光纤通信的原理和应用

光纤通信的原理和应用

一、课程简述

资优生拓展课程《光纤通信的原理和应用》隶属于华东师范大学出版社版的高级中学物理拓展型课程中高二年级、第二册、第十六讲内容。主要通过学习有关光的反射知识了解光纤通信的原理，亲身体验光通信的过程并了解光导纤维的最前沿应用领域和发展前景。

二、课程目标

1.知识与技能：（1）知道光的全反射现象。（2）知道光纤通信的应用。

2.过程与方法：通过光纤通信实验经历探究实现光纤通信的方法。

3.情感态度价值观：体验科学探究的过程，了解2009年诺贝尔物理学奖得主高琨的生平，培养爱国主义的感情，培养爱家乡金山的感情。

三、课程实施

本课程的组织实施需要两个课时。

第一课时在课堂完成，主要以有关光纤通信的知识原理学习为主。

第二课时在展教中心完成，主要通过“光纤通信演示仪”项目，组织学生实践体验学习。

四、课外探究

1.光导纤维内窥镜的原理是什么？物理实验室中有可以研究光纤通信和光导纤维内窥镜的实验演示器材。请主动联系物理实验员研究之。

2.光纤输电的优势和困难在哪里？你有志于献身这一前沿领域的研究吗？

五、课程内容

1.第一人高锟

高锟，1933年11月4日，出生于上海金山张堰

镇，现年76岁。祖父是清末民初时期南社著名文人高

吹万，父亲高君湘是留美归国的执业律师，堂叔父高

君平为近代著名天文学家。

高锟曾先后担任过标准电话和电缆公司工程师，

标准电信实验室主任研究工程师，国际电话和电报公

司电光产品部任副经理，香港中文大学校长。

高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造）方面获28项专利。从1957年开始，高锟即从事光导纤维在通讯领域运用的研究。1964年，他提出在电话网路中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线。1966年，在标准电话实验室与何克汉共同提出光纤可以用作通讯媒介。

高锟于1996年当选为中国科学院外籍院士。2009年诺贝尔物理学奖得主。2009年，高锟入选中国世界纪录协会世界光纤第

2.通信的原理

光是一种电磁波具有折射，反

射和全反射。因光在不同物质中的

传播速度是不同的，所以光从一种

物质射向另一种物质时，在两种物

质的交界面处会产生折射和反射。

而且，折射光的角度会随入射光的

角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时， 折射光会消失， 入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通信就是基于以上全反射原理而形成的。当光在芯线中传播时，在芯线和包层界面上发生全反射，使光在弯曲的光导纤维内经多次全反射而传到另一端，如图所示。

例如，已知玻璃的折射率为1.52，水的折射率为1.33，那么当光从玻璃射到水里时才可能发生全反射。它的临界角是 875.052

.133.1sin w 0===g n n α 临界角α0=61°3′

3.纤维的结构及种类

（1）光纤结构：光纤裸纤一般分为三层，中心高折射率玻璃芯，中间为低折射率硅玻璃包层，最外是加强用的树脂涂层。

（2）数值孔径：入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某

个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。

（3）光纤的种类：按光在光纤中的传输模式可分为：单摸光纤和多模光纤。

多模光纤：中心玻璃芯教粗，可传多种模式的光。但其模间色散较大。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

单模光纤：中心玻璃芯教细，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通信。

4.光导纤维的其他应用

（1）内窥镜全反射使光沿着弯曲的

路经传播。如果把许多有序排列的光导纤

维聚集成束，就可以用来传递图像。工业

和医学上用光导纤维束制成的内窥镜，可

以对机械或人体内部进行检查和诊断。如

图所示，它是将光纤聚集成束，使它两端一一对应排列着，将其一端对着被照亮物体，光线便通过光纤弯曲地传到另一侧。

（2）光纤输电来，人们已开始研究用光纤传送电能的问题。这是因为用光纤传输电能相对于传统的用金属导线输电，不仅能大大降低电网的造价，还具有安全可靠、节约有色金属和延长电网使用周期等独特的优点。

目前，美国拉里安公司在用光纤输电方面取得突破性成就，原因在于他们对光纤输电中两个难点的突破：(1)在光纤输电的发送端，该公司用激光二极管使电能转化为光能的问题得到解决；(2)在接收端，解决了光能还原为电能的问题。

当然，用光纤输电的课题目前仅仅是开始，在科技迅速发展的今天，相信光纤输电将会在不远的将来投入工业使用。

5.光纤通信演示仪项目

光纤通信演示仪上部为一台摄像机，代表视频信号源；下边为一台电视机，代表接收终端。老师可以组织一个学生站在摄像机的拍摄范围内，让其他同学从电视上观看显示的学生的影像。该演示揭示了用光纤传可以传输信号，同学们可以用手或其他物品在特意留下的狭缝中切断光路，体验光通信被切断的效果。