多模光纤与单模光纤的优缺点与应用.docx

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多模光纤与单模光纤的优缺点与应用

摘要1

Abstract1

引言1

1光纤的发展2

1.1单模光纤的发展2

1.2多模光纤的发展2

2多模与单模光纤通信的原理3

2.1多模光纤3

2.2单模光纤4

3两种光纤的特性4

3.1单模光纤的特点4

3.2多模光纤的特点5

3.3单模光纤与多模光纤的比较6

4单模光纤与多模光纤的应用6

结语8

参考文献8

致谢9

多模光纤与单模光纤的优缺点与应用

学生姓名：

杨荣林学号：

20095040032

单　　位：

物理电子工程学院　专业：

物理学

指导老师：

张新伟职称：

讲师

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

Theadvantagesanddisadvantagesofmultimodeandsingle-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1.31

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140

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20

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45

，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

表示，其定义为：

（1）

（2）

这里

是光在真空中的传播常数，

是光波的频率，

是真空中光速，

是光纤芯半径，

光纤芯中最大折射率，

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：

（3）

其中，

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

，则传导模的总数为：

（4）

对于阶跃多模光纤

，这时传导模的总数为：

（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

小于它的截止频率

，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

值的近似公式为：

（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

，大于

。

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10

），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1.31

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1.31

波长处，单模光纤的总色散为零。

从光纤的损耗特性来看，1.31

处正好是光纤的一个低损耗窗口。

这样，1.31

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。

1.31

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1550

处具有较高色散的光纤。

使得光纤在1550

附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550

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850

和1300

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62.5

），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：

600

的光纤在2

时则只有300

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62.5

而色层直径为125

，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l0

及l00

的以太网中多模光纤最长可支持2000米的传输距离，而于1

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50～62.5

，包层外直径125

，单模光纤的纤芯直径为8.3

，包层外直径125

[10]。

光纤的工作波长有短波长0.85

、长波长1.31

和1.55

。

光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85

的损耗为2.5

，1.31

的损耗为0.35

，1.55

的损耗为0.20

，这是光纤的最低损耗，波长1．65

以上的损耗趋向加大。

由于

的吸收作用，0.90～1.30

和1.34～1.52

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1.31

。

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