第2章光纤传输原理及特性

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第2章光纤通信的基本原理

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17、当有机会获利时，千万不要畏缩不前。当你对一笔交易有把握时，给对方致命一击，即做对还不够，要尽可能多地获取。上午12时3分57秒上午12时3分00:03:5721.10.21
2.1光纤的结构与分类
2.按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模
光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。
2.1光纤的结构与分类
3.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分
布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(GradedIndex Fiber，GIF)，其折射率分布如右图所示。
光纤的折射率分布
2.1光纤的结构与分类
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且 n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。
2n12
n1
2.2光纤传光原理
数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。
NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。

单模光纤的传输原理

单模光纤的传输原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分内容：光纤通信作为一种高速、高带宽、低损耗的传输方式，在现代通信技术中起着至关重要的作用。

而单模光纤作为光纤通信的重要组成部分，由于其较小的传输损耗和较高的传输带宽，在长距离通信和高速数据传输中得到广泛应用。

本文将介绍单模光纤的传输原理。

单模光纤是一种芯径较小的光纤，其传输模式是只允许基础模式传输，能够传输更多的光信号。

相比之下，多模光纤可以传输多种模式，但由于介质折射率不均引起的模式耦合会导致较大的传输损耗和时延扩展，因此在长距离通信中使用多模光纤效果较差。

单模光纤的传输原理基于全内反射。

光信号在光纤芯线内传播时会发生全内反射现象，即光信号总是沿着光纤芯线的中心传播，不会发生偏离和扩散。

这种特性使得单模光纤能够实现高速、高带宽的传输。

同时，单模光纤的传输距离也得到了有效的提升，可以实现数十公里乃至数百公里的长距离通信。

单模光纤的传输原理还包括衍射、色散和损耗等方面。

衍射是光信号在光纤中传播时发生的一种现象，会导致信号的扩散。

色散是光信号在光纤中传播时由于光的折射率随光波长而不同而引起的信号失真现象。

而光纤的损耗则是光信号在传输过程中受到的能量损失，主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。

通过对单模光纤传输原理的深入了解，我们能够更好地理解光纤通信技术的优势和特点，为其应用和发展提供有力支持。

在接下来的内容中，我们将详细介绍单模光纤的结构、性能和应用，并展望其未来在通信领域的发展前景。

1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下编写："1.2 文章结构：本文将按照以下结构进行论述：第2章正文：单模光纤的传输原理2.1 单模光纤简介本节将简要介绍单模光纤的定义、特点以及在通信领域的重要性，以帮助读者对单模光纤有一个初步的了解。

2.2 单模光纤的传输原理本节将详细探讨单模光纤的传输原理，包括光的传播方式、光信号的传输特性以及光纤中的耦合衰减等关键概念。

光纤通信的基本原理和特性介绍

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单模光纤的类型－1
有不同类型的单模光纤，它们按照其衰减范围、色散（CD）值以及模式色散（PMD）系数被分类。ITU-T已经提供了一组标准以便对单模光纤进
光纤的传输特性－衰减
光在光纤中的传输采用三个基本单元：一台发射机，一台接收机以及一个传输媒质，通过此媒质，信号由一端被传送到另一端。光纤的使用在系统中引入了衰减与色散。衰减会增加对发射机功率的要求，以便满足接受的功率要求。而另一方面，色散限制了能够在光纤中传输的数据的带宽。衰减当光信号通过光纤传输时，它的功率电平减少。功率电平的增加以 dB或者每单位距离上的损耗的比率（dB/km）来表示。光纤光谱衰减：光在光纤中传输的两个主要的损耗机制是光吸收与光散射。光吸收由于分子谐振与波长的不纯，光能量被转化为热能，光在光纤材料中被吸收。例如氢与氢氧化物的谐振出现在大约1244 nm与1383 nm。瑞利散射散射，主要是瑞利散射，也会造成衰减。散射引起光能在所有方向上的色散，有些能量跑出光纤纤芯。这一光能中的小部分被返回到纤芯中，被称为后向散射。前向光散射（喇曼散射）与后向光散射（布里渊散射）是两个附加散射现象，它们在高功率条件下出现于光材料内。衰减取决于光纤类型与波长。例如，瑞利散射与波长的四次方称成反比。如果画出一条光纤的吸收光谱与激光器波长的关系曲线，则可以看到光纤的某些特性。下图说明了入射光波长与全部光纤衰减之间的关系。
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光纤通信概论第二章2

光信号传输100公里后的脉冲形状, 加补偿，脉冲宽度为38.23ps：
色散补偿技术一——色散补偿光纤
DCF-Dispersion Compensated fiber
DCF——具有大的负色散的光纤。 DCF是目前使用较普遍和较实用化的一种在线补偿方案，其技术日趋成熟 DCF法是指在标准单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)中插入一段或几段与其色散相反的DCF，传输一定距离后色散达到一定的均衡，从而把系统色散限制于规定范围内 DCF的长度、位置与系统需要补偿色散的量和其自身性能有关。
经过非弹性散射将能量传递给介质或其它波长产生的效应
散射效应
传感分布放大
四波混频(FWM)效应的影响
FWM过程新产生频率的数量=N2(N-1)/2，N为原始信号的频率（波长）数。对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰(同频串扰)，严重影响系统的性能。
四波混频(FWM)效应的影响
制造色散补偿光纤或色散位移光纤的原理！波长(nm)
色散位移
波导色散DW对D的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移
DSF DFF NZ-DSF
光纤分类标准(ITU-T)
G.651 G.652 G.653 G.654 G.655 G.656 多模光纤普通单模光纤(SMF) D=17ps/km/nm@1550nm 色散位移单模光纤 (DSF) 截止波长位移单模光纤（海缆）非零色散位移单模光纤 (NZ-DSF) 低色散斜率NZ-DSF
还有波导效应（波导各区域的折射率不同）……
色散引起的脉冲展宽示意图
色散对信号的影响

光纤通讯的原理

光纤通讯的原理
光纤通信是利用光传输信息的一种信号传输方式。

其基本原理是利用纤维内部的光导纤维，将光信号作为信息的传输介质。

光纤通信主要包括光源、传输介质光纤和接收器三个部分。

光源是产生光信号的装置，一般使用激光器作为光源。

光信号生成后经过调制器对光信号进行模拟或数字信号调制。

调制器可以是电调制器或直接调制器，电调制器通过改变电压变化来调制光强，而直接调制器则根据输入信号的波形直接改变光强。

调制后的光信号通过光纤进行传输。

光纤由一根细而长的玻璃或塑料纤维组成，具有光的全反射特性。

光线在光纤中的传输依靠光的全反射原理，在内部表面发生反射，从而使光信号沿着光纤传输。

由于采用光纤传输，信息的传输距离可以达到数十公里甚至上百公里。

最后，光信号到达接收器后，通过光电转换器将光信号转换为电信号。

光电转换器是一种将光信号转换为电信号的装置。

光电转换器将光信号照射到光电二极管上，产生电流。

电流经过放大、滤波与解调等处理步骤后，得到与原始信号一致的电信号。

光纤通信具有传输速度快、传输容量大、抗干扰能力强等优点，广泛应用于长距离通信、局域网、数据中心等领域。

光纤通信的原理是基于激光光源产生光信号，通过光纤传输，再通过光电转换器将光信号转换为电信号，从而实现信息的传输。

光纤通信技术讲座光纤传输原理特性和应用

1光纤结构和类型光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导,如图1所示。

纤芯材料主要成分为掺杂的5102,含量达99.999%,其余成分为极少量的掺杂剂如Geo:等,以提高纤芯的折射率。

纤芯直径约为8林m一100林m。

包层材料一般也为5102,外径为125林m,作用是把光强限制在纤芯中。

为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性,还在包层外增加一层涂覆层,其主要成分是环氧树醋和硅橡胶等高分子材料。

光能量主要集中在纤芯传输。

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。

根据光纤横截面上折射率的径向分布情况,把光纤可以粗略地分为阶跃型和渐变型两种。

作为信息传输波导,实用光纤有两种基本类型,它们是多模光纤和单模光纤。

图1表示光线在不同种类光纤纤芯中传播的路径由于色散引起的输出脉冲相对于输人脉冲的展宽△:,以及其横截面的折射率分布。

1.1多模光纤可以传播数百到上千个模式的光纤,称为多模(Multimode)光纤。

根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况,又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。

阶跃(51,StepIndex)多模光纤折射率在纤芯n,保持不变,到包层突然变为nZ,如图1(a)所示。

阶跃多模光纤一般纤芯直径Za=50~100林m,光线以曲折形状传播,因光纤色散使输出脉冲信号展宽必丁二)最大,相应的带宽大约只有10MHz·km,通常用于短距离传输。

技术讲座/TEC扭帕LOGYFOR姗色散,所以带宽很宽。

但是随之出现的问题是,因单模光纤芯径很小,所以把光祸合进光纤很困难。

那么是不是制造一种光纤,既没有模间色散,带宽较宽,芯径较大,又使光祸合容易,我们说这就是如图1向所示的渐变折射率多模光纤,简称渐变多模光纤。

我们可以这样理解阶跃多模光纤存在的模间色散,在图1(a)中,代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输,在传输速度相同的情况下(均为c/nl,。

是自由空间光速),到达终点所需的时间也不同。

光纤结构和类型

椭圆芯光纤: 双折射光纤或偏振保持光纤。
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10Gb/s 容量的100km 的超大容量超长距离系统。
对于无损耗光纤，在θmax内的入射光都能在光纤中传输，如图。
光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；
但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。
所以要根据实际使用场合，选择适当的 NA。
四、相对折射率差Δ
n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，
界角）。
光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ端面入射临界角
当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线3。
由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。
半锥角
三、数值孔径
根据这个传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为：
g为折射率分布指数
g→∞， (r/a)→0的极限条件下，表示突变型多模光纤的折射率分布；
g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。
具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小
渐变型光纤折射率按平方律(抛物线)分布:
n(r
)
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。

光纤传输知识点总结

光纤传输知识点总结一、光纤传输的基本原理光纤传输的基本原理是利用光的全内反射特性进行信号的传输。

当光线进入光纤时，如果入射角小于临界角，光线就会被完全反射在光纤的内壁上，不会发生透射。

由于光的速度很快，因此通过光纤的传输速度也非常快。

在光纤传输过程中，光信号会在光纤中不断地进行全内反射，达到信息传输的目的。

二、光纤的特点1. 带宽大：由于光的波长较短，因此光纤的带宽远远大于传统的铜线传输。

2. 传输速度快：光的传输速度非常快，因此光纤传输的速度也非常快，是传统电信号传输的数倍甚至数十倍。

3. 抗干扰能力强：光信号在光纤中传输时，不会受到外界电磁干扰的影响，因此光纤传输的抗干扰能力非常强。

4. 传输距离远：由于光的传输损耗小，因此光纤传输可以实现更远距离的信号传输。

5. 体积小、重量轻：与传统的电缆相比，光纤具有较小的体积和重量，便于安装和维护。

三、光纤传输系统的结构光纤传输系统主要由光源、光纤、光接收器组成。

光源可以是激光、LED等发光器件，发出的光信号通过光纤传输到目标地点，然后被光接收器接收并转换成电信号。

在实际应用中，光纤传输系统通常还包括光纤放大器、光纤复用器、光纤解复用器等辅助设备，以及光纤连接器、光纤延长器等光纤配件。

四、光纤传输的应用1. 通讯领域：光纤传输在通讯领域得到了广泛的应用，包括电话通讯、数据传输、因特网接入等。

光纤传输的高速、大带宽特性，使其成为现代通讯系统的重要组成部分。

2. 电视信号传输：光纤传输可以实现高清晰度、高质量的电视信号传输，能够满足用户对高品质影视娱乐的需求。

3. 医疗领域：在医疗影像诊断和手术中，常常需要传输大量的影像数据。

光纤传输的高速、大带宽、抗干扰能力强的特性，使其成为医疗领域的首选传输介质。

4. 工业自动化：自动化生产线通常需要大量的传感器和执行器进行数据传输和控制，光纤传输可以满足这些设备的高速、抗干扰的需求。

5. 军事领域：光纤传输在军事通讯、雷达系统、导航系统等领域得到了广泛的应用，其高速、高可靠性的特性可以满足军事通讯的各种需求。

第二章光纤与光缆

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波动方程的求解
运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处理，可得
d 2Ez dr2

1 r
dEz dr
(n2k2 0

2

m2 r2
)Ez

0
d 2Hz dr 2

1 r
dH z dr
(n2k 2 0
2

m2 r2 )Hz
0
上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角绕一圈场变化的周期数。
23
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
24
2.2 光纤传输原理
2.2.1 射线光学分析方法 2.2.2 波动光学分析方法
25
★光的传输理论
光纤的三个基本性能指标
（1）定义临界角θc的正弦为数值孔径 (Numerical
Aperture, NA)
物理意义：数值孔径反映了光纤的集光能力，值越大，集光能力越强。
2.1.3 光纤制造工艺
改进的化学汽相沉积法(MCVD) 轴向汽相沉积法(VAD) 棒外化学汽相沉积法(OVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)
19
光纤接续方法
□ 永久接续法 □ 连接器接续法
20
2.1.4 光缆及其结构
光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。
单模光纤多模光纤
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单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a

光纤维知识点归纳总结

光纤维知识点归纳总结一、光纤的基本原理光纤传播的基本原理是全反射原理。

光在光纤中的传播是由于光在光密介质与光疏介质之间反射所致。

当光线入射在两种介质交界面上，发生的折射和反射是由折射率决定的。

而光纤通过改变折射率的设计，使得当光线沿着光纤传输时，不会发生漏光，从而保证了光信号的传输。

二、光纤的结构光纤通常由芯、包层和外护套组成。

芯是光纤传输光信号的主体，包层用于约束和保护光信号，外护套则用于保护光纤本身以及增强其机械性能。

光纤的结构设计与材料的选择对光信号的传输性能有着重要的影响。

三、光纤的类型根据光纤芯和包层的折射率，可以将光纤分为单模光纤和多模光纤。

单模光纤是指在光纤芯中只有一条光路，适用于远距离通信和高速数据传输；多模光纤是指光纤芯中存在多条光路，适用于短距离通信和局域网传输。

另外，光纤还可根据其传输性能和应用环境的不同分为标准单模光纤、非标单模光纤、高分子光纤等类型。

四、光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括传输损耗、色散、非线性效应等。

传输损耗是指光信号在光纤传输过程中损失的能量，主要包括吸收损耗、散射损耗、泄漏损耗等。

色散是指光信号在光纤中传播速度与光波长有关，从而引起信号失真的现象。

非线性效应是指光信号在光纤中传播过程中出现的非线性光学效应，如光子效应、拉曼效应等。

五、光纤的应用光纤在通信领域被广泛应用，包括长距离传输、城市通信、局域网、光纤传感等。

同时，光纤还在医学、军事、工业、科研等领域也有着重要的应用，如光纤传感器、激光器、光纤放大器等。

光纤作为一种重要的光学传输介质，在信息通信、光电子技术、生物医学、制造技术等众多领域都有着重要的应用价值。

通过了解光纤的基本原理、结构、类型、传输特性和应用，我们可以更深入地理解光纤技术的发展和应用前景。

希望本文对大家有所帮助，欢迎指正补充。

光纤传输特性实验实验报告

光纤传输特性实验实验报告实验报告：光纤传输特性实验一、实验目的1. 了解光纤传输的基本原理和特性；2. 掌握光纤传输信号损耗的测量方法；3. 了解光纤覆盖层的保护作用和光纤附加噪声。

二、实验仪器1. 光纤传输箱；2. 光纤光源；3. 光纤接收仪；4. 光纤带宽检测装置；5. 光源电源。

三、实验原理1. 光纤传输基本原理：光纤传输是利用光在纤维中的反射和折射来传输信息的一种方式。

光纤由纤芯、包层和裸露纤芯组成，光信号通过射入纤芯，然后沿着纤芯的光轴传播。

纤芯是光传输的核心，包层则用于保护光传输中的信号。

2. 光纤传输信号损耗的测量方法：光纤传输中的信号衰减主要包括衰减损耗和连接损耗。

衰减损耗是指光信号沿光纤传输中由于各种原因所导致的信号强度的损失。

连接损耗是指光纤之间的连接所带来的光信号损失。

测量光纤传输中的信号损耗常用的方法是利用光纤接收仪读取光源发出的光强度，然后与光源发出的光强度进行比较，计算信号损耗。

3. 光纤覆盖层的保护作用：光纤的包层主要用于保护光纤的传输信号，减少信号损耗。

光纤的包层一般由石英、聚合物等材料构成，具有较高的折射率，能够使光信号在纤芯中传播时发生全内反射。

同时，包层还能够阻止外界的干扰信号进入纤芯中。

4. 光纤附加噪声：光纤传输过程中，会产生一些附加噪声，如光源的热噪声、光纤中的射频噪声等。

这些噪声会对信号的传输质量产生影响。

因此，为了保证光纤传输信号的质量，需要对光纤信号进行接收时进行噪声的抑制。

四、实验步骤1. 打开光纤传输箱，接通光纤光源和接收仪的电源；2. 将纤芯连接器插入光纤光源的输出接口，将接收仪的接收端与纤芯接收端连接；3. 在光纤光源仪器上设置输出功率为一定的数值，如10mW；4. 使用光纤带宽检测装置测量光纤传输的带宽；5. 测量信号损耗，调整光源的输出功率，记录不同功率下的信号强度；6. 记录实验数据。

五、实验结果分析1. 光纤传输的信号损耗：根据实验数据计算出不同功率下信号的损耗率，并观察信号损耗与功率之间的关系；2. 光纤传输的带宽：根据光纤带宽检测装置的测量结果，计算出光纤的带宽范围；3. 光纤传输的附加噪声：观察实验数据中的噪声情况，并分析噪声对信号传输的影响。

光纤通信(朱宗玖)第二章

2. 按光纤截面上折射率分布分类
按照折射率分布来分，一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。其折射率分析图如图2.2所示。
图2.2 阶跃型和渐变型光纤折射率分布图
(1) 阶跃型光纤如果纤芯折射率(指数)沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。这种光纤一般纤芯直径为 50—80μm，特点是信号畸变大。它的结构如图2.2(a)所示。
V 2πa

n n
2 1
2 2
(2-24)
对于光纤传输模式，有两种情况非常重要，一种是模式截止，另一种是模式远离截止。
(1) 模式截止当(wr/a)→∞, Kv(wr/a)→exp(-wr/a)，要求在包层电磁场为零即exp(-wr/a)→0，必要条件是 w>0 。若 w<0 ，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。
根据式
NA n0 sin 0 sin 0
sin 0 n n
2 1 2 2
可知，
对于弱导光纤，有n1≈n2，此时：
(n1 n2 ) / n1
sin 1 n1 2
式中Δ为相对折射率指数差。
光纤的数值孔径 NA 仅决定于光纤的折
射率n1和n2，与光纤的直径无关。
电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界面连续，在r=a处应该有 Ez1=Ez2 Hz1=Hz2 (2-20) Ef1=Ef2 Hf1=Hf2 由Ef和Hf的边界条件导出β满足的特征方程为
2 (u ) J v (u ) Kv KV n12 J V n 1 1 1 2 1 1 [ ][ 2 ] v ( 2 2 )( 2 2 2 ) uJ v (u ) wK (W ) n2 uJ v ( w) wk v ( w) u w n2 u w

光纤传输原理及特性

射线上任一点符合以下关系：
n<r0>cosθz0=n<r>cosθz 在转析点A处,射线与光纤轴平行,则 cosθz=1, n<r>=n2, n2为包层的折射率
n<r0>cosθZ0=n2, cosθz0=n2/n<r0> <2>数值孔径NA<r>? 设θz0所对应φ为最大入射角
sinφ=n<r0>sinθz0
第2章光纤传输原理及传输特性
本章内容提要：光纤和光缆的结构与类型光纤的传输原理分析光纤的结构参数<光学和几何特性> 光纤传输特性光纤的非线性效应光纤的机械与温度特性
2.1 光纤和光缆的结构及类型
光纤与光缆的结构光纤？光缆？
所谓"光纤"就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导,它引导光能沿着轴线平行方向传输.
在1 550 nm工作波长衰减系数和色散系数均最小。主要用于长距离、高速率，如10 Gbit/s以上系统，其缺点是易受非线性影响，并产生较严重的四波混频效应（FWM），它不支持波分复用系统
在1 550 nm波长衰减系数最小，抗弯曲性能好。主要用于长距离海底系统
在1 550 nm处有低色散保证，有抑制FWM等非线性效应，使得其能用在 EDFA和DWDM系统，传输速率在10 Gbit/s以上
表2.1 各种光纤适用范围
光纤类型 G.651光纤 G.652光纤
G.653光纤 G.654光纤 G.655光纤
G.656光纤
DFF光纤 DCF光纤
适用范围
工作在850 nm的短波长窗口，对于四次群以下的光纤通信系统较为实用。常用于局域网和数据链路
在1 310 nm波长性能最佳，是目前应用最广泛光纤。主要应用在1 310 nm 波长区开通长距离622 Mbit/s及其以下系统，在1 550 nm波长区开通2.5 Gbit/s，10 Gbit/s和n×2.5 Gbit/s波分复用系统

光纤通信材料PPT课件

s子
斜
tan 2a cos
子 cos
说明: 斜光线和子午光线在光纤中的光路长度相
同; 而斜光线的全反射次数总比子午光线的多,
它和轴倾角密切相关.
可编辑版课件
14
P
P
n2 r
n1
n1
Q (a)
rt
P
r
n2 P
Q n1
Q
n2 Q (b)
图阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径 (a) 子午光线的锯齿路径；(b) 偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。
24
损耗的机理
1. 吸收损耗吸收损耗分本征吸收、杂质吸收。
(1) 本征吸收本征吸收来自基质材料电子跃迁和分子振动产生的
吸收。 (2) 杂质吸收
杂质吸收是由于材料不纯造成的，主要来源于材料中的金属离子(Cu+、Cr+、Fe+、Co+等)和氢氧根(OH-)。在制作过程中，必须对原材料进行严格的化学提纯。
第三步:缩棒. 加热石英玻璃管(1700~1900C), 使之
塌陷, 收缩成一要实心棒, 称为预制棒.
波导色散: 传播常数随入可编射辑光版课波件长不同而变化
30
4. 色散的表征群时延|
0v 1 gd d d d 0(0) d d2 2 0
色散或脉冲展宽的量度
（1）最大群时延的差(阶跃光纤中子午光线的传播)
m am x a m x i c n sL i c /n n 1 c / L n 1 n L 1 c n 1 n 2 n 2 n 1 L c
梯度折射率光纤中光线的传播轨迹与纤芯折射率分布有关。
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四、光纤的特性参数

光纤的特点及其原理介绍

光纤的特点及其原理介绍光纤是一种通过光信号进行信息传输的传输介质，具有以下特点：1.高带宽：光纤传输带宽远远高于传统的铜质电缆，可以同时传输大量的数据信号。

2.长传输距离：光纤传输的衰减非常小，在传输距离上远大于铜质电缆，可以覆盖更广泛的区域。

3.抗干扰能力强：光纤传输不受电磁干扰影响，可以在高电压、强电场和强磁场等环境下稳定传输。

4.体积小、重量轻：与传统的铜质电缆相比，光纤可以大大减少传输设备的体积和重量，方便安装和维护。

5.安全性高：光纤传输的光信号难以窃听和干扰，提供了更高的传输安全性。

6.灵活性好：光纤具有较大的弯曲半径和柔韧性，可以适应复杂的网络布线环境。

光纤传输的基本原理是基于光的全反射效应。

光是一种电磁波，在光密介质（如玻璃）与光疏介质（如空气）之间传播时，当入射角大于临界角时，光会发生全反射，完全被反射回原介质内部。

光纤由两部分构成：光纤芯和包层。

光纤芯是传输光信号的中心部分，一般由高纯度的玻璃或塑料制成。

包层则是用来反射光信号的辅助层，一般由折射率较低的材料制成。

光纤传输的过程如下：1.发光器：发光器将电信号转化为光信号，发射到光纤芯中。

2.光信号传输：光信号沿着光纤内部的纤芯进行传输，通过不断发生全反射而在光纤中保持传播。

3.接收器：光信号到达目的地后，通过接收器将光信号转化为电信号。

在光纤传输过程中，还存在着一些衰减和失真的现象，主要包括：1.光衰减：光信号在光纤中传播时会发生衰减，衰减主要由光纤本身的材料和结构等因素引起。

2.线性色散：不同频率的光信号在光纤中传输速度不同，导致信号畸变。

3.模式间色散：由于纤芯的不规则形状，不同传输模式的光信号传播速度不同，也会导致信号畸变。

为了克服这些问题，光纤传输系统中通常会采用增强技术，如：1.信号放大器：使用光放大器对衰减的光信号进行放大，使其能够更远距离传输。

2.色散补偿：通过在光纤中引入特定的材料和结构，减少线性和模式间色散，保持信号的准确传输。

第2章光波在光纤波导中传输

光从玻璃入射到空气
tan p
n2 n1
1.5
（2）外反射
光从空气入射到玻璃
p 56.3o
tan p
n1 n2
0.667
p 33.7o
全反射与速逝波
r
cos i cos i
n2 sin 2 i n2 sin 2 i
r//
Ero // Eio //
(n2 sin2 i )1/2 n2 cosi (n2 sin2 i )1/2 n2 cosi
电场
r
磁场
r//
平行分量没
有p 反射 c
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
入射角 i (度 )
全反射
180 150
120
相 90
位变
60
化 30
(度) 0
-30
-60
-90
-120
-150 -180
n1 1.44 电场
n2 1.00
p
c
磁场
//
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
平面变成了在稀疏介质中的虚平面。
全反射时反射光线在界面横移了z（古斯-汉森相移）
z 2 tani
i c
y
E
消逝波
C B A
光学隧道效
n1 n2
应透射光 kt
n1 n2 n1
穿透深度
ki 入射光
kr 反射光
全反射情况下，当减小介质B的厚度足够薄时消逝波穿透介质B，出现在介质C。
这种反射光被部分透射出去的现象称为光学隧道效应（Optical Tunneling）。
i c n2 sin 2 i 0

二、光纤传输基本理论

霍兹方程进行空间坐标纵、横分离，令 x, y, z x, y eiz
•上式代入亥姆霍兹方程(2-4)式，得
2 2 2 2 2 2 x , y x , y x , y x, y 0 t 2 z
模式场分量与纵横关系式
模式的场矢量 Ex, y, z 和 H x, y, z 具有六个场分量:
Ex , Ey , Ez 和 H x , H y , H z (或 Er , E , Ez 和 Hr , H , H z )。只
有当这六个场分量全部求出方可认为模式的场分布唯
一确定。但实际上这并不必要。因为场的横向分量可
• 几何光学中，光线定义为等相面的法线。一般情况下，麦克斯韦的试探解可以写成振幅与相位的形式

2 5
式中， t2是横向拉普拉斯算符，与分别是横向与纵向传播常数。 (2-5)式中的 x, y 可以分别代表 E 和 H 的横向场分布，即有 2 E x, y 2 E x, y
t 0 H x, y H x, y
• U和W是场的横向传播常数；
• U反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率； • W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度，其值越大衰减越快。 • 还可以看到U，W和V满足如下关系
V 2 U 2 W 2
• 归一化频率
模式分析时的一个重要参量：光纤的归一化频率
V 2
2 a n12 n2 k0 an1 2
2 6
上式就是光纤波导中光传播时遵从的波导场方程。这是波动理论方法的最基本方程。显然，它也是一个典型的本征方程。当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可得本征解及相应

光纤光学第三版

光纤光学第三版第一章：光纤光学的基本概念光纤光学是一门研究光在纤维中传播和控制的学科。

随着信息技术的发展，光纤光学在通信、传感、医疗等领域得到了广泛的应用。

本章将介绍光纤光学的基本概念，包括光的传播特性、光纤的结构和制备方法等。

1.1 光的传播特性光是一种电磁波，具有波粒二象性。

在光纤中，光的传播遵循光的折射定律和反射定律。

光在光纤中的传播速度取决于光的频率和光纤的折射率。

1.2 光纤的结构光纤是由芯、包层和包覆层组成的。

芯是光信号传输的核心部分，包层用于控制光的传播，包覆层用于保护光纤。

光纤的结构对光的传播特性有重要影响。

1.3 光纤的制备方法光纤的制备方法包括拉制法、外延法和化学气相沉积法等。

拉制法是目前最常用的方法，它通过加热和拉伸光纤预制材料来制备光纤。

第二章：光纤的传输特性光纤的传输特性是指光在光纤中传播过程中的损耗、色散和非线性效应等。

本章将介绍光纤的传输特性及其对光信号传输的影响。

2.1 光纤的损耗光纤的损耗是指光在光纤中传播过程中能量的损失。

主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。

降低光纤的损耗是提高光纤传输效率的关键。

2.2 光纤的色散光纤的色散是指光在光纤中传播过程中不同频率的光信号传播速度不同所引起的现象。

主要包括色散的类型、原因和补偿方法等。

2.3 光纤的非线性效应光纤的非线性效应是指光在光纤中传播过程中由于光的强度变化而引起的非线性光学现象。

主要包括自相位调制、受激拉曼散射和自发参量过程等。

第三章：光纤通信系统光纤通信系统是利用光纤传输光信号进行信息交换的系统。

本章将介绍光纤通信系统的基本原理和组成部分。

3.1 光纤通信系统的基本原理光纤通信系统的基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤传输光信号，再将光信号转换为电信号进行信息传输。

3.2 光纤通信系统的组成部分光纤通信系统由光源、光纤、光接收器和信号处理器等组成。

光源产生光信号，光纤传输光信号，光接收器接收光信号并转换为电信号，信号处理器对电信号进行处理。