光纤通信教案

教案

课程: 光纤通信

内容: 第2章光纤与光缆

课时:8学时

武汉理工大学信息工程学院

教师：***

教案

（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。

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

该部分内容理论性较强，要求学生掌握基本的分析方法。2.2 光纤的传输原理

2.2.1 几何光学传输原理

适用范围：SIOF

此时光波在纤芯中可看成是直线传播，通过空气和纤芯界面耦合到光纤纤芯中，沿着光纤的轴线方向传输，在纤芯和包层的界面产生全反射。其中图中纤芯和包层界面的入射角必须满足

()

1

21

sin

c

n n

ϕϕ-

≥=

定义数值孔径NA为

22

0,max111210,max sin sin sin2sin

2

c c

NA n n n n n n n

π

θθφθ

⎛⎫

===-=-≈∆

⎪

⎝⎭

让学生思考NA的大小对光波传输的影响，在光纤设计中如何对NA进行选择？

2.2.2 模式理论

应用模式理论能够更加准确的反映光波在波导中的传输，由于光纤结构的圆柱对称性，在如下所示的极坐标下进行分析讨论。