光纤技术第1章
光纤的基本理论
第一章 光纤的基本理论1、光纤的结构：光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。
光纤由纤芯、包层和涂覆层构成，折射率从里到外依次减小（n 纤芯>n 包层>n 涂覆层）2、光纤的分类：（1）按光纤横截面上折射率分布的不同，可以将光纤分为阶跃折射率分布光纤 (简称阶跃光纤，适用于短距离传输 )和渐变折射率分布光纤 (简称渐变光纤，适用于长距离传输 )。
（2）根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。
单模光纤的纤芯直径很小，为4μm~10μm ，包层直径为125μm 。
多模光纤的纤芯一般为50μm,包层的外径为125μm 。
（3）按光纤构成的原材料分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤。
（4）按光纤的套塑层可分为紧套光纤和松套光纤。
3、光纤的相对折射率差：其中n1为纤芯的折射率， n2为包层折射率。
4、光纤的数值孔径为：NA5、假若在长为L 的光纤中，走得最快的模式所用的时间为τmin ，走得最慢的模式所用的时间为τmax ，则最大时延差Δτmax 为6、在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为 其中n(0)、n2分别是r = 0处的和包层的折射率。
7、渐变光纤的本地数值孔径公式：其中n （r ）为渐变光纤纤芯折射率。
8、亥姆霍兹方程 方程求解方法主要有两种：标量近似解和矢量解。
9、光纤的归一化频率10、归一化截止频率Vc 可求出截止波长λc(课本P15)当λ<λc 时，该模式可传输；而当λ>λc 时，该模式就截止。
11、图1—9（P16），注意横、纵坐标所表示的含义。
12、阶跃光纤中的模数量以M 表示，则M=V^2/2(详见课本P18)13、衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数） ，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为 其中Pi 为输入光纤的光功率，Po 为光纤输出的光功率。
14、造成光纤损耗的因素：引起光纤损耗的因素有吸收损耗、散射损耗和其它损耗，这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗等。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
光纤技术基础(单模光纤)
5G/6G移动通信
单模光纤作为5G/6G移动通信网络的重要传输媒介，可实现低时延、 高可靠性的通信服务。
传感领域的应用
光纤传感器
利用单模光纤的传光性能和抗干扰能力，可制成高灵敏度、高精度的光纤传感器，应用于温度、压力、应变等物 理量的测量。
光信号的传输质量产生影响。
03 单模光纤的制造工艺
预制棒制备
气相沉积法
利用高温将四氯化硅等原料气体在纯 净的石英管内进行化学反应，生成一 层层的玻璃微粒，逐渐形成透明的石 英玻璃棒。
溶液法
将高纯度的石英砂溶解在特定的溶剂 中，通过控制温度和压力等条件，使 溶液中的石英析出并沉积在石英管内 壁上，形成预制棒。
使用近场扫描显微镜或远场扫描显微 镜进行测试。
其他测试方法
还包括偏振模色散（PMD）测试、 回波损耗（RL）测试等，用于全面 评估单模光纤的性能指标。
05 单模光纤的应用及市场前 景
通信领域的应用
长距离通信
单模光纤具有低损耗、高带宽的特性，适用于长距离的光纤通信， 如跨洋光缆、城际光缆等。
高速数据传输
故障排查与维护保养
故障定位与排查
利用光时域反射仪（OTDR）等测试设备对光纤进行故障定位和 排查。
清洁与保养
定期对光纤连接器和端面进行清洁，保持干燥、无尘的环境。
备份与替换
对于关键部位的光纤，建议备份并标记好替换光纤，以便在故障时 及时更换。
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绿色环保成为重要发展方向
环保意识的提高将促使单模光纤产业 向更加环保的方向发展，如无卤素光 纤、生物降解光纤等。
光纤复习
第一章同步数字体系（SDH）技术单项选择1、SDH传输网最基本的同步传送模块是STM-1，其信号速率为（A）kbit/s。
A、155520B、622080C、2488320D、99532802、STM-1帧频8kHz，即每秒传送8000帧；一帧的周期为（A）?s。
A、125B、225C、325D、4253、ADM是一个（B）设备，它的输出和输入均为STM-N光信号，支路信号可以是准同步的，也可以是同步的。
A、四端口B、三端口C、二端口D、单端口4、SDH网络中对于双向环复用段倒换既可用2纤方式也可用4纤方式，而对于通道倒换环只用（）方式。
A、2纤B、3纤C、4纤D、55、SDH在2纤双向环自愈保护中，每个传输方向用一条光纤，且在每条光纤上将（A）容量分配给业务通路。
A、一半B、三分之一C、四分之一D、五分之一多项选择1、SDH网络单元主要有（ABCD）。
A、同步光缆线路系统B、终端复用器C、分/插复用器D、同步数字交叉连接设备2、SDXC具有复用、（ABCD）和网络管理等功能。
A、配线B、网络连接C、保护与恢复D、监控3、网络节点所要完成的功能包括（ABCD）等多种功能。
A、信道终结B、复用C、交叉连接D、交换4、SDH复用映射结构中的容器是一种用来装载各种不同速率的信息结构主要有（ABCD）和C-4几种。
A、C-11B、C-12C、C-2D、C-35、SDH复用映射结构中的支路单元是一种在低阶通道层和高阶通道层间提供适配功能的信息结构，它由信息净负荷和指示净负荷帧起点相对于高阶VC帧起点偏移量的支路单元指针组成，有（ABCD）几种。
A、TU11B、TU12C、TU2D、TU36、SDH技术中低阶通道开销主要由（ABCD）和增强型远端缺陷指示组成。
A、通道状态和信号标记字节B、通道踪迹字节C、网络操作者字节D、自动保护倒换通道7、SDH网络的基本物理拓朴有（ABCD）和网孔形等类型。
A、线型B、星形C、树形D、环形8、SDH自愈保护的方式主要有（ABCD）。
光纤通信原理和技术PPT课件
波长（µm） 系统类型
0.85
IM/DD
光纤 多模
BL(Gb/s·km) 年代
2
1978
1.3
IM/DD
单模
第1章 绪论
1.1 光通信发展史 1.2 国内外光纤通信技术发展概况 1.3 光纤通信系统的基本构成
第1章 绪论
1.1 光通信发展史
1.1.1 现代通信的发展
人类社会出现后，人与人之间就需要信息交流。原始社会 人们可以靠声音（语言）、肢体动作（肢体语言）或面部表情 等交流信息，这就是原始的通信，是人们面对面的交流。
60年代最好的光纤传输衰减为1000dB/km，即传输1km， 光功率降到原来的1/10100≈0，因而这种光纤不可能用作通 信媒质。当时没有人相信光纤可以用于通信，也没有人从 事光纤用于通信的研究。英藉华人学者高锟博士的贡献在 于理论上证明这样大的传输衰减是由于光纤中杂质吸收和 散射引起的。如将光纤提纯，则传输衰减可以降到可在通 信中实用的程度（最初提出的指标是20dB/km）[1].这一贡 献具有深远意义，完全改变了通信容量不适应社会发展的 需求，推动了信息社会更快地到来。由于这一贡献，高锟 博士获得了2009年诺贝尔物理学奖。
第1章 绪论
2.半导体激光器性能的突破
1960年发明的第一个激光器是红宝石(固体)激光器，不久 （1961年）半导体激光器研制成功，但当时需要在低温(液氮) 下脉冲工作。后来采用异质结技术使激光器可在常温下连续 工作，但开始只有数小时甚至数分钟的寿命，由于寿命极短 不能实用化。经过一段时间的努力，才研制成功可实用的半 导体激光器。现在的半导体激光器的性能有了极大的提高， 其寿命可达106小时，甚至达108小时，功率可达10 毫瓦量级 (泵浦激光器可达几百毫瓦),可调谐范围几百GHz,线宽低到 1―10MHz(外腔激光器能达几十kHz)，适用于各种光通信系统， 为光纤通信实用化打下了基础。激光器价格也在不断下降， 干线通信系统所用激光器已降到千美元量级；几十美元，甚 至几美元的半导体激光器可用于接入网系统。
光纤通信技术Chapter课件1
因此，受激喇曼散射是在激励场和斯托克斯场的同时作用下产生的受激过程， 是非线性光学效应。
19
第1 章光纤的基本理论
受激喇曼散射的条件： 受激喇曼散射的阈值 受激喇曼散射的增益阈值
20
第1 章光纤的基本理论
1.6.1 受激散射效应 • 布里渊散射
在一般情况下，任何光学介质内部均存在着由大量质点统计热运动所形成的 自发的弹性力学的声波场，这种声波场可分解为无数多个单色简谐平面声波之和，每 一种单色平面声波场将引起介质密度随时间和空间的周期性变化，因此将引起对入射 光波的“衍射”效应，并且“衍射”光的频率将随声波场的速度和传播方向的不同而 产生变化，这就是普通布里渊散射的经典物理过程。
W 2 k02n22 2 a 0
k0n2
2 0
n2
传播常数与自由空间的一样，因此，LP01模式对波长没有限制，即没有截止现象。
11
第1 章光纤的基本理论
d. 单模光纤，保证LP01模式存在，阻止或截止其它高阶模式振荡，比较LP02和 LP11模式，得到只要使归一化频率V小于二阶模LP11模的归一化频率即可。
16
第1 章光纤的基本理论
喇曼散射量子理论的观点：
在拉曼散射过程中，光子与微观粒子（原子、分子、电子及声子等）发生非弹性碰
撞，结果是入射光子散射成为一个能量和方向都与入射光子不同的散射光子，同时相
应的引起了粒子由初始态向终止态的跃迁。这种跃迁包括两种过程：一种是初始处于
较低能级 上的粒Eb子，在散射后跃迁到较高的能级 (分子内能E增a 加），而散射光
Km K
m
Wr a
《光纤通信技术》课件第1章
1.1 光纤通信发展历程 1.2 光纤通信的系统构成 1.3 光纤通信的特点 1.4 光纤通信新技术
1.1 光纤通信发展历程
1.1.1 光纤通信的产生与发展 1.目视光通信 人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信
的历史不过一百多年。从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时 代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通 信。三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光传送敌情消息， 到了近现代，战争中用信号弹指挥作战、城市使用信号灯指挥 交通等传递信息的方式均可称为目视光通信。我们现在经常提 到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是 由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息 的通信方式。
2）光纤通信迅速发展 1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光 纤损耗下降到1dB/km；而日本电话电报公司研制出了更低 损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km。美国于1976年在亚特兰 大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本 也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验。
1.1.2 光纤通信发展趋势 1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展 光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展
的有力基础。网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长， 这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传 送，以及其他一些不断增长的先进业务。
视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视， 提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。
3.实现光联网 波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点 通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能 实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新 的威力。 根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设 备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。鉴于光联网具有 潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究， 特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以 Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为 主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和 “国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光 联网项目在进行。
第1章PDH技术基础
时分多路复用就是利用多路信号（数字信号）在信道 上占有不同的时间间隔来通信。
抽样能够实现信号在时间上的离散化。 抽样定理。 通过抽样，可以将多路信号的抽样值在时间上互 不重叠，从而构成一种时分复用系统。
光电工程学院
2015
8
第1章 PDH技术基础
脉冲编码调制（PCM）时分复用系统
光电工程学院
2015
Hale Waihona Puke 第1章 PDH技术基础PCM 30/32帧结构——复帧
1复帧＝16帧（2ms） F15 F0 F1 F2 F15 F0
每帧125μs 32个路时隙，256比特
光电工程学院
2015
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第1章 PDH技术基础
PCM 30/32路帧结构基本参数
参数名称 每帧的比特数 帧周期 每时隙的时长 每码位时长 复帧周期 传输速率 容差 光电工程学院 参数值 256 bits 125 μs 3.9 μs 488 ns 2 ms 2 048 kbit/s 2 048 kbit/s±50 ppm 2015 16
光电工程学院 2015 17
第1章 PDH技术基础
1.2 数字复接技术
为了扩大传输容量，提高传输效率，需要将若干路低速 数字信号合并成为一路高速数字信号，通过高速信道传输。 数字复接技术就是实现这一目的的专门技术。
1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6
数字复接等级和系列 同步与复接的概念 准同步复接原理 准同步复接的帧结构 码速调整原理 复接抖动的产生与抑制
参考书
孙学康，毛京丽．SDH技术（第2版） ．北京： 北京邮电大学出版社，2009 肖萍萍，吴健学，周芳，胡春琳．SDH原理 与技术．北京：北京邮电大学出版社，2002 韦乐平，李英灏．SDH及其新应用．北京： 人民邮电出版社，2001
SDH-第1章
SDH的帧结构
光传输技术
STM-N
信息包 信息包 信息包
净负荷
信息包 信息包Βιβλιοθήκη （动画）SDH的帧结构
5、段开销字节
SDH开销是指用于SDH网络的运行、管理和维护的比特。
光传输技术
SDH的开销分两类：段开销SOH和通道开销POH，分别用于段 层和通道层的维护。 SOH分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）两种。 RSOH负责管理再生段，完成对STM-N整体信息结构进行监控， 可在再生器接入，也可在终端设备接入。 MSOH负责管理复用段，完成对STM-N中的复用段层信息结构进 行监控，它将透明地通过每个再生器，只能在AUG组合或分解的 地方才能接入或终结。
一次群（基群）
北美 24路 1.544 Mbit/s 24路 1.544 Mbit/s 30路 2.048 Mbit/s
光传输技术
二 次 群
96路（24×4） 6.312 Mbit/s 96路（24×4） 6.312 Mbit/s 120路（30×4） 8.448 Mbit/s
三 次 群
672路（96×6） 44.736 Mbit/s 480路（96×5） 32.064 Mbit/s 480路（120×4） 34.368 Mbit/s
重新命名为同步数字体系（SDH），使之成为不仅适于光纤，
也适于微波和卫星传输。表6-2是SONET和SDH的速率对照。 1989年，ITU-T在其蓝皮书上发表了G.707、G.708和G.709 三个标准，从而揭开了现代信息传输崭新的一页。
8
第二节 SDH的产生和基本概念
表1-1 准同步数字体系（PDH）
OC-24/STS-24
OC-36/STS-36 STM-16（30720CH） 2488.320 2.5Gbit/s OC-48/STS-48（32356CH）
《光纤技术》要点整理
第一章绪论1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。
1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器，给光通信带来了新的希望，和普通光相比，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。
光纤的发展1966年，英籍华人高锟博士发表《用于光频率的绝缘纤维表面波导管》，提出用石英玻璃纤维传送光信号来进行通信。
预见利用玻璃可以制成衰减为20dB/Km的通信光导纤维（即光纤）。
当时世界上最优秀的光学玻璃衰减高达1000dB/Km。
1970年，康宁公司制作出衰减少于20dB/km的光纤，－－世界上第一根通信用光导纤维。
高锟博士早就指出降低玻璃内的过渡金属杂质离子是降低光纤衰耗的主要因素，后来研究发现OH离子对衰耗也有重要影响，通过限制上面两方面的杂质离子，1980年，光纤衰减就降低到了0.2dB/Km，接近理论值。
这就使得长距离的光纤通信成为可能，这在光纤通信史上具有里程碑的意义。
1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国东海岸同欧洲大陆的光缆开通。
20世纪90年代到新世纪，我国铺设光缆总长度为149.5万公里，八横八纵格局形成。
我国目前也有相当多的公司可以拉制性能很好的通信光纤，比如长飞、大唐电信等等。
光纤－光导纤维纤芯：折射率较高，用来传送光；包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；涂敷层：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。
光纤中光波的传输原理－全反射光纤材料纯石英，低纯度玻璃，塑料, 氟化物玻璃光纤特性机械－坚硬又弯曲灵活，强度大光学性质－取决于结构和成分光纤用途光纤最初用于图像传输光纤束传送照明光光缆－光纤成缆光缆由光纤、高分子材料、金属材料及复合材料共同组成光纤与通信网络1.光纤通信原理（图）2.光纤通信的优点●光纤容量大大容量：马路越宽，容许通过的车辆越多，交通运输能力也越大。
如果把通信线路比作马路，那么应该说是通信线路的频带越宽，容许传输的信息越多，通信容量就越大。
光纤技术及应用复习题1~5
《光纤技术及应用》复习题第一章1、写出电场强度和磁场强度在两种介质界面所满足的边界条件方程。
（并会证明）2、TE波、TM波分别指的是什么？3、平面光波发生全反射的条件。
当入射角大于临界角时，入射光能量将全部反射4、古斯-哈恩斯位移指的是什么？其物理本质是什么？证明实际光的反射点离入射点有一段距离，称为古斯-哈恩斯位移。
（相隔约半个波长）实质：光的传播不能简单视为平面光波的行为，必须考虑光是以光束的形式传播，即时空间里的一条极细的光束也是由若干更加细的光线组成的5、写出光线方程，并证明在各向同性介质中光为直线传播。
对于均匀波导，n为常数，光线以直线形式传播第二章1、平板波导的结构，分类。
结构：一般由三层构成：折射率n1中间波导芯层，折射率n2下层介质为衬底，折射率n3上层为覆盖层；n1>n2 , n1>n3。
且一般情况下有n1>n2> n32、均匀平面光波在平板波导中存在的模式有：导模、衬底辐射模、波导辐射模（各有什么特点）。
（入射角与临界角之间的关系以及各种模式相对应的传播常数所满足的条件）P12。
P17-18图满足全反射的光线并不是都能形成导模，还必须满足一定的相位条件。
P13（导模的传输条件）3、在平板波导中TE0模为基模，因为TE0模的截止波长是所有导模中最长的。
P144、非均匀平面光波在平板波导中的模式有：泄露模、消失模5、平板波导中的简正模式具有：稳定性、有序性、叠加性、和正交性。
6、模式的完备性指的是?P24在平板波导中，导模和辐射模构成了一个正交、完备的简正模系，平板波导中的任意光场分布都可以看成这组正交模的线性组合。
7、波导间的模式耦合指的是？P31当两个波导相距很远时，各自均以其模式独立地传播，无相互影响；当两个波导相距很近时，由于包层中场尾部的重叠，将会发生两个波导间的能量交换，称之为波导间的模式耦合。
作业题：2-7、2-8第三章1、什么是光纤？光纤的结构，分类，并画出相应的折射率分布。
光纤通信技术
以上几种通信都是利用大气作为光通道，光波 传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见 度距离很短，遇到下雨、下雪天也有影响。也 就是这种通信不是全天候的。
• 在光器件方面，1960年使用的是固体红宝石激 光器，1961开发出氦-氖气体激光器，1970年 美国贝尔实验室研制成功可以在室温下工作的 半导体激光器。
即：第三代光纤通信
光纤通信技术发展趋势
• 继续增大通信容量和传输距离 • 光同步数字体系得到了迅速应用和发展 • 宽带业务本地用户光纤网和ATM引起世界重视 • 光电集成技术迅速发展 • 全光通信技术发展迅速
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统， 其载波—光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有 很大的通信容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光 纤，此类光纤在1.55μm波长区的损耗可低到0.18dB/km， 比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成 的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得 多。
如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(＞ 2μm)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-3～10-5dB/km， 此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。
例如：在光纤线路中插入光纤放大器，便 可以组成光纤中继长途系统
又如：通过配置光波分复用和解复用可以 组成大容量波分复用系统
第2章 通信用光器件
通信 用光 器件
有源器件 无源器件
光源 光检测器 光放大器 波长转换
连接器 耦合器 波分复用器 调制器 光开关 隔离器
2.1 光纤的结构、类型及性质
光纤技术 1章
光纤通信：21世纪的“信息高速公路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 光纤带宽极宽、通信容量极大 光纤重量轻、韧性好、易于铺设 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 保密性好、绝缘性好 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 成本低、节约金属线材
光纤技术
信息传输速率与媒介的容量
2 灵敏度高
3 重量轻。体积小、可缠绕
4 测量对象广泛 5 对被测介质影响小。便于在线检测 6 便于复用、便于成网 7 成本低
光纤技术
1光纤光栅传感
1 布拉格光纤光栅：折射率变化周期小于1m的反射 式短周期光栅，其反射谱线宽小、中心波长长、设计 容易等优点。 2 长周期光纤光栅周期为几十m到几毫米的透射式 光纤光栅，其透射谱带宽大、中心波长或幅度容易手 外界环境的影响 原理：外界压力、温度、浓度等的变化引起光纤有效 折射率或光栅周期等参数变化。导致光纤布拉格光栅 的谐振波长的变化 传感信息可以波长编码，克服强度调制等传感器的缺 点
光纤技术
光纤预制棒工艺：VAD
(Vapour Axial Deposition)
VAD（轴向气相沉积法）
是由日本开发出来的, 其工 作原理与OVD 相同, 不同之 处预制棒的生长方向是由下 向上垂直轴向生长的。VAD 的重要特点是可以连续生产, 适合制造大型预制棒, 从而 可以拉制较长的连续光纤。
开发光纤传感器用特殊光纤
提高有源、无源器件的稳定性和可靠性
深入研究检测系统
光纤技术
光纤技术
通信光纤 非通信光纤
g=1，三角折射率分布光纤。
光纤技术
光纤的进一步分类
模式: 光纤中传输的一种电磁波，不同的模式在横截面光功率的分布形状 不同。 波长和折射率参数确定后，光纤中允许传播的数目只与纤芯半径有关
光纤通信技术教案
第1章 光纤通信概述1.1光纤通信的基本概念 1.光纤通信光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
2.光波特性 （1）光速：① 在真空中：v f ，oc f （8c 310m /s ）② 在介质中：v c /n （n 是折射率） （2）光是电磁波：TM、TE、TEM （3）光具有二重性① 波动性（宏观）：光具有反射、折射、衍射和干涉等。
② 粒子性（微观）：光具有能量、 动量和质量等。
3.电磁波谱1.1光纤通信的特点 1.优点（1）传输频带宽，通信容量大 （2）传输损耗小 （3）抗电磁干扰（4）光纤线径细、重量轻 （5）制作光纤的资源丰富 2.缺点（1）光纤弯曲半径不宜过小（2）光纤的切断和连接操作技术要求高 （3）分路、耦合操作繁琐1.3 光纤通信系统的基本组成目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波（IM/DD）。
1.光发射机光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。
光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器（LD）或半导体发光二极管（LED）。
2.光接收机光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
3.光中继器光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。
1.4 光纤通信的发展趋势1.向超高速光纤系统发展2.向超大容量WDM系统发展3.向光传送网方向发展4.向G.655光纤发展5.向宽带光纤接入网方向发展（FTTH）第2章 光导纤维2.1 光纤的结构和分类2.1.1 光纤的结构1.纤芯层（1）位置：光纤的中心部位，折射率为n1。
（2）尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。
（3）材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。
2.包层（1）位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。
光纤通信课件刘增基第二版第1章
第1章 概论
光纤通信用激光器的发展进程
1970 年，美国、日本和前苏联先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。
虽然寿命只有几个小时，但其意义是重大的，它为半导 体激光器的发展奠定了基础。
1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。
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。
在这个时期，实现了1.55 μm色散移位单模光纤通信系 统。采用外调制技术，传输速率可达2.5－10 Gb/s， 无中继传输距离可达150－100km。实验室可以达到 更高水平。
目前，正在开展研究的光纤通信新技术，例如，超 大 容 量 的 波 分 复 用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)光纤通信系统（实现）和超长 距离的光孤子(Soliton)通信系统，将在第 7章作介绍。
1972年，康宁公司高纯石英多模光纤将损耗降低到4 dB/km。
1973 年，美国贝尔(Bell)实验室将光纤损耗降低到2.5dB/km。 1974 年降低到1.1dB/km。
1976 年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。
1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。
因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。
第1章 概论
传 输 损 /耗(dB·km － 1)
10 00
10 0 10
标38准mm同海轴底同轴
1
51 mm波导器
光纤
0.1 10 M 100 M 1 G
10 G 100 G 1 T 10 T 100 T 1000 T
光纤应用习题解第1-7章
第一章 光纤光学基础1．详述单模光纤和多模光纤的区别（从物理结构，传播模式等方面）A ：单模光纤只能传输一种模式，多模光纤能同时传输多种模式。
单模光纤的折射率沿截面径向分布一般为阶跃型，多模光纤可呈多种形状。
纤芯尺寸及纤芯和包层的折射率差：单模纤芯直径在10um 左右，多模一般在50um 以上；单模光纤的相对折射率差在0.01以下，多模一般在0.01—0.02之间。
2．解释数值孔径的物理意义，并给出推导过程。
A:：NA 的大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以m 为半锥角的锥形区域之内的光线，才能够为光纤所接收。
3．比较阶跃型光纤和渐变型光纤数值孔径的定义，可以得出什么结论？A ：阶跃型光纤的NA 与光纤的几何尺寸无关，渐变型光纤的NA 是入射点径向坐标r 的函数，在纤壁处为0，在光纤轴上为最大。
4．相对折射率差的定义和物理意义。
A ：2221212112n n n n n n --D =?D 的大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。
5．光纤的损耗有哪几种？哪些是其固有的不能避免，那些可以通过工艺和材料的改进得以降低？A ：固有损耗：光纤材料的本征吸收和本征散射。
非固有损耗：杂质吸收，波导散射，光纤弯曲等。
6．分析多模光纤中材料色散，模式色散，波导色散各自的产生机理。
A ：材料色散是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。
波导色散是由于不同的光源频率所对应的同一导模的群速度不同所引起的脉冲展宽。
多模色散是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。
7．单模光纤中是否存在模式色散，为什么？A ：单模光纤中只传输基模，不存在多模色散，但基模的两个偏振态存在色散，称为偏振模色散。
8．从射线光学的观点计算多模阶跃光纤中子午光线的最大群时延差。
A ：设光纤的长度为L ，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为L ；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输路径最长，为sin c L f 。
光纤技术原理3篇
光纤技术原理第一篇：光纤技术原理概述光纤技术是一种利用光纤传输光信号的技术，在通信、工业、医疗等领域中得到了广泛应用。
光纤技术原理是指通过改变光纤中的光波传播方式，使光波能够在光纤中传输到目标地点。
随着科技的不断发展，光纤技术已成为信息传输领域中的主流技术之一。
光纤技术最基本的原理是光的全反射。
在光纤技术中，光纤首先会将光信号通过光纤内壁的全反射方式传输，在光纤的两端或者其他设备的控制下使光信号产生改变，然后再以同样的方式传输回去。
由于光的蔓延速度非常快，因此光纤技术可以实现高速的数据传输和信号传输。
与传统的电缆相比，光纤技术具有高带宽、远距离传输、抗干扰和安全保密等优点。
在光纤技术中，光的蔓延通常使用纤芯来实现。
光纤芯是一个非常薄的玻璃或塑料线，将光线引导到纤芯中心，而光纤的外层则是一个光密层或者是包层，一般由硅酸盐、氟化物等材料制成。
包层是为了保护光芯不受外界干扰和损坏，同时也是为了使光线能够完全在纤芯中传递。
总体来说，光纤技术的原理是通过光的全反射机制，使光信号能够在光纤中高速传输，并且具备高带宽、远距离传输等优点。
光纤技术是一项基础技术，不仅应用广泛，而且已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。
第二篇：光纤传输原理光纤技术在我们日常生活中得到了广泛的应用，光纤传输是其中重要的表现形式之一。
光纤传输原理是指将信号以光的形式传输，同时利用光纤的优良性能来保证数据快速、准确地传输。
在光纤传输中，需要详细了解光的性质、光的传输方式以及光与物质的相互作用等方面的知识。
光的传输方式主要是通过光的全反射来实现的，光能够在光纤中长距离传输，具有高带宽、低衰减、抗干扰和保密性等特点。
在光纤传输中，需要根据信号的特点来选择合适的光源，其中主要包括激光器、LED等。
光源需要将电信号转换成光信号，然后将光信号输送到光纤中。
在光纤传输中，需要了解光纤的结构和材料。
光纤主要由纤芯、光密层、包层和外护层等组成，外护层在光纤材料的选择和外界情况等方面起到了一定的保护作用，由于在光纤中光线是通过全反射的方式传输的，因此在光纤内部光线的传输速度会受到折射率的影响。
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教学方法与考核
• 模式：课堂讲授+课后习题 (必须) +课后阅读+参观实验室 (可选) • 考核：考试70%+平时成绩30%(包括出勤、 随堂练习、课后习题)
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教材
• 饶云江（主编） （2006）光纤技术， 科学出版社 • 2009年8月最新印刷， 少量修订。
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1.3 光纤与通信网络
(4)、光纤到户（FTTH）进展 2004.4，武汉电信与烽火公司联合开通“光纤到户· 数字家庭” 试点，家庭数字化进程加快。 2005.8，美国开始大范围部署光纤到户。 2014年全球FTTH用户规模有望达到1.144亿 温州电信开通“光纤到户”3年将完成7成用户端改造 新加坡2009年9月起启动全国FTTH网络建设 国内光纤到户的建设成本也已经低于铜缆，现在分摊到每户 的线路成本已经低于1000元，在武汉试点的费用则是按包月 收费150元。
远红外，氟化物比石英更透明）。
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1.2 光纤技术基础
(3). 光纤特性； 在机械特性方面：光纤坚硬而又弯曲灵活，相对强度大； 细光纤比粗光纤更易弯曲；通信光纤可与人的头发粗细相比， 比同样长度的人的胡须要硬得多；光纤弯曲后能恢复到原来 笔直的形状（电线不能） ，但光纤的塑性差（受外力时不能 一直延伸，外力过大时会折断）。注意：虽然光纤坚硬且弯 曲灵活，强度大，但如果光纤表面有裂纹，光纤就易损伤 （脆，塑料涂层的作用就是防止光纤表面受到损伤）。
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1.3 光纤与通信网络
光纤通信系统基本构成
发 射 信 息 源 电 发 射 机 电信号 输入 光 发 射 机
基本光纤传输系统 光纤线路 光 接 收 机
接 收 电 接 收 机 电信号 输出 信 息 宿
光信号 输出
光信号 输入
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1.3 光纤与通信网络
光纤通信系统基本构成
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1.2 光纤技术基础
(1). 光纤结构：
涂覆层直径一般250µm； 包层直径一般125µm； 纤芯直径根据光纤类型而不同， 一般通信用单模光纤直径为 8µm～10µm，多模光纤直径为 62.5µm或50µm
(b)
不同用途的光纤尺寸： [1]通信光纤芯径小、包层厚，其标准包层直径是125µm，塑料护套的直径 约250µm（便于操作和保护光纤内部的玻璃表面，防止刮痕或其他机械损 伤）； [2]传像光纤束（内窥镜用）中单根光纤的直径小到几微米，包层薄； [3]传能量（照明）光纤的芯大（可到几毫米），包层薄； [4]特殊用途光纤可有多层结构(光纤激光器用双包层光纤)。
思考与练习
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1.1 历史回顾
古代通信(烽火台的狼烟)、海上通信(手旗)
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1.1 历史回顾
对通信的迫切需求推动了光纤的出现
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1.1 历史回顾
通信频段：无线电、微波、光
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1.1 历史回顾
(1). 光纤的出现
寻找光的传输通道的过程： 1870年，英国物理学家Joan Tyndall验证了光可以在一个弯曲的水流中传播 1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英 光纤并用于光线和图象的短距离传输
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1.1 历史回顾
1953年，在伦敦皇家科学技术学院工作的Narinder Kapany开发出了 用不同光学玻璃作芯和包层的光导纤维，这也就诞生了今天所使用的
(2). 光纤之父：高锟博士
光纤的结构，“光纤”这个名词就是Kapany给出的。但是，由于材
料和制作工艺原因，光纤的损耗达1000dB/km，仍不能商用到光通信 中 1966年，华裔科学家高锟(Charles Kao)博士在英国发表了一篇论文 “用于光频率的绝缘纤维表面波导管”。指出：光纤材料固有损耗很 小，由瑞利散射决定；大损耗是由其杂质（过渡金属离子）产生的； 若把金属离子含量降低到10-6以下，损耗可降到10 dB/km以下；若再 改进热处理提高均匀性，损耗可降到几个dB/km。高锟的工作是光纤 通信领域的一个真正突破，具有里程碑意义。他明确了要解决的技术 问题及其方法。
《光纤传感与通信》
龚 元 E-mail: ofsgon@; Tel: 61830278
电子科技大学通信与信息工程学院 光纤传感与通信教育部重点实验室 2010年9月
教学目的
• 通过本课程的学习，使大家掌握光纤的结 构与特性、基础理论分析方法、相关器件 的基本原理以及在光纤传感和光纤通信中 的应用； • 培养一定的科学研究素养，学会如何提出 问题、分析问题和解决问题
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1.2 光纤技术基础
(2). 光纤材料： 多数光纤的基材是纯石英，加入少量掺杂物（锗、氟、 硼等）以改变纤芯或包层的折射率。 一般，通信用最纯的光纤材料是纯二氧化硅（Si02）； 医用传像光纤和照明光纤则使用低纯度玻璃制造；还有光 纤是用塑料制造的（没有玻璃透明，但灵活易用）；少数 光纤用塑料作包层（石英作芯，一般，塑料是用于保护的 外涂覆层）。 专用光纤也可用其他材料。例如，氟化物用于红外（在
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参考书目
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参考书目
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《光纤技术》本科生教学
第1章
绪论
电子科技大学通信与信息工程学院 光纤传感与通信教育部重点实验室 2010年9月
本章内容提要
1.1 历史回顾
1.2 光纤技术基础
1.3 光纤与通信网络
1.4 光纤与传感技术 1.5 光纤技术的发展 1.6 本章小结
2]在半导体激光器方面，研究成功InGaAsP/InP材料的长波长器件，同 1.31mm窗口相配合，使1.31mm成为长途干线光纤通信的主角。 3]近几年来，在1.55mm波长处的研究很活跃： i] 损耗更低（0.2dB/km，但 色散大，可改变结构实现色散位移，达到损耗和色散均低的效果）；ii] 1.55mm处的半导体激光器和探测器也极为成功；iii]光纤放大器（如 EDFA）发展成熟
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全球海底光纤系统
地网络比海底网络的性能要求低。典型例是泛欧光纤网络： 使用波分复用技术，覆盖整个欧洲，已成功将16×10Gbps的 信号传输500km(16是波长数，10Gbps是单波长信道能力)。 现在，信息传输容量已达到数Tbps，如2001年达到1Tbps， 2003年1.5~2Tb/s（距离8000km～9000km），至2010年可达 10Tb/s（当然需要相应性能的器件和光纤传输系统）。 ; (3)、卫星系统与光纤网络 卫星通信可连接地球上的任何点，其不足是：传输能力不如光 纤（光纤达50Tbps）；卫星信号延迟大（信号从地面到卫星， 再从卫星回地面，距离远大于光纤传输）；受大气条件影响大 （光纤受影响小）。光纤网络和卫星系统结合，可取长补短。
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1.3 光纤与通信网络
光纤损耗与中继放大：
八十年代末到九十年代初：掺铒光纤放大器(EDFAs)获应 用
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1.3 光纤与通信网络
光纤通信的发展历程：
1] 开发了损耗低、色散量小的1.31mm波长（材料色散与波导色散几乎抵消， 为0色散波长；该波长处的损耗约0.5dB/km左右）
发 射 信 息 源 电 发 射 机 电信号 输入 光 发 射 机
基本光纤传输系统 光纤线路 光 接 收 机
接 收 电 接 收 机 电信号 输出 信 息 宿
光信号 输出
光信号 输入
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1.3 光纤与通信网络
标志性事件： 1880年，A.G.Bell 首次利用太阳光进行通信，通信距离仅 213米，这是Bell在他所有的发明中最得意的一个—— Photophone，奠定了今天光通信的基础。 1960年，激光出现以后， Bell的自由空间光信息传输，获 得了新的生命力，现在，自由空间光通信已实现了全天候、 数公里的通信。 20世纪70年代，利用石英玻璃纤维做波导，将载有信息的 光子限制在光纤内，实现了大容量、长距离的信息传输。 1977年在美国芝加哥城的两电话局间开通了世界上第一条 商用光纤通信系统。
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1.1 历史回顾
(2). 实用化的光纤制作
清楚问题后就是制作：1970年，康宁公司(Corning)的Rober Maurer、Donald Keck和Peter Schultz根据高锟博士的思想， 采用化学气相沉积（CVD）工艺第一个制出衰减少于20dB/km 的光纤，比同轴电缆5-10dB/km的损耗略大，但已为可接受的 损耗，是世界上公认的第一根通信用光导纤维。 光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km, 致使光纤通信 在世界范围内形成了一个充满活力的新兴产业。
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本课程的结构与重点
光纤传感 光纤通信 光纤无源器件 光纤有源器件
光纤材料&结构
光纤传输理论
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光纤拉制方法
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课程内容安排
一． 绪论(4) 二． 光纤拉制及成缆(3) 三． 光纤传输理论(7) 四． 新型光纤和光纤的基本特性(6) 五． 光无源器件(6) 六． 光有源器件(6) 七． 光纤传感技术(9) 八． 光纤通信技术(6) 另外：习题课(2)；复习和答疑(1)
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参考书目
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参考书目
• 《Understanding Fiber Optics》, Jeff Hecht, Fifth Edition, Pearson Education, Inc. 2006 • 《Fiber Optic Technology》, A.R. Jha, SciTech Publishing, 2007