多模光纤与单模光纤地优缺点与应用2

1、实用标准文案目录摘要1Abstract1引言21光纤的发展21.1单模光纤的发展21.2多模光纤的发展32多模与单模光纤通信的原理 32.1多模光纤42.2单模光纤53两种光纤的特性5-3.1单模光纤的特点53.2多模光纤的特点63.3单模光纤与多模光纤的比较 7-4单模光纤与多模光纤的应用 8结语9参考文献9致谢11文档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

2、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The advantages and disadvantages ofmultimode and single-mode fiber and theirapplicationAbstract: Technology of optical fiber communication is the modernway of communication

3、 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

4、. 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 com muni cati on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

5、、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 。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

6、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 m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 Mbits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

7、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 dB km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

8、通信系统，其传输速度为45 Mbits，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

9、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

10、义为： 2V Knia 2 nia. 2ma-. 2其中，V是光纤的归一化频率，则是光纤折射率分布的幕指数。例如对于抛物型光纤2，则传导模的总数为：1 2N V2（4）4对于阶跃多模光纤，这时传导模的总数为：1 2N V（ 5）22.2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幕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

11、的归一化频率。已知光纤折射率分 布幕指数来计算Vc值的近似公式为：Vc 2.405 1 2.315（ 6）V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Vc 2.405，大于V 2.327。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（Single Mode Fiber）:中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10 m）, 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 m波长处，单模光纤的材料色散和

12、波导 色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31 m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 m处正好是光纤的一个低损耗窗 口。这样，1.31 m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 m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 nm处具有较高色散

13、的光纤。使得光纤在 1550 nm附近的色散很小或为零，从而可以实现 光纤在1550 nm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 nm和1300 nm 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(Multimode Fiber):中心玻璃芯较粗(50或62.5 pm)，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，

14、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 MB KM的光纤在2 KM 时则只有300 MB的带宽了 I。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

15、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 m而色层直径 为125 m，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 10 mbps及100 mbps 的以太网中多模光纤最长可支持 2000米的传输距离，而于1 Gps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

16、为5062.5 m，包层外直径125 m，单模光纤的纤 芯直径为8.3 m，包层外直径125 m10。光纤的工作波长有短波长 0.85 m、 长波长1.31 m和1.55 m。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85 m的损 耗为 2.5 dB km，1.31 m 的损耗为 0.35 dB km，1.55 m 的损耗为 0.20 dB km， 这是光纤的最低损耗，波长1 . 65 m以上的损耗趋向加大。由于OH的吸收作 用, 0.901.30 m和1.341.52 m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 m。两者最主要的差别

17、：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62.5260m1000base-sx多模50525m1000base-lx多模62.5550m1000base-lx多模50550m1000base-lx单模930

18、00m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-LX4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

19、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1.31 mLD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（ L

20、D ）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 o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

21、。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

22、入全光时代。参考文献：1 毛谦我国光纤通信技术发展的现状和前景J 电信科学，2006 , (8): 1-4 .2 赵梓森光纤通信工程 M 北京：人民邮电出版社， 1994 ： 23.3 张金菊光纤通信原理 M 北京:中国人民人学出版社， 1999 : 45.4 D P Hand and P St J Russell. Photoinduced Refractive-index Changes in German silicateFibersM Opt ， 1990 ，(1): 102-104 5 Mizunami T ， Djambova T V ， Niiho T and Gupta SBragg Gratings in multimodeand few mode optical fibersJ J Lightwave Technol ， 2000 ， (18) : 230-235 6 M.Ettenberg