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。

此部分内容需要学生重点掌握并会灵活应用
弱导光纤的概念：
12
n n n
≈≈，此时
()
(,)j t z
LP lm
E E r eωβ
ϕ-
=
当01
l m
==
且时成为主模。

引入V参数以及模式截止频率
()12
22
121
222
2
a a a
V n n n NA
πππ
λλλ
=-=∆=
当 2.405
V≤时可实现单模输出。

2.3 光纤的损耗与色散
2.3.1 光纤的损耗特性
光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的前提。

随着光纤制造工艺的不断改进，现代光纤损耗曲线如下图所示：
结合该损耗曲线对光纤的发展进行说明。

在解释过程中让学生掌握光纤的发展过程，并了解某一个具体的应用如何一步步发展，对自己今后的科研工作或实际企业生产有一定的借鉴作用。

让学生自行分析。

形成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收
色散的概念要重点强调，建立脉冲展宽的思想损耗和散射损耗。

1.吸收损耗
吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。

造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关。

2.散射损耗
由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。

散射损耗包括线性散射损耗和非线形散射损耗。

所谓线性和非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。

线性损耗主要包括：瑞利散射和材料不均匀引起的散射;
非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布理渊散射等 .
2.3.2 光纤的色散特性
上面介绍了光纤的损耗特性，光纤通信的另一个重要特性。

光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。

因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的
1.光纤色散的概念
信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。

也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种现象就称为色散。

光纤色散包括材料色散、波导色散和模式色散。

前两种色散是由于信号不是单一频率而引起的，后一种色散是由于信号不是单一模式所引起的。

2.光纤中的色散
各种色散在不同情况下，有不同的重要性。

对于单模光纤来说，主要是材料色散和波导色散；而对于多模光纤来说，模式色散占主
要地位。

材料色散、波导色散核模式色散，在光纤重往往交织在一起，很难截然分开。

为了强每一种色散的概念讨论清楚，把光纤分成三种情况：即材料为无穷大、单模光纤和多模光纤，分别讨论各种色散特征。

色散曲线如下所示：
（1）无界材料中的色散
在无穷大的材料中，不存在模式的问题，只有材料色散。

材料色散是由于材料本身的折射率随频率变化而变化，使得信号各频率成分的群速不同引起的色散
（2）单模光纤的色散
由于单模光纤中只有基模传输，因此，不存在模式色散，只有材料色散和波导色散。

（3）多模光纤的色散
当光纤的归一化频率V > 2.40483 以后，单模传输条件破坏，将有多个导波模式传输，V值越大，模式越多，这样，出了材料色散和波导色散以外，还有模式色散。

在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。

所谓模式色散，是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数不同，因此群速不同而引起的色散。

它是光纤中传输的最高模式与最
丹药增加检测器耦合损耗，并和增大光纤带宽相矛盾。

纤芯尺寸和数值孔径邀足够小，使出射光完全落在检测器上，以减小耦合损耗。

为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小。

（3）连接损耗
它包括连接器和接头的损耗。

纤芯直径的公差、不圆度结合纤芯与包层同心度误差要尽可能减小，以得到最小连接损耗。

提高光纤的几何精度，要增加制造成本，增大纤芯尺寸和数值孔径可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但于增大带宽相矛盾。

(4)色散和带宽
为使调制信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。

为减小光纤色散，要严格控制折射率分布指数(g)和零色散波长。

对具体系统要正确选择光纤类型（SI,GI,SM）和工作波长，例如长距离高速率系统要选择零色散位移到1.55mm的单模光纤。

波分复用系统要选择色散平坦单模光纤和非零色散光纤。

采用发光管（LED）的系统，要考虑材料色散的影响。

2.4.2 命名方法
光纤的型号是由一条短横线隔开的两组代号组成。

下面，说明光缆型号的两组代号的规定。

首先，如果将每一个代号的位置用一个小方格来代替（如图2-15所示），则光缆的型号可一般化写为：横线左侧5各小方格为光缆型号的代号；横线右侧5个小方格式光纤的代号。

下面逐格加以说明。

1.横线左侧各小格的含义
格I：表示光缆分类的代号，在这一格的位置上由两个英文字母构成，它们的含义分别为：
GY----通信用室外光缆 GR----通信用软光缆
GJ----通信用室（局）内光缆 GS----通信通设备内光缆GH----通信用海底光缆 GT----通信用特殊光缆格II：表示光缆分类的代号，在这一格的位置上由两个英文字母构成，它们的含义分别为：
无符号----金属加强构件 F----非金属加强构件
C----金属重型加强构件 H----非金属重型加强构件
格III.表示派生（形状、特性）的代号，在一位置上，由一个英文字母构成，它们的含义分别为：
B----扁平形状 E----自成式构件
T----填充式构件
格IV：表示护套的代号，在这一位置上，由一个英文字母构成，它们的含义分别是：
Y----聚乙烯护套 V----聚氯乙稀护套
U----聚氨酯护套 A----聚氯乙稀粘结护套
L----铝护套 G----钢护套
Q----铅护套 S----钢-铝-聚乙烯综合护套
2.横线右侧各小格的含义
如前所述，横线右侧五个格式说明光缆中光纤的代号。

格1：表示这种光缆中，同类型光缆的根数，它用阿拉伯数字表示。

格2：表示光纤类别的代号，在这一格的位置上，由一个英文字母构成，它们的含义分别为：
J----二氧化硅系多模渐变型光纤 T----二氧化硅系多模阶跃型光纤
Z----二氧化硅系多模准阶跃型光纤 D----二氧化硅系多单模光纤
X----塑料光纤
格3：表示光缆中光纤主要尺寸德参数。

用阿拉伯数字，以mm为单位表示。

多模光纤：纤芯/包层直径，例如50/125；
单模光纤：模场直径/包层直径。

格4：表示这种光缆中光纤传输特性的代号。

这一大格中分三小格，用a,bb,cc分别描述光纤的使用波长、衰减系数和模式带宽。

下面分别具体说明：
a----使用波长的代号，用一位阿拉伯数字表示，它们的含义分别为：
1----使用波长在0.85mm区域；
2----使用波长在1.31mm区域；
3----使用波长在1.55mm区域；
bb——光纤衰减系数的代号，用两位阿拉伯数字表示。

其数字依次为光缆中光纤衰减常数的个位值及十分位值（第一位小数）。

例如＝4（dB/km），则在bb这个位置上用40来表示。

如＝0.2（dB/km），则在bb这个位置上用02表示。

cc——光纤模式带宽B· L(带宽距离积)的代号，用阿拉伯数字表示。

其数字一次表示B· L（MHz·km）的千位值和百位值。

例如B·L＝400（MHz·km），由于千位是零，百位是4 ，cc这个位置上应标为04。

说明：如果这条光纤有来年改革的损耗窗口，则应同时列出每个窗口波长的及B·L值，并用斜短线“/”分开。

格5：表示这种光缆中光纤允许使用的温度，用代号来表示。

在这一格的位置上由一个英文字母来构成，它们的含义分别为：
A----适用温度范围为-40; B----适用温度范围为-30～+50; C----适用温度范围为-20～+60; D----适用温度范围为-5～+60.
-12D10/125(205)C，则表示的含义例如：某种光缆阿型号为GYTS
33
为：
通信野外光缆、金属加强构件、填充式结构、钢-铝-聚乙烯综合护套、细圆钢丝、铠装、聚乙烯外护套。

其中光缆规格12芯、二氧化硅系道没光纤，模场直径为10mm，包层直径为125mm，工作波长为1.31mm，光纤衰减常数不大于0.5dB/km，（由于是单模光纤，故无模式带宽cc这部分内容），光缆适用温度为-20～+60。

2.4.3 光纤的制造
1.材料的选择
对光纤制造材料的要求（先让学生自己讲）
（1）必须能够做的足够长且柔软
（2）对一定波长的光信号透明
（3）满足纤芯和包层有微小的折射率差
2.光纤的制造
有两种用于全玻璃光波导制造的基本方法：汽相氧化过程和直接熔化法。

直接熔化法按传统的玻璃制造工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净组分直接制造成光纤。

结合上图对化学汽相沉积方法进行详细的说明。

汽相氧化过程是将高纯度的金属卤化物(例如SiCl
4和GeCl
4
)
与氧反应生成白色的SiO
微粒,这些微粒可以采用四种不同方法中
2
的任意一种收集在一个玻璃容器的表面,并经烧结(通过加热,但尚未达到熔化,将SiO
微粒转化为均匀的玻璃体)制成洁净的玻璃棒
2
或玻璃管。

在光纤的制造过程中最核心的部分是对光纤预制棒的制造工艺。

结合中国光谷的发展，长飞公司等生产介绍我国以及世界上现阶段光纤制造的现状。

国外光纤制造企业：Lucent、Corning，国内：长飞
2.5 光纤的性质及特种光纤
2.5.1 机械特性及温度特性
1.光纤的温度特性
光纤的损耗可用光纤的衰减系数来描述，而光纤的衰减系数与光纤通信系统的工作环境有直接关系，也就是它受温度的影响而增加，尤其表现在低温区域。

使光纤衰减系数增加的主要原因，是光纤的微弯损耗和弯曲损耗。

光纤因温度变化产生微弯损耗是由于热胀冷缩所造成。

由物理
）的热膨胀系数很小，在温度学知道，构成光纤的二氧化硅（SiO
2
降低时几乎不收缩。

而光纤在成缆过程中必须经过涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大，当温度降低时，收缩比较严重，所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯，尤其表现在低温区。

2.光纤的机械特性
为了保证光纤在实际应用时不锻炼，而且在各种环境下使用时，具有长期的可靠性，就要求光纤必须具有一定的机械强度
，要被拉城125 mm的众所周知，目前构成光纤的材料是SiO
2
细丝，在拉丝过程中，光纤的抗拉强度约为10～20kg/mm2，如拉丝后立即在光纤表面进行涂覆，抗拉强度可达400kg/mm2。

我们要讨
论的机械特性主要是指光纤的强度和寿命。

这里所说的光纤的强度是指抗张强度。

当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就将断裂。

对于光纤抗断强度，它和涂覆层的厚度有关，当涂覆厚度为5～10mm时，抗断强度为330kg/mm2，涂覆厚度为100mm时，则可达到530kg/mm2。

造成光纤断裂的原因，是由于光纤在生产过程中预制棒本身的表面有缺陷，在受到张力时，由于应力集中在伤痕处，当张力超过一定范围时，就会造成光纤的断裂。

为了保证光纤能具有20年以上的使用寿命，光纤应进行强度筛选试验，只适于强度符合要求的光纤才能用来成缆。

2.5.2 特种光纤
1. 色散位移单模光纤
前面在介绍光纤的传输特性时曾提到，常规的石英单模光纤在1.55 mm时损耗最小，在1.31 mm时，色散系数趋于零，称为单模光纤材料的零色散波长。

为了获得最小损耗和最小色散，必须要研制一种光纤。

色散位移光纤（DSF）就是将零色散点移到 1.55 mm 处的光纤。

对于单模光纤，只存在材料色散核波导色散，在1.55 mm 处，如果能够使单模光纤的材料色散核波导色散互相补偿，即可使在这个波长上单模光纤的总色散为零。

在光纤通信系统中，为了实现大容量、超长距离的传输，线路中选用色散位移光纤和光放大器，使这一问题得以解决。

在研制过程中发现，色散位移光纤在1.55 μm单一波长处，进行长距离传输具有很大的优越性，但是当在一根光纤上同时传输多波长光信号并采用光放大器时，DSF就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，这样就限制了波分复用技术的应用。

为了解决这一问题，引出了另一种新型的光纤，即非零色散光纤（NZDF）。

2. 非零色散光纤
所谓非零色散光纤是指光纤的工作点不是运用在1.55 mm的零
此部分内容做简单介绍色散点，而是移到1.54～1.565 mm范围内，在此区域内的色散值较小，约为1.0～4.0ps/(km·nm)。

虽然色散系数不为零，但和一般单模光纤相比，在此范围内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技术，通过光纤放大器（EDFA）实现大容量超长距离的传输。

在色散位移光纤线路中采用光纤放大器时，会使得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效应，尤其是以上情况应用到波分复用系统中时，会使得多个光波之间产生能量交换，引起信道之间的干扰，对系统的传输质量影响很大。

为了提高多波长波分复用（WDM）系统的传输质量，就考虑将零色散点移动到一个低色散区，以保证WDM系统的应用。

3. 色散平坦光纤
上面介绍的光纤是在某一个波长上具有零色散或低色散，为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好能在整个光纤通信的长波长波段（1.3～1.6mm）都能够保持低损耗和低色散，为之研制了一种新型光纤——色散平坦光纤（DFF）。

为了在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来实现。

4. 色散补偿光纤
色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在，而使得光脉冲信号发生展宽和畸变。

能够起到这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。

如：常规单模光纤的色散在1.55 mm波长区为正色散值，那么DCF光纤应具有负的色散系数，就能使光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。

利用DCF光纤的这一特性，可以比较好的达到高速率、长距离传输的目的。

以上简单介绍的几种新型的特殊光纤的研究工作目前已引起世界上一些通信公司的关注，如美国AT&T利用非零色散光纤已经开通了2.5Gbit/ ×8的波分复用系统，在80km长的中继段上采用
了10个光纤放大器。

2.6 光缆的性质及种类
2.6.1 结构
1.缆芯
缆芯由光纤芯组成，它分为单芯和多芯两种。

单芯型是由单根经二次涂覆处理后的光纤组成；多芯型是由多根经二次涂覆处理后的光纤组成，它又分为带状结构和单位式结构。

根据不同用途和不同地使用环境，光缆的种类很多，但不论光缆的具体结构如何，都是由缆芯、加强元件和外护层组成
2.加强元件
由于光纤材料比较脆弱，容易断裂，为了使光缆便于敷设安装时所外加的外力等，因此在光缆中要加一根或多根加强元件位于中心或分散在四周。

加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维――增强塑料（FRP）等。

3.护层
光缆的护层主要是对已经成缆的光纤芯线起保护作用，避免由于外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。

因此要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。

光缆的护层可分为内护层和外护层。

那护层一般用聚乙烯和聚氯乙稀等；外护层可根据敷设条件而定，可采用由铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。

2.6.2 种类
下面仅介绍有代表性的几种光强结构形式。

1.层绞式光缆
它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构。

这样光缆的制造方法和电缆较相似，所示可采用电缆的承揽设备，因此成本较低。

光纤芯线数一般不超过10根。

2.单位式光缆
它将几根至十几根光纤新鲜集合成一个单位，再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆。

这样光缆的芯线数一般适用于几十芯。

3.骨架式光缆
这种结构是将单根火多根光纤放入骨架的螺旋槽内，骨架的中心事强度元件，骨架的沟槽可以使V型、U型和凹型。

由于光纤在骨架沟槽内具有较大空间，因此当光纤受到张力时，可在槽内作一定的位移，减少了光纤芯线的应力应变和微变。

这种光缆具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。

4.带状式光缆
它是将4～12根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将这些带状单元按一定方式排列成缆。

这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可作成上千芯的高密度用户光缆。

2.7 光缆的选择及制造
为使光纤在运输、安装与敷设中不受损坏，必须成缆。

光缆的设计取决于应用场合。

总的要求是保证光纤在使用寿命期内能正常完成信息传输任务，为此需要采取各种保护措施，还应具有适当的强度和韧性。

光缆的种类很多，按应用场合分为室内光缆和室外光缆；按承揽结构方式不同可分为层绞式、骨架式、束管式、和带状式光缆；按敷设方式不同可分为架空、直埋、管道和水下光缆；按有无金属加强芯和护层不同可分为金属光缆和无金属光缆等。

本章小结：
本章重点分析了以下几个问题：
（1）用射线法分析了阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。

（2）用波动理论法分析阶跃型光纤和渐变型光纤导光原理。

（3）分析了单模光纤的特性参数，单模传输条件及单模光纤
的双折射，介绍了几种新型的单模光纤。

（4）光纤的损耗特性和色散特性是影响长途光缆通信系统中
继距离的两个重要传输特性。

重点讨论了光纤色散的基本概。