现代通信技术-光纤通信
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的是数字编码、强度调制——直接检波通信 系统。这种系统的示意方框图如下图所示。
人民邮电出版社
现代通信技术
2.2 光纤和光缆
2.2.1 光纤的结构与分类 2.2.2 用射线法分析光波在光纤中的传输 2.2.3 单模光纤
人民邮电出版社
现代通信技术 2.2.1 光纤的结构与分类 一、 光纤的结构 二、
人民邮电出版社
现代通信技术
2.1 光纤通信的基本概念
光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是 以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一 种通信方式。
2.1.1 目前光纤通信的实用工作波长 2.1.2 光纤通信的特点
2.1.3 人民邮电出版社
现代通信技术 2.1.1 目前光纤通信的实用工作波长 目前光纤通信实用的波长即短波长段
2.3.1 激光器的一般工作原理 2.3.2 2.3.3 半导体发光二极管(LED) 2.3.4 光源的直接调制方式 2.3.5 半导体光电检测器
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现代通信技术
2.3.1 激光器的一般工作原理
激光器的基本组成: 激光器是只能够产生激光的自激振荡器。它 应包括以下三个部分：必须有能够产生激光的 工作物质；必须有能够使工作物质具有放大作 用的激励源；必须有能够完成频率选择及反馈 作用的光学谐振腔.
θ１＝θ１′ n１sinθ１＝n２sinθ２
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现代通信技术 二、 光波的全反射
产生全反射的条件是：
n１＞n２； ９０°＞θ１＞θc
阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理， 将光波限制在纤芯中向前传播。
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现代通信技术
三、 光纤中光射线的分析 在这个问题里，主要采用射线法讨论阶跃型 光纤和渐变型光纤的导光原理。 1. 阶跃型光纤中光射线的分析 (1) 阶跃型光纤中的光射线 在光纤中可存在如下不同形式的光射线：子 午线和斜射线。 子午面上和轴线相交的光射线，就称为子午 射线，简称为子午线。
冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加 误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。
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现代通信技术
1. 简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信 号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传 输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因 此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达 光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现 象。
式表示：
n 1
n 2
n
1
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现代通信技术
② 数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理 量。 数值孔径用NA表示。根据折射定律，经过推 导可得出它的表示式为：
NA=n1√２Δ
(3) 阶跃型光纤的导光原理 阶跃型光纤是靠全反射原理将光波限制在纤 芯中并向前传播。
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现代通信技术
2. 渐变型光纤中光射线的分析
n(r
)
n(0)1
2(
r a)2 Nhomakorabea1/
2
ra
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现代通信技术 ③ 渐变型光纤的本地数值孔径
NA(r)＝√n12（r）-n２2
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现代通信技术
2.2.3 单模光纤
单模光纤是在给定的工作波长上，只传 输单一基模的光纤。
光纤中模式的概念 二 、单模光纤的主模 三、 单模光纤的单模传输条件 四、
2. 半导体激光器的光谱，随着激励电流变化。 当I＜It时，发出的是荧光，因此，光谱很宽， 当I＞It后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度 急剧增加，表明发出激光。
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现代通信技术
3. 温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度 变化的特性为温度特性。
4. 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率 的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换 效率表示。
2
2n a 1
c 2.40483
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只有当工作波长大于此截止波长时， 才能保证单模工作。
3. 模场直径 模场直径就是衡量光纤横截面上一定 场强范围的物理量。
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现代通信技术 2.2.4 光纤的损耗特性及色散特性 一、 光纤的损耗特性 二、
人民邮电出版社
现代通信技术 2.2.4 光纤的损耗特性及色散特性 一、 光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而
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现代通信技术
在这里，我们仅用射线法分析光波在 光纤中的传输。
当媒质的几何尺寸远大于光波波长时， 光可用一条表示光的传播方向的几何线来 表示，这条几何线就称为光射线。用光射 线来研究光波传输特性的方法，称为射线
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现代通信技术 一、 光波在两介质交界面的反射和折射 二、 光波的全反射 三、 光纤中光射线的分析
2 3.83171 7.01559 10.17347
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现代通信技术
二、 单模光纤的主模 由表2-2中看出，在阶跃型光纤的众多模 式中，只有当m=0、n=1时，所对应的LP01模 的归一化截止频率最低，此模式的Vc=0，说 明此模式在任何频率时都可以传输。 因此， LP01模是阶跃型光纤中的最低工 作模式，又称为主模或基模。 如果在阶跃型光纤中只传输LP01模时， 则此阶跃型光纤即为单模光纤。因此LP01模 是单模光纤的主模。
渐变型光纤中的射线也分为子午线和斜射线两种， 下面只讨论子午线。
(1) 渐变型光纤的导光机理 非均匀光纤是靠折射原理将子午线限制在纤芯中 向前传播。 (2) 渐变型光纤的最佳折射指数分布
如果选用合适的n(r)分布，就有可能使纤芯中的
不同射线以同样的轴向速度前进，从而可以减小光纤 中的模式色散。
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的0.85μm、长波长波段的1.31μm和 1.55μm，通常称其为是目前光纤通信的
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现代通信技术 2.1.2 光纤通信的特点 (1) 传输频带宽，通信容量大。 (2) 损耗低。 (3) 不受电磁干扰。 (4) 线径细、重量轻。 (5) 资源丰富。
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现代通信技术
现代通信技术 2.1.3 光纤通信系统的基本组成 目前使用的光纤通信系统，普遍采用
从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色 散、材料色散和波导色散三种。在单模光纤中只
有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色
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现代通信技术 2. 光纤中的色散 在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，
各自的相位常数βmn不同，群速不同，模式之间存 在时延差，这种色散称为模式色散。
材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率 而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起 的色散称为材料色散。
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现代通信技术 由于光纤的几何结构、形状等方面的
不完善，使得光波一部分在纤芯中传输， 而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包 层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现 象，称为波导色散，或称结构色散。
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现代通信技术
2.3 光纤通信中的光源和光电检测器
在这一节主要介绍光发射部分中的光源和光接 收部分中的光电检测器。它们是光纤通信中非常重 要的电/光和光/电转换器件。
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现代通信技术
2.2.2 用射线法分析光波在光纤中的传输
分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法： 一是波动理论法，一是射线法。波动理论法是 根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方 程、特征方程，根据解答式分析其传输特性； 射线法是将光波看成是一条条几何射线，用光 射线理论分析光纤的传输特性。后者比较简单、 直观。
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现代通信技术 三、 单模光纤的单模传输条件
Vc (LP01)＜V＜V(LP11) 即 0＜V＜2.40483
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现代通信技术
四、 单模光纤的特性参数
1.
衰减量的大小通常用衰减系数α来表示，单位 是dB/km。
2. 截止波长
通常可用它来判断光纤中是否单模工作。
光纤中第一高次模的截止波长为
V＝√2Δk０n１a
从式中可看出，V值的大小决定于光纤的参
数，而且它是一个直接和光的 频率成正比的无量纲的量，因此称为归一
化频率。
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现代通信技术 在表2-2中，列出了在截止情况下阶跃型光纤各
表2-2 m
n 1 2 3
截止情况下Lpmn模的Vc
0 0 3.83171 7.01559
1 2.40483 5.52008 8.65373
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现代通信技术 一、 光波在两介质交界面的反射和折射 光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输
时，其轨迹是一条直线，当光射线射到两种介质 交界面时，将发生反射和折射。
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现代通信技术
由电磁场理论知道，反射和折射的基本规律是由 斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。
下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。 斯涅尔定律主要包括以下两个关系式：
第2章 光纤通信
现代通信技术
光纤通信作为现代通信的主要支柱， 是信息社会中各种信息网的主要传输工具。
对于光纤通信技术，本章重点介绍以 下几个问题：光纤通信的基本概念、光纤 和光缆、光纤通信中的光源和光电检测器 、光端机以及光纤通信系统，对光放大器 作一简单介绍。
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现代通信技术
2.1 光纤通信的基本概念 2.2 光纤和光缆 2.3 光纤通信中的光源和光电检测器 2.4 光 端 机 2.5 光纤通信系统 2.6 光放大器
现代通信技术
① 在渐变型光纤中，不同射线具有相同轴 向速度的这种现象，称为自聚焦现象，具有 这种自聚焦现象的光纤称为自聚焦光纤。 ② 最佳折射指数分布的形式
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现代通信技术
经过理论分析和推导得出，纤芯中的折射 指数按平方律型分布的渐变型光纤具有较小的 模式色散，因此，可认为平方律型折射指数分 布光纤的折射率分布形式接近于最佳折射率分 布。
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现代通信技术 一、 光纤的结构
目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO２)制成 的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套 塑时称为裸光纤，如图所示。
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现代通信技术 光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯
线，它的剖面结构如图所示。
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现代通信技术 二、 光纤的分类
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现代通信技术
(2) 阶跃型光纤中主要特性参数的定义
① 相对折射指数差
n１和n２差的大小直接影响着光纤的性能，我们引
入相对折射指数差这样一个物理量来表示它们相差的
程度，用Δ表示，即
n2 1
n2 2
2n 2
1
当n１与n２的差别极小时，这种光纤称为弱导波光
纤，经过简单推导，可知其相对折射指数差可用近似
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现代通信技术
2.3.3 半导体发光二极管(LED) 在光纤通信中使用的光源，除了半导体激 光器以外，还有半导体发光二极管。它除了 没有光学谐振腔以外，其它方面与激光器相 同，它是无阈值器件，它的发光只限于自发 辐射，发出的是荧光。
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现代通信技术 2.3.4 光源的直接调制方式 在目前广泛使用的强度调制——直接检波
光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收
损耗和散射损耗。
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现代通信技术
吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部 分光能变成热能，造成光功率的损失。
散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射 率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光
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现代通信技术 二、 光纤的色散特性 由于光纤中色散的存在，会使得输入脉
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现代通信技术
一、 光纤中模式的概念 弱导波光纤中的E和H分布是一种近似的横 电磁波。 1. LP模 弱导波光纤中存在的电磁场模式可近似地 认为是线极化波，用LPmn表示。
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现代通信技术
2. 判断某一种模式能否在光纤中传输，一般
是通过光纤归一化频率V值的大小来判断。
由阶跃型光纤场方程可推出
1. 通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种。 (1) 阶跃型光纤 (2) 渐变型光纤
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2. 所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。 模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量 来分，可分为单模光纤和多模光纤。 (1) 单模光纤(SM-Single mode fiber) (2) 多模光纤(MM-Multi mode fiber)
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现代通信技术
2.3.2 半导体激光器
一、 半导体激光器的结构 半导体激光器从结构上可分为：同质结半 导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质 结半导体激光器。
二、 1. 阈值特性 2. 3. 4.
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1. 对于半导体激光器，当外加正向电流达到 某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产 生激光振荡，这个电流值称为阈值电流。
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2.2 光纤和光缆
2.2.1 光纤的结构与分类 2.2.2 用射线法分析光波在光纤中的传输 2.2.3 单模光纤
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现代通信技术 2.2.1 光纤的结构与分类 一、 光纤的结构 二、
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2.1 光纤通信的基本概念
光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是 以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一 种通信方式。
2.1.1 目前光纤通信的实用工作波长 2.1.2 光纤通信的特点
2.1.3 人民邮电出版社
现代通信技术 2.1.1 目前光纤通信的实用工作波长 目前光纤通信实用的波长即短波长段
2.3.1 激光器的一般工作原理 2.3.2 2.3.3 半导体发光二极管(LED) 2.3.4 光源的直接调制方式 2.3.5 半导体光电检测器
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2.3.1 激光器的一般工作原理
激光器的基本组成: 激光器是只能够产生激光的自激振荡器。它 应包括以下三个部分：必须有能够产生激光的 工作物质；必须有能够使工作物质具有放大作 用的激励源；必须有能够完成频率选择及反馈 作用的光学谐振腔.
θ１＝θ１′ n１sinθ１＝n２sinθ２
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现代通信技术 二、 光波的全反射
产生全反射的条件是：
n１＞n２； ９０°＞θ１＞θc
阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理， 将光波限制在纤芯中向前传播。
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三、 光纤中光射线的分析 在这个问题里，主要采用射线法讨论阶跃型 光纤和渐变型光纤的导光原理。 1. 阶跃型光纤中光射线的分析 (1) 阶跃型光纤中的光射线 在光纤中可存在如下不同形式的光射线：子 午线和斜射线。 子午面上和轴线相交的光射线，就称为子午 射线，简称为子午线。
冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加 误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。
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1. 简单地说，光纤的色散就是由于光纤中光信 号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传 输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因 此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达 光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现 象。
式表示：
n 1
n 2
n
1
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② 数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理 量。 数值孔径用NA表示。根据折射定律，经过推 导可得出它的表示式为：
NA=n1√２Δ
(3) 阶跃型光纤的导光原理 阶跃型光纤是靠全反射原理将光波限制在纤 芯中并向前传播。
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2. 渐变型光纤中光射线的分析
n(r
)
n(0)1
2(
r a)2 Nhomakorabea1/
2
ra
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现代通信技术 ③ 渐变型光纤的本地数值孔径
NA(r)＝√n12（r）-n２2
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2.2.3 单模光纤
单模光纤是在给定的工作波长上，只传 输单一基模的光纤。
光纤中模式的概念 二 、单模光纤的主模 三、 单模光纤的单模传输条件 四、
2. 半导体激光器的光谱，随着激励电流变化。 当I＜It时，发出的是荧光，因此，光谱很宽， 当I＞It后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度 急剧增加，表明发出激光。
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3. 温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度 变化的特性为温度特性。
4. 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率 的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换 效率表示。
2
2n a 1
c 2.40483
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只有当工作波长大于此截止波长时， 才能保证单模工作。
3. 模场直径 模场直径就是衡量光纤横截面上一定 场强范围的物理量。
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现代通信技术 2.2.4 光纤的损耗特性及色散特性 一、 光纤的损耗特性 二、
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现代通信技术 2.2.4 光纤的损耗特性及色散特性 一、 光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而
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在这里，我们仅用射线法分析光波在 光纤中的传输。
当媒质的几何尺寸远大于光波波长时， 光可用一条表示光的传播方向的几何线来 表示，这条几何线就称为光射线。用光射 线来研究光波传输特性的方法，称为射线
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现代通信技术 一、 光波在两介质交界面的反射和折射 二、 光波的全反射 三、 光纤中光射线的分析
2 3.83171 7.01559 10.17347
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二、 单模光纤的主模 由表2-2中看出，在阶跃型光纤的众多模 式中，只有当m=0、n=1时，所对应的LP01模 的归一化截止频率最低，此模式的Vc=0，说 明此模式在任何频率时都可以传输。 因此， LP01模是阶跃型光纤中的最低工 作模式，又称为主模或基模。 如果在阶跃型光纤中只传输LP01模时， 则此阶跃型光纤即为单模光纤。因此LP01模 是单模光纤的主模。
渐变型光纤中的射线也分为子午线和斜射线两种， 下面只讨论子午线。
(1) 渐变型光纤的导光机理 非均匀光纤是靠折射原理将子午线限制在纤芯中 向前传播。 (2) 渐变型光纤的最佳折射指数分布
如果选用合适的n(r)分布，就有可能使纤芯中的
不同射线以同样的轴向速度前进，从而可以减小光纤 中的模式色散。
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的0.85μm、长波长波段的1.31μm和 1.55μm，通常称其为是目前光纤通信的
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现代通信技术 2.1.2 光纤通信的特点 (1) 传输频带宽，通信容量大。 (2) 损耗低。 (3) 不受电磁干扰。 (4) 线径细、重量轻。 (5) 资源丰富。
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现代通信技术 2.1.3 光纤通信系统的基本组成 目前使用的光纤通信系统，普遍采用
从光纤色散产生的机理来看，它包括模式色 散、材料色散和波导色散三种。在单模光纤中只
有基模传输，因此不存在模式色散，只有材料色
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现代通信技术 2. 光纤中的色散 在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，
各自的相位常数βmn不同，群速不同，模式之间存 在时延差，这种色散称为模式色散。
材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率 而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起 的色散称为材料色散。
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现代通信技术 由于光纤的几何结构、形状等方面的
不完善，使得光波一部分在纤芯中传输， 而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包 层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现 象，称为波导色散，或称结构色散。
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2.3 光纤通信中的光源和光电检测器
在这一节主要介绍光发射部分中的光源和光接 收部分中的光电检测器。它们是光纤通信中非常重 要的电/光和光/电转换器件。
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2.2.2 用射线法分析光波在光纤中的传输
分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法： 一是波动理论法，一是射线法。波动理论法是 根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方 程、特征方程，根据解答式分析其传输特性； 射线法是将光波看成是一条条几何射线，用光 射线理论分析光纤的传输特性。后者比较简单、 直观。
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现代通信技术 三、 单模光纤的单模传输条件
Vc (LP01)＜V＜V(LP11) 即 0＜V＜2.40483
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四、 单模光纤的特性参数
1.
衰减量的大小通常用衰减系数α来表示，单位 是dB/km。
2. 截止波长
通常可用它来判断光纤中是否单模工作。
光纤中第一高次模的截止波长为
V＝√2Δk０n１a
从式中可看出，V值的大小决定于光纤的参
数，而且它是一个直接和光的 频率成正比的无量纲的量，因此称为归一
化频率。
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现代通信技术 在表2-2中，列出了在截止情况下阶跃型光纤各
表2-2 m
n 1 2 3
截止情况下Lpmn模的Vc
0 0 3.83171 7.01559
1 2.40483 5.52008 8.65373
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现代通信技术 一、 光波在两介质交界面的反射和折射 光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输
时，其轨迹是一条直线，当光射线射到两种介质 交界面时，将发生反射和折射。
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由电磁场理论知道，反射和折射的基本规律是由 斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。
下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。 斯涅尔定律主要包括以下两个关系式：
第2章 光纤通信
现代通信技术
光纤通信作为现代通信的主要支柱， 是信息社会中各种信息网的主要传输工具。
对于光纤通信技术，本章重点介绍以 下几个问题：光纤通信的基本概念、光纤 和光缆、光纤通信中的光源和光电检测器 、光端机以及光纤通信系统，对光放大器 作一简单介绍。
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2.1 光纤通信的基本概念 2.2 光纤和光缆 2.3 光纤通信中的光源和光电检测器 2.4 光 端 机 2.5 光纤通信系统 2.6 光放大器
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① 在渐变型光纤中，不同射线具有相同轴 向速度的这种现象，称为自聚焦现象，具有 这种自聚焦现象的光纤称为自聚焦光纤。 ② 最佳折射指数分布的形式
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经过理论分析和推导得出，纤芯中的折射 指数按平方律型分布的渐变型光纤具有较小的 模式色散，因此，可认为平方律型折射指数分 布光纤的折射率分布形式接近于最佳折射率分 布。
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现代通信技术 一、 光纤的结构
目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO２)制成 的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套 塑时称为裸光纤，如图所示。
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现代通信技术 光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯
线，它的剖面结构如图所示。
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(2) 阶跃型光纤中主要特性参数的定义
① 相对折射指数差
n１和n２差的大小直接影响着光纤的性能，我们引
入相对折射指数差这样一个物理量来表示它们相差的
程度，用Δ表示，即
n2 1
n2 2
2n 2
1
当n１与n２的差别极小时，这种光纤称为弱导波光
纤，经过简单推导，可知其相对折射指数差可用近似
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2.3.3 半导体发光二极管(LED) 在光纤通信中使用的光源，除了半导体激 光器以外，还有半导体发光二极管。它除了 没有光学谐振腔以外，其它方面与激光器相 同，它是无阈值器件，它的发光只限于自发 辐射，发出的是荧光。
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现代通信技术 2.3.4 光源的直接调制方式 在目前广泛使用的强度调制——直接检波
光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 光纤本身损耗的原因，大致包括两类：吸收
损耗和散射损耗。
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吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部 分光能变成热能，造成光功率的损失。
散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射 率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光
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一、 光纤中模式的概念 弱导波光纤中的E和H分布是一种近似的横 电磁波。 1. LP模 弱导波光纤中存在的电磁场模式可近似地 认为是线极化波，用LPmn表示。
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2. 判断某一种模式能否在光纤中传输，一般
是通过光纤归一化频率V值的大小来判断。
由阶跃型光纤场方程可推出
1. 通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种。 (1) 阶跃型光纤 (2) 渐变型光纤
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2. 所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。 模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量 来分，可分为单模光纤和多模光纤。 (1) 单模光纤(SM-Single mode fiber) (2) 多模光纤(MM-Multi mode fiber)
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2.3.2 半导体激光器
一、 半导体激光器的结构 半导体激光器从结构上可分为：同质结半 导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质 结半导体激光器。
二、 1. 阈值特性 2. 3. 4.
人民邮电出版社
现代通信技术
1. 对于半导体激光器，当外加正向电流达到 某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产 生激光振荡，这个电流值称为阈值电流。