课程教案（2015—2016学年第二学期）课程名称：光纤通信授课学时： 44学时授课班级：电子信息工程13级任课教师：教案（首页）第2章光纤与光缆（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。
1n2n2.1.2 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。
Array3. 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SiO2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色散的概念要重点强调，建立脉冲展宽的思想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低模式之间的时延差来表示的。
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。
