为满足10Gbit／s以太网传输的要求，现在出现 了新型50／125μm多模光纤。与62．5／125μm光纤 相比，50／125μm光纤的数值孔径和芯径较小、传 导模的数目较少、带宽较高而成本较低。
分光器原理
熔锥型分路器的制作
熔锥型分路器的制作
熔锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定 的方法靠扰，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，通过控制光纤扭转 的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例。最后把拉锥 区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，这就是光分 路器。这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不 锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一 致，此种情况容易导致光分路器损坏，尤其把光分路器放在 野外的情况更甚，这也是光分路失效的最主要原因。
光纤分类
多模光纤的纤芯直径为50~62.5m，包层外直径125m； 单模光纤的纤芯直径为8.3m，包层外直径125m； 光纤的工作波长有短波长0.85m、长波长1.31m和1.55m； 光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为 2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m的损耗为 0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65m以上的损耗趋 向加大。
G.652C光纤参数指标
支持 10Gbit/s速率的传输
光纤类型
G.654光纤：1550nm损耗最小光纤，主要用于长再生中继 距离的海底光缆。 G.655光纤：克服了G.652光纤在1550nm处色散受限和 G.653光纤在1550nm处出现四波混频效应的缺陷，适用于 WDM系统。
光纤结构和基本原理
光纤基本结构及原理2011-08-16 12:042.6.1 光纤通信的概念与基本原理多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。
在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。
要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。
这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。
光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。
纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术的重要研究方向。
在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。
因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。
在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。
在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。
另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。
因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。
目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输媒质。
目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。
光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。
光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。
2.6.2 光纤的工作窗口1．工作窗口的定义光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。
我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。
光纤结构和基本原理
光纤结构和基本原理光纤是一种通过光信号传输信息的传导介质，其基本原理是利用光的全内反射现象将光信号沿光纤传输。
光纤结构主要包括纤芯、包层和衬套三部分，下面将详细介绍光纤的结构和基本原理。
光纤的结构主要由纤芯、包层和衬套组成。
纤芯是光信号传输的核心部分，通常由高折射率材料构成；包层是纤芯的外部，折射率低于纤芯，用于控制光信号传输时的泄漏；衬套是包层的外层，主要起到保护纤芯和包层的作用。
在光纤中，光信号的传输主要依赖光的全内反射现象。
当光从纤芯进入包层时，如果入射角小于一个临界角，光就会被全内反射回纤芯中，继续沿光纤传输。
该临界角由光纤的结构和折射率决定，通常在光纤制造时通过控制纤芯和包层的折射率来实现。
光纤的工作原理与光信号传输的方式紧密相关。
光信号通常通过光源产生，可以是激光二极管、发光二极管等。
光源发出的光经过适当的调制和放大后，被输入到光纤的纤芯中。
光信号在纤芯中沿纤轴方向传输，受到包层的包围和保护。
在光纤传输过程中，光信号会发生一定的衰减和色散，但相对于传统的电信号传输方式，光纤的传输损耗和衰减要小得多。
光纤的结构和基本原理决定了其具有很多优点。
首先，光纤具有高带宽和大容量的特点，在信号传输中可以传输更多的信息。
其次，光纤的传输距离较远，可达到几十公里或者更远的范围，适用于长距离通信和数据传输。
此外，光纤传输信号不受电磁干扰的影响，可以提供更稳定和可靠的通信质量。
最后，光纤具有较小的尺寸和重量，方便安装和维护。
总之，光纤的结构和基本原理是利用光的全内反射现象将光信号通过纤芯传输的。
光纤的结构由纤芯、包层和衬套组成，其原理是通过控制光的入射角来实现光信号的全内反射。
光纤具有高带宽、大容量、长传输距离、抗干扰等优点，在通信和数据传输中有着广泛的应用前景。
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光纤基本结构及原理2011-08-16 12:042.6.1 光纤通信的概念与基本原理多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。
在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。
要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。
这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。
光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。
纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术的重要研究方向。
在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。
因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。
在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。
在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。
另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。
因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。
目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输媒质。
目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。
光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。
光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。
2.6.2 光纤的工作窗口1．工作窗口的定义光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。
我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。
石英光纤也具有类似的选择特性，对特定波长的光波的传输损耗要明显小于其它波长的光波，这些特定的波长就是光纤的工作窗口。
工作窗口是随着原材料工艺的不断发展和对光纤传输特性研究的不断深入而一个接一个被打开的。
2．三个工作窗口（1）0.8~0.9 μm，最低损耗2.5dB/km，采用石英多模光纤，主要应用于近距通信，目前在传输网中已很少使用；（2）1.31 μm，最低损耗0.27 dB/km，采用石英单模光纤，目前已获得大规模应用；（3）1.55 μm，最低损耗0.16 dB/km，采用石英单模适当色散光纤。
目前主要用于长距离传输系统，如跨海光缆等。
2.6.3 光纤的相关概念1．光在光纤中的传播在物理课中学过，光在空气中是沿直线传播的，光射向镜面时会发生反射，而从一种介质进入另一种介质时，会发生折射。
当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，如果入射角大于临界值就会发生全反射。
不难看出如果在玻璃纤维外包裹一定的材料，就可以由全反射来保证光波只在玻璃纤维中传播，这即是光导纤维的工作原理。
2．光纤的结构实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140 μm。
一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。
工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。
图2-7、图2-8给出了光纤和光缆的一般结构。
图2-8四芯光缆剖面示意图3．光纤的分类（1）根据光纤横截面上折射率的不同，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤的纤芯和包层间的折射率分别是一个常数，在纤芯和包层的交界面，折射率呈阶梯型突变。
渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率。
纤芯的折射率的变化近似于抛物线；（2）按传输模式分：分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。
光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射，从而可以在光纤中传播，即称为一个模式。
当光纤直径较大时，可以允许光以多个入射角射入并传播，此时就称为多模光纤；当直径较小时，只允许一个方向的光通过，就称单模光纤。
由于多模光纤会产生干扰、干涉等复杂问题，因此在带宽、容量上均不如单模光纤。
实际通信中应用的光纤绝大多数是单模光纤。
二者的区别如图2-9所示。
图2-9 单模光纤与多模光纤其中，单模光纤又可以按照最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
常规型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1.31 μm，相关国际标准为ITU-T G.652。
色散位移型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1.31 μm和1.55 μm，相关国际标准为ITU-T G .653。
设计色散位移型单模光纤的目的是使光纤较好地工作在1.55 μm处，这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55 μm附近。
这种光纤也称为1.55 μm零色散单模光纤，是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。
现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。
色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。
特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。
因此，又出现了一种非零色散位移光纤，这种光纤将零色散点移到1.55 μm 工作区以外的1.60 μm以后或在1.53 μm以前，但在1.55 μm波长区内仍保持很低的色散，相关国际标准为ITU-T G.655。
这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介；（3）按照制造光纤所用的材料分：可以分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。
其中，塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。
它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。
但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机局域网链路、船舶内通信等。
目前通信中普遍使用的是石英系光纤。
4．光纤的损耗（1）损耗：当光波通过光纤后，光的强度会被衰减，这说明光纤中存在某种物质或是由于某种原因阻挡光波信号通过，这就形成了光纤的传输损耗。
损耗是影响光纤通信传输距离的重要因素。
选择“工作窗口”即是选择损耗小的工作波长；（2）固有损耗和附加损耗：根据引起损耗的原因，可以把损耗分为固有损耗和附加损耗。
固有损耗是光纤本身具有的损耗，由光纤本身的特点决定，一般又可以分为散射损耗、吸收损耗和由于波导结构不完善引起的损耗。
附加损耗是指由于使用条件引起的损耗。
需要特别说明的是，在不同的工作波长下，光纤的固有损耗是不同的；（3）吸收损耗：制造光纤的材料会在一定程度上吸收光能，材料中的粒子吸收光能后，会产生振动发热等现象而将能量散失掉，这就产生了吸收损耗。
根据常用光纤的工作波长，这种粒子吸收能量主要以紫外吸收和红外吸收的形式存在；（4）散射损耗：如果光纤材料粒子的固有振动频率与入射光波的频率相同，就会产生共振，该粒子就会把入射光向各个方向散射，从而衰减了入射光的能量。
另外，光纤中的杂质、如气泡，以及粗细不均匀等现象也会引起散射；（5）使用损耗：光纤的附加损耗主要是由使用损耗构成的。
在光纤的连接处，微小弯曲、挤压、拉伸受力均会引起使用损耗。
使用损耗的机理是：光纤在这些情况下，传输模式发生了变化。
施工工艺的提高可以最大限度的减小使用损耗。
5．光纤的带宽与色散（1）色散：光信号经光纤传输，到达输出端时会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。
色散产生的原因是因为光信号的不同频率分量和不同传播模式造成的传输速度的差异，使信号到达终点所用时间不同，即由于群时延而引入了色散。
色散会导致信号波形产生畸变，从而导致误码，这对于高速数字通信的影响尤为明显；（2）带宽与色散的关系：色散现象限制了光纤对高速数字信号的传输，从而也就限制了光纤的带宽。
从另一方面理解，线路的带宽越宽，脉冲波形的展宽就越小，可传送的信号频率就越高。
实际上这两个定义从不同角度描述了光纤的同一种特性；（3）色散的分类：① 模式色散：多模光纤中，不同的传输模式其传输路径不同，到达终点的时间也不同，从而引起光脉冲被展宽，由此产生的色散称为模式色散；② 材料色散：严格来讲，石英玻璃对不同波长的光波的折射率是不同的，而光源所发出的光也并不是理想的单一波长，因此它们的传输速度不同，由此而引起的色散称为材料色散；③ 波导色散：在纤芯与包层交界处发生全发射时，部分光波会进入包层传输，其中又有光波会传回纤芯。
由于这部分的光波与原有光信号的传输路径不同也会引起色散，称为波导色散。
（4）色散问题的解决：一般来说，模式色散>材料色散>波导色散，在限制带宽方面起主要作用的是模式色散。
因此应用单模光纤和窄谱线的激光器就可以有效地减小色散。
实用的1.31 μm单模光纤,总色散接近零。
而如果将总色散零点移至1.55 μm处，则将同时具有最小色散和最小损耗；（5）光纤的传输带宽：带宽主要受限于色散，一般光纤出厂时会标明其传输带宽。
通常单模光纤的传输带宽在10GHz以上。
2.6.4 光纤作为传输介质的主要特点1．传输频带宽更宽的带宽就意味着更大的通信容量和更强的业务能力，一根光纤的潜在带宽可达T 比特级（1012）。
目前，160Tbit/s的密集波分复用（DWDM）设备在部分制造商的实验室已经试制成功。
可以看出，通信媒质的通信容量大小不是由导线（媒质）本身的体积大小决定的，而是由它传输电磁波的频率高低来决定的，频率越高，带宽就越宽。
2．传输距离长在一定线路上传输信号时，由于线路本身的原因，信号的强度会随距离增长而减弱，为了在接收端正确接收信号，就必须每隔一定距离加入中继器，进行信号的放大和再生。
常用的同轴电缆的中继距离只有数公里，而光纤的传输损耗可低于0.2dB/km，理论上光纤的损耗极限可达0.15dB/km，目前已试制成功数千公里无需中继的光纤。
3．抗电磁干扰能力强一是由于光纤是绝缘体，不存在普通金属导线的电磁感应、耦合等现象；二是光纤中传输的信号频率非常高，一般干扰源的频率远低于这个值，因此光纤抗电磁干扰的能力非常强。
此外，光纤对于湿气等环境因素也具有很强的抵抗能力。
这一特性使它非常适用于沿海区域和越洋通信。
4．保密性好由于金属导线存在电磁感应现象，同时屏蔽不好导线本身就可以看作是一段天线，因此其保密性较差。