多模光纤与单模光纤的优缺点与应用2Word文档下载推荐.docx
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致谢·
9
多模光纤与单模光纤的优缺点与应用
学号：
20095040032
专业：
物理学
职称：
讲师
学生姓名：
杨荣林
单位：
物理电子工程学院
指导老师：
张新伟
摘要：
光纤通信技术是指把光波作为信息传输的载波，以光纤作为信息传输的媒介，将信息进行点对点发送的现代通信方式。
光纤通信技术的诞生及深入发展是信息通信史上一次重要的改革。
光纤通信技术从理论提出到工程领域的技术实现，再到今天高速光纤通信的实现，前后经历了几十年的时间。
本文对光纤通信的发展以及单模光纤与多模光纤的特点及其应用进行了阐述。
关键词：
多模光纤；
单模光纤；
光纤通信
Theadvantagesanddisadvantagesofmultimodeand
single-modefiberandtheirapplication
Abstract:
Technologyofopticalfibercommunicationisthemodernwayofcommunicationthatitusesthelightwaveasthecarrierofinformationtransmissionandinformationistransmittedfrompointtopointbyopticalfiberregardeditasthemedium.Thebirthanddevelopmentofopticalfibercommunicationtechnologyisanimportantreforminthehistoryofinformationcommunication.Inthispaper,thedevelopmentofopticalfibercommunicationandsingle-modeandmultimodefibercharacteristicsandtheirapplicationarediscussed.
Keywords:
Multimodeopticalfiber;
Opticalfiber;
Opticalfibercommunication
引言
科学技术、工业、农业和国防现代化国际经济贸易中的人与人之间交流必然带来了全球性的海量信息交换。
光纤通信以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干扰等优点，己成为支撑全世界海量信息交换的最重要的技术支柱之一。
光纤通信作为20世纪重要技术发明之一，己在国内外广泛应用了20多年。
光纤通信正是以其通信容量大、中继距离长、抗电磁干扰等优点替代了核心网、城域网的电缆通信，正在向着接入网的用户终端推进[1]。
多模光纤是指可以传输多个模式的光纤。
相对普通单模光纤而言，多模光纤具有更大的数值孔径和纤芯直径。
同时，因为它的模式色散大而使其带宽远远低于单模光纤。
但是，由于多模光纤对传输系统中器件的要求相对于单模光纤要低得多，因此，它存在着很大的发展潜力和空间。
1光纤的发展
1.1单模光纤的发展
20世纪70年代末，人们试图用研制成功的长寿命半导体激光器来代替发光管光源，以获取更长的通信距离和更大的通信容量。
可是，激光在多模光纤中传输时会发生模式噪声。
为克服模式噪声，1980年成功的研制出零色散点在1.31m的单模光纤（非色散位移单模光纤）。
国际电信联盟（ITU—T）建议将这种单模光纤定义为G.652光纤。
因为单模光纤的设计思想是只传输一个模式，所以不发生多模光纤中传输时所发生的模式噪声。
因此，20世纪80年代中期，由激光器光源和G.652光纤组成的140Mbits光纤通信系统[2]，其中继距离和传输容量远远超过同轴电缆从而使光纤通信逐渐取代铜缆成为电信业采用的主要通信方式。
1.2多模光纤的发展
光纤通信的思想是由美籍华人高锟在1966年发表的论文《光频介质纤维表面波导》中提出用石英玻璃纤维（简称光纤）传送光信号进行通信。
在1970年英国邮电、贝尔实验室和康宁玻璃公司共同研制出世界第一根衰减系数为20dBkm的多模光纤[3]。
应该指出的是多模光纤作为光传输介质和长寿命的半导体激光器作为光载波共同拉开了光纤通信研究的序幕。
光纤通信中的传输容量的扩大和传输速度的提高、传输距离的延长都与光纤的衰减、色散、非线性效应等紧密相关。
光纤品种的推陈出新过程就是人们对光纤衰减、色散、非线性效应等性能在光纤通信系统中所扮演的重要作用的认识过程。
1976年美国贝尔实验室在亚特兰大至华盛顿之间建立起了世界第一个实用化光纤通信系统，其传输速度为45Mbits，采用的是多模光纤。
多模光纤自发明至今为至，始终是以想方设法减小衰减和模间色散，进一步提高光纤的传输带宽为研究中心。
最近几年，多
模光纤的研究有了突变性进展，光纤的传输带宽得到了大幅度的提高
2多模与单模光纤通信的原理
所谓光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输媒质实现信息传送，达到通信的目的的一种最新通信技术。
因此，对光纤以及其传递信息的原理研究就十分重要了。
首先，光纤实现信息的传送利用的是光的全反射原理，即当光从光密介质（折射率高的介质）摄入光疏介质时，折射角将大于入射角，当入射角大到一定程度，折射角将达到90°
此时的入射角称为全反射角。
当入射角继续增大，此时将不发生折射现象，而安反射定理入射光全部被反射。
这种现象就是全反射。
要实现全反射光纤要满足两个条件：
一、光必须从光密介质射入光疏介质。
二、入射角必须大于临界角。
因此，一根实用光纤基本上有三部分组成，即折射率高的芯部，折射率较低的包层和和外面的涂覆层。
光纤的分类方法有很多，但是，有一种十分重要的分类方法，就是按照光纤中的传导模的数目来分类，所谓"
模"
是指以一定角速度进入光纤的一束光。
只能传导一种模式的光纤称单模光纤，而能传到多个模获成百上千个模式的光纤称为多模光纤。
决定它能够传输模的数目的一个重要结构参数就是光纤的归一化频率，一般用V表示，其定义为：
VKn1a2n1a22n1a2
C
22
n1n2n1n2
2n1
这里K2是光在真空中的传播常数，是光波的频率，C是真空中光速，a
是光纤芯半径，n1光纤芯中最大折射率，n2是外包层的折射率，是光纤芯中最大相对折射率差。
2.1多模光纤
光纤中传导模的数目与它的归一化频率有关，传导模的总数近似于：
V2
3）
其中，V是光纤的归一化频率，则是光纤折射率分布的幂指数。
例如对于抛物型光纤2，则传导模的总数为：
12
NV2（4）
对于阶跃多模光纤，这时传导模的总数为：
N1V2（5）
2.2单模光纤
只能传输一种模式的光纤称为多模光纤，单模光纤只能传送基模（最低阶模），不存在模间时延差。
因此单模光纤折射率分布幂指数对其带宽的影响远不如多模光纤大一般都采用阶跃型折射率分布。
判断一根光纤是否是淡漠管线，主要看它的归一化频率的大小，光纤单模工作的条件是，它的归一化频率V小于它的截止频率Vc，所谓光纤的归一化截止频率是指光纤中次低阶模（第二低阶模）截止时的归一化频率。
已知光纤折射率分布幂指数来计算Vc值的近似公式为：
2.315
Vc2.40512.315（6）
因此只要利用公式
（1）（6）就可以判断此光线为何种光纤。
例如对于阶跃
型单模光纤，所以Vc2.405，大于V2.327。
因此满足单模光纤的传送
条件[4]。
3两种光纤的特性
3.1单模光纤的特点
单模光纤（SingleModeFiber）：
中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10m），只能传一种模式的光。
因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
后来又发现在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。
这就是说在1.31m波长处，单模光纤的总色散为零。
从光纤的损耗特性来看，1.31m处正好是光纤的一个低损耗窗口。
这样，1.31m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。
1.31m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU—T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤[5]。
单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。
由于其比较稳定，如果需要的话，可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。
零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤，来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤。
使得光纤在1550nm附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。
在单模光纤中，另一种色散现象是偏振模色散（PMD），由于PMD是不稳定的，因而不能进行补偿。
单模传输设备所采用的光器件是LD，通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长，按输出功率可分为普通LD、高功率LD、DFB—LD（分布反馈光器件）[6]。
单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652，其线径为9微米。
3.2多模光纤的特点
多模光纤（MultimodeFiber）：
中心玻璃芯较粗（50或62.5pm），可传多种模式的光。
其发光器件为发光二极管。
但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。
例如：
600MBKM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了[7]。
因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。
PCVD工艺能够很好地控制折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤（GIMM），可限制模式色散而得到高的模式带宽。
基本上有两种多模光缆，一种是梯度型另一种是引导型，对于梯度型光缆来说，芯的折光系数于：
签的外围最小而逐渐向中心点不断增加，从而减少讯号的振模色散，而对引导型光缆来说，折光系数基本上是平均不变，而只有在色层表面上才会突然降低引导型光缆一般较梯度型光缆的频宽为低。
在网络应用上，最受欢迎的多模光缆为62.5/125，62.5/125意指光缆芯径为62.5m而色层直径为125m，其他较为普通的为50/125及100/140[8]。
相对于双绞线，多模光纤能够支持较长的传输距离，在l0mbps及l00mbps的以太网中多模光纤最长可支持2000米的传输距离，而于1Gps于兆网中，多模光纤最高可支持550米的传输距离[9]。
业界一般认为当传输距离超过295尺，电磁干扰非常严重，或频宽需要超过
350MHz，那便应考虑采用多模光纤代替双绞线作为传输载体。
3.3单模光纤与多模光纤的比较
多模光纤的纤芯直径为50～62.5m，包层外直径125m，单模光纤的纤芯直径为8.3m，包层外直径125m［10］。
光纤的工作波长有短波长0.85m、长波长1.31m和1.55m。
光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为2.5dBkm，1.31m的损耗为0.35dBkm，1.55m的损耗为0.20dBkm，这是光纤的最低损耗，波长1．65m以上的损耗趋向加大。
由于OH的吸收作用，0.90～1.30m和1.34～1.52m范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用［11］。
80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31m。
两者最主要的差别：
多模光纤多用于传输速率相对较低，传输距离相对较短的网络中，如局域网等，这类网络中通常具有节点多，接头多，弯路多，而且连接器、耦合器的用量大，单位光纤长度使用光源个数多等特点，使用多模光纤可以有效的降低网络成本。
单模光纤多用于传输距离长，传输速率相对较高的线路中，如长途干线传输，城域网建设等。
例如表1为千兆以太网标准的各种型号单模与多模光纤的极限传输距离［12］：
标准
光纤类型
光纤直径（m）
极限传输距离
1000base-sx
多模
62.5
260m
50
525m
1000base-lx
550m
单模
3000m
表1各种型号单模与多模光纤的极限传输距离.其中短波长光传输为1000Base-SX、长波长光传输为1000Base-LX。
4单模光纤与多模光纤的应用
光纤通信技术在现代生活扮演的角色越来越重要，其应用在生活中随处可见，下面是第十一届亚运会彩色电视光缆传输网中单模光纤与多模光纤的应用。
第十一届亚运会，是有史以来我国举行的第一次亚运会，亚运会一项很重要的工作是把现场的比赛盛况传送给亚运会新闻中心和国内外的亿万观众。
根据亚运会筹委会的安排，要把亚运会11个场馆，13套比赛现场实况电视图像通过光缆网传到新闻中心电视墙，同时把中央电视台送出的5套亚运现场实况节目，从1号卫星地面站，通过光缆传输到4号卫星地面站[13]。
由图可知，为保证系统的可靠性，网中设有迂回线路。
最长传输线路为30千米左右[14]。
该传输网是利用北京市话光缆网，经各局光缆配线架适当调线构成。
上述光缆传输系统所用设备均采用PFM调制方式，多模光纤，单模光纤，光源用1.31mLD组件等。
其中在一些网络特点为弯路多、节点多的区域使用多模光纤，因为弯路多损耗就大，节点多则光功率分路就频繁，这都要求光纤内部有足够的光功率传输。
多模光纤比单模光纤芯径粗，数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率。
网络中连接器、耦合器用量大，单模光纤无源器件比多模光纤贵，而且相对精密、允差小，操作不如多模器件方便可靠。
单模光纤只能使用激光器（LD）作光源，其成本比多模光纤使用的发光二极管（LED）高很多。
因此在例如新闻中心等网络中多模光纤用量比较大。
在此传输网络中最长传输距离为30千米，根据单模光纤的特性，在这些长途传输中用的是单模光纤，由于一根光纤需要传送多个视频信号，因此就需用到波分复用技术。
波分复用技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源[15]。
根据每一信道光波的频率（或波长）不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器），将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。
在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。
由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。
正是光纤技术的合理搭配使用，充分发挥各自的优势，各种光端模块以及多模光纤与单模光纤的合理搭配是光线的传输性能达到最佳，为此次的亚运会的盛况直播提供了有力的保证。
结语
光纤通信技术现已作为一种重要的现代信息传输技术之一，在现在的信息社会背景下得到了普遍意义上的应用，在全球通信领域及相关行业在全球处于非常低迷的状态时，光纤通信技术仍得到了一些发展。
依照我国现行的通信技术领域的发展模式，光纤通信技术的应用必会代替一切其他的信息传送方式，而成为未来通信领域发展的主流技术，带领人类进入全光时代。
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武汉大学硕士学位论文，1998：
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[15]李湘宁．工程光学[M]．北京：
98.
致谢
在本论文的写作过程中，指导教师张新伟老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，他都严格把关、循循善诱。
在此我表示衷心地感谢。
同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心和帮助过我的同学和朋友。
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