光纤基础内容

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1、分贝：衡量光衰减的一个单位。分贝等于对光的透射率进行以10为底的对数的运算，然后乘以-10。

2、透过率：指经过光纤传输后，输出的光功率与输入的光功率之比

3、光纤通信优点：高速率、容量大、损耗低、抗电磁干扰（石英材料是绝缘体）、保密性好、体积小重量轻、原材料丰富、不怕腐蚀，耐高低温等

4、光纤：是介质圆柱光波导，没有传导电流，没有自由电荷，线性各向同性，充分约束光波的横向传输，并导引光波在其内部或者表面附近沿轴线方向向前传输（纵向实现长距离传输）

5、光纤的基本结构：由纤芯、包层、涂敷层构成。

6、光波导的构成：（注意区分导波光）

n1是纤芯的折射率，n2是包层折射率

纤芯参入GeO2和P2O5可以增加折射率，参入B2O3可以降低折射率

7、光纤的分类（按用途分）：

（1）通信用光纤：用于光纤通信系统传输信号的光纤，要求低损耗、大容量、低色散、与系统元器件高效率耦合，稳定性等

（2）非通信用的光纤：要求具有高双折射，物理敏感性强以及具有非线性等

8、按纤芯折射率分布分类：

渐变折射率分布光纤在纤芯里，光纤的折射率是变化的，纤轴最高，纤壁最低，沿着纤轴向纤壁趋近时折射率逐渐减小，并且遵从g型折射率分布。g是折射率分布参数，当g趋向于无穷大为阶跃型折射率分布光纤，当g=2时是平方率折射率分布光纤或抛物吸纳折射率分布光纤，当g=1时为三角折射率分布光纤。

Δ是纤轴折射率与包层折射率的相对差，简称相对折射率差。

9、按光纤传输模式分类：

当V<2.405时将只允许传输一种模式，通过改变波长可以改变光纤的模式数目

10、按光纤芯包结构分类：

11、光纤的制备工艺——管外法（适合准备均匀折射率分布光纤，且光纤损耗较高）
OVD，MCVD以及PCVD工艺需要预制棒熔缩，加温把空洞烧塌，从而得到真正实心的预制棒
预制棒法光纤制备工艺：流程为——》》清洗–》制棒–》拉丝–》筛选–》性能测试–》包装入库

12、光纤的制备工艺——管内法（在适应玻璃管的内壁沉积光纤的原材料）
适合制备复杂折射率分布的光纤，只对传输模式的纤芯的材料性能要求非常高，而包层特别是靠外面的包层材料要求并不高
纤芯可采用预制棒的工艺来制备，包层则可通过套棒的工艺实现
实心的预制棒实际上就是光纤的雏形，它的折射率的剖面和我们要得到的光纤是完全一样的；

13、光纤的制备工艺——拉丝与成缆
涂覆有自由涂覆与加压涂覆这两种不同的涂覆工艺。
光纤本身对电磁干扰抵抗力强，不是拉丝过程中需要控制的光纤参数。
中心束管式光缆：光纤位于光缆中心，得到保护，但芯数较少，光纤余长不大
带状光缆：是一个高密度的结构，光缆里可以有几百根光纤
层绞式光缆：含有光纤的松套管以螺旋方式绞合于中心加强件上，机械性能和温度性能好，光纤余长易于控制，但工艺复杂，成本高，直径大，重量重
骨架式光缆：使用骨架和中心加强件为支撑单元，缆径小，光纤密度高

14、光纤光学的研究方法

（1）几何光学方法：光纤芯径远大于光波波长λ。时，可以及近似认为λ。–>0（前提条件）
满足上述条件可以把光波看作光线来研究光线的入射，传播以及时延和光强分布等

（2）波动光学方法：把入射光波看作电磁波，从光波的本质特性电磁波触发，是一种严格的分析方法
从麦克斯韦方程来分析的，所以过程比较复杂


对比分析：


**15、**光线的方向就是波的等相位面的法线，等相位面的法线对应与光线的轨迹。

16、射线方程及其物理意义：
物理意义：由矢径r所描述的光线的轨迹与空间的折射率分布n的密切相关
光纤波导的折射率分布+入射条件=光线轨迹的表达式
dz近似代表ds求解会更简单一些


17、阶跃折射率分布光纤与渐变折射率分布光纤：
光纤轨迹向折射率高的地方弯曲，


18、 光波的传输特征：
纵向上是行波，横向上来回反射是一种驻波，驻波场的波谷、波幅和波节对应于能量场的明暗部位。
电磁波在光纤的横向将形成特定形状的光斑分布。
在纵向（轴向）以行波形式存在，场分布沿轴向只有相位的变化，没有幅度的变化

19、波导场方程：（波导场方程由亥姆赫兹方程通过纵横分离得到；）

20、模式及其基本性质：
某一本征值不一定只对应于一种模式，光纤能够支持的模式是它自己的固有属性，由光纤波导结果确定的


模式命名：
光纤中存在的模式多数为HE(EH)模，有时也出现TE™模，在光纤这样的一个圆柱光波导里面是不存在横电磁模的

21、场分布传播常数及其物理意义：
（1）纵向传播常数β


（2）归一化频率V

（3）横向传播常数U,W
U：导模在芯区中的驻波场的横向震荡频率

W：导模在包层中消逝场的衰减速度W越大，衰减越快

W->0,场在包层中不衰减，导模转化为辐射模，导模截止

W->∞，U->0,β->n1k0，场在包层中不存在，导模被约束在纤芯中，约束最强，远离截止

每一个导模都对应于一个合适的V值

（4）相速度和群速度

相速度是大于光速的，群速度是小于光速的，当θz为0时，相速度、群速度和光速度三者才相等


（5）色散和群延时，以及模式分析中其他参量

**22、**子午平面：与纤轴相交且与纤壁垂直的平面，沿着光纤纤轴旋转，所有的经过直径切出去的面都是子午平面，有无数多个。

子午光线：在子午平面上传输的光线，阶跃光纤中传输的子午光线一定会经过纤轴，且始终在子午平面内传输

偏斜光线：与纤轴既不相交又不限于单一平面内的光线，传输轨迹是螺旋折线的形式，在横截面的投影是类多边形。



23、数值孔径NA（反映纤芯与包层的折射率相差的程度）

相对折射率差Δ越大，光纤的数值孔径NA越大，光纤收集光的能力越强，增大NA对光纤的耦合效率有利，但是会导师光纤 的“通信容量”降低。通信容量正比于光纤的传输带宽，或单位长度光纤光脉冲展宽的倒数。

多模阶跃型折射率分布的光纤通信容量并不高，且不适合于传输图像（不聚焦）

24、倾斜光纤（偏斜光线）
內散焦面半径：



25、波导场方程及导模本征解（注意进行变量分离的方式）

单模光纤与多模光纤

对比	多模	单模
光纤成本	昂贵	不太昂贵
传输设备	基本的、成本低	更昂贵（激光二极管）
衰减	高	低
传输波长	850nm到1300nm	1260nm到1650nm
使用	芯径更大，易于处理	连接更复杂
距离	本地网络（<2km）	接入网/中等距离/长距离网络（>200km）
带宽	有限的带宽	几乎无限带宽
结论	光纤更昂贵，单是网络开通相对不昂贵	提供更高的性能，但是建立网络昂贵

首先是介绍下多模光纤和单模光纤区别：

1、 多模光纤是光纤通信最原始的技术，这一技术是人类首次实现通过光纤来进行通信的一项革命性的突破。

2、 随着光纤通信技术的发展，特别是激光器技术的发展以及人们对长距离、大信息量通信的迫切需求，人们又寻找到了更好的光纤通信技术----单模光纤通信。

3、 光纤通信技术发展到今天，多模光纤通信固有的很多局限性愈发显得突出：

①多模发光器件为发光二极管(LED)，光频谱宽、光波不纯净、光传输色散大、传输距离小。1000M bit/s带宽传输，可靠距离为255米(m)。100M bit/s带宽传输，可靠距离为2公里(km)。

②因多模发光器件固有的局限性和多模光纤已有的光学特性限制，多模光纤通信的带宽最大为1000M bit/s。

4、 单模光纤通信突破了多模光纤通信的局限：

①单模光纤通信的带宽大，通常可传100G bit/s以上。实际使用一般分为155M bit/s、1.25G bit/s、2.5G bit/s、10G bit/s。

②单模发光器件为激光器，光频谱窄、光波纯净、光传输色散小，传输距离远。单模激光器又分为FP、DFB、CWDM三种。FP激光器通常可传输60公里(km)，DFB和CWDM激光器通常可传输100公里(km)。

5、 数字式光端机采用视频无压缩传输技术，以保证高质量的视频信号实时无延迟传输并确保图像的高清晰度及色彩纯正。这种传输方式信息数据量很大，4路以上视频的光端机均采用1.25G bit/s以上的数据流传输。8路视频的数据流高达1.5G bit/s。

因多模光纤最大带宽仅为1G bit/s，如果采用多模光纤传输，势必造成信息丢失、视频图像出现大量雪花甚至白斑、数据控制失常。

另一个致命的因素就是传输距离的限制，多模光纤1G bit/s带宽的传输距离理论上是255米(m)，如果考虑到光链路损耗，实际距离还要小几十米。

6、 从单模光纤通信技术诞生之日起，就意味着多模光纤通信方式的淘汰。目前用多模光纤传输的已经很少了，只是因为市场的惯性而延续至今，对光纤通信这一行业的人来说，这早已是不争的事实。我们认为应该本照着对用户负责，对用户长远需求负责的精神提出合理建议

根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。所谓"模"是指以一定角速度进入光纤的一束光。单模光纤采用固体激光器做光源，多模光纤则采用发光二极管做光源。多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散(因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。)，模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离，因此，多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。单模光纤只能允许一束光传播，所以单模光纤没有模分散特性，因而，单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光源，成本较高。

单/多模光纤传输

多模光纤

多模光纤中光信号通过多个通路传播;通常建议在距离不到英里时应用。

多模光纤从发射机到接收机的有效距离大约是5英里。可用跟离还受发射/接收装置的类型和质量影响; 光源越强、接收机越灵敏，距离越远。研究表明，多模光纤的带宽大约为4000Mb/s。

制造的单模光纤是为了消除脉冲展宽。由于纤芯尺寸很小(7-9微米)，因此消除了光线的跳跃。在1310和 1550nm波长使用聚焦激光源。这些激光直接照射进微小的纤芯、并传播到接收机，没有明显的跳跃。如果可以把多模比作猎怆，能够同时把许多弹丸装人枪筒，那么单模就是***，单一光线就像一颗子弹。

单模光纤

单模光纤的纤芯较细，使光线能够直接发射到中心。建议距离较长时采用。

另外，单模信号的距离损失比多模的小。在头3000英尺的距离下，多模光纤可能损失其LED光信号强度的50%，而单模在同样距离下只损失其激光信号的6.25%。

单模的带宽潜力使其成为高速和长距离数据传输的唯一选择。最近的测试表明，在一根单模光缆上可将40G以太网的64信道传输长达2，840英里的距离。

在安全应用中，选择多模还是单模的最常见决定因素是距离。如果只有儿英里，首选多模，因为LED发射/接收机比单模需要的激光便宜得多。如果距离大于5英里，单模光纤最佳。另外一个要考虑的问题是带宽;如果将来的应用可能包括传输大带宽数据信号，那么单模将是最佳选择。

单模光纤只有单一的传播路径，一般用于长距离传输，多模光纤有多种传播路径，多模光纤的带宽为50MHz_{500MHz/Km，单模光纤的带宽为2000MHz/Km，光纤波长有850nm，1310nm和1550nm等。850nm波长区为多模光纤通信方式;1550nm波长区为单模光纤通信方式;1310nm波长区有多模和单模两种;850nm的衰减较大，但对于2}3MILE(1MILE=1604m)的通信较经济。光纤尺寸按纤维直径划分有50μm缓变型多模光纤、62.5μm缓变增强型多模光纤和8.3μm突变型单模光纤，光纤的包层直径均为125μm，故有62.5/125μm、50/125μm、9/125μm等不同种类。

光缆外套标识，50/125, 62.5/125为多模，9/125(g652)为单模

光纤可磨接后用100/200倍放大镜察看，一个小黑点的是单模，大一点有双环的是多模。纤芯在熔接机内也能分辩出，在熔接机显示器看中间是空的是单模，看上去一体的是多模。

简单的用途区别：多模一般应用在园区内较近的地方之间;

单模传输距离较远，一般应用在电信领域。

单模传输与多模传输

在光纤通信理论中，光纤有单模、多模之分，区别在于：

1. 单模光纤芯径小(10m m左右)，仅允许一个模式传输，色散小，工作在长波长(1310nm和1550nm)，与光器件的耦合相对困难

2. 多模光纤芯径大(62.5m m或50m m)，允许上百个模式传输，色散大，工作在850nm或1310nm。与光器件的耦合相对容易

而对于光端模块来讲，严格的说并没有单模、多模之分。所谓单模、多模模块，指的是光端模块采用的光器件与何种光纤配合能获得最佳传输特性。

一般有以下区别：

1. 单模模块一般采用LD或光谱线较窄的LED作为光源，耦合部件尺寸与单模光纤配合好，使用单模光纤传输时能传输较远距离

2. 多模模块一般采用价格较低的LED作为光源，耦合部件尺寸与多模光纤配合好

1、光纤分类

光纤按光在其中的传输模式可分为单模和多模。多模光纤的纤芯直径为50或62.5μm，包层外径125μm，表示为50/125μm或62.5/125μm。单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外径125μm，表示为8.3/125μm。

光纤的工作波长有短波850nm、长波1310nm和1550nm。光纤损耗一般是随波长增加而减小，850nm的损耗一般为2.5dB/km,1.31μm的损耗一般为0.35dB/km，1.55μm的损耗一般为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。由于OHˉ(水峰)的吸收作用，900_{1300nm和1340nm}1520nm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。

2、多模光缆

多模光纤(Multi Mode Fiber) -芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。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。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。如下表，为多模光缆的带宽的比较：

提到万兆多模光缆，需要作些说明，光纤系统在传输光信号时，离不开光收发器和光纤。因传统多模光纤只能支持万兆传输几十米，为配合万兆应用而采用的新型光收发器，ISO/IEC 11801制定了新的多模光纤标准等级，即OM3类别，并在2002年9月正式颁布。OM3光纤对LED和激光两种带宽模式都进行了优化，同时需经严格的DMD测试认证。采用新标准的光纤布线系统能够在多模方式下至少支持万兆传输至300米，而在单模方式下能够达到10公里以上(1550nm更可支持40公里传输)。

3、单模光缆

单模光纤(Single Mode Fiber)：中心纤芯很细(芯径一般为9或10μm)，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。

后来发现在1310nm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1310nm正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1310nm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。1310nm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。

上面提到由于OHˉ(水峰)的吸收作用，900_{1300nm和1340nm}1520nm范围内都有损耗高峰，该现象称为水峰。目前美国康普公司提供的TeraSPEEDTM零水峰单模光缆，正解决了此问题，TeraSPEED 系统通过消除了1400nm 水峰的影响因素, 从而为用户提供了更广泛的传输带宽, 用户可以自由使用从1260nm 到1620nm 的所有波段, 因此传输通道从以前的240增加到400，性能比传统单模光纤多50%的可用带宽，为将来升级为100G带宽的CWDM 粗波分复用技术打下了坚实的基础，TeraSPEED 解决方案为园区/城市级理想的主干光纤系统。

同时，由于G.652.D 是单模光纤的最新的指标，是所有G.652级别中指标最严格的并且完全向下兼容的。如果，仅指明G.652意味着 G.652.A 的性能规范，这一点应特别注意。TeraSPEED 光纤超过所有的指标均满足 G.652.A, .B, .C和.D 的性能规范，如下表：

而我们对于单模光缆的选型建议如下：

A.从传输距离的角度，如果希望今后支持万兆传输，而距离较远应考虑采用单模光缆。

B.从造价的角度，零水峰光缆提供比单模光纤多50%带宽，而造价上又相差不多，事实上美国康普公司目前已经不提供普通单模光纤，只提供零水峰光纤这样的更高性能的产品给用户。

关于FBG、TFBG、LPG、45°TFBG、EX-45°TFBG

LPG的原理是将前向传播的纤芯模式中的能量耦合到包层中，生成前向传输的包层模式；
TFBG的原理是将前向传输的纤芯模式的能量耦合到包层中，生成后向传输的包层模式
FBG的原理是将前向传输的纤芯模式的能量耦合到纤芯中，生成后向传输的纤芯模式
45°TFBG的原理是将前向传输的纤芯模式的能量耦合到包层中，生成后向传播的包层模式、辐射模式
EX-45°TFBG的原理是将前向传播的纤芯模式的能量耦合到包层中，生成前向传播的包层模式。
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