多模光纖與單模光纖的優(yōu)缺點與應用 2.doc

目 錄摘 要1Abstract1引言11光纖的發(fā)展21.1單模光纖的發(fā)展21.2多模光纖的發(fā)展22多模與單模光纖通信的原理32.1多模光纖32.2單模光纖43兩種光纖的特性43.1單模光纖的特點43.2多模光纖的特點53.3單模光纖與多模光纖的比較64單模光纖與多模光纖的應用6結語8參考文獻8致謝9多模光纖與單模光纖的優(yōu)缺點與應用學生姓名：楊榮林 學號：20095040032單位：物理電子工程學院專業(yè)：物理學指導老師：張新偉 職稱：講師摘 要：光纖通信技術是指把光波作為信息傳輸?shù)妮d波，以光纖作為信息傳輸?shù)拿浇?，將信息進行點對點發(fā)送的現(xiàn)代通信方式。光纖通信技術的誕生及深入發(fā)展是信息通信史上一次重要的改革。光纖通信技術從理論提出到工程領域的技術實現(xiàn)，再到今天高速光纖通信的實現(xiàn)，前后經(jīng)歷了幾十年的時間。本文對光纖通信的發(fā)展以及單模光纖與多模光纖的特點及其應用進行了闡述。關鍵詞：多模光纖；單模光纖；光纖通信The advantages and disadvantages of multimode and single-mode fiber and their application Abstract: Technology of optical fiber communication is the modern way of communication that it uses the light wave as the carrier of information transmission and information is transmitted from point to point by optical fiber regarded it as the medium.The birth and development of optical fiber communication technology is an important reform in the history of information communication. In this paper, the development of optical fiber communication and single-mode and multimode fiber characteristics and their application are discussed.Key words: Multimode optical fiber; Optical fiber; Optical fiber communication引言科學技術、工業(yè)、農業(yè)和國防現(xiàn)代化國際經(jīng)濟貿易中的人與人之間交流必然帶來了全球性的海量信息交換。光纖通信以其通信容量大、中繼距離長、抗電磁干擾等優(yōu)點，己成為支撐全世界海量信息交換的最重要的技術支柱之一。光纖通信作為20世紀重要技術發(fā)明之一，己在國內外廣泛應用了20多年。光纖通信正是以其通信容量大、中繼距離長、抗電磁干擾等優(yōu)點替代了核心網(wǎng)、城域網(wǎng)的電纜通信，正在向著接入網(wǎng)的用戶終端推進1。多模光纖是指可以傳輸多個模式的光纖。相對普通單模光纖而言，多模光纖具有更大的數(shù)值孔徑和纖芯直徑。同時，因為它的模式色散大而使其帶寬遠遠低于單模光纖。但是，由于多模光纖對傳輸系統(tǒng)中器件的要求相對于單模光纖要低得多，因此，它存在著很大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。1光纖的發(fā)展 1.1單模光纖的發(fā)展 20世紀70年代末，人們試圖用研制成功的長壽命半導體激光器來代替發(fā)光管光源，以獲取更長的通信距離和更大的通信容量?？墒牵す庠诙嗄９饫w中傳輸時會發(fā)生模式噪聲。為克服模式噪聲，1980年成功的研制出零色散點在1.31的單模光纖(非色散位移單模光纖)。國際電信聯(lián)盟(ITUT)建議將這種單模光纖定義為G.652光纖。因為單模光纖的設計思想是只傳輸一個模式，所以不發(fā)生多模光纖中傳輸時所發(fā)生的模式噪聲。因此，20世紀80年代中期，由激光器光源和G.652光纖組成的140光纖通信系統(tǒng)2，其中繼距離和傳輸容量遠遠超過同軸電纜從而使光纖通信逐漸取代銅纜成為電信業(yè)采用的主要通信方式。 1.2多模光纖的發(fā)展 光纖通信的思想是由美籍華人高錕在1966年發(fā)表的論文光頻介質纖維表面波導中提出用石英玻璃纖維(簡稱光纖)傳送光信號進行通信。在 1970年英國郵電、貝爾實驗室和康寧玻璃公司共同研制出世界第一根衰減系數(shù)為20的多模光纖3。應該指出的是多模光纖作為光傳輸介質和長壽命的半導體激光器作為光載波共同拉開了光纖通信研究的序幕。光纖通信中的傳輸容量的擴大和傳輸速度的提高、傳輸距離的延長都與光纖的衰減、色散、非線性效應等緊密相關。光纖品種的推陳出新過程就是人們對光纖衰減、色散、非線性效應等性能在光纖通信系統(tǒng)中所扮演的重要作用的認識過程。1976年美國貝爾實驗室在亞特蘭大至華盛頓之間建立起了世界第一個實用化光纖通信系統(tǒng)，其傳輸速度為45，采用的是多模光纖。多模光纖自發(fā)明至今為至，始終是以想方設法減小衰減和模間色散，進一步提高光纖的傳輸帶寬為研究中心。最近幾年，多模光纖的研究有了突變性進展，光纖的傳輸帶寬得到了大幅度的提高。2多模與單模光纖通信的原理所謂光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸媒質實現(xiàn)信息傳送，達到通信的目的的一種最新通信技術。因此，對光纖以及其傳遞信息的原理研究就十分重要了。首先，光纖實現(xiàn)信息的傳送利用的是光的全反射原理，即當光從光密介質（折射率高的介質）攝入光疏介質時，折射角將大于入射角，當入射角大到一定程度，折射角將達到90此時的入射角稱為全反射角。當入射角繼續(xù)增大，此時將不發(fā)生折射現(xiàn)象，而安反射定理入射光全部被反射。這種現(xiàn)象就是全反射。要實現(xiàn)全反射光纖要滿足兩個條件：一、光必須從光密介質射入光疏介質。二、入射角必須大于臨界角。因此，一根實用光纖基本上有三部分組成，即折射率高的芯部，折射率較低的包層和和外面的涂覆層。光纖的分類方法有很多，但是，有一種十分重要的分類方法，就是按照光纖中的傳導模的數(shù)目來分類，所謂模是指以一定角速度進入光纖的一束光。只能傳導一種模式的光纖稱單模光纖，而能傳到多個模獲成百上千個模式的光纖稱為多模光纖。決定它能夠傳輸模的數(shù)目的一個重要結構參數(shù)就是光纖的歸一化頻率，一般用表示，其定義為： （1） （2）這里是光在真空中的傳播常數(shù)，是光波的頻率，是真空中光速，是光纖芯半徑，光纖芯中最大折射率，是外包層的折射率，是光纖芯中最大相對折射率差。2.1多模光纖 光纖中傳導模的數(shù)目與它的歸一化頻率有關，傳導模的總數(shù)近似于： （3）其中，是光纖的歸一化頻率，則是光纖折射率分布的冪指數(shù)。例如對于拋物型光纖，則傳導模的總數(shù)為： （4）對于階躍多模光纖，這時傳導模的總數(shù)為： （5）2.2單模光纖只能傳輸一種模式的光纖稱為多模光纖，單模光纖只能傳送基模（最低階模），不存在模間時延差。因此單模光纖折射率分布冪指數(shù)對其帶寬的影響遠不如多模光纖大一般都采用階躍型折射率分布。判斷一根光纖是否是淡漠管線，主要看它的歸一化頻率的大小，光纖單模工作的條件是，它的歸一化頻率小于它的截止頻率，所謂光纖的歸一化截止頻率是指光纖中次低階模（第二低階模）截止時的歸一化頻率。已知光纖折射率分布冪指數(shù)來計算值的近似公式為： （6）因此只要利用公式（1）（6）就可以判斷此光線為何種光纖。例如對于階躍型單模光纖，所以，大于。因此滿足單模光纖的傳送條件4。3兩種光纖的特性3.1單模光纖的特點 單模光纖(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或10)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。后來又發(fā)現(xiàn)在1.31波長處，單模光纖的材料色散和波導色散一為正、一為負，大小也正好相等。這就是說在1.31波長處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31處正好是光纖的一個低損耗窗口。這樣，1.31波長區(qū)就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國際電信聯(lián)盟ITUT在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖5。單模光纖中，模內色散是比特率的主要制約因素。由于其比較穩(wěn)定，如果需要的話，可以通過增加一段一定長度的“色散補償單模光纖”來補償色散。零色散補償光纖就是使用一段有很大負色散系數(shù)的光纖，來補償在1550處具有較高色散的光纖。使得光纖在1550附近的色散很小或為零，從而可以實現(xiàn)光纖在1550處具有更高的傳輸速率。在單模光纖中，另一種色散現(xiàn)象是偏振模色散(PMD)，由于PMD是不穩(wěn)定的，因而不能進行補償。單模傳輸設備所采用的光器件是LD，通常按波長可分為850和1300兩個波長，按輸出功率可分為普通LD、高功率LD、DFBLD(分布反饋光器件)6。單模光纖傳輸所用的光纖最普遍的是G.652，其線徑為9微米。3.2多模光纖的特點 多模光纖(Multimode Fiber)：中心玻璃芯較粗(50或62.5)，可傳多種模式的光。其發(fā)光器件為發(fā)光二極管。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600的光纖在2時則只有300的帶寬了7。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 多模光纖中，模式色散與模內色散是影響帶寬的主要因素。PCVD工藝能 夠很好地控制折射率分布曲線，給出優(yōu)秀的折射率分布曲線，對漸變型多模光纖(GIMM)，可限制模式色散而得到高的模式帶寬。 基本上有兩種多模光纜，一種是梯度型另一種是引導型，對于梯度型光纜來說，芯的折光系數(shù)于：簽的外圍最小而逐漸向中心點不斷增加，從而減少訊號的振模色散，而對引導型光纜來說，折光系數(shù)基本上是平均不變，而只有在色層表面上才會突然降低引導型光纜一般較梯度型光纜的頻寬為低。在網(wǎng)絡應用上，最受歡迎的多模光纜為62.5/125，62.5/125意指光纜芯徑為62.5而色層直徑為125，其他較為普通的為50/125及100/1408。 相對于雙絞線，多模光纖能夠支持較長的傳輸距離，在l0及l(fā)00的以太網(wǎng)中多模光纖最長可支持2000米的傳輸距離，而于1于兆網(wǎng)中，多模光纖最高可支持550米的傳輸距離9。業(yè)界一般認為當傳輸距離超過295尺，電磁干擾非常嚴重，或頻寬需要超過350MHz，那便應考慮采用多模光纖代替雙絞線作為傳輸載體。3.3單模光纖與多模光纖的比較 多模光纖的纖芯直徑為5062.5，包層外直徑125，單模光纖的纖芯直徑為8.3，包層外直徑12510。光纖的工作波長有短波長0.85、長波長1.31和1.55。光纖損耗一般是隨波長加長而減小，0.85的損耗為2.5，1.31的損耗為0.35，1.55的損耗為0.20，這是光纖的最低損耗，波長165以上的損耗趨向加大。由于的吸收作用，0.901.30和1.341.52 范圍內都有損耗高峰，這兩個范圍未能充分利用11。80年代起，傾向于多用單模光纖，而且先用長波長1.31。兩者最主要的差別： 多模光纖多用于傳輸速率相對較低，傳輸距離相對較短的網(wǎng)絡中，如局域網(wǎng)等，這類網(wǎng)絡中通常具有節(jié)點多，接頭多，彎路多，而且連接器、耦合器的用量大，單位光纖長度使用光源個數(shù)多等特點，使用多模光纖可以有效的降低網(wǎng)絡成本。單模光纖多用于傳輸距離長，傳輸速率相對較高的線路中，如長途干線傳輸，城域網(wǎng)建設等。例如表1為千兆以太網(wǎng)標準的各種型號單模與多模光纖的極限傳輸距離12：標準光纖類型光纖直徑（）極限傳輸距離1000base-sx多模62.5260m1000base-sx多模50525m1000base-lx多模62.5550m1000base-lx多模50550m1000base-lx單模93000m表1各種型號單模與多模光纖的極限傳輸距離.其中短波長光傳輸為1000Base-SX、長波長光傳輸為1000Base-LX。4單模光纖與多模光纖的應用 光纖通信技術在現(xiàn)代生活扮演的角色越來越重要，其應用在生活中隨處可見，下面是第十一屆亞運會彩色電視光纜傳輸網(wǎng)中單模光纖與多模光纖的應用。第十一屆亞運會，是有史以來我國舉行的第一次亞運會，亞運會一項很重要的工作是把現(xiàn)場的比賽盛況傳送給亞運會新聞中心和國內外的億萬觀眾。根據(jù)亞運會籌委會的安排，要把亞運會11個場館，13套比賽現(xiàn)場實況電視圖像通過光纜網(wǎng)傳到新聞中心電視墻，同時把中央電視臺送出的5套亞運現(xiàn)場實況節(jié)目，從1號衛(wèi)星地面站，通過光纜傳輸?shù)?號衛(wèi)星地面站13。圖1 亞運會彩色電視光纜傳輸網(wǎng)結構示意圖由圖可知，為保證系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)中設有迂回線路。最長傳輸線路為30千米左右14。該傳輸網(wǎng)是利用北京市話光纜網(wǎng)，經(jīng)各局光纜配線架適當調線構成。上述光纜傳輸系統(tǒng)所用設備均采用PFM調制方式，多模光纖，單模光纖，光源用1.31LD組件等。其中在一些網(wǎng)絡特點為彎路多、節(jié)點多的區(qū)域使用多模光纖，因為彎路多損耗就大，節(jié)點多則光功率分路就頻繁，這都要求光纖內部有足夠的光功率傳輸。多模光纖比單模光纖芯徑粗，數(shù)值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率。網(wǎng)絡中連接器、耦合器用量大，單模光纖無源器件比多模光纖貴，而且相對精密、允差小，操作不如多模器件方便可靠。單模光纖只能使用激光器（LD）作光源，其成本比多模光纖使用的發(fā)光二極管（LED）高很多。因此在例如新聞中心等網(wǎng)絡中多模光纖用量比較大。在此傳輸網(wǎng)絡中最長傳輸距離為30千米，根據(jù)單模光纖的特性，在這些長途傳輸中用的是單模光纖，由于一根光纖需要傳送多個視頻信號，因此就需用到波分復用技術。波分復用技術可以充分利用單模光纖低損耗區(qū)帶來的巨大帶寬資源15。根據(jù)每一信道光波的頻率(或波長)不同，將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，把光波作為信號的載波，在發(fā)送端采用波分復用器(合波器)，將不同規(guī)定波長的信號光載波合并起來送入一根光纖進行傳輸。在接收端，再由一波分復用器(分波器)將這些不同波長承載不同信號的光載波分開。由于不同波長的光載波信號可以看作互相獨立(不考慮光纖非線性時)，從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。正是光纖技術的合理搭配使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，各種光端模塊以及多模光纖與單模光纖的合理搭配是光線的傳輸性能達到最佳，為此次的亞運會的盛況直播提供了有力的保證。結語 光纖通信技術現(xiàn)已作為一種重要的現(xiàn)代信息傳輸技術之一，在現(xiàn)在的信息 社會背景下得到了普遍意義上的應用，在全球通信領域及相關行業(yè)在全球處于非常低迷的狀態(tài)時，光纖通信技術仍得到了一些發(fā)展。依照我國現(xiàn)行的通信技術領域的發(fā)展模式，光纖通信技術的應用必會代替一切其他的信息傳送方式，而成為未來通信領域發(fā)展的主流技術，帶領人類進入全光時代。參考文獻：1 毛謙我國光纖通信技術發(fā)展的現(xiàn)狀和前景J電信科學，2006，(8)：1-42 趙梓森光纖通信工程M北京：人民郵電出版社，1994：23.3 張金菊光纖通信原理M北京：中國人民人學出版社，1999：45.4 DPHand and PStJRussell. 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