第2章光纤的特性1

光纤通信中光纤特性分析光纤通信技术自1970年在我国开始用于通信传输，发展到现在只有短短的三十年时间，但是却已经取得了极其惊人的发展。

由于光纤通信较之其他通信方式具有通信容量大、中继距离长、保密性好且适应能力强等优点，且是选用带宽极宽的光波作为传送信息的载体，为光纤通信技术在我国的推广和使用提供了必要的前提条件。

为了能够更好的认识光纤通信技术，让光纤通信技术向着更高水平的、更高阶段的方向发展，我们可以从光纤的几个特性开始入手。

经过多年的研究和发展，相关工作人员发现光纤的特性主要体现在三个方面，分别是在几何方面的特性、光学方面的特性与传输方面的特性，这三方面特性中又有着极具代表性的特性，分别是非线性特性、色散以及衰耗系数。

一、光纤通信技术第一，光纤通信技术的概述。

从光纤通信的组成结构上来看，主要是由光纤、光源和光检测器这三种通信的基本物质要素构成的，由于是以一种光导纤维为传输媒介的“有线”光通信，所以又可以称之为光导纤维通信。

其中光纤又是包含了内芯和包层两个主要部分。

内芯一般为几十微米直至几微米，所占用的体积非常小，而外面层主要是起保护光纤的作用，因为光纤通信系统所使用的光缆不同于普通的使用单根的光纤的光缆，它使用的是由许多光纤聚集在一起的组成的一组光缆，很有效的杜绝了信息在传播过程中出现信息泄露的现象。

其中在实际应用中，不仅根据光纤自身的制造工艺进行分类，还可以按照光纤的组成材料和光学特性进行分类。

总之，光纤通信技术在我国的发展正在不断的完善过程中。

第二，光纤通信技术的特点：首先是拥有相比于铜线或电缆的极宽频带和超大容量的通信存储空间，科学技术快速发展的今天，我们已经能够使用密集波分复用技术最大化地增添了了光纤的传输容量，解决因终端设备的电子瓶颈效导致光纤自身的巨大优势未被使用的问题，尤其是对于单波长光纤通信系统。

然后是合适的长中继距离，传输损耗比其它任何传输介质的损耗都要低出很多，而且如果将来能够采用非石英系统极低损耗光纤，将让光纤通信技术的低损耗更上一层楼。

第2章光电子学基础知识第一部分光学基础知识第二部分半导体基础知识第一部分光学基础知识一、光的基本属性R.Fresnel 圆孔衍射实验, T.Young 双缝干涉实验1864年麦克斯韦给出麦克斯韦方程组，横波，光速20年后赫兹实验验证。

17世纪中期提出光属性的两种学说牛顿粒子理论惠更斯原理光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。

光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。

ILCLCf π21=dS C ε=22RlN L πµ=−q+ql电磁波的产生——振荡电路产生电磁波电偶极子当电偶极子的正、负电荷的距离随时间按余弦规律变化时，形成交替变化的电场与磁场，产生电磁波。

振荡偶极子附近一条闭合电场线的形成过程如图所示：光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；电波的波导由金属导体构成，而光波的波导是由电介质构成的。

31061091012101410191040691143H Z H Z 1M H Z 1G H Z 1T 1km1m 1mm 11nm μm X 射线紫外线可见光红外线微波高频电视调频广播无线电射频射线γ频率长1017——电磁波谱8sm f c /8103×≈=λ光波波段光波与电磁波Albert Einstein 引入光子的概念Thomson 电子干涉实验, Davisson 电子束经晶体的干涉实验证明了De Broglie 假设的正确性。

1921年获Nobel 物理学奖De Broglie 构造了De Broglie 假设1929年获Nobel 物理学奖所有物质都有类波属性1937年获Nobel 物理学奖粒子学说可合理地解释光的吸收、光压、光的发射与光电效应、光的化学效应、黑体辐射、康普顿效应等现象。

波动学说能解释光的干涉、衍射、偏振、运动物体的光学现象等现象。

光的波粒二象性宏观解释——既是一种电磁波又是一种粒子微观解释本质上讲，粒子性与波动性各有其存在的合理性。

光纤技术要求和指标光纤技术是一种将信息传输转换为光信号并通过光纤传输的通信技术。

光纤技术具有高速传输、大带宽、低损耗、抗电磁干扰等优点，已广泛应用于各个领域的通信系统中。

为了确保光纤技术的高效稳定运行，有一些关键要求和指标需要满足。

首先，光纤技术需要具备较高的传输速率和带宽。

随着通信需求的不断增长，对数据传输速率和带宽的要求也越来越高。

当前的光纤技术可以支持多个Gbps甚至Tbps级别的传输速率，以满足大量数据的传输需求。

其次，光纤技术需要保证低损耗的传输特性。

光纤作为信息传输的介质，需要具备较低的传输损耗，以保证信号的传输质量。

目前商用的单模光纤可以实现每公里损耗在0.2dB以下，而多模光纤的损耗一般在3dB以下。

这样的低损耗特性有助于提高光信号的传输距离和覆盖范围。

第三，光纤技术需要具备良好的抗电磁干扰能力。

在实际通信环境中，存在各种各样的电磁辐射干扰源，如电线、电器设备等，这些干扰会对信号传输质量产生不利影响。

为了保证光纤传输的稳定性，需要采用一系列的抗干扰措施，如使用合适的光纤材料和金属护套、采取屏蔽措施等。

此外，光纤技术还需要满足一定的安全性要求。

由于光纤传输信号以光信号的形式存在，所以没有电磁泄漏和窃听的风险，使得光纤技术在军事、金融等领域具备更高的安全性。

此外，光纤技术也需要具备一定的机械强度和抗拉性能，以应对安装和运输过程中的各种应力和压力。

最后，光纤技术还需要满足一些其他的要求，如兼容性、稳定性和可靠性等。

光纤技术需要与其他通信设备和系统兼容，以便与现有的网络进行连接和集成。

同时，光纤技术需要具备较高的稳定性和可靠性，能够稳定地工作在各种环境条件下，并且能够长时间保持稳定和可靠的传输性能。

综上所述，光纤技术在实际应用中需要满足多个要求和指标，包括传输速率、带宽、低损耗、抗电磁干扰能力、安全性、机械强度和抗拉性能等。

只有在满足这些要求和指标的前提下，光纤技术才能实现高效稳定的通信传输。

关于光纤的知识点总结光纤的基本结构包括纤芯、包层和包覆层。

纤芯是光信号传输的主要部分，包层是用来保护纤芯并起到光波导的作用，包覆层则是用来保护光纤整体并增强其机械性能。

光纤的基本工作原理是利用全反射来限制光信号在纤芯内传输，并且减少光信号的衰减。

光纤的优点主要有带宽大、传输速度快、信号衰减小、抗干扰性强等。

这些优点使得光纤在通信领域得到广泛应用，如长距离通信、高速宽带接入、光纤传感等。

此外，光纤还被广泛应用于医疗和工业领域，如光纤内窥镜、光谱分析和激光焊接等。

在光纤通信领域，光纤传输系统主要包括光源、光纤、检测器和探测器等组件。

其中，光源主要用于产生光信号，光纤用于传输光信号，检测器用于接收和解码光信号，探测器用于监测光纤系统的工作状态。

光纤传输系统通过这些组件的相互配合，可以实现高速、稳定、安全的光信号传输。

光纤的制造工艺主要包括拉制法、浸镀法和溅射法等。

拉制法是最常用的光纤制造工艺，其主要过程包括预制棒制备、预拉制备、拉制和收线，并通过这一系列工艺流程，可以制备出高质量的光纤。

而浸镀法主要是利用光纤预拉制备的玻璃棒浸入气相腔中，通过化学反应得到光纤。

溅射法是一种将材料溅射到基片上的制备方法，通过控制溅射材料和基片的相对位置和温度，可以得到所需的光纤材料。

光纤的性能主要包括传输损耗、带宽、波长、色散和非线性等。

传输损耗是光信号在光纤中传输过程中损失的光功率，带宽是光纤支持的频率范围，波长是光信号的波长范围，色散是光信号在光纤中传输过程中频率的扩散，非线性是光信号在高功率或长距离传输过程中的非线性效应。

通过对这些性能的研究和优化，可以提高光纤的传输效率和性能稳定性。

光纤的发展趋势主要包括高带宽、长距离传输、低成本和多功能化等。

随着通信需求的增加，对光纤传输系统的带宽和距离要求也越来越高，因此未来光纤的应用将更加趋向于高速、稳定和长距禿传输。

而随着光纤制造技术的不断发展，光纤制造成本将会降低，使光纤技术的普及更加便宜。

光纤传输知识点总结一、光纤传输的基本原理光纤传输的基本原理是利用光的全内反射特性进行信号的传输。

当光线进入光纤时，如果入射角小于临界角，光线就会被完全反射在光纤的内壁上，不会发生透射。

由于光的速度很快，因此通过光纤的传输速度也非常快。

在光纤传输过程中，光信号会在光纤中不断地进行全内反射，达到信息传输的目的。

二、光纤的特点1. 带宽大：由于光的波长较短，因此光纤的带宽远远大于传统的铜线传输。

2. 传输速度快：光的传输速度非常快，因此光纤传输的速度也非常快，是传统电信号传输的数倍甚至数十倍。

3. 抗干扰能力强：光信号在光纤中传输时，不会受到外界电磁干扰的影响，因此光纤传输的抗干扰能力非常强。

4. 传输距离远：由于光的传输损耗小，因此光纤传输可以实现更远距离的信号传输。

5. 体积小、重量轻：与传统的电缆相比，光纤具有较小的体积和重量，便于安装和维护。

三、光纤传输系统的结构光纤传输系统主要由光源、光纤、光接收器组成。

光源可以是激光、LED等发光器件，发出的光信号通过光纤传输到目标地点，然后被光接收器接收并转换成电信号。

在实际应用中，光纤传输系统通常还包括光纤放大器、光纤复用器、光纤解复用器等辅助设备，以及光纤连接器、光纤延长器等光纤配件。

四、光纤传输的应用1. 通讯领域：光纤传输在通讯领域得到了广泛的应用，包括电话通讯、数据传输、因特网接入等。

光纤传输的高速、大带宽特性，使其成为现代通讯系统的重要组成部分。

2. 电视信号传输：光纤传输可以实现高清晰度、高质量的电视信号传输，能够满足用户对高品质影视娱乐的需求。

3. 医疗领域：在医疗影像诊断和手术中，常常需要传输大量的影像数据。

光纤传输的高速、大带宽、抗干扰能力强的特性，使其成为医疗领域的首选传输介质。

4. 工业自动化：自动化生产线通常需要大量的传感器和执行器进行数据传输和控制，光纤传输可以满足这些设备的高速、抗干扰的需求。

5. 军事领域：光纤传输在军事通讯、雷达系统、导航系统等领域得到了广泛的应用，其高速、高可靠性的特性可以满足军事通讯的各种需求。

光缆基础知识教案(一)光缆基础知识教学大纲一、课程简介本课程旨在介绍光缆的基础知识，包括光缆的原理、结构和应用。

学习本课程后，学生将能够了解光缆的构成、传输特性以及在通信领域的重要性。

二、教学目标1.掌握光缆的基本概念和术语；2.理解光缆的结构和工作原理；3.了解光缆在通信领域的应用；4.能够评估以及选择合适的光缆类型。

三、教学内容1. 光缆的概述•光缆的定义•光缆的分类2. 光缆的结构•光纤–光纤的构成–光纤的类型•光缆的构造–光纤芯和包层–光缆的护套3. 光缆的传输特性•光缆的传输介质•光缆的传输方式•光缆的传输损耗4. 光缆在通信领域的应用•光纤通信的优势•光缆的应用范围5. 光缆的选择与评估•光缆的选择要素•光缆的性能参数评估四、教学方法•讲授光缆基础知识的概念、原理和应用范围；•示范光缆结构和光纤构造；•通过案例分析和讨论，培养学生评估和选择光缆的能力。

五、教学评估1.课堂练习：教师出示多个光缆实例，要求学生评估其性能参数。

2.小组讨论：学生分组，讨论不同应用场景下的最佳光缆选择。

3.课后作业：要求学生阅读相关文献并回答问题，检验对光缆知识的掌握程度。

六、参考资料1.《光纤通信与光缆技术》2.《光缆与光通信工程师指南》3.《光纤通信技术与系统》4.《光纤通信基础知识》教学大纲仅供参考，具体教学内容和方法还需根据实际教学情况进行调整和补充。

光缆基础知识教学大纲（续）七、教学安排第一节：光缆的概述时间：1课时教学内容•光缆的定义•光缆的分类（单模光缆、多模光缆、散射式光缆等）第二节：光缆的结构时间：2课时教学内容•光纤–光纤的构成（光纤芯、包层）–光纤的类型（单模光纤、多模光纤）•光缆的构造–光缆的护套（聚乙烯、聚氯乙烯等）第三节：光缆的传输特性时间：2课时教学内容•光缆的传输介质（光纤）•光缆的传输方式（单向传输、双向传输）•光缆的传输损耗（衰减、色散）第四节：光缆在通信领域的应用时间：1课时教学内容•光纤通信的优势（大容量、远距离传输）•光缆的应用范围（电信、有线电视、数据通信等）第五节：光缆的选择与评估时间：2课时教学内容•光缆的选择要素（传输距离、带宽要求、环境条件等）•光缆的性能参数评估（衰减、带宽、插损等）八、教学方法•讲授：通过讲解光缆的基本概念和原理，引导学生了解光缆的核心知识。

光纤维知识点归纳总结一、光纤的基本原理光纤传播的基本原理是全反射原理。

光在光纤中的传播是由于光在光密介质与光疏介质之间反射所致。

当光线入射在两种介质交界面上，发生的折射和反射是由折射率决定的。

而光纤通过改变折射率的设计，使得当光线沿着光纤传输时，不会发生漏光，从而保证了光信号的传输。

二、光纤的结构光纤通常由芯、包层和外护套组成。

芯是光纤传输光信号的主体，包层用于约束和保护光信号，外护套则用于保护光纤本身以及增强其机械性能。

光纤的结构设计与材料的选择对光信号的传输性能有着重要的影响。

三、光纤的类型根据光纤芯和包层的折射率，可以将光纤分为单模光纤和多模光纤。

单模光纤是指在光纤芯中只有一条光路，适用于远距离通信和高速数据传输；多模光纤是指光纤芯中存在多条光路，适用于短距离通信和局域网传输。

另外，光纤还可根据其传输性能和应用环境的不同分为标准单模光纤、非标单模光纤、高分子光纤等类型。

四、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括传输损耗、色散、非线性效应等。

传输损耗是指光信号在光纤传输过程中损失的能量，主要包括吸收损耗、散射损耗、泄漏损耗等。

色散是指光信号在光纤中传播速度与光波长有关，从而引起信号失真的现象。

非线性效应是指光信号在光纤中传播过程中出现的非线性光学效应，如光子效应、拉曼效应等。

五、光纤的应用光纤在通信领域被广泛应用，包括长距离传输、城市通信、局域网、光纤传感等。

同时，光纤还在医学、军事、工业、科研等领域也有着重要的应用，如光纤传感器、激光器、光纤放大器等。

光纤作为一种重要的光学传输介质，在信息通信、光电子技术、生物医学、制造技术等众多领域都有着重要的应用价值。

通过了解光纤的基本原理、结构、类型、传输特性和应用，我们可以更深入地理解光纤技术的发展和应用前景。

希望本文对大家有所帮助，欢迎指正补充。

1．光波从空气中以角度1θ=33°投射到平板玻璃表面上，这里的1θ是入射光与玻璃表面之间的夹角。

根据投射到玻璃表面的角度，光束一部分被反射，另一部分发生折射，如果折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，请问玻璃的折射率等于多少？这种玻璃的临界角又是多少？解：入射光与玻璃表面之间的夹角1θ=33°，则入射角57i θ=°，反射角57r θ=°。

由于折射光束和反射光束之间的夹角正好为90°，所以折射角33y θ=°。

由折射定律sin sin iiy y n n θθ=，得到sin /sin sin 67/sin 33y i y n θθ==（自己用matlab 算出来）其中利用了空气折射率1i n =。

这种玻璃的临界角为1arcsinc yn θ=（自己用matlab 算出来）2．计算1 1.48n =及2 1.46n =的阶跃折射率光纤的数值孔径。

如果光纤端面外介质折射率 1.00n =，则允许的最大入射角max θ为多少？解：阶跃光纤的数值孔径为max sin 0.24NA θ==允许的最大入射角()max arcsin 0.24θ=自己用matlab 算出来3．弱导阶跃光纤纤芯和包层折射率分别为1 1.5n =，2 1.45n =，试计算（1）纤芯和包层的相对折射率∆； （2）光纤的数值孔径NA 。

解：阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差为2212210.032n n n -∆=≈光纤的数值孔径为0.38NA =4．已知阶跃光纤纤芯的折射率为1 1.5n =，相对折射（指数）差0.01∆=，纤芯半径25a m μ=，若01m λμ=，计算光纤的归一化频率V 及其中传播的模数量M 。

解：光纤的归一化频率2233.3V a n ππλλ=⋅=光纤中传播的模数量25542V M ≈=5．一根数值孔径为0.20的阶跃折射率多模光纤在850nm 波长上可以支持1000个左右的传播模式。

光纤试题及答案第一章导论一. 填空1. 光纤通信的通信窗口波长范围为（）。

2. 光纤通信是以（）为载频，以（）为传输介质的通信方式。

3. 光纤通信的最低损耗波长是（），零色散波长是（）。

二. 选择题（有一个或者多个答案） 1. 目前光纤通信常用的窗口有（）。

A、0.85 μmB、2 μmC、1.31 μmD、1.55 μm 2. 目前纤光通信常用的光源有（）。

A、 LEDB、 LDC、PCMD、PDH3. 光纤通信是以光波为载波，以（）为传播介质的通信方式。

A、电缆 B、无线电磁波 C、光纤 D、红外线三. 简答题1. 光纤通信主要有哪些优点？2. 为什么说光纤通信比电缆通信的容量大？参考答案一、1、0.7～1.7μm 2、光波光纤 3、1.55μm 1.31μm 二、1、ACD 2、AB 3、C 三、1、通信容量大，中继距离长，保密性能好，抗电磁干扰，体积小、重量轻、便于施工和维护，价格低廉。

2、光纤通信的载波是光波，电缆通信的载波是电波。

虽然光波和电波都是电磁波，但频率差别很大。

光纤通信用的近红外光（波长约1μm）的频率（约300THz）比电波（波长为0.1m～1mm）的频率（3～300GHz）高三个数量级以上。

载波频率越高，频带宽度越宽，因此信息传输容量越大。

第二章光纤与光缆一、填空1.单模光纤中不存在（）色散，仅存在（）色散，具体来讲，可分为（）和（）。

2. 光纤中的最低阶非线性效应起源于（）阶电极化率，它是引起（）、（）和（）等现象的原因。

3、光缆大体上都是由（）、（）和（）三部分组成的。

4、散射损耗与（）及（）有关。

5、允许单模传输的最小波长称为（）。

6、数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越（），光纤与光源之间的耦合效率就越（）。

二、选择（一个或多个答案）1、从横截面上看，光纤基本上由３部分组成：（）、（）、（）。

A、折射率较高的芯区B、折射率较低的包层C、折射率较低的涂层D、外面的涂层E、外面的包层2、单模光纤只能传输一个模式，即（），称为光纤的基模。

光纤的特点光纤是一种用来传输信息的技术，它具有独特的特性和优势。

在现代通信和网络领域，光纤已经成为一种广泛应用的传输媒介。

本文将详细介绍光纤的特点及其在通信和网络中的重要性。

一、高传输速度光纤具有高传输速度的主要特点。

相比传统的电信号传输方式，光纤能够以光速进行信息传输。

光速约为每秒30万公里，远远高于电信号的传输速度。

这意味着通过光纤传输的信息可以实现更快的传输速度，用户可以更快地接收到数据和信息。

二、大传输能力光纤的另一个重要特点是其具有大传输能力。

由于光纤内部采用光的传输，相比于传统的铜线传输方式，光纤能够提供更大的带宽。

带宽是指在单位时间内可以传输的数据量，而光纤的带宽远远高于铜线。

这意味着通过光纤传输的信息可以更高效地传递，并且能够满足大量数据的传输需求。

三、低损耗光纤的特点之一是其低损耗。

相对于铜线传输方式，光纤传输的信号几乎没有衰减。

在光纤内传输的光信号会在光纤的内壁上不断地反射，这样信号的衰减十分微小。

这使得光纤能够传输信号的距离更远，传输的质量更高。

四、抗干扰性强光纤的另一个重要特点是其抗干扰性强。

由于光纤内部采用光的传输，光信号不会受到外部电磁干扰的影响。

相比于铜线传输方式，光纤传输的信号更加稳定可靠，不容易受到外界因素的影响。

这使得光纤成为一种理想的传输媒介，尤其适用于在工业环境或电磁辐射强的地方进行信息传输。

五、安全性高光纤的特点之一是其安全性高。

由于光纤传输的是光信号而非电信号，光纤内部几乎没有电磁辐射。

这意味着光纤传输的信息可以在安全性要求较高的环境中使用，如军事通信和政府机构等。

此外，光纤的信息传输也不容易被窃听，提供了更高的信息安全性。

六、耐腐蚀和环保光纤的另一个特点是其耐腐蚀和环保性。

光纤主要由二氧化硅等无机材料制成，具有良好的抗腐蚀性能。

相比之下，传统的铜线容易受到氧化和腐蚀的影响。

此外，光纤的材料可回收再利用，不会产生污染，对环境保护具有较好的意义。

综上所述，光纤具有高传输速度、大传输能力、低损耗、抗干扰性强、安全性高、耐腐蚀和环保等特点。