特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构 和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 双包层光纤 色散平坦光纤（DispersionFlattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（DispersionShifted Fiber, DSF） 三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。
一、背景介绍 －－历史
1966年，高锟和霍克哈姆发表的《用 于光频的光纤表面波导》奠定了现代 光通信的基础。高锟被尊为光纤之父。
工作地点：英国标准电信研究所 研究对象：光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题 损耗原因：1) 玻璃纤维中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属 离子和其他杂质；2) 拉制光纤工艺造成芯、包层 分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀 新的发现：一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小
光纤通信实验
南京理工大学 物理实验中心
提纲


一、背景介绍 二、实验目的 三、实验原理 四、实验仪器 五、实验内容与步骤 六、注意事项 七、思考题
一、背景介绍 －－概念
光通信的诞生是人类发展史上具有里程碑意义的大 事。通过凭借光导纤维，使人类得以实现数据的海 量传输，而数据的海量传输恰恰是人类成功构建信 息高速公路的必由之路。
2.1、光发射机 光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号， 并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。 光发射机由光源、 驱动器和调制器组成，光源是光 发射机的核心。光发射机的性能基本上取决于光源 的特性，对光源的要求是输出光功率足够大， 调制 频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输 出功率和波长稳定， 器件寿命长。目前广泛使用的 光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极 管(或称激光器)(LD)， 以及谱线宽度很小的动态单 纵模分布反馈(DFB)激光器。有些场合也使用固体 激光器，例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)激 光器。
n1 n2
n3
2a ′ 2a
(a)
(b)
(b)
图 2.3典型特种单模光纤
(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯
主要用途：
突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容 量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输 容量提高几倍到几十倍。
2、基本光纤传输系统 基本光纤传输系统作为独立的“光信道”单元， 若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信 系统或模拟通信系统， 或者有线通信系统或无线通信 系统的发射与接收之间光发射机、光纤线路和光接收 机，若配置适当的光器件， 可以组成传输能力更强、 功能更完善的光纤通信系统。例如， 在光纤线路中插 入光纤放大器组成光中继长途系统，配置波分复用器 和解复用器，组成大容量波分复用系统，使用耦合器 或光开关组成无源光网络，等等。 下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。
水下通信系统是扫雷舰与浮游载体之间的数据传输线路。 1. 浮游载体需要传回声纳信号和遥测信号(都是视频信号) 2. 舰体对浮游载体进行控制 雷达：要求保证雷达室与作战情报中心之间信息传输的抗干扰 能力和保密性，要能保证作战情报中心的安全(长途控制)
一、背景介绍
－－医学中的应用
利用传像束的内窥镜 激光手术刀
不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信 息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路 传输到接收端，再由光接收机把光信号转换为电信号。
电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信
号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。
在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电 信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的 只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输 系统代替了电缆传输。
发 射 信 息 源 基本光纤传输系统 接 收
电 发 射 机 电信号 输入
光 发 射 机
光纤线路
光 接 收 机
光信号 输出
光信号 输入
电 接 收 机 电信号 输出
信 息 宿
图 1.1 光纤通信系统的基本组成(单向传输)
1、发射和接收
如图1.1所示，信息源把用户信息转换为原始电信号，这种 信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输 的信号，这个转换如果需要调制， 则其输出信号称为已调信号。 对于数字电话传输，电话机把话音转换为频率范围为0.3~3.4 kHz的模拟基带信号，电发射机把这种模拟信号转换为数字信 号，并把多路数字信号组合在一起。模/数转换目前普遍采用脉 冲编码调制(PCM)方式，这种方式是通过对模拟信号进行抽样、 量化和编码而实现的。一路话音转换成传输速率为64 kb/s的数 字信号，然后用数字复接器把24路或30路PCM信号组合成1.544 Mb/s或2.048 Mb/s的一次群甚至高次群的数字系列，后输入光 发射机。对于模拟电视传输，则用摄像机把图像转换为6 MHz 的模拟基带信号，直接输入光发射机。
5.2 观察数字信号在光纤中的传输效果 按实验手册对应说明连接电路； 打开系统电源，用示波器在光接收模块的数字 信号输出端口观察输出信号；
通过调节电位器R257(判决直流电平)、
R242(增益调节)及R266(人工偏流调节)得到最佳 数字信号。
5.3 语音信号光传输的双工通讯实验 按实验手册对应说明连接电路； 开系统电源，左右电话摘机，双方进行通话。 通过调节电位器R257(判决直流电平)、R242(增 益调节)及R266(人工偏流调节)使语音信号清晰；
Base station fiber link Tens of kilometers
RF Signal Retrieve
End usrs no high-frequency electrical modulation hardware is required
海底光缆及洲际通信网
无线通பைடு நூலகம்网
一、背景介绍 －－能源系统中的应用
光通信的本质就是用光来对信息进行编码以传递信 号。这实际上并不是一个现代才提出的全新新的概 念，中国人在古代就已经在利用光来传递信息。古 人所用的光通信设备即烽火台，人们利用烽火台所 产生的烟和火光来传递军事情报。
一、背景介绍 －－历史
1880年贝尔发明了第一个光电话系统，通话距离213米
弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到 强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。但是，普通光源强 度和纯度都成为制约光通信发展的因素。
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai 纤芯
光线传播路径 包层
输出脉冲 Ao
(a)
2b
2a n t r Ai Ao t
(b) 1 25 m
5 0 m
n t r Ai Ao t
(c)
1 25 m
～10 m
n t t
图 2.2三种基本类型的光纤
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
J g
B

PJ PJ
三、实验原理
光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒
体信息。 为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。
图1.1示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为 广义信道的基本光纤传输系统。
能地小， 而且有足够好的机械特性和环境特性，例如，
在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特 性稳定。
光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外 围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低， 光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起 一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能 量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
包层 n2 纤芯 n1
图1.2 光纤的结构
光纤类型
光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯
度石英（SiO2）制成的光纤。
实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯 直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤
1310nm光 发送模块
光 纤 及 保 护 罩
光 纤 及 保 护 罩
1550nm光 发送模块
GND
电话接口模块 模拟 计算机通信模 信号源 块 模块 光接收模块 模拟
电话接口模块
光接收模块
信号源 模块
计算机通信模 块
图2 系统结构框图
五、实验内容与步骤
5.1 观察模拟信号在光纤中的传输效果
按实验手册对应说明连接电路； 打开系统电源，用示波器在光接收模块的模拟信号输 出端口观察输出信号； 通过调节电位器R257(判决直流电平)、R242(增益调 节)、R277(光传输信号大小调节)和R258(输入信号大小 调节)得到最佳的模拟信号。
电力、煤炭系统的监视、控制和管理 电力系统：光纤可以放在输电线、地线的中心，不受干扰。 尤其在观测雷击的时候能起到电设备不可替代的作用。
煤炭系统：电监控系统信号均为电信号，在含瓦斯高的矿井 中容易引起爆炸。因此，如果考虑安全因素，电信号功率不 能太大，这又导致传输距离受限。而如果采用光纤系统，很 多设备可以无源化，即保证了安全，又能实现远距离监控。
三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率， 增加传输距离。