第2章 光纤基本概念
光纤光功率课程设计
光纤光功率课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解光纤的基本概念，掌握光纤的构造、分类和特性。
2. 使学生掌握光功率的定义，学会计算光功率与光强度之间的关系。
3. 帮助学生了解光纤通信系统中光功率的重要性，理解光功率对通信质量的影响。
技能目标：1. 培养学生运用光纤进行数据传输的实验操作能力，学会使用光功率计进行测量。
2. 让学生掌握光纤连接、光功率测试等基本技能，并能独立完成光纤光功率实验。
3. 提高学生分析光纤通信系统中光功率问题的能力，培养解决实际问题的技能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光纤通信技术的好奇心和探索精神，激发学生学习物理知识的兴趣。
2. 增强学生的团队合作意识，培养实验过程中的分工协作能力。
3. 使学生认识到光纤通信技术在现代社会中的重要作用，提高学生对科技创新的认识和责任感。
课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，以光纤光功率为教学主题，结合物理知识和实验操作，培养学生的理论知识和实践能力。
学生特点：高二年级学生对物理知识有一定的掌握，具备一定的实验操作能力，对光纤通信技术有一定了解，但对光功率的概念和测量方法尚不熟悉。
教学要求：教师需结合学生特点和课程性质，采用理论教学与实验操作相结合的方式，引导学生掌握光纤光功率知识，提高学生的实践能力。
在教学过程中，注重分解课程目标，确保学生能够达到预期的学习成果。
同时，关注学生的情感态度价值观培养，使学生在掌握知识技能的同时，形成正确的价值观。
二、教学内容1. 光纤基本概念：光纤的结构、分类（单模光纤、多模光纤）、传播原理。
2. 光功率基础知识：光功率的定义、单位、计算公式，光功率与光强度之间的关系。
3. 光纤通信系统中光功率的应用：光纤连接、光功率的测量方法、光功率对通信质量的影响。
4. 实验教学：光纤连接操作、光功率计的使用、光功率测量实验、分析测量数据。
教学内容安排和进度：第一课时：光纤基本概念及传播原理，介绍教材第二章第一节内容。
第二章数据通信基础知识数据通信原理
•学习要求
• 1. 了解信号分类方式，掌握信号频谱与带宽的概念。 • 2. 了解调制解调的基本原理 • 3. 了解信道噪声的种类及特点，掌握信道容量公式。 • 4. 了解各种信道的特点。 • 5. 了解话音信道传输数据信号的基本要求。 • 6. 掌握频分复用、时分复用技术的基本原理。 • 7. 掌握语音压缩比编码和数据压缩编码的基础知识。 • 8. 掌握数据通信系统同步类型及其实现方式
• 奈奎斯特研究了理想信道(无噪声、无码间干扰)时带宽与速率的 关系，并得到以下结论：
•其中 B为带宽单位是Hz， • M为传输时数据信号的取值状态，即采用M进制传输
•2. 香农信道容量公式•
• 香农研究了用模拟信道传输数字信号时的信道容量问题，并得出 了著名的香农公式：
•其中B为带宽，单位是Hz，S/N为信噪功率比 。
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.3 信道噪声 •3. 高斯白噪声
• 可以从以下两方面对高斯白噪声下定义 ： 其任意维概率密度函数都服从高斯分布(即正态分布)——高斯噪声 在整个频域具有均匀分布的功率谱密度——白噪声
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.4 信道容量
•1.奈奎斯特信道容量公式
其对应的误码率公式为:
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •1. 双绞线
双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀的扭矩对称扭绞在一起形成。
绞合的目的: (1) 减少线对之间的相互干扰， (2) 同时还增强了机械和电气稳定性
分类
第二章数据通信基础知识数据通信原 理
•2.2.2 传输介质 •2. 同轴电缆
•调制信道 •编码信道 •有线信道
光纤应用习题解第1_7章
第一章 光纤光学基础1．详述单模光纤和多模光纤的区别（从物理结构，传播模式等方面）A ：单模光纤只能传输一种模式，多模光纤能同时传输多种模式。
单模光纤的折射率沿截面径向分布一般为阶跃型，多模光纤可呈多种形状。
纤芯尺寸及纤芯和包层的折射率差：单模纤芯直径在10um 左右，多模一般在50um 以上；单模光纤的相对折射率差在0.01以下，多模一般在0.01—0.02之间。
2．解释数值孔径的物理意义，并给出推导过程。
A:：NA 的大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以m 为半锥角的锥形区域之内的光线，才能够为光纤所接收。
3．比较阶跃型光纤和渐变型光纤数值孔径的定义，可以得出什么结论？A ：阶跃型光纤的NA 与光纤的几何尺寸无关，渐变型光纤的NA 是入射点径向坐标r 的函数，在纤壁处为0，在光纤轴上为最大。
4．相对折射率差的定义和物理意义。
A ：2221212112n n n n n n --D =?D 的大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。
5．光纤的损耗有哪几种？哪些是其固有的不能避免，那些可以通过工艺和材料的改进得以降低？A ：固有损耗：光纤材料的本征吸收和本征散射。
非固有损耗：杂质吸收，波导散射，光纤弯曲等。
6．分析多模光纤中材料色散，模式色散，波导色散各自的产生机理。
A ：材料色散是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。
波导色散是由于不同的光源频率所对应的同一导模的群速度不同所引起的脉冲展宽。
多模色散是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。
7．单模光纤中是否存在模式色散，为什么？A ：单模光纤中只传输基模，不存在多模色散，但基模的两个偏振态存在色散，称为偏振模色散。
8．从射线光学的观点计算多模阶跃光纤中子午光线的最大群时延差。
A ：设光纤的长度为L ，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为L ；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输路径最长，为sin c L f 。
光纤基本概念
几何尺寸
包层直径（cladding diameter）：确定包层中心的那个圆的直径。 包层不圆度（cladding non-circularity）：由包层容差范围所确定的两个圆直 径间的偏差。 涂层直径（Coating diameter）：光纤涂覆层的直径。 涂层/包层同心误差（Coating / cladding Concentricity error）：涂层与包层中 心间的距离除以涂层直径。 涂层不圆度（Coat-of-roundness）：由涂层容差范围所确定的两个圆直径间 的偏差。 芯/包层同心误差（Core / cladding Concentricity error）：纤芯与包层中心间 的距离除以芯直径。
衰减
光纤衰减（attenuation of optical fiber）：光纤中光功率沿纵轴逐渐减小。光 功率减小与波长有关。光纤链路中，光功率减小主要原因是散射、吸收，以及 连接器和熔接接头造成的光功率损耗。衰减的单位为dB。 光纤衰减系数（fiber attenuation coefficient）：每公里光纤对光信号功率的衰减 值。衰减系数（也称衰耗系数）是多模光纤和单模光纤最重要的特性参数之一， 在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离。单位：dB/km。 产生原因：使光纤产生衰减的原因很多，主要有：吸收衰减，包括杂质吸收 和本征吸收；散射衰减，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其 它衰减，包括微弯曲衰减等。其中最主要的是杂质吸收引起衰减。在光纤材料 中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的吸收能力极强，它们是产生光信 号衰减的重要因数。因此，要想获得低衰减光纤，必须对制造光纤用的原材料 二氧化硅进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb 以下。
光纤基本概念
光纤技术原理课程设计
光纤技术原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光纤的基本结构、分类和原理；2. 掌握光纤通信系统中光信号的发射、传输和接收过程；3. 了解光纤技术在现代通信领域的应用及其优势。
技能目标：1. 能够运用光纤技术原理，分析光纤通信系统中的性能指标；2. 学会使用光纤通信设备，进行基本的光缆敷设、接续与测试操作；3. 能够针对实际问题，运用光纤技术提出解决方案，并进行初步的评估。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光纤技术原理的兴趣和探究精神，激发其学习热情；2. 增强学生团队协作意识，培养共同解决问题的能力；3. 提高学生对我国光纤通信技术发展的认识，增强国家自豪感和责任感。
本课程针对高中年级学生，结合物理和信息技术学科知识，以光纤技术原理为核心内容，充分考虑学生的认知水平、兴趣和实际需求。
通过本课程的学习，旨在使学生掌握光纤技术的基本知识和技能，培养其创新意识和实践能力，为培养未来通信技术领域的人才奠定基础。
课程目标具体、可衡量，便于后续教学设计和评估的实施。
二、教学内容1. 光纤基本概念：光纤的结构、分类及其工作原理；教材章节：第二章“光纤与光缆”，第一节“光纤的基本概念”。
2. 光纤通信系统：光信号的发射、传输和接收过程，光纤通信系统的性能指标；教材章节：第二章“光纤与光缆”，第二节“光纤通信系统”。
3. 光纤技术及应用：光纤技术在现代通信领域的应用，如光纤接入网、光纤传感器等；教材章节：第二章“光纤与光缆”，第三节“光纤技术的应用”。
4. 光纤通信设备与操作：光纤通信设备的组成、功能及使用方法，光缆敷设、接续与测试操作；教材章节：第三章“光纤通信设备与工程”，第一节“光纤通信设备”，第二节“光缆敷设与接续”。
5. 光纤技术案例分析：分析实际案例，运用光纤技术原理解决具体问题；教材章节：第四章“光纤通信案例分析”。
教学内容按照课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。
教学大纲明确规定了教学内容的安排和进度，使学生能够循序渐进地掌握光纤技术原理及相关应用。
光纤通信基本概念
光纤通信基本概念
光纤通信基本概念：
①介质特性光纤由高纯度二氧化硅拉制而成中心为纤芯外围包裹着折射率略低的包层二者共同构成光波导结构；
②工作原理基于全反射原理当光线从高折射率介质射向低折射率介质且入射角大于临界角时会在界面处反射；
③光源选择通常采用发光二极管或激光器作为光源前者成本低廉但相干性较差后者则相反适用于长距离传输；
④调制技术将待发送信息加载到光载波上最简单直接的方式是强度调制即根据信号变化改变光源输出功率；
⑤传输损耗尽管光纤损耗远低于铜线但仍然存在主要有吸收散射两种类型其中弯曲辐射连接不良也会造成额外损失；
⑥中继放大每隔一段距离需插入光电转换器将信号恢复成电信号放大后再变回光信号继续向前传播；
⑦接收解调终端设备通过光电探测器将接收到的微弱光信号还原成原始电信号再经解调滤波送入计算机处理；
⑧多路复用为了提高带宽利用率通常采用波分复用技术即在同一根光纤中同时传输多个不同波长的光信号；
⑨应用领域凭借其大容量远距离抗干扰等优点广泛应用于长途干线城域网数据中心互联家庭宽带接入；
⑩安全防护由于光信号无法被普通窃听器材截获因此天然具备较高安全性但仍需注意物理层面的防护；
⑪发展现状近年来随着光纤预制棒拉丝技术不断进步单模光纤已成为主流并且向着更高性能方向发展；
⑫未来趋势展望未来光纤通信将朝着超高速超大容量方向迈进同时与无线传感网物联网等新兴领域深度融合。
《光纤通信技术》 课程大纲
《光纤通信技术》课程大纲《光纤通信技术》课程大纲课程名称：光纤通信技术课程类别：核心课学分：4学分适用专业：通信工程专业、计算机应用专业先修课程：数字通信原理、数据通信原理一、课程的教学目的《光纤通信技术》是信息与通信工程学科一门重要的专业课程。
课程定位为需要学习通信工程、计算机通信技术等专业，从事信息通信、计算机、网络等相关行业的学员。
光纤通信系统具有低的传输损耗和宽的传输频带的特点，成为高速数据业务的理想传输通道。
课程以光纤的导光原理和激光器的发光原理为基础内容，同时涵盖了各种实用光网络技术。
课程以提高学生基本技能素质与新技术、新手段的应用能力为目标，培养能满足光纤网络工程的规划建设、系统调测、电信核心网络和接入网络的工程等需要的应用型人才。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
鉴于本课程是实践性很强的专业课程，其教学内容既包括理论学习内容，又涵盖与之相关的实践实验活动内容，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
二、相关课程的衔接学习本课程需要先修《数字通信原理》、《数据通信原理》等专业基础课程以及《现代交换技术》、《宽带接入技术》等相关课程；后续课程包括《光网络》、《多媒体通信》等。
三、教学的基本要求要求掌握《光纤通信技术》的基本概念、工作原理，了解相关扩展知识。
熟练进行光纤通信技术的工程分析及工程计算。
熟悉实验原理及内容，能够利用所学基本知识完成简单电路的分析和设计。
四、课程教学方法下载教学内容导学、详解、实时辅导、教案、综合练习题等资料。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
本课程含有实验，使本课程更多地与实践接轨，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
五、课程考核方式本学期将安排4次阶段作业。
每次作业计10分，共计40分。
作业类型为客观题，可重复提交，直至分数满意为止。
考试：本课程的考试采用开卷的形式，由于本课程的计算量较大，建议学生熟练使用计算器。
光纤通信基本概念和分类
光纤通信基本概念和分类在现代信息社会中，通信发挥着重要的作用，而光纤通信作为一种高效的传输方式，正逐渐成为主流。
本文将从光纤通信的基本概念和分类两个方面进行探讨。
一、光纤通信的基本概念光纤通信是一种利用光信号进行信息传输的技术。
它基于光的全反射原理，通过光纤将信息信号转换为光信号，并在光纤中进行传输。
与传统的电信号传输方式相比，光纤通信具有带宽大、传输距离远、抗干扰性强等优势。
在光纤通信中，主要涉及三个关键组件：光源、光纤和接收器。
光源负责产生光信号，光纤则负责将光信号传输至目标地点，接收器则将光信号转换为电信号进行解码。
这三个组件协同工作，实现了信息的快速传输。
光纤通信的工作原理是基于光信号的调制与解调过程。
调制是将信息信号转换为光信号的过程，而解调则是将光信号转换为电信号并恢复原始信息的过程。
这一过程中，采用的调制解调技术主要有振幅调制、频率调制和相位调制等。
二、光纤通信的分类根据传输介质的不同，光纤通信可以分为单模光纤通信和多模光纤通信两种。
1. 单模光纤通信单模光纤通信使用的是单模光纤进行信息传输。
所谓单模光纤，是指光的传播只有一种模式，即仅能在光纤中传播一束光。
单模光纤的直径较小，常用0.8μm和0.2μm两种规格。
单模光纤通信具有传输距离远、带宽大、衰减小等优点，因此在远距离通信中得到广泛应用。
例如，长距离电话线路、地理信息传输等领域都采用了单模光纤通信技术。
2. 多模光纤通信多模光纤通信则使用的是多模光纤。
多模光纤是指光的传播存在多种模式，即可以在光纤中传播多束光。
多模光纤的直径较大，常见规格为50μm和62.5μm。
相比于单模光纤通信，多模光纤通信的传输距离较短，衰减较大，但其制造成本较低，适用于距离较短、带宽要求不高的通信场景。
例如，局域网、广域网等都常采用多模光纤通信技术。
三、结语光纤通信作为现代通信领域的重要技术之一，改变了人们信息传输的方式，提升了通信网络的效率和可靠性。
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复习提纲第一章知识点小结：1.什么是光纤通信？3、光纤通信和电通信的区别.2.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。
第二章知识点小结1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求)。
2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算.3、弱导波光纤的概念。
4、相对折射率指数差的定义及计算.5、突变多模光纤的时间延迟.6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。
7、归一化频率的表达式.8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。
第三章知识点小结1、纤通信中常用的半导体激光器的种类.2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成？3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件.4、什么是粒子数反转分布？5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。
6、静态单纵模激光器。
7、半导体激光器的温度特性. 8、DFB激光器的优点。
9、LD与LED的主要区别10、常用光电检测器的种类。
11、光电二极管的工作原理。
12、PIN和APD的主要特点。
13、耦合器的功能。
14、光耦合器的结构种类。
15、什么是耦合比？16、什么是附加损耗？17、光隔离器的结构和工作原理.第四章知识点小结1、数字光发射机的方框图。
2、光电延迟和张驰振荡。
3、激光器为什么要采用自动温度控4、数字光接收机的方框图。
5、光接收机对光检测器的要求。
6、什么是灵敏度？7、什么是误码和误码率？8、什么是动态范围？9、数字光纤通信读线路码型的要求. 10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。
第五章知识点小结1、SDH的优点。
2、SDH传输网的主要组成设备。
3、SDH的帧结构(STM-1）。
4、SDH的复用原理。
5、三种误码率参数的概念.6、可靠性及其表示方法。
7、损耗对中继距离限制的计算。
8、色散对中继距离限制的计算。
第七章点知识小结1、光放大器的种类2、掺铒光纤放大器的工作原理3、掺铒光纤放大器的构成方框图4、什么WDM？5、光交换技术的方式6、什么是光孤子？7、光孤子的产生机理8、相干光通信信号调制的方式9、相干光通信技术的优点光纤通信复习第一章1.什么是光纤通信?光纤通信,是指利用光纤来传输光波信号的一种通信方式2。
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《光纤技术》复习资料第一章 绪论要求：1、了解光纤的基本结构和基本特性；2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中的作用和地位，明确学习目的；3、了解光纤技术的发展动向；4、知道本课程的学习方法。
具体：1、光纤的定义：光纤是“光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构：主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯内发生全内反射，从而使光在纤芯内传播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m μ，涂敷层的直径大约是250m μ。
4、常用的光纤材料有纯石英（2SiO ）、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点（至少5点）：如容量大、抗电磁干扰、电绝缘、本质安全；灵敏度高；体积小、重量轻、可绕曲；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；损耗低；防水、防火、耐腐蚀；成本低、储量丰富等。
6、光纤通信所占的波长范围大概是0817..m :。
7、1953年，在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的包层纤维，由此导致光纤的诞生。
8、1966年，光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前，F T T H （光纤到户）是宽带接入的一种理想模式，各国发展迅猛。
10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络：电信网、有线电视网和计算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章 光纤拉制及成缆要求：1、了解光纤的分类方法和光纤的种类，理解各种不同种类光纤之间的区别及每种光纤的特点；2、知道光纤的制作材料及要求；3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺；4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体：1、 光纤的分类：按照光纤横截面折射率分布不同分为：阶跃光纤和渐变光纤（折射率在纤芯中保持恒定，在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤，折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
光纤通信复习重点
光纤通信复习重点题型：填空、选择、判断30’、问答40’、计算30’第一章概论光纤通信的优点☆☆1）容许频带很宽,传输容量很大2）损耗很小,中继距离很长,且误码率很小3）重量轻,体积小4）抗电磁干扰性能好5）泄露小,保密性能好6）节约金属材料,有利于资源合理使用光纤通信系统的基本组成作用：1）信息源：把用户信息转换为原始电信号,这种信号称为基带信号2）电发射机：把信息源传递过来的模拟信号转换成数字信号PCM3）光发射机：把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术吧光信号最大限度地注入光纤线路;4）光纤线路：把来自光发射机的光信号,以尽可能小的失真和衰减传输到光接收机; 5）光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号,并经其后的电接收机放大和处理后恢复成基带电信号;光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成,光检测器是光接收机的核心;光接收机最重要的特性参数数灵敏度；6）电接收机：把接收的电信号转换为基带信号,最后由信息宿恢复用户信息；说明：光发射机之前和光接收机之后的电信号段,光纤通信所用的技术和设备和电缆通信相同,不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输；注：计算题3个,全来自第二第三章的课后习题第二章光纤和光缆光纤结构光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝;相对折射率差典型值△=n1-n2/n1,△越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量确越小光纤类型三种基本类型图突变型多模光纤：纤芯折射率为n1保持不变,到包层突然变为n2;这种光纤一般纤芯直径2a=50~80 μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大;渐变型多模光纤：纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2;这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小;单模光纤：折射率分布和突变型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播;因为这种光纤只能传输一个模式两个偏振态简并,所以称为单模光纤,其信号畸变很小;光纤传输原理 展宽 衰减的原因 1）突变型多模光纤2）数值孔径：定义临界角θc 的正弦为数值孔径NANA 表示光纤接收和传输光的能力,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θc 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畸变越大,因而限制了信息传输容量; 时间延迟:这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽,或称为信号畸变;由此可见,突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后,其时间延迟不同而产生的; 3）渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点; 自聚焦效应：不同入射角相应的光线,虽然经历的路程不同,但是最终都会聚在同一点上;渐变型多模光纤具有自聚焦效应,不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上,而且这些光线的时间延迟也近似相等; 光纤传输的波动理论 单模光纤的模式特性 1单模条件和截止波长传输模式数目随V 值的增加而增多;当V 值减小时,不断发生模式截止,模式数目逐渐减少;特别值得注意的是当V<时,只有HE11LP01一个模式存在,其余模式全部截止;HE11称为基模,由两个偏振态简并而成;由此得到单模传输条件为可以看到,对于给定的光纤n1、n2和a 确定,存在一个临界波长λc,当λ<λc 时,是多模传输,当λ>λc 时,是单模传输,这个临界波长λc 称为截止波长; 2）光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模 HE11的电磁场分布近似为高斯分布 Ψr=Aexp式中,A 为场的幅度,r 为径向坐标,w0为高斯分布1/e 点的半宽度,称为模场半径; 3）双折射把两个偏振模传输常数的差βx-βy 定义为双折射Δβ, 通常用归一化双折射β来表示∆≈-=212212n n n NA ∆≈==∆cL n NA c n L c n L c 12121)(22θτ405.222221≤-n n a λπ])([2w r -ββββββ)(y x -=∆=式中, =βx+βy/2为两个传输常数的平均值;把两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长Lb= 光纤传输特性损耗和色散是光纤最重要的传输特性;损耗限制系统的传输距离,色散则限制系统的传输容量;☆☆☆☆☆三种色散模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的,它取决于光纤的折射率分布,并和光纤材料折射率的波长特性有关;材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不同波长成分的光实际光源不是纯单色光,其传播时间不同而产生的;这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度;波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的,它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差;说明：色散对光纤传输系统的影响,在时域和频域的表示方法不同;从频域上看,色散限制了传输信号的带宽；从时域上看,色散引起信号脉冲的展宽; 理想的单模光纤没有模式色散,只有材料色散和波导色散;材料色散和波导色散总称为色度色散,常简称为色散,它是传播时间随波长变化的产生的;光纤损耗光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离;在最一般的条件下,在光纤内传输的光功率P 随距离z 的变化,可以用 表示;α是损耗系数;吸收损耗：由SiO 2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的;散射损耗：主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起; 光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为： α= +B+CW λ+IR λ+UV λA 为瑞利散射系数,B 为结构缺陷散射产生的损耗,CW λ、IR λ和UV λ分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗; 第三章 通信用光器件 光源光源是光发射机的关键器件,其功能是把电信号转换为光信号;半导体激光器是向半ββ∆2apdz dp -=4λA导体PN 节注入电流,实现粒子数反转分布,产生受激辐射,在利用谐振腔的正反馈,实现光放大而产恒激光震荡的;工作原理：半导体激光器是向半导体PN 结注入电流实现粒子数翻转分布,产生受激辐射,实现光放大,在利用谐振腔的正反馈而产生激光振荡的;基本结构：结构中间有一层厚~ μm 的窄带隙P 型半导体,称为有源层；两侧分别为宽带隙的P 型和N 型半导体, 称为限制层;三层半导体置于基片衬底上,前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里 - 珀罗FP 谐振腔; 三种跃迁：受激吸收：处于低能级E1的电子,在入射光作用下,它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上；自发辐射：在高能级E2的电子是不稳定的,即使没有外界的作用,也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量转换为光子辐射出去；受激辐射：在高能级E2的电子,受到入射光的作用,被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合,释放的能量产生光辐射； 能级跃迁：电子在E1和E2两个能级之间跃迁,吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件,即 E2-E1=hf 12,其中 h=×10-34J ·s,为普朗克常数,f 12为吸收或辐射的光子频率； 受激辐射和自发辐射光的区别：它们的特点很不相同;受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同,这种光称为相干光;自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的,其频率和方向分布在一定范围内,相位和偏振态是混乱的,这种光称为非相干光; 粒子数分布：低能级E1和处于高能级E2E2>E1的原子数分别为N1和N2;当系统处于热平衡状态时,存在下面的分布)12(exp 12kTE E N N --=k=10-23为玻尔兹曼常数,T 为热力学温度 N1>N2,即受激吸收大于受激辐射;当光通过这种物质时,光强按指数衰减, 这种物质称为吸收物质；正常状态N2>N1,即受激辐射大于受激吸收,当光通过这种物质时,会产生放大作用,这种物质称为激活物质;粒子数反转分布 如何实现粒子数反转分布：半导体激光器是向半导体PN 结注入电流,实现粒子数反转分布；发射波长：半导体激光器的发射波长取决于倒带的电子跃迁到价带时所释放的能量;这个能量近似等于禁带宽度；EgEg24.1hc ==λ不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg,所以有不同的发射波长光谱特性：随着驱动电流的增加,纵模模数逐渐减少,谱线宽度变窄； 随着调制电流增大,纵模模数增多,光谱密度变宽; 弛张频率：弛张频率f r 是调制频率的上限,在接近f r 处,数字调制要产生弛张震荡,模拟调制要产生非线性失真;温度特性：激光器输出光功率随温度而变化有两个原因：一是激光器的阈值电流I th 随温度升高而增大,二是外微分量子效率ηd 随温度升高而减小;温度升高时,I th 增大,ηd 减小,输出光功率明显下降,达到一定温度时,激光器就不激射了;当以直流电流驱动激光器时,阈值电流随温度的变化更加严重;当对激光器进行脉冲调制时,阈值电流随温度呈指数变化,在一定温度范围内,可以表示为)ex p(00th T T I I =I 0为常数,T 为结区的热力学温度,T 0为激光器材料的特征温度 发光二极管 对应的看看就可以发光二极管LED 的工作原理与激光器LD 有所不同, LD 发射的是受激辐射光,LED 发射的是自发辐射光;发光二极管的优点：和激光器相比,发光二极管输出光功率较小,谱线宽度较宽,调制频率较低;但发光二极管性能稳定,寿命长,输出光功率线性范围宽, 而且制造工艺简单,价格低廉; 光检测器光电二极管工作原理光电效应光电效应：在PN 结界面上,由于电子和空穴的扩散运动,形成内部电场;内部电场使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动,最终使能带发生倾斜, 在PN 结界面附近形成耗尽层;在耗尽层,会形成光生漂移电流;在中性区会形成光生扩散电流;当与P 层和N 层连接的电路断开时,便会在两端产生电动势;说明:光生漂移电流分量和光生扩散电流分量的总和即为光生电流； 光无源器件小知识点 考小题 无计算 连接器：实现光纤与光纤之间可拆卸连接 接头：实现光纤与光纤之间的永久性连接光耦合器：把一个输入的光信号分配给多个输出,或者把多个输入的光信号复合成一个输出;分为：T 型耦合器.星型耦合器.定向耦合器.波分复用器/解复用器光隔离器：非互易器件,只允许光波向一个方向上传输,阻止光波往其他方向特别是反方向传播;环形器：有多个接口的光隔离器；外调制器：为了解决直接调制激光器会产生线性调频的问题；光开关：转换电路,实现光交换;光发射机光发射机基本组成相应的模块对光源有什么要求、电路的作用☆☆对光源的要求：简单题1号嫌疑犯1发射的光波长应和光纤低损耗“窗口”一致,即中心波长应在μm、μm和μm附近;光谱单色性要好,即谱线宽度要窄,以减小光纤色散对带宽的限制;2电/光转换效率要高,即要求在足够低的驱动电流下,有足够大而稳定的输出光功率,且线性良好;发射光束的方向性要好,即远场的辐射角要小,以利于提高光源与光纤之间的耦合效率;3允许的调制速率要高或响应速度要快,以满足系统的大传输容量的要求;4器件应能在常温下以连续波方式工作,要求温度稳定性好,可靠性高,寿命长;5此外,要求器件体积小,重量轻,安装使用方便,价格便宜;发射机的电路部分：作用：电路的设计应该以光源为依据,使输出光信号准确反映输入电信号；对调制电路和控制电路的要求：1)输出光脉冲的通断比应大于10,以保证足够的光接收信噪比;2)输出光脉冲的宽度应远大于电光延迟时间,光脉冲的上升时间、下降时间和开通延迟时间应足够短,以便在高速率调制下,输出的光脉冲能准确再现输入电脉冲的波形.3)对激光器应施加足够的偏置电流,以便抑制在较高速率调制下可能出现的张弛振荡,保证发射机正常工作;4)应采用自动功率控制APC和自动温度控制ATC,以保证输出光功率有足够的稳定性; 线路编码电路必要的原因：因为电端机输出的数字信号是适合电缆传输的双极性码,而光源不能发射负脉冲;调制特性效应小知识码型效应：当电光延迟时间td与数字调制的码元持续时间T/2为相同数量级时,会使“0”码过后的第一个“1码的脉冲宽度变窄,幅度减小,严重时可能使单个“１”码丢失,这种现象称为“码型效应”；码型效应的特点：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码,其脉冲明显变小,而且连“0”码数目越多,调制速率越高,这种效应越明显;可以采用“过调制”补偿方法,消除码型效应；弛张震荡：当电流脉冲注入激光器后,输出光脉冲会出现幅度逐渐衰减的震荡; 自脉动现象：某些激光器在脉冲调制甚至直流驱动下,当注入电流达到某个范围时,输出光脉冲出现持续等幅的高频振荡,这种现象叫做自脉动现象；温度对激光器输出光功率的影响主要通过阈值电流I th 和外微分量子效率ηd 产生温度升高,阈值电流增加,外微分量子效率减小,输出光脉冲幅度下降； 光接收机 ☆☆☆☆☆☆器流对光检测器的要求：1）波长相应要和光纤低损耗窗口μm,μm 和μm 兼容；2）响应度要高,在一定的接收光功率下,能产生尽可能大的光电流； 3）噪声要尽可能低,能接收微弱光信号,； 4）性能稳定,可靠性高,寿命长,功耗和体积小; 均衡的目的是：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变的电信号进行补偿,使输出信号的波形适合于判决,以消除码间干扰减小误码率;灵敏度的定义：在保证通信质量的条件下,光接收机所需的最小平均接收光功率P min ,并以dBm 为单位;计算公式：定义公式：Pr=10lg 理想光接收机灵敏度：Pr=10lg)](10)min([3dBm w P -><λη2bnhcf基本概念：因为量子噪声是伴随光信号的随机噪声,只要有光信号输入,就有量子噪声存在； 光接收机的噪声包括光检测器的噪声量子噪声、暗电流噪声、APD 附加噪声、电阻热噪声和前置放大器的噪声; 线路编码有什么要求数字光纤通信系统对线路骂醒的主要要求是保证传输的透明性,具体要求是： 1）能限制信号带宽,减小功率谱中的高低频分量; 2）能给光接收机提供足够的定时信息;3）能提供一定的冗余度,用于平衡码流、误码监测和公务通信;但对高速光纤通信系统,应尽量减小冗余度,以免占用过大的带宽;常用的线路码型为：扰码、mBnB 码和插入码; 第四章 数字光纤通信同步数字系列SDH 帧结构 作用因素 图 简答题2号嫌疑犯字节发送顺序：由上往下发 每行先左后右1）段开销SOH 又可分为再生段开销SOH 和复接段开销LOH 2）信息载荷Payload 3）管理指针单元AU-PTRSDH 环形网的一个突出优点是“自愈”能力; 系统的性能指标 小知识点 掌握为进行系统性能研究,ITU-T 建议中提出了一个数字传输参考模型,称为假设参考连接HRX ；假设参考数字链路HRDL数字光纤通信系统的主要性能指标有：传输速率,误码率,抖动和可靠性 系统的设计往年有计算,今年没有,但有小知识点12345…9顺序数字光纤通信系统设计的主要任务是确定中继距离,一般采用最坏情况设计法来确定中继距离;在光纤传输中,中继距离不但受到光纤损耗限制,而且还受到光纤色散的限制;第七、八章讲过的一些小知识点,你大爷,哪些讲过,臣妾不知道哇1参饵光纤放大器工作波长正好与光纤的最佳波长一致,增益高、噪声系数小、频带宽,在光纤通信系统中可以作为中继放大器,前置放大器和后置放大器;2光波分复用增加了光纤的传输容量,降低了成本；3光交换目前主要有两种方式：空分交换和波分交换4目前光通信系统采用光强调制——直接检测的方式；5相干光通信在接收端采用零差检测或外差检测;6SDH技术的最大优势在于组网上,它的传送网通常采用线形、星形、树形、环形和网孔形拓扑结构;7SDH的特色之一是能利用ADM构成环形自愈网,自愈网结构分为两类：通道倒换环和复用段倒换环;8建议将光传送网分为光通道层OCH、光复用段层OMS和光传输层OTS;9WDM光网络的结点主要有两种功能,即光波长信道的分插复用功能和交叉连接功能,实现这两种功能的网络元件是：OADM和OXC;。
光纤通信专业知识讲座
图 2.3 光纤旳折射率分布
②按传播模式旳数量分类，能够将光纤分为: 多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)，
在一定旳工作波上，能够有多种模式在 光纤中传播。
（纵向）方向传播，纵向传播常数为 ，
场相对于时间旳变化是 e jt 。
x
2d
z y
图 2.7光波导旳构造及坐标选用
波导中旳场能够写为：
E
E0
x,
yexp
jt
z
H
H0 x,
yexp jt
z
Ex
j K2
H z y
E z x
Ey
j K2
H z x
E z y
Hx
K
j
2
H z x
E z y
Hy
j K2
J
m
J
m
U
a
U
r
cos m sin m
e
jz
H r1
j
a
2
UH 0
U a
Jm J
' Ur a
m U
j 1 E0 m r
J
m
J
m
U
a
U
r
sin m cos m
e
jz
E1
j
a U
2
0UH a
0
J
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Ur a
J m U
jE0 m r
J
m
J
m
U
a
光纤通信技术教案
第1章 光纤通信概述1.1光纤通信的基本概念 1.光纤通信光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
2.光波特性 （1）光速：① 在真空中：v f ，oc f （8c 310m /s ）② 在介质中：v c /n （n 是折射率） （2）光是电磁波：TM、TE、TEM （3）光具有二重性① 波动性（宏观）：光具有反射、折射、衍射和干涉等。
② 粒子性（微观）：光具有能量、 动量和质量等。
3.电磁波谱1.1光纤通信的特点 1.优点（1）传输频带宽，通信容量大 （2）传输损耗小 （3）抗电磁干扰（4）光纤线径细、重量轻 （5）制作光纤的资源丰富 2.缺点（1）光纤弯曲半径不宜过小（2）光纤的切断和连接操作技术要求高 （3）分路、耦合操作繁琐1.3 光纤通信系统的基本组成目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波（IM/DD）。
1.光发射机光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。
光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。
2.光接收机光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
3.光中继器光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。
1.4 光纤通信的发展趋势1.向超高速光纤系统发展2.向超大容量WDM系统发展3.向光传送网方向发展4.向G.655光纤发展5.向宽带光纤接入网方向发展（FTTH）第2章 光导纤维2.1 光纤的结构和分类2.1.1 光纤的结构1.纤芯层（1）位置：光纤的中心部位，折射率为n1。
（2）尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。
（3）材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。
2.包层（1）位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。
第二章 光纤与光缆
38
波动方程的求解
运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处 理，可得
d 2Ez dr2
1 r
dEz dr
(n2k2 0
2
m2 r2
)Ez
0
d 2Hz dr 2
1 r
dH z dr
(n2k 2 0
2
m2 r2 )Hz
0
上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方 位角模数，它表示纤芯沿方位角 绕一圈场变化的周期数。
23
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
24
2.2 光纤传输原理
2.2.1 射线光学分析方法 2.2.2 波动光学分析方法
25
★光的传输理论
光纤的三个基本性能指标
（1）定义临界角θc的正弦为数值孔径 (Numerical
Aperture, NA)
物理意义：数值孔径反映了光纤的集光能力，值越 大，集光能力越强。
2.1.3 光纤制造工艺
改进的化学汽相沉积法(MCVD) 轴向汽相沉积法(VAD) 棒外化学汽相沉积法(OVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)
19
光纤接续方法
□ 永久接续法 □ 连接器接续法
20
2.1.4 光缆及其结构
光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件 和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤 来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必 须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。
单模光纤 多模光纤
14
单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a
光纤光学基础
同样在纤端由折射定律有：
n0 sin n1 sin
临界角对应的纤端入射角为 0： n0 sin 0 n1 sin 0
2 n0 sin 0 n12 n2
9
0
孔径角0 ：当纤端入射角小于0时，光线在光纤内满足全
反射条件，光线被限制在光纤内传输。 0反映了光纤的集光 能力称之为孔径角。
tg ; 表示单位长度光纤对应的反射次数。 2a
11
S
1 1 cos sin 1
sin
n0 2 n1
1
2
光线在光纤内单位长度传输的路程仅取决于纤端入射角以及 相对折射率n0/n1，与光纤的直径无关。
tg 1 2a 2atg 1 n12 2a 2 2 1 n0 sin
子午面：通过光纤中心轴任意平面都称为子午 面，子午面有无数个。 子午线：位于子午面内的光线，它和光纤的轴 线平行或相交。 子午线传播的特征：子午光线的入射线、反射线 和分界面的法线三者均在同一子午面内 , 分界面 的法线方向即为纤芯的半径。
2a
7
2a
n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率
光纤光学基础
光纤的基本概念 光纤的光学特性 光纤传感原理 物理量的光纤传感原理
1
第1章 光纤传输的基本理论
光纤：光导纤维，它是工作在光波波段的一
种介质波导，通常为圆柱形。
纤芯
包层
缓冲涂覆层
把光波能量利用全反射的原理约束在其界面 内，并引导光波沿光纤轴线前进。
2
光纤的分类：
纤芯直径2a 2 ~ 12μm 单模光纤 n1 n2 纤 - 皮折射率差 n 0.0005 ~ 0.01 1 按传输的模式数量 纤芯直径2a 50 ~ 500μm 多模光纤 n1 n2 纤 皮折射率差 0.01 ~ 0.02 n1
光纤通信系统的基本概念
光纤通信系统的基本概念光纤通信系统是一种利用光纤作为传输介质的通信网络。
光纤通信系统具有传输距离远、带宽大、抗干扰能力强等优点，因此在现代通信中得到广泛应用。
本文将介绍，包括光纤的结构和工作原理、信号传输过程、光纤通信系统的组成部分以及其在大数据传输、互联网、通信等领域中的应用。
一、光纤结构和工作原理光纤是一种由高纯度的玻璃或塑料制成的细长柔软的材料。
光纤由纤芯和包层组成，其中纤芯是光信号传输的区域，包层是保护和引导光信号的区域。
光源产生的光信号通过光纤传输，利用光的全内反射特性，在光纤中沿纤芯传输。
光纤采用全内反射的原理传输光信号。
当光信号由高折射率介质进入低折射率包层时，会发生全内反射。
这使得光信号能够在光纤中沿一定角度传输，并且基本不损失信号的强度和质量。
光纤的包层还能够防止光信号的外部干扰。
二、信号传输过程光纤通信系统中，光信号通过调制的方式进行传输。
首先，光源将电信号转换为光信号，例如采用激光器产生的窄谱光信号。
接着，将光信号输入光纤，通过光纤的全内反射传输。
在光纤的整个传输过程中，光信号不断发生衰减，但在一定距离内，衰减并不显著。
在光纤传输的过程中，由于光信号频率较高，会发生色散现象和衰减现象。
色散现象会导致光信号的频率和相位发生变化，从而影响信号质量。
而衰减现象会使光信号的强度逐渐降低。
因此，在长距离的光纤传输中，需要采用一些调制和放大技术来补偿这些影响。
三、光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、调制器、光纤、接收器和控制系统等组成。
光源是发光二极管或激光器等能够产生光信号的设备。
调制器用于将电信号转换为光信号，并控制光信号传输的强度、频率等参数。
光纤用于传输光信号。
接收器接收传输过来的光信号，并将其转换为电信号。
控制系统用于控制整个通信系统的运行和管理。
四、光纤通信系统的应用光纤通信系统在现代通信中得到广泛应用。
与传统的铜缆通信相比，光纤通信具有很多优势。
首先，光纤通信的传输距离更远，可以达到几十公里甚至上百公里。
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沉积效率高、沉积 速度快有利于消除 包层沉积过程中的 微观不均匀 直接玻璃沉积 不需高温烧结 反应管不易变形
反应物质
排气口
SiCl4 + O2 + 参杂物质 低压工作的等离子体 玻璃层
1000~1200度
可快速移动，沉积厚度减少， 有利于控制折射率分布
快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)
光纤拉丝:
将预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布 恒定的操作称为光纤拉丝。 拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆 层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿， 又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。此外， 高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中 的残余内应力。
光纤拉丝机
光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝 精密输送机构 夹具 预制棒 d = 10~25 mm; L = 60~120 cm
拉丝炉 裸光纤 光纤粗细监测仪
涂覆机 已涂覆光纤 光纤卷绕
光纤制作
光纤制作
四
光纤传输原理
四
光纤导光原理
光纤导光原理
当光以某一较小的入射角 ， 由折射率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1＞n2) 时，则一部分入射光以折射角 折射入光疏物质，其余部分以 角 度反射回光密物质，根据折射定 律(斯涅尔定律)，光折射和反射 之间的关系为：
1．按材料分类
(1) 石英(SiO2)玻璃纤维 SiO2含量大于90%，熔点为1700℃，这种材料的光损耗比 较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。 (2) 多组分玻璃光纤 SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠、氧化硼、氧化钾等 氧化物的多成分玻璃作成的光纤。损耗也很低，如硼硅酸钠玻璃 光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。 特点：比石英的熔点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用 在医疗业务的光纤内窥镜。
非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子 (OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗。
本征吸收损耗：由制造光纤材料本身 (如 SiO2) 的特性所决定，包括紫外吸收、红外 吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收。
第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成 大光纤预制棒。
光纤制作的过程
汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)
饵棒 粉层状 预制棒 喷 嘴 玻璃微粒
1. 预制棒有空洞 2. 预制棒长度一定 3. 使用氢氧焰，光 纤所含的OH- 较高
玻璃预制棒
粉层沉积
粉状预制棒
加热炉 1400度
加热炉
芯
包层
玻璃预制棒 预制棒烧结 1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤
光纤智能材料与结构
第二章 光纤基础
光纤基础
光纤 (Optic Fiber)光导纤维的简称
1966年, 英国籍华人高锟(光纤之父,2009或诺贝尔物 理学奖)和Hockham发现玻璃可以制成光导纤维。 1970年，由美国贝尔、英国电信研究所和美国康宁 玻璃公司联合研究，研制成功了衰减为20dB/km 的光 纤。目前工作在1.55μm波长的石英光纤损耗只有 0.2dB/km. 中国”光纤之父”赵梓森于1979年拉制出来我国第 一
1．按材料分类
(3) 塑料光纤 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当 λ ＝ 0.63μm 时， 损耗高达100～200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用 于短距离导光。 (4) 液芯光纤 由石英光窗、芯料、皮层管、护套管、防尘帽和金属接头组 成，光纤的芯料是一种对人体无害的无机盐溶液。 具有大芯径，大数值孔径、光谱传输范围广、传光效率高等特 点，尤其是在紫外光波段比普通的石英传光束具有优越的传光效 率，特别适用于紫外固化、荧光检测、刑侦取证等。
改进的化学汽相沉积法 (MCVD)
贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤
反应物质 金属卤化物蒸汽+氧气
粉尘状生成物
排气口
SiO2饵管
烧结后的 玻璃
H-O
粉层沉积物 来回移动的喷灯
玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒 烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成
等离子体活性化学汽相沉积法 (PCVD)
光纤基础
光纤基础 光缆示意图
光缆的基本结构
光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。
• 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和 松套两种结构。紧套光纤有二层和三层结构。 • 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷 。一般是金属丝或非金属纤维。 • 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性 主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设 条件可由铝带/聚乙烯综合纵包带粘界外护层、钢 带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。
二、光纤的分类
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（SIF） 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ） 芯径
光纤种类
按光纤纤芯折射率分布划分
根具有实用价值，每公里衰耗只有4分贝的光纤。
光纤基础
光纤基础
一、光纤的结构
1 纤芯位于光纤中心，直径2a为5 ～75μ m, 作 用是传输光波。 2 包层位于纤芯外层，直径 2b 为 100～ 150μ m, 作用是将光波限制在纤芯中。 光纤导光的条件是n1＞n2。 3 一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上 的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30～150μ m。 4+5 套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙 烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。 经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。
光纤导光原理
光纤导光原理
(2)光纤传光原理
光纤导光原理
(2)光纤传光原理
光纤导光原理
五
光纤的传输特性
光纤的衰减
光纤的色散
光纤的损耗
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而 光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用， 称为光纤的衰减（损耗） 。 即便是在理想的光纤中都存在损耗 ——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。 光纤的损耗主要取决于： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
光纤的损耗
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而 光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用， 称为光纤的衰减（损耗） 。 即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损 耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的 损耗主要取决于： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
吸收损耗 原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的 不完整造成。
渐变折射率多模光纤
渐变折射率多模光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴 线开始沿径向大致按抛物线形成递减，中心轴折射率最大，因 此，光纤在纤芯中传播会自动地从折射率小的界面向中心会聚， 光纤传播的轨迹类似正弦波形，如图所示，具有光自聚焦效果， 故渐变折射率多模光纤又称为自聚焦光纤。因此渐变折射率多 模光纤的模分散比阶跃型小得多。
n1 sin 1 n2 sin 2
当入射角 增大到某一角度 时，透射入光疏物质的 折射光则沿界面传播，即 ＝90°，称此时的入射角 为 临界角。那么，由斯涅尔定律得 n2 临界角仅与介质的 sin c 折射率的比值有关 n
1
光纤导光原理
(2)光纤传光原理
光纤导光原理
光纤导光原理
直接熔化法：双坩埚法
纤芯坯料棒 内坩埚 纤芯 玻璃 熔炉
包层坯料棒
直接熔化法： 可用于制造石英 光纤、卤化物光 纤和硫属光纤 具有产量大、可 连续制造的优点 但坯料棒熔化过 程中容易带来杂 质，它的最低损 耗值为5 dB/km
外坩埚
包层玻 璃
拉制光纤 (到拉丝机)
光纤预制棒生产最常使用的工艺是两步法：
粉状预制棒 剖面
拉制光纤
汽相轴向沉积法 (VAD)
推进机
1977年 日本开发
马达
疏松的预制棒
喷灯口
优点： 1. 预制棒不再具有空洞 马达 2. 预制棒可以任意长 输送杆 3. 沉积室和熔融室紧密 透明预制棒 相连，可以保证制作 环境清洁 容器 环状加热器 4. 没有使用氢氧焰，单 真空泵 模光纤所含的OH- 较 低，因此损耗较低在 0.2~0.4 dB/km 红外热成像仪 玻璃微粒 反应室
第一步采用四种气相沉积工艺，即： 外气相沉积(Outside Vapour Deposition-OVD)、 轴向气相沉积(Vapour Axial Deposition-VAD)、 改进的化学气相沉积(Modified Chemical Vapour Deposition-MCVD)、 等离子化学气相沉积(Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD) 任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；
五
光纤的传输特性
光纤的衰减---描述光能在光纤中传输中逐渐减小 或消失的现象，由光纤损耗造成。
光纤衰减一般以分贝（dB）为单位来计量，以 输入光功率Pi与输出光功率PO的比值来定义：
Pi A( ) 10lg( ) dB Po
均匀光纤的衰减系数α(λ)
Pi A ( ) 1 ( )= 10lg( ) (dB / Km) L L Po
2、折射率分布
阶跃型光纤（SIF ）：纤芯折射率呈均匀分布，纤芯和包层相 对折射率差Δ 为1%～2%。 渐变型光纤（GIF ）：纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最 大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界 面上降至包层折射率n2。 W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一折射率低 于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。可以实 现在1.3～1.6μ m之间色散变化很小的色散平坦光纤或把零色散 波长移到1.5造