光纤通信概论第二章1
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光纤通信第二单元课件
按缆芯分类
光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一 起的，每根光纤具有一定的位移自由。
光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤 （带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平 面排列。
按加强构件材料分类 分为金属加强构件光缆和无金属光缆。
按加强构件位置分类 集中型加强构件：又分为层绞式光缆、骨架式光
轴心线传播。
2.2.1.4 斜射光线的传播分析
（1）在阶跃光纤内
斜射光线在阶跃光纤内传播的基本特点：
①纤芯内传光路线是一系列折线，这些折线与光 纤轴心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。 这些折线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆， 内切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。
②光纤端面临界入射角为 0' arcsin(sin0 / cos )
(b)光波的入射角θi，必需大于临界角θc 。
2.2.1.2 光纤的三类入射光 (1)子午光线 若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。 光线始终在经过光纤轴线的某个平面内（光纤轴
心平面、子午面）。 (2)斜射光线 若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面
上还是在光纤内部都不相交，则称为斜射光线。 光线入射方向与子午面夹有一定角度。 (3)螺旋光线
（3）ℓ越高，则k1x越大，即1越短，故横向电场波
节数越密。
2.2.3 光纤导波模式的精确解(电磁场分析方法)
2.2.3.1 理论计算的三大步骤
（1）利用圆柱坐标系（r, φ, z）中的赫姆霍兹方程求 出z方向的电场分量和磁场分量EZ, HZ。解得：
Ez
AJm (U r)ejm BKm (W r)e jm
（ψ是入射光线进入纤芯后的第一条折线在光纤横
截面上的正投影与半径之间的夹角）。可见斜射光 线比子午光线可以有更大的入射角。
光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一 起的，每根光纤具有一定的位移自由。
光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤 （带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平 面排列。
按加强构件材料分类 分为金属加强构件光缆和无金属光缆。
按加强构件位置分类 集中型加强构件：又分为层绞式光缆、骨架式光
轴心线传播。
2.2.1.4 斜射光线的传播分析
（1）在阶跃光纤内
斜射光线在阶跃光纤内传播的基本特点：
①纤芯内传光路线是一系列折线，这些折线与光 纤轴心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。 这些折线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆， 内切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。
②光纤端面临界入射角为 0' arcsin(sin0 / cos )
(b)光波的入射角θi，必需大于临界角θc 。
2.2.1.2 光纤的三类入射光 (1)子午光线 若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。 光线始终在经过光纤轴线的某个平面内（光纤轴
心平面、子午面）。 (2)斜射光线 若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面
上还是在光纤内部都不相交，则称为斜射光线。 光线入射方向与子午面夹有一定角度。 (3)螺旋光线
（3）ℓ越高，则k1x越大，即1越短，故横向电场波
节数越密。
2.2.3 光纤导波模式的精确解(电磁场分析方法)
2.2.3.1 理论计算的三大步骤
（1）利用圆柱坐标系（r, φ, z）中的赫姆霍兹方程求 出z方向的电场分量和磁场分量EZ, HZ。解得：
Ez
AJm (U r)ejm BKm (W r)e jm
（ψ是入射光线进入纤芯后的第一条折线在光纤横
截面上的正投影与半径之间的夹角）。可见斜射光 线比子午光线可以有更大的入射角。
光纤通信课件第二章
v= n= 1 c = n
µ oε oε r εr
Example：light propagates in glass and many plastics n ~ 1.5, and εr ~ 2.25
v = c / n = 3 × 108 (m / s ) / 1.5 = 2.0 × 108 (m / s )
λ = λ0/n (wavelength shortening)
7
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
Snell’s Law of Refraction
Governs the geometry of refraction.
nisinθi = nt(λ)sinθt (λ)
∴λ = c ⋅ h / ∆E = 1248/Ep (eV) (iiber-Optic Communications Technology Fiber-
Summary • EM waves ：waveguide analysis,
functional device, mode coupling
6
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
2.2 Beams or Rays (the geometric-optics view)
Refractive index for nonmagnetic materials
–> v=c/n : the speed of light in a material of refractive index n
n2sinθt
8
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
µ oε oε r εr
Example：light propagates in glass and many plastics n ~ 1.5, and εr ~ 2.25
v = c / n = 3 × 108 (m / s ) / 1.5 = 2.0 × 108 (m / s )
λ = λ0/n (wavelength shortening)
7
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
Snell’s Law of Refraction
Governs the geometry of refraction.
nisinθi = nt(λ)sinθt (λ)
∴λ = c ⋅ h / ∆E = 1248/Ep (eV) (iiber-Optic Communications Technology Fiber-
Summary • EM waves ：waveguide analysis,
functional device, mode coupling
6
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
2.2 Beams or Rays (the geometric-optics view)
Refractive index for nonmagnetic materials
–> v=c/n : the speed of light in a material of refractive index n
n2sinθt
8
☺ Fiber-Optic Communications Technology Fiber-
新员工培训光纤通信基础
中国移动广东广州分公司 经营分析会材料
光纤与光缆
全反射现象
n2
3
1
折射光
n1
入射光
光的全反射现象
中国移动广东广州分公司 经营分析会材料
光纤与光缆
光在光纤中的传播 光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯与包层 的分界面掠过
n2
n1
中国移动广东广州分公司 经营分析会材料
光纤与光缆
光纤的工作波长（工作窗口） 光线路信号在光纤上传送的波长：850nm、 1310nm、1550nm。 850nm窗口只用于多模传输 1310nm和1550nm窗口 用于单模传输。
PIN光二极管： – 特性参数：灵敏度、响应时间 – 优点：噪声小、工作电压低 – 缺点：没有倍增效应。PIN的光接收机灵敏度不 高，适宜用于短距通信。 APD光二极管： – 特性参数：倍增因子G（平均增益），倍增噪声 因子 – APD光二极管的最大优点是倍增效应，即输入同 样大小的光功率信号能获得比PIN光二极管多几 十倍的光电流，大大提高了光接收机的灵敏度 （比PIN光接收机提高约10dB以上）。
光纤通信概论
典型的数字光纤通信系统方框图
光发送机 光纤 中继器 光纤 光接收机
华为技术
发送端的电端机把信息（ 如话音）进行模/数转换，用转 电端机（模/ 换后的数字信号去调制发送机 电端机（模/ 数） 数） 中的光源器件LD，输出发出携 带信息的光波。光波经光纤传 输后到达接收端，光接收机把 数字信号从光波中检测出来送 模拟信号 模拟信号 给电端机，而电端机再进行数/ 模拟信号 模转换，恢复成原来的信息。
中国移动广东广州分公司 经营分析会材料
光接收机各功能框介绍
判决再生电路： 对均衡器输出的脉冲流逐个进行判决，并再生成波 形整齐的脉冲码流。 时钟提取电路： 提取时钟，以保证收发同步。 自动增益控制（AGC）： 控制前置放大器与主放大器的增益，使光接收机有 一个规定的动态范围。 偏压电路： 向APD光二极管提供反向偏压。
第1章光纤通信概述
2020年4月20日7时34分
1960年，大气光波通信
图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通 信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线 窄、方向性好，但通信不稳定。
2020年4月20日7时34分
光波地下传输
在大气光通信受阻之后，人们将研究的重 点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反 射波导和透镜波导等地下通信的实验。
➢1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模 光纤通信系统， 以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统 的试验。
➢1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
➢1988年由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海 底光缆通信系统建成。
➢1989年第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建 成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全 球通信网的发展。
160 Channels
Compressed (20Mb/s) 500 Channels
4. Gigabit Ethernet (1Gb/s) 8 Channels
2020年4月20日7时34分
3. 光通信的发展Fra bibliotek电信号 输入
E
半导体 激光器
E/O
fiber
光探测器
O/E
电信号 输出
E
几个里程碑：
激光的发明 主要是半导体激光器（60年代-） 光导纤维技术的发展（70年代--） 半导体探测器（60年代--） WDM技术的出现（90年代--） 光放大技术（90年代---）
电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作 为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。
1960年，大气光波通信
图1.2 红宝石激光器[美国梅曼(Maiman)，1960]
激光器的发明和应用， 使沉睡了80年的光通 信进入一个崭新的阶段，它具有亮度高、谱线 窄、方向性好，但通信不稳定。
2020年4月20日7时34分
光波地下传输
在大气光通信受阻之后，人们将研究的重 点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反 射波导和透镜波导等地下通信的实验。
➢1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mb/s的突变型多模 光纤通信系统， 以及速率为100Mb/s的渐变型多模光纤通信系统 的试验。
➢1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
➢1988年由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海 底光缆通信系统建成。
➢1989年第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统建 成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全 球通信网的发展。
160 Channels
Compressed (20Mb/s) 500 Channels
4. Gigabit Ethernet (1Gb/s) 8 Channels
2020年4月20日7时34分
3. 光通信的发展Fra bibliotek电信号 输入
E
半导体 激光器
E/O
fiber
光探测器
O/E
电信号 输出
E
几个里程碑：
激光的发明 主要是半导体激光器（60年代-） 光导纤维技术的发展（70年代--） 半导体探测器（60年代--） WDM技术的出现（90年代--） 光放大技术（90年代---）
电报、电话和电视都是用无线电或有线电传输信息，电通信作 为信息传输的有效通道，一直沿用了一个多世纪。
光纤通信第二章1 课件
Optical Fiber Modes and Configurations
Multimode fiber
Connection
Launch power
Singlemode fiber
difficult
difficult
easy
easy
Light source
LED
laser diode
no
Intermodal dispersion yes
CHAPTER2.3
Optical Fiber Modes and Configurations
n1
> n2 single-fiber structure
CHAPTER2.3
Optical Fiber Modes and Configurations
Fiber types:
From refraction index
CHAPTER2.4
Waveguide Equations
Cylindrical fiber
E E 0 (r, )e
H H 0 (r, )e
j( t z )
Ez
2
r Hz
2
2
1 E z r r
1 Ez
2
r
2
2
q Ez 0
2
j( t z )
CHAPTER2.3
Ray Optics Representation
Light propagation
CHAPTER2.3 CHAPTER2.3
Ray Optics Representation
Definition of numerical aperture
第2章章节 光纤通信资料
9 2020年2月29日1时33分
1. 基本光学定义和定律
• 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：
v=c/n
式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度； n是介质的折射率。
• 常见物质的折射率： 空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5
k0
2
；
k nk0 ;
2n ；
11 2020年2月29日1时33分
光的反射定律：
当一束光线按某一角度射向一块平面镜时，它会从镜面按另 一角度反跳出去。光的这种反跳现象叫做光的反射，射向镜 面的光叫入射光，从镜面反跳出去的光叫反射光 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
5 2020年2月29日1时33分
4. 光纤的分类
按构成材料
石英光纤 塑料光纤
按折射率分布
阶跃型 渐变型
按传输模式
单模光纤 多模光纤
按工作波长 短波长 长波长
按用途
一般传输光纤 特种光纤
6 2020年2月29日1时33分
5.光纤的折射率分布：
n( r )
n1[1
2(
n2
r a
3 2020年2月29日1时33分
2. 光缆的典型结构
光缆的基本结构按缆芯组件的不同 一般可以分为层绞式、骨架式、束管式 和带状式四种。我国及欧亚各国用的较 多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。
4 2020年2月29日1时33分
3. 光纤通信对光纤的要求
➢ 传输损耗低 ➢ 高传输容量（带宽、码率） ➢ 易与系统元件的耦合 ➢ 机械稳定性高
r ; r
1. 基本光学定义和定律
• 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：
v=c/n
式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度； n是介质的折射率。
• 常见物质的折射率： 空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5
k0
2
；
k nk0 ;
2n ；
11 2020年2月29日1时33分
光的反射定律：
当一束光线按某一角度射向一块平面镜时，它会从镜面按另 一角度反跳出去。光的这种反跳现象叫做光的反射，射向镜 面的光叫入射光，从镜面反跳出去的光叫反射光 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
5 2020年2月29日1时33分
4. 光纤的分类
按构成材料
石英光纤 塑料光纤
按折射率分布
阶跃型 渐变型
按传输模式
单模光纤 多模光纤
按工作波长 短波长 长波长
按用途
一般传输光纤 特种光纤
6 2020年2月29日1时33分
5.光纤的折射率分布：
n( r )
n1[1
2(
n2
r a
3 2020年2月29日1时33分
2. 光缆的典型结构
光缆的基本结构按缆芯组件的不同 一般可以分为层绞式、骨架式、束管式 和带状式四种。我国及欧亚各国用的较 多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。
4 2020年2月29日1时33分
3. 光纤通信对光纤的要求
➢ 传输损耗低 ➢ 高传输容量（带宽、码率） ➢ 易与系统元件的耦合 ➢ 机械稳定性高
r ; r
光纤通信概论课件第二章
光纤通信概论
LOGO
第二章 光纤制造技术和光缆
主要内容
LOGO
2.1 2.2
中国光纤光缆30年发展历程与现状 光纤制造技术与光缆 ★预制棒制作 ★拉丝 ★光缆
一 中国光纤光缆30年发展历程回顾(1)
自从1970年康宁制造出20dB/km的光纤以来， 世界光纤光缆已经经历了37年的发展历程，中国光
www1pptcomlogowww1pptcom第二章光纤制造技术和光缆logowww1pptcom主要内容21中国光纤光缆30年发展历程与现状22光纤制造技术与光缆预制棒制作拉丝光缆logo中国光纤光缆30年发展历程回顾1自从1970年康宁制造出20dbkm的光纤以来世界光纤光缆已经经历了37年的发展历程中国光纤光缆的发展从1978年以来走过了30个春秋其发展历程可谓既艰难与曲折又充满挑战难题的乐趣和收获成功的喜悦
四
中国光纤光缆发展对策与发展方向(3)
LOGO
4 新产品及特种光纤开发
常规光纤光缆的利润率已经很薄，中国光纤光缆行业需要不断加大 科研投入，进行前沿技术研发，开发出未来10年市场需求的新型光纤 产品，以及各种特种光纤新产品，以寻求新的产业支撑点与利润增长
点 。
FTTX用G.657光纤 宽带长途高速大容量传输用G.656光纤 光子晶体光纤 掺稀土光纤
② ③
三
通信单模光纤技术发展趋势
LOGO
① 低水峰单模光纤是未来光纤通信的主流产品
低水峰光纤 G.652C/D 增长强劲，从2006年到2011年低水峰光纤
需求的年复合增长率（CAGR）将保持在14％，2011年低水峰单模
光纤市场需求将达到106.326百万公里，从而使其占单模光纤市场 的份额在2011年达到73.28％，占单模光纤市场销售额的71.27％。
LOGO
第二章 光纤制造技术和光缆
主要内容
LOGO
2.1 2.2
中国光纤光缆30年发展历程与现状 光纤制造技术与光缆 ★预制棒制作 ★拉丝 ★光缆
一 中国光纤光缆30年发展历程回顾(1)
自从1970年康宁制造出20dB/km的光纤以来， 世界光纤光缆已经经历了37年的发展历程，中国光
www1pptcomlogowww1pptcom第二章光纤制造技术和光缆logowww1pptcom主要内容21中国光纤光缆30年发展历程与现状22光纤制造技术与光缆预制棒制作拉丝光缆logo中国光纤光缆30年发展历程回顾1自从1970年康宁制造出20dbkm的光纤以来世界光纤光缆已经经历了37年的发展历程中国光纤光缆的发展从1978年以来走过了30个春秋其发展历程可谓既艰难与曲折又充满挑战难题的乐趣和收获成功的喜悦
四
中国光纤光缆发展对策与发展方向(3)
LOGO
4 新产品及特种光纤开发
常规光纤光缆的利润率已经很薄，中国光纤光缆行业需要不断加大 科研投入，进行前沿技术研发，开发出未来10年市场需求的新型光纤 产品，以及各种特种光纤新产品，以寻求新的产业支撑点与利润增长
点 。
FTTX用G.657光纤 宽带长途高速大容量传输用G.656光纤 光子晶体光纤 掺稀土光纤
② ③
三
通信单模光纤技术发展趋势
LOGO
① 低水峰单模光纤是未来光纤通信的主流产品
低水峰光纤 G.652C/D 增长强劲，从2006年到2011年低水峰光纤
需求的年复合增长率（CAGR）将保持在14％，2011年低水峰单模
光纤市场需求将达到106.326百万公里，从而使其占单模光纤市场 的份额在2011年达到73.28％，占单模光纤市场销售额的71.27％。
光纤通信概论
双绞线
卫星通信
光纤
同轴电缆 无线电(AM) 无线电(FM)
地面微波 通信
电视频道
Band
LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
3
第1章 光纤通信概论
• 话音 （低）
• 长波 • 中波
频率
• 短波
• 微波 （高）
（小）
（小）
带宽
容量
C=B㏒2（1+S/N）
（大）
（大）
4
第1章 光纤通信概论
1988年，全长245km的武汉－长沙市34Mb/s多模 光缆通信系统工程通过邮电部鉴定验收。
1989年，汉阳——汉南40Mb/s单模光传输系统工 程通过邮电部鉴定验收。
1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减 达0.22dB/km。合肥——芜湖40Mb/s单模光传输系统 工程通过国家鉴定验收。
其实，人们早就利用玻璃纤维（光纤）进行光通信 了。利用光波导的原理，人们制造了内窥镜（胃镜）， 可以观测1m左右的距离。
但是，在60年代，最好的玻璃纤维的损耗在 1000dB/km以上。
每公里10dB/km损耗就是输入的信号传送1公里后 只剩下十分之一； 20dB/km 1/100； 30dB/km 1/1000； 1000dB/km ？
由1000dB/km 20dB/km，高琨的论文非同寻常！ 9
第1章 光纤通信概论
1970年美国康宁玻璃公司制诚20dB/km的光纤。 1970年贝尔实验室制成了可以在室温下连续工 作的半导体激光器，只有米粒大小。 1970年由于在光源（激光器）和信道（光纤） 都有重大突破，称为光纤传输元年。 光纤的谱线特性中有3个低损耗的传输窗口，即 850nm短波长窗口和1300nm,1500nm的长波长窗口。 目前，单摸光纤在1550nm波长的损耗已小于 0.2dB/km，接近极限。
光纤通信第二章PPT课件
c v3 v2 v v1
(2.9)
因而有
c v3 v2 v v1
(2.10)
-
10
第2章光纤的传输特性
2. 垂直极化波(TM)与水平极化波(TE)
介质平板波导中可以存在两类传输模式：垂直极化波(又称横磁 波，缩写作TM波)与水平极化波(又称横电波，缩写作TE波)
E
k
H
横磁波（TM波）
-
2
第2章光纤的传输特性
两种不同折射率的介质之间的界
面A如图所示，界面上部介质１的
折 射 率 为 n1 ， 下 部 介 质 ２ 的 折 射
率为n2一根光线以入射角 i 从介质
1入射到该界面上，光线的能量将
部分反射回介质1，部分透射到介
质2。根据折射定律，反射角
折射角 t将满足
r
和
介质１
A
介质２
r i
的传播由波矢的 x 分量 k x 决定，即在 x 方向电磁波在两个界面上来回反
射（电磁波在上下界面上全反射），在一定的条件下形成稳定的驻波，即 稳定的横向振荡。此条件为
kx 2d 22 23 2m ， m =1,2,…
(2.11a)
因为 kx k0n cosi ，其中 n 为波导介质的折射率，所以(2.11a)式成为
-
6
第2章光纤的传输特性
设介质平板波导在y方向无限大， n1、 n2、 n3和k1、k2、 k3分
别是介质平板(1区)，基底（2区） 和敷层（3区）中的折射率和 波数，其相应的波矢为 k1 、k和2 k。3 一般有n1> n2> n3，则根据
折射定律，在1,2区界面和1,3区界面上存在全内反射临界角 c12和 c13
光纤通信课件第二章
由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散
波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位
置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的
DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。
18
2.1.2 光纤的分类
光纤通信
而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率
（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭
在纤芯中传输。
5
2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲 层和二次涂覆层。
一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加 了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆 后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如 图2-3 （a）、（b）所示。
图2-3 光纤的折射率分布
8
2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别 如图2-5和图2-6所示。
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
19
2.2 光纤的导光原理
光纤通信
1．折射和折射率
光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的 参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：
1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式， 这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。
《光纤通信概论》PPT课件
光源：
（1）1960年美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器 （2）氦—氖(He - Ne)激光器
（3）二氧化碳(CO2)激光器
激光具有波谱宽度窄，方向性极好， 亮度极高，以及频率和 相位较一致的良好特性。是一种理想的光载波。激光器的发明 和应用， 使沉睡了80年的光通信进入一个崭新的阶段。
（1）1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个 实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器作光源， 多模光纤作传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离约10 km。
（2）1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线，全长3400 km， 初期传输速率为400 Mb/s，后来扩容到1.6 Gb/s。
光纤通信
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1
主要内容：
第一章 概论 第二章 光纤和光缆 第三章 通信用光器件 第四章 光端机 第五章 数字光纤通信系统 第六章 光纤通信新技术
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2
什么叫通信？ 什么叫光纤通信？
利用光纤传输光波信号的通信方式。
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3
第1章概论
1·1 光纤通信发展的历史和现状 1·2 1·3 光纤通信系统的基本组成
二、光源研制的发展
（1）1970 年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前 苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质 结半导体激光器(短波长)。寿命只有几个小时。
（2）1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。
（3）1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10 万小时(约11.4年)，外推寿命达到100万小时，完全满足实 用化的要求。
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6
传输介质的探索：
美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进 行了大气激光通信试验。实验证明：通过大气的传播承载 信息的光波，实现点对点的通信是可行的。但是通信的距 离和稳定性都受到极大的限制，体现在以下两个方面：
《光纤通信概述》PPT课件 (2)
2021/7/9
20
§1-3 光纤通信系统的基本组成与应用
一、光纤通信系统的基本组成 光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光
波以达到通信的目的。其基本组成如下：
光放大器
2021/7/9
21
§1-3 光纤通信系统的基本组成与应用
1. 信道（光纤线路） 完成光信号（携带信息）的传输，由光纤/光缆、
5. 光孤子通信；
6. 光纤放大器；
7. 全光通信（两个含义）。
2021/7/9
29
§1-4 光纤通信的新发展
2021年，单根光纤每秒106或101兆兆位（美国和日 本），每秒钟传输时长三个月的高清电视视频，165公 里，380个激光器发送光脉冲。
单路速率不断提升， 已达到10、20、40Gb/s
2021/7/9
32
思考题
➢光纤通信最早在哪一年、由谁提出? ➢光纤通信的里程碑事件有哪些？ ➢光纤通信有哪些优点? ➢光纤的通信的发展阶段？ ➢光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
2021/7/9
33
光纤接头、光纤连接器组成，其中光纤具有两个重 要的特性参数：损耗和色散。
0.85µm的约2dB/km，1.31µm的约0.5dB/km， 1.55µm的约0.2dB/km。 2. 光发射机
功能：完成电信号→光信号的转换，并把光信 号流耦合进光纤进行传输；由光源、驱动电路以及 其他辅助电路组成。核心部件：LED或LD光源。 通过电信号对光源的调制实现电光转换。
1. optisys/optisystem：光通讯系统、放大器仿真软 件包；
2. Fiber-CAD；
3. Attolight：光纤光栅设计软件；
4. Optigrating：光纤、波导光栅仿真设计软件；
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ITU-T标准光纤：
G.651: 渐变型多模光纤(MMF) G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移单模光纤(DSF) G.654：截止波长位移的单模光纤 G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF)，产品：康宁LEAF；长飞：大保实
光纤的新进展
低损耗光纤：纯硅纤芯光纤 聚合物光纤（塑料光纤）
波动光学解释
光纤中稳定存在的不同的 电磁场分布形式，对应 Maxwell方程的离散解
只有一系列特定频率的电 磁波才能在光纤中存在！
多模光纤与单模光纤
模式数量 由光纤的结构和工作参数决定
归一化频率 V 2 a
n12
n22
2
an1
2
当V较大时，模式数 ≈ V2/2 单模条件：V<2.4048，只有一个模式存在，称为基模
损耗的主要来源-吸收损耗
本征吸收
（二）红外吸收
光波的一部分能量传递给分子使其振动加剧导致的光
功率损失
晶格
非本征吸收——杂质离子吸收 光纤材料的不纯净导致的附加损耗 影响最为严重的是过度金属离子以及水的OH-
内容回顾
光纤的结构和导光原理 光纤特性的分析方法 光纤的重要参数
折射率径向分布 相对折射率差 数值孔径 多模光纤与单模光纤 模场直径 损耗的定义及计算
2 90
c
Critical angle
(b) 1 c
Evanescent wave
1
1 c TIR
(c) 1 c
光纤特性两种分析方法的对比
适用条件 研究对象
几何光学方法
波动光学方法
d 光纤几何尺寸远大于 d
光波长－多模光纤
光线
模式
基本方程 研究方法 研究内容
-空气的折射率近似为1，玻璃的折射率为1.45左右
反射定律及折射定律：n1sinΦ1=n2sinΦ2
全反射临界角：sin c
n2 n1
Transmitted (refracted) light
2
k t n2
n1 > n2
k
i
1
k
r
Incident light
Reflected light
(a) 1 c
n1 n0
cosi
NA
n1 n0
1 ( n2 )2 n1
n0 1 sinmax n12 n22
光纤的重要参数
sin max
(n12 n22 ) / 2n12 n1 n2 n1
n12 n22 n1 2 NA
数值孔径角 圆锥形受光区域
max
两种分析方法： 几何光学方法
从几何光学出发，用射线理论分析光纤中的光传输特性。
波动光学方法
从麦克斯韦（Maxwell）方程出发，用波动光学理论精确、 严密地分析光在光纤中的传输特性。
几何光学方法涉及的基本光学定律
光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为v=c/n
-c＝2.997×105km/s，真空中的光速，n是介质的折射率
损耗的主要来源-散射损耗
散射损耗是指光纤材料或波导结构不完善（如材料和 折射率分布不均匀、尺寸、形状不规则等等）引起光 的散射，进而导致的光功率损失。 Rayleigh散射损耗——本征散射
光纤中不可避免的微小缺陷(如折射率或材料密度的微 小波动)使其中传输的光发生散射，散射效应将破坏光 在芯包分界面上的全反射条件，使部分光传出纤芯导 致损耗
2w
效应，有相当一部分光
场处于包层中，不易精
2a
确测出2a的精确值，因
而芯径只有结构设计上
的意义，在应用中并无
实际意义，实际应用中
常用模场直径2w
电场强度 降到峰值 的1/e
模场直径的意义
在对单模光纤进行耦合、接续、弯曲损 耗、色散等工程计算时，模场直径比光 纤的芯径具有更重要意义 模场直径小的光纤，能量在芯子中集中 的程度好，光纤弯曲造成的损耗较小 模场直径大的光纤，能量在芯子中集中 的程度较差，包层中存在较多的光能量， 光纤弯曲造成的损耗较大
但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和 色散，当信号强度较高时还存在非线性。
光纤的传输特性
损耗 色散 非线性
输入信号
损耗
时间
输出信号 衰减
色散
时间
非线性 频率
脉冲展宽 新频率
光纤的传输特性－损耗
损耗
体现了光纤对光波的衰减作用，限制了光信号的传播距离
损耗系数（定义前提是光纤是均匀的）
光在单位长度光纤中传输时的衰耗量（单位：dB/km） 光功率随着传输距离的增加成指数式衰减
表示信噪比（SNR）：SNR=Ps/Pn SNR(dB)=10log10(Ps/Pn)
表示损耗及损耗系数：
损耗(dB)=PR(dBm)-PT(dBm)=10log10(PR/PT) 损耗系数(dB/km)=损耗(dB)/光纤长度(km)
功率比 10N 10
2
1
0.5
0.1
10-N
dB +10N +10 +3
单模光纤 只支持一个模式传输的光纤 可以简单的通过减小芯径来获得
多模光纤与单模光纤
多模光纤 d=50m
单模光纤d=4~10m
单模光纤的重要参数——MFD
模场直径(MFD: Mode Field Diameter)
定义：单模光纤内电 场强度衰减到其最大 值的1/e的宽度
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射
20
第二章 光纤与光缆
2.1光纤概述 2.2光纤的传输特性
——损耗、色散和非线性效应 2.3光纤制造技术和光缆
光纤的传输特性
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
数值孔径（NA）表示光纤的受光能力 即凡是入射到圆锥角 max 以内的所有光线都可以满足全 反射条件，在芯包分界面上发生全反射
NA与光纤几何尺寸无关，典型值0.05～0.2
NA大，受光能力强
模式的概念
模式的概念
能够在光纤中传导的电磁波
不仅满足芯/包界面上的 全反射条件，
而且满足传输过程中的相 干加强条件
源
散射损耗
成光纤损耗的理论极限值，是
•Rayleigh散射
1550nm波段光纤损耗的主因！
•光纤结构不规则引起
弯曲损耗
•宏弯损耗 •微弯损耗
接续损耗
附加损耗，光纤使用时人为造成
α(dB/km)
损耗谱的划分
红外吸收 紫外吸收 Rayleigh散射 OH- 吸收 总损耗
损耗与波长 密切相关！
0.33 0.2
d
三种主要类型光纤的比较
光纤的物理化学特性
SiO2密度：2.2g/cm3 单模光纤外径：125μm，涂覆后外径为250μm 裸纤重量： 27g/km 不溶于水 受OH-影响，必须防水 抗酸碱性能较差（溶于氟酸和强碱） 绝缘性好 轴向应力承受能力强, 径向作用力承受能力弱 SIO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度略为降低 石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC
光纤的导光原理
光纤的导光原理——全反射（Total Internal
Reflection）
纤芯折射率为n1 包层折射率为n2
n1>n2
包层
nn21
光线
纤芯
光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反 射而向前传播。
光纤特性的分析方法
光的波粒二象性 （光既可以看作电磁波，也可以看成由粒子组成的粒子流） ——描述光在光纤中的传输特性时对应的也有两套方法
射线方程
折射 / 反射定理
芯包层界面 的全反射
光线轨迹
波导场方程 边界条件 模式分布
光纤的重要参数
1.折射率的径向分布 阶跃型(step)光纤
n
n1 n2
, ,
ra ar
b
n1
n2
渐变型(grading)光纤
n n11 2
n2 ,
f r
a
12
680 920 1380
λ(nm)
损耗谱-三个传输窗口
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口
在1.55m处 最小损耗约 为0.2dB/km
第二章 光纤与光缆
2.1光纤概述 2.2光纤的传输特性
——损耗、色散和非线性效应 2.3光纤制造技术和光缆
光纤概述
由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优 点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。
光纤概述
光纤的结构和导光原理 光纤特性的分析方法 光纤的重要参数
折射率径向分布 相对折射率差 数值孔径
微弯损耗
R
由光纤轴向上随机性的微小弯曲造成的损耗
损耗的主要来源
材料对光的本征吸收
•分子振动态的改变对光子的吸收 (红外吸收)
（材料固有的吸收） •电子跃迁对光子的吸收
(紫外吸收)
损 耗
杂质离子吸收 •过渡金属离子
•OH-（2.73um, 1.38um）
瑞利散射损耗也是一种本征损
来
耗，它和本征吸收损耗一起构
,
r a
a r
b
n1
n2
f r a f 1 1
2.相对折射率差 n12 n22 n1 n2
2 n12
n1
体现光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力
n1 n2
G.651: 渐变型多模光纤(MMF) G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移单模光纤(DSF) G.654：截止波长位移的单模光纤 G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF)，产品：康宁LEAF；长飞：大保实
光纤的新进展
低损耗光纤：纯硅纤芯光纤 聚合物光纤（塑料光纤）
波动光学解释
光纤中稳定存在的不同的 电磁场分布形式，对应 Maxwell方程的离散解
只有一系列特定频率的电 磁波才能在光纤中存在！
多模光纤与单模光纤
模式数量 由光纤的结构和工作参数决定
归一化频率 V 2 a
n12
n22
2
an1
2
当V较大时，模式数 ≈ V2/2 单模条件：V<2.4048，只有一个模式存在，称为基模
损耗的主要来源-吸收损耗
本征吸收
（二）红外吸收
光波的一部分能量传递给分子使其振动加剧导致的光
功率损失
晶格
非本征吸收——杂质离子吸收 光纤材料的不纯净导致的附加损耗 影响最为严重的是过度金属离子以及水的OH-
内容回顾
光纤的结构和导光原理 光纤特性的分析方法 光纤的重要参数
折射率径向分布 相对折射率差 数值孔径 多模光纤与单模光纤 模场直径 损耗的定义及计算
2 90
c
Critical angle
(b) 1 c
Evanescent wave
1
1 c TIR
(c) 1 c
光纤特性两种分析方法的对比
适用条件 研究对象
几何光学方法
波动光学方法
d 光纤几何尺寸远大于 d
光波长－多模光纤
光线
模式
基本方程 研究方法 研究内容
-空气的折射率近似为1，玻璃的折射率为1.45左右
反射定律及折射定律：n1sinΦ1=n2sinΦ2
全反射临界角：sin c
n2 n1
Transmitted (refracted) light
2
k t n2
n1 > n2
k
i
1
k
r
Incident light
Reflected light
(a) 1 c
n1 n0
cosi
NA
n1 n0
1 ( n2 )2 n1
n0 1 sinmax n12 n22
光纤的重要参数
sin max
(n12 n22 ) / 2n12 n1 n2 n1
n12 n22 n1 2 NA
数值孔径角 圆锥形受光区域
max
两种分析方法： 几何光学方法
从几何光学出发，用射线理论分析光纤中的光传输特性。
波动光学方法
从麦克斯韦（Maxwell）方程出发，用波动光学理论精确、 严密地分析光在光纤中的传输特性。
几何光学方法涉及的基本光学定律
光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为v=c/n
-c＝2.997×105km/s，真空中的光速，n是介质的折射率
损耗的主要来源-散射损耗
散射损耗是指光纤材料或波导结构不完善（如材料和 折射率分布不均匀、尺寸、形状不规则等等）引起光 的散射，进而导致的光功率损失。 Rayleigh散射损耗——本征散射
光纤中不可避免的微小缺陷(如折射率或材料密度的微 小波动)使其中传输的光发生散射，散射效应将破坏光 在芯包分界面上的全反射条件，使部分光传出纤芯导 致损耗
2w
效应，有相当一部分光
场处于包层中，不易精
2a
确测出2a的精确值，因
而芯径只有结构设计上
的意义，在应用中并无
实际意义，实际应用中
常用模场直径2w
电场强度 降到峰值 的1/e
模场直径的意义
在对单模光纤进行耦合、接续、弯曲损 耗、色散等工程计算时，模场直径比光 纤的芯径具有更重要意义 模场直径小的光纤，能量在芯子中集中 的程度好，光纤弯曲造成的损耗较小 模场直径大的光纤，能量在芯子中集中 的程度较差，包层中存在较多的光能量， 光纤弯曲造成的损耗较大
但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和 色散，当信号强度较高时还存在非线性。
光纤的传输特性
损耗 色散 非线性
输入信号
损耗
时间
输出信号 衰减
色散
时间
非线性 频率
脉冲展宽 新频率
光纤的传输特性－损耗
损耗
体现了光纤对光波的衰减作用，限制了光信号的传播距离
损耗系数（定义前提是光纤是均匀的）
光在单位长度光纤中传输时的衰耗量（单位：dB/km） 光功率随着传输距离的增加成指数式衰减
表示信噪比（SNR）：SNR=Ps/Pn SNR(dB)=10log10(Ps/Pn)
表示损耗及损耗系数：
损耗(dB)=PR(dBm)-PT(dBm)=10log10(PR/PT) 损耗系数(dB/km)=损耗(dB)/光纤长度(km)
功率比 10N 10
2
1
0.5
0.1
10-N
dB +10N +10 +3
单模光纤 只支持一个模式传输的光纤 可以简单的通过减小芯径来获得
多模光纤与单模光纤
多模光纤 d=50m
单模光纤d=4~10m
单模光纤的重要参数——MFD
模场直径(MFD: Mode Field Diameter)
定义：单模光纤内电 场强度衰减到其最大 值的1/e的宽度
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射
20
第二章 光纤与光缆
2.1光纤概述 2.2光纤的传输特性
——损耗、色散和非线性效应 2.3光纤制造技术和光缆
光纤的传输特性
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
数值孔径（NA）表示光纤的受光能力 即凡是入射到圆锥角 max 以内的所有光线都可以满足全 反射条件，在芯包分界面上发生全反射
NA与光纤几何尺寸无关，典型值0.05～0.2
NA大，受光能力强
模式的概念
模式的概念
能够在光纤中传导的电磁波
不仅满足芯/包界面上的 全反射条件，
而且满足传输过程中的相 干加强条件
源
散射损耗
成光纤损耗的理论极限值，是
•Rayleigh散射
1550nm波段光纤损耗的主因！
•光纤结构不规则引起
弯曲损耗
•宏弯损耗 •微弯损耗
接续损耗
附加损耗，光纤使用时人为造成
α(dB/km)
损耗谱的划分
红外吸收 紫外吸收 Rayleigh散射 OH- 吸收 总损耗
损耗与波长 密切相关！
0.33 0.2
d
三种主要类型光纤的比较
光纤的物理化学特性
SiO2密度：2.2g/cm3 单模光纤外径：125μm，涂覆后外径为250μm 裸纤重量： 27g/km 不溶于水 受OH-影响，必须防水 抗酸碱性能较差（溶于氟酸和强碱） 绝缘性好 轴向应力承受能力强, 径向作用力承受能力弱 SIO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度略为降低 石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC
光纤的导光原理
光纤的导光原理——全反射（Total Internal
Reflection）
纤芯折射率为n1 包层折射率为n2
n1>n2
包层
nn21
光线
纤芯
光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反 射而向前传播。
光纤特性的分析方法
光的波粒二象性 （光既可以看作电磁波，也可以看成由粒子组成的粒子流） ——描述光在光纤中的传输特性时对应的也有两套方法
射线方程
折射 / 反射定理
芯包层界面 的全反射
光线轨迹
波导场方程 边界条件 模式分布
光纤的重要参数
1.折射率的径向分布 阶跃型(step)光纤
n
n1 n2
, ,
ra ar
b
n1
n2
渐变型(grading)光纤
n n11 2
n2 ,
f r
a
12
680 920 1380
λ(nm)
损耗谱-三个传输窗口
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口
在1.55m处 最小损耗约 为0.2dB/km
第二章 光纤与光缆
2.1光纤概述 2.2光纤的传输特性
——损耗、色散和非线性效应 2.3光纤制造技术和光缆
光纤概述
由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优 点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。
光纤概述
光纤的结构和导光原理 光纤特性的分析方法 光纤的重要参数
折射率径向分布 相对折射率差 数值孔径
微弯损耗
R
由光纤轴向上随机性的微小弯曲造成的损耗
损耗的主要来源
材料对光的本征吸收
•分子振动态的改变对光子的吸收 (红外吸收)
（材料固有的吸收） •电子跃迁对光子的吸收
(紫外吸收)
损 耗
杂质离子吸收 •过渡金属离子
•OH-（2.73um, 1.38um）
瑞利散射损耗也是一种本征损
来
耗，它和本征吸收损耗一起构
,
r a
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b
n1
n2
f r a f 1 1
2.相对折射率差 n12 n22 n1 n2
2 n12
n1
体现光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力
n1 n2