光纤通信技术教案.docVIP

第1章　光纤通信概述 1.1光纤通信的基本概念 1.光纤通信 光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。 2.光波特性 （1）光速： ① 在真空中：， （） ② 在介质中： （n是折射率） （2）光是电磁波：TM、TE、TEM （3）光具有二重性 ① 波动性（宏观）：光具有反射、折射、衍射和干涉等。 ② 粒子性（微观）：光具有能量、 动量和质量等。 3.电磁波谱 1.1光纤通信的特点 1.优点 （1）传输频带宽，通信容量大 （2）传输损耗小 （3）抗电磁干扰 （4）光纤线径细、重量轻 （5）制作光纤的资源丰富 2.缺点 （1）光纤弯曲半径不宜过小 （2）光纤的切断和连接操作技术要求高 （3）分路、耦合操作繁琐 1.3 光纤通信系统的基本组成 目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波（IM/DD）。 1.光发射机 光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。 光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。 2.光接收机 光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。 3.光中继器 光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。 1.4 光纤通信的发展趋势 1.向超高速光纤系统发展 2.向超大容量WDM系统发展 3.向光传送网方向发展 4.向G.655光纤发展 5.向宽带光纤接入网方向发展（FTTH） 第2章 光导纤维 2.1 光纤的结构和分类 2.1.1 光纤的结构 1.纤芯层 （1）位置：光纤的中心部位，折射率为n1。 （2）尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。 （3）材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。 2.包层 （1）位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。 （2）尺寸：直径d2=2b=125mm （3）材料：同上，使得n1＞n2，以便光信号封闭在纤芯中传输。 3.涂覆层 （1）位置：位于光纤的最外层 （2）尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5mm （3）作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。 2.1.2 光纤的分类 1.按照光纤折射率分布不同来分 （1）阶跃型光纤（均匀光纤） 纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。 （2）渐变型光纤（非均匀光纤） 纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。 2.按照纤芯中传输模式的多少来分 （1）单模光纤 ① 定义：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。 ② 尺寸：纤芯直径约为4～10μm。 （2）多模光纤 ① 定义：在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。 ② 尺寸：纤芯直径约为50μm。 2.2 用射线理论分析光纤的导光原理 分析光纤导光原理有两种基本的研究方法： ◆ 射线理论法（又称几何光学法） ◆ 波动理论法（又称波动光学法） 2.2.1光学基础知识 1.折射率： 2.反射定律： 3.折射定律： 4.全反射： 2.2.2 阶跃型光纤的导光原理 1.相对折射指数差△ （1）定义：n1和n2的相差程度 （2）公式： 弱导波光纤n1≈n2 2.阶跃型光纤中的光射线种类 （1）子午射线 ① 轴心线：OO’ ② 子午面：过轴心线的平面 ③ 子午线：过轴心线，在同一个子午面内。 （2）斜射线：不过轴心线，不在同一个子午面内。 3.子午线的分析 由折射定律： ( ① 由全反射定律：≥ ② 将公式②代人公式①得，≤ ( ≤ 4.数值孔径 （1）定义：光纤捕捉光射线能力 （2）公式： 2.2.3 渐变型光纤的导光原理 1.渐变型光纤中的子午线 渐变型光纤中的射线，也分为子午线和斜射线两种。 渐变型光纤由于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线不是直线，而是曲线。不同入射条件的子午线，在芯子中，将有不同轨迹的折射曲线。 渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 图2.3.1 渐变型光纤中的子午线 由于渐变型光纤芯子中的折射指数n1随半径r变化，因此可将纤芯分成若干层折射指数不同的介质。射线轨迹与芯子中折射率分布n(r)有关，也和射线的入射条件（n0、r0、θzo）有关。 2.子午线的轨迹方程 图2.3.1子午线的行进轨迹 渐变型光纤子