项目五：光纤通信系统认识和设备使用剖析
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① 线性度好 ② 温度特性好 ③ 价格低、寿命长、使用简单
3. LED 的缺点
① 谱线较宽 ② 与光纤的耦合效率低
4. LED 的应用范围
鉴于LED 的谱线较宽，所以它难以用于大容量的光纤 通信；鉴于它与光纤的耦合效率较低，所以难以用于 长距离的光纤通信。但因为其使用简单、价格低廉， 工作寿命长等优点，所以它广泛地应用在较小容量， 较短距离的光纤通信之中；而且由于其线性度甚佳， 所以也常常用于对线性变要求较高的模拟光纤通信之 中。
3.光纤通信优点
通信容量大 中继距离长 保密性能好 适应能力强 体积小、重量轻、便于施工维护 原材料来源丰富，潜在价格低廉
（二）光纤与光缆
1.光纤的构造
2.光纤的分类 按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤
按传播模式分类──多模光纤与单模光纤
传播模式概念：当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波 长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进 行传播，如TMmn 模、TEmn 模、HEmn 模等等（其中 m、n=0、1、2、3、……）。其中HE11 模被称为基模， 其余的皆称为高次模。
导火索
一九七０年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想， 用改进型化学相沉积法（MCVD 法）制造出当时世界 上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发 展的导火索。
爆炸性发展
从光纤的衰耗看：七O年为20dB/km；九O年为 0.14dB/km。
从光器件看：
从光纤通信系统看：
总之，光纤通信技术取得了极其惊人的进展。用带 宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这 一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生 生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应 用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待 人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不 前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。
项目五 光纤通信系统认识和设备 使用
任务一、认识光纤和光纤通信系 统组成
一、任务内容
（一）光纤通信简介
1.光纤通信概念 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波
以达到通信之目的。
2.光纤通信发展简史
光纤通信的里程碑
一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao） 在PIEE 杂志上发表了一篇十分著名的文章《用于光频 的光纤表面波导》
① 多模光纤 ② 单模光纤
由于单模光纤的纤芯直径非常细小，所以对其制造工 艺提出了更苛刻的要求。
按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤
① 短波长光纤
光波之波长在0.6～0.9 微米范围内（典型值为0.85 微米）， 称作短波长光纤。目前很少采用。
② 长波长光纤
把工作在1.0～2.0 微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。 长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长
带宽系数的定义为：一公里长的光纤，其输出光功率
信号下降到其最大值（直流光输入时的输出光功率值） 的一半时，此时光功率信号的调制频率就叫做光纤的 带宽系数。
引起光纤带宽变窄的主要原因是光纤的色散。
注意，单模光纤没有带宽系数的概念，仅有色散系数 的概念。
数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接
单模光纤的特性参数
① 衰耗系数a：其规定与物理含义与多模光纤完全相同。 ② 色散系数D（λ）：综合考虑单模光纤的材料色散与
波导色散，统称色散系数。
③ 模场直径d：表征单模光纤集中光能量的程度。 ④ 截止波长λc：能使光纤实现单模传输的最小工作光
波波长。
5.光缆简介 1）光缆结构种类 层绞式光缆
层绞式光缆一般由松套光纤以制电缆的方式构成的光 缆（古典式），这种结构在全世界应用广泛，是早期 光通信常用的光缆。
骨架式光缆
束管式光缆
对光纤的保护来说，束管式结构光缆最合理，利用 放置在护层中的两根单股钢丝作为两根加强芯，光缆 强度好，尤其耐侧压，在束管中光纤的数量灵活。
带状光缆
3.激光二极管LD
1）LD 的发光机理是受激发光，即利用LD 中的谐振 腔发生振荡而激发出许许多多的频率相同的光子， 从而形成激光。
光在阶跃光纤中的传播
光在渐变光纤中的传播
光在单模光纤中的传播
4.光纤的特性与参数
多模光纤的特性参数
衰耗系数a：衰耗系数是多模光纤最重要的特性参数之
一（另一个是带宽系数）。其它衰耗（微弯曲衰耗等）
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤
带宽变窄则会限制光纤的传输容量。
光纤的色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与 波导色散。
半导体材料的能带分为导带、价带与禁带，电子从高 能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光 子而发光。
因为导带与价带本身的能级具有一定范围，所以电子 跃迁释放出的光子之频率不是一个单一数值而是有一 定的范围，故LED 是属于自发幅射发光，且其谱线宽 度较宽（较激光二极管而言）。
2. LED 的优点wk.baidu.com
带状光缆可容纳大量光纤，未来光纤用户网络将大 量采用带状光缆。
2）光缆的敷设 光缆的敷设分为管道、架空和直埋三种
（三）光源器件与光发送机
1.光纤通信对光源器件的要求
发射光波长适中 发射光功率足够大 温度特性好 发光谱宽窄 工作寿命长 体积小重量轻
2.发光二极管LED
1. LED 的发光机理
收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力 和对模式色散的影响。CCITT 建议多模光纤的数值孔径 取值
归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光
纤中传播模式的数量。
此外，由归一化频率V 值的大小还可以初步确定是否能 实现单模传输。若V值小于归一化截止频率Vc （2.4048），则可以实现单模传输。
距离、大容量的光纤通信。
按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤
① 紧套光纤
所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的 纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居 多。
② 松套光纤
所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一 塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。
3.光纤的导光原理 全反射原理
3. LED 的缺点
① 谱线较宽 ② 与光纤的耦合效率低
4. LED 的应用范围
鉴于LED 的谱线较宽，所以它难以用于大容量的光纤 通信；鉴于它与光纤的耦合效率较低，所以难以用于 长距离的光纤通信。但因为其使用简单、价格低廉， 工作寿命长等优点，所以它广泛地应用在较小容量， 较短距离的光纤通信之中；而且由于其线性度甚佳， 所以也常常用于对线性变要求较高的模拟光纤通信之 中。
3.光纤通信优点
通信容量大 中继距离长 保密性能好 适应能力强 体积小、重量轻、便于施工维护 原材料来源丰富，潜在价格低廉
（二）光纤与光缆
1.光纤的构造
2.光纤的分类 按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤
按传播模式分类──多模光纤与单模光纤
传播模式概念：当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波 长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进 行传播，如TMmn 模、TEmn 模、HEmn 模等等（其中 m、n=0、1、2、3、……）。其中HE11 模被称为基模， 其余的皆称为高次模。
导火索
一九七０年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想， 用改进型化学相沉积法（MCVD 法）制造出当时世界 上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发 展的导火索。
爆炸性发展
从光纤的衰耗看：七O年为20dB/km；九O年为 0.14dB/km。
从光器件看：
从光纤通信系统看：
总之，光纤通信技术取得了极其惊人的进展。用带 宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这 一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生 生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应 用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待 人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不 前，而是向更高水平、更高阶段方向发展。
项目五 光纤通信系统认识和设备 使用
任务一、认识光纤和光纤通信系 统组成
一、任务内容
（一）光纤通信简介
1.光纤通信概念 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波
以达到通信之目的。
2.光纤通信发展简史
光纤通信的里程碑
一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士（K.C.Kao） 在PIEE 杂志上发表了一篇十分著名的文章《用于光频 的光纤表面波导》
① 多模光纤 ② 单模光纤
由于单模光纤的纤芯直径非常细小，所以对其制造工 艺提出了更苛刻的要求。
按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤
① 短波长光纤
光波之波长在0.6～0.9 微米范围内（典型值为0.85 微米）， 称作短波长光纤。目前很少采用。
② 长波长光纤
把工作在1.0～2.0 微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。 长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长
带宽系数的定义为：一公里长的光纤，其输出光功率
信号下降到其最大值（直流光输入时的输出光功率值） 的一半时，此时光功率信号的调制频率就叫做光纤的 带宽系数。
引起光纤带宽变窄的主要原因是光纤的色散。
注意，单模光纤没有带宽系数的概念，仅有色散系数 的概念。
数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接
单模光纤的特性参数
① 衰耗系数a：其规定与物理含义与多模光纤完全相同。 ② 色散系数D（λ）：综合考虑单模光纤的材料色散与
波导色散，统称色散系数。
③ 模场直径d：表征单模光纤集中光能量的程度。 ④ 截止波长λc：能使光纤实现单模传输的最小工作光
波波长。
5.光缆简介 1）光缆结构种类 层绞式光缆
层绞式光缆一般由松套光纤以制电缆的方式构成的光 缆（古典式），这种结构在全世界应用广泛，是早期 光通信常用的光缆。
骨架式光缆
束管式光缆
对光纤的保护来说，束管式结构光缆最合理，利用 放置在护层中的两根单股钢丝作为两根加强芯，光缆 强度好，尤其耐侧压，在束管中光纤的数量灵活。
带状光缆
3.激光二极管LD
1）LD 的发光机理是受激发光，即利用LD 中的谐振 腔发生振荡而激发出许许多多的频率相同的光子， 从而形成激光。
光在阶跃光纤中的传播
光在渐变光纤中的传播
光在单模光纤中的传播
4.光纤的特性与参数
多模光纤的特性参数
衰耗系数a：衰耗系数是多模光纤最重要的特性参数之
一（另一个是带宽系数）。其它衰耗（微弯曲衰耗等）
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤
带宽变窄则会限制光纤的传输容量。
光纤的色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与 波导色散。
半导体材料的能带分为导带、价带与禁带，电子从高 能级范围的导带跃迁到低能级范围的价带，会释放光 子而发光。
因为导带与价带本身的能级具有一定范围，所以电子 跃迁释放出的光子之频率不是一个单一数值而是有一 定的范围，故LED 是属于自发幅射发光，且其谱线宽 度较宽（较激光二极管而言）。
2. LED 的优点wk.baidu.com
带状光缆可容纳大量光纤，未来光纤用户网络将大 量采用带状光缆。
2）光缆的敷设 光缆的敷设分为管道、架空和直埋三种
（三）光源器件与光发送机
1.光纤通信对光源器件的要求
发射光波长适中 发射光功率足够大 温度特性好 发光谱宽窄 工作寿命长 体积小重量轻
2.发光二极管LED
1. LED 的发光机理
收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力 和对模式色散的影响。CCITT 建议多模光纤的数值孔径 取值
归一化频率是光纤的最重要的结构参数，它能表征光
纤中传播模式的数量。
此外，由归一化频率V 值的大小还可以初步确定是否能 实现单模传输。若V值小于归一化截止频率Vc （2.4048），则可以实现单模传输。
距离、大容量的光纤通信。
按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤
① 紧套光纤
所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的 纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居 多。
② 松套光纤
所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一 塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。
3.光纤的导光原理 全反射原理