光纤结构和基本原理

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1、光纤基本结构及原理2011-08-1612:04 2.6.1   光纤通信的概念与基本原理            多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。            纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术

2、的重要研究方向。在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输

3、媒质。目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。    光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。2.6.2   光纤的工作窗口1．工作窗口的定义    光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。石英光纤也具有类似的选择特性，对

4、特定波长的光波的传输损耗要明显小于其它波长的光波，这些特定的波长就是光纤的工作窗口。工作窗口是随着原材料工艺的不断发展和对光纤传输特性研究的不断深入而一个接一个被打开的。2．三个工作窗口（1）0.8~0.9μm，最低损耗2.5dB/km，采用石英多模光纤，主要应用于近距通信，目前在传输网中已很少使用；（2）1.31μm，最低损耗0.27dB/km，采用石英单模光纤，目前已获得大规模应用；（3）1.55μm，最低损耗0.16dB/km，采用石英单模适当色散光纤。目前主要用于长距离传输系统，如跨海光缆等。2.6.3   光纤的相关概念 1．光在光纤中的传播    在物理课中学过，光在空气

5、中是沿直线传播的，光射向镜面时会发生反射，而从一种介质进入另一种介质时，会发生折射。当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，如果入射角大于临界值就会发生全反射。不难看出如果在玻璃纤维外包裹一定的材料，就可以由全反射来保证光波只在玻璃纤维中传播，这即是光导纤维的工作原理。 2．光纤的结构     实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140μm。一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。图2-7、图2-8给出了光纤和光缆的一般结构。 

6、                                                   图2-8四芯光缆剖面示意图3．光纤的分类    （1）根据光纤横截面上折射率的不同，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤的纤芯和包层间的折射率分别是一个常数，在纤芯和包层的交界面，折射率呈阶梯型突变。渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率。纤芯的折射率的变化近似于抛物线；    （2）按传输模式分：分为单模光纤（SingleModeFiber）和多模光纤（MultiModeFiber）。光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层

7、间发生全发射，从而可以在光纤中传播，即称为一个模式。当光纤直径较大时，可以允许光以多个入射角射入并传播，此时就称为多模光纤；当直径较小时，只允许一个方向的光通过，就称单模光纤。由于多模光纤会产生干扰、干涉等复杂问题，因此在带宽、容量上均不如单模光纤。实际通信中应用的光纤绝大多数是单模光纤。二者的区别如图2-9所示。                                                    图2-9单模光纤与多模光纤