光纤通信技术ppt课件
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第9章 光纤通信技术
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
光纤通信概述 光纤传输原理与特性 光发送机与光接收机 光纤通信系统 光纤通信新技术
1
9．1 光纤通信概述 9.1.1 电磁波谱
信息的传输是以电磁波为媒介进行的。电 磁波的波谱很宽，如图9.1所示。通信所用的 波段是在波长为千米至微米数量级范围。
2．按光纤中的传导模式数量分类 光是一种电磁波，它沿光纤传输时可能存在多种不
同的电磁场分布形式（即传播模式），能够在光纤中 远距离传输的传播模式称为传导模式。根据传导模式 数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。 (1) 单模光纤
光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单 模光纤的纤芯直径约为 4－10μ m范围，包层直径为 125μ m。单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信 系统。 (2) 多模光纤 光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传 导模式。多模光纤的纤芯纤芯直径一般为 50μ m，其 横截面的折射率分布为渐变型，包层的外径125μ m。 多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。
光通信
4
9.1.2 光纤通信系统基本结构与特点
光纤通信是以光波为载频、以光纤（光导 纤维）为传输媒质的通信方式。
光纤通信系统的基本组成如图9.2所示， 它包括了电收发端机、光收发端机、光纤光缆 线路、中继器等。
LD/LED
PIN/APD
图9.2 光纤通信系统组成
5
光纤通信系统由于采用了光纤传输信号 实现通信，因此，和其他通信系统相比，具 有一系列独特的优点： （1）频带宽，通信容量大 （2）传输损耗低，无中继距离长 （3）抗电磁干扰 （4）光纤通信串话小，保密性强，使用安全 （5）体积小，重量轻，便于敷设 （6）材料资源丰富
12
3．按光纤构成的原材料分类
（1）石英系光纤
石英系光纤主要是由高纯度的 SiO2 并掺有适当的
. 杂质制成，如用 GeO2 SiO2 和 P2O5.SiO2
作芯子，用 B2O3.SiO2作包层。目前这种光纤损耗最低、
强度和可靠性最高、应用最广泛。
（2）多组分玻璃光纤
例如用钠玻璃掺有适当杂质制成的光纤。这种光纤 的损耗较低，但可靠性不高。
（3）塑料包层Biblioteka Baidu纤
光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。
（4）全塑光纤
光纤的芯子和包层均由塑料制成，其损耗较大，可
靠性也不高。
13
4．按光纤的套塑层分类
（1）紧套光纤
典型的紧套光纤各层之间都是紧贴的，光 纤被套管紧紧箍住，不能在其中松动。在光纤 与套管之间放置了一个缓冲层，以减小外面应 力对光纤的作用。紧套光纤的结构简单，使用 和测试都比较方便。
（2）松套光纤
典型的松紧套光纤的护套为松套管，光纤 能在其中松动。管内空间填充油膏，以防水份 渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较 好，便于成缆。若一根管内放入2－20根光纤， 可制成光纤束，称为松套光纤束。
14
9.2.2 光纤的导光原理*
光具有波粒二象性，既可以将光看成光波，也可以
通信的容量与电磁波频率成正比 探索将更高频率的电磁波用于通信技术是 人们追求的目标。 各种频段电磁波的划分和常用传输媒质如 表9.1所示。
2
3
频段和波段名称 极低频(ELF)极长波
甚低频(TLF)超长波
低频(LF)长波
中频(MF)中波 高频(HF)短波 甚高频(VHF)超短波
特高频(UHF) 分米波
7
8
1．按光纤横截面的折射率分布分类
根据光纤横截面折射率分布的不同，常用 的光纤可以分成阶跃折射率分布光纤（简称阶 跃光纤）和渐变折射率分布光纤（简称渐变光 纤〕两种类型，其折射率分布如图9．4所示。
图（a）是光纤的横截面图，其纤芯直径 为2a，包层直径为2b。
(1) 阶跃光纤：
图(b)为阶跃光纤横截面的折射率分布，纤 芯折射率为n1，包层折射率为n2。纤芯和包层 的折射率都是均匀分布，折射率在纤芯和包层 的界面上发生突变。
主要用途
潜艇通信、矿井通信．
潜艇通信、远程导航、远 程无 线电通信 中远距离通信、地下通信、 无 线电导航 调幅广播、导航、业余无线电
调幅广播、移动通信、军用通 信
调幅广播、电视、移动通信、 电
离层散射通信 微波接力、移动通信、空间遥 测雷达、电视
雷达、微波接力、卫星和空间 通信 雷达、微波接力、射电天文
3-30MHz 100—10m
同轴电缆短波无线电
30—300MHz 同轴电缆超短波无线电 10～lm
0.3—3 GHz 波导分米波无线电 lO—l cm
3—30GHz 10—1cm
波导厘米波无线电
30一300GHz 10一lm
105—107 GHz O．3～3×10-6 cm
波导毫米波无线电 光纤激光空间传播
微
超高频(SHF)
波
厘米波
极高频(EHF) 毫米波
紫外、可见光、红外
频率范围和波长
9 范围
30-3000Hz 0.1-l 000km
3-30kHz 1 000-lOkm
传输媒质
有线线对极长波无线电 ●
有线线对超长波无线电 ●
30-300kHz lO-1 km
有线线对长波无线电 ●
O．3-3MHz 同轴电缆中波无线电 l 000-100m
6
9.2 光纤传输原理与特性 9.2.1 光纤的结构和分类
光纤是圆截面介质波导(图9.3 )。光纤由纤芯、 包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；
包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导 效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输；
涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。 为了进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，在 带有涂覆层的光纤外面在套一层热塑性材料，成为套 塑层（或二次涂覆层）。在涂覆层和套塑层之间还需 填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。 光纤大多为石英光纤。它以纯净的二氧化硅材料为 主，中间掺以合适的杂质。掺锗和磷使折射率增加， 掺硼和氟使折射率降低。
9
第9章 光纤通信技术
（2）渐变光纤： 图（C）为渐变光纤横截面的折射率分布，
包层的折射率为n2，是均匀的，而在纤芯中 折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，是 非均匀的、且连续变化。
此外，还有三角型折射率光纤n2 ，其纤芯折 射率分布曲线为三角形；双包层光纤、四包 层光纤等，如图9．5所示。
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第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
光纤通信概述 光纤传输原理与特性 光发送机与光接收机 光纤通信系统 光纤通信新技术
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9．1 光纤通信概述 9.1.1 电磁波谱
信息的传输是以电磁波为媒介进行的。电 磁波的波谱很宽，如图9.1所示。通信所用的 波段是在波长为千米至微米数量级范围。
2．按光纤中的传导模式数量分类 光是一种电磁波，它沿光纤传输时可能存在多种不
同的电磁场分布形式（即传播模式），能够在光纤中 远距离传输的传播模式称为传导模式。根据传导模式 数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。 (1) 单模光纤
光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单 模光纤的纤芯直径约为 4－10μ m范围，包层直径为 125μ m。单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信 系统。 (2) 多模光纤 光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传 导模式。多模光纤的纤芯纤芯直径一般为 50μ m，其 横截面的折射率分布为渐变型，包层的外径125μ m。 多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。
光通信
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9.1.2 光纤通信系统基本结构与特点
光纤通信是以光波为载频、以光纤（光导 纤维）为传输媒质的通信方式。
光纤通信系统的基本组成如图9.2所示， 它包括了电收发端机、光收发端机、光纤光缆 线路、中继器等。
LD/LED
PIN/APD
图9.2 光纤通信系统组成
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光纤通信系统由于采用了光纤传输信号 实现通信，因此，和其他通信系统相比，具 有一系列独特的优点： （1）频带宽，通信容量大 （2）传输损耗低，无中继距离长 （3）抗电磁干扰 （4）光纤通信串话小，保密性强，使用安全 （5）体积小，重量轻，便于敷设 （6）材料资源丰富
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3．按光纤构成的原材料分类
（1）石英系光纤
石英系光纤主要是由高纯度的 SiO2 并掺有适当的
. 杂质制成，如用 GeO2 SiO2 和 P2O5.SiO2
作芯子，用 B2O3.SiO2作包层。目前这种光纤损耗最低、
强度和可靠性最高、应用最广泛。
（2）多组分玻璃光纤
例如用钠玻璃掺有适当杂质制成的光纤。这种光纤 的损耗较低，但可靠性不高。
（3）塑料包层Biblioteka Baidu纤
光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。
（4）全塑光纤
光纤的芯子和包层均由塑料制成，其损耗较大，可
靠性也不高。
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4．按光纤的套塑层分类
（1）紧套光纤
典型的紧套光纤各层之间都是紧贴的，光 纤被套管紧紧箍住，不能在其中松动。在光纤 与套管之间放置了一个缓冲层，以减小外面应 力对光纤的作用。紧套光纤的结构简单，使用 和测试都比较方便。
（2）松套光纤
典型的松紧套光纤的护套为松套管，光纤 能在其中松动。管内空间填充油膏，以防水份 渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较 好，便于成缆。若一根管内放入2－20根光纤， 可制成光纤束，称为松套光纤束。
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9.2.2 光纤的导光原理*
光具有波粒二象性，既可以将光看成光波，也可以
通信的容量与电磁波频率成正比 探索将更高频率的电磁波用于通信技术是 人们追求的目标。 各种频段电磁波的划分和常用传输媒质如 表9.1所示。
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频段和波段名称 极低频(ELF)极长波
甚低频(TLF)超长波
低频(LF)长波
中频(MF)中波 高频(HF)短波 甚高频(VHF)超短波
特高频(UHF) 分米波
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1．按光纤横截面的折射率分布分类
根据光纤横截面折射率分布的不同，常用 的光纤可以分成阶跃折射率分布光纤（简称阶 跃光纤）和渐变折射率分布光纤（简称渐变光 纤〕两种类型，其折射率分布如图9．4所示。
图（a）是光纤的横截面图，其纤芯直径 为2a，包层直径为2b。
(1) 阶跃光纤：
图(b)为阶跃光纤横截面的折射率分布，纤 芯折射率为n1，包层折射率为n2。纤芯和包层 的折射率都是均匀分布，折射率在纤芯和包层 的界面上发生突变。
主要用途
潜艇通信、矿井通信．
潜艇通信、远程导航、远 程无 线电通信 中远距离通信、地下通信、 无 线电导航 调幅广播、导航、业余无线电
调幅广播、移动通信、军用通 信
调幅广播、电视、移动通信、 电
离层散射通信 微波接力、移动通信、空间遥 测雷达、电视
雷达、微波接力、卫星和空间 通信 雷达、微波接力、射电天文
3-30MHz 100—10m
同轴电缆短波无线电
30—300MHz 同轴电缆超短波无线电 10～lm
0.3—3 GHz 波导分米波无线电 lO—l cm
3—30GHz 10—1cm
波导厘米波无线电
30一300GHz 10一lm
105—107 GHz O．3～3×10-6 cm
波导毫米波无线电 光纤激光空间传播
微
超高频(SHF)
波
厘米波
极高频(EHF) 毫米波
紫外、可见光、红外
频率范围和波长
9 范围
30-3000Hz 0.1-l 000km
3-30kHz 1 000-lOkm
传输媒质
有线线对极长波无线电 ●
有线线对超长波无线电 ●
30-300kHz lO-1 km
有线线对长波无线电 ●
O．3-3MHz 同轴电缆中波无线电 l 000-100m
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9.2 光纤传输原理与特性 9.2.1 光纤的结构和分类
光纤是圆截面介质波导(图9.3 )。光纤由纤芯、 包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；
包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导 效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输；
涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。 为了进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，在 带有涂覆层的光纤外面在套一层热塑性材料，成为套 塑层（或二次涂覆层）。在涂覆层和套塑层之间还需 填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。 光纤大多为石英光纤。它以纯净的二氧化硅材料为 主，中间掺以合适的杂质。掺锗和磷使折射率增加， 掺硼和氟使折射率降低。
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第9章 光纤通信技术
（2）渐变光纤： 图（C）为渐变光纤横截面的折射率分布，
包层的折射率为n2，是均匀的，而在纤芯中 折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，是 非均匀的、且连续变化。
此外，还有三角型折射率光纤n2 ，其纤芯折 射率分布曲线为三角形；双包层光纤、四包 层光纤等，如图9．5所示。
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