第二章 光纤传输特性
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光纤的特性课件
31
光纤的制造－预制棒法
相似折射率分布的直径 2cm左右，长1m预制棒，再拉成 长度10km，0.125mm细直径的光纤。特点是可制造折射 率分布复杂的光纤。
32
光纤的制造－预制棒法
33
k0n
2n 0
2f 2c
0
g
d d
d d0
d0 d
2n 02
2 0
dn
•
0
2
d0 2c
1 c
n
0
dn
d 0
ps/nm
10
材料色散参量
m
L g
L Vg
m (0 ) m (0 ) L g 0 g 0
0
c
d2 n
d 02
0 L
偏振态改变 发生偏振色散 保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤
26
偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由 Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到
1 c
d
dk
1 c (nx
ny )
27
保偏光纤(PMF)
双折射参量的定义
BF
X Y
k0
0
X Y 2
传输相位差
L ( X Y ) L
28
用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτn ——模式色散； Δτm——材料色散； Δτw ——波导色散 所引起的脉冲展宽的均方根值。 8
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
d d
9
光纤内的群延时
M L
光纤的制造－预制棒法
相似折射率分布的直径 2cm左右，长1m预制棒，再拉成 长度10km，0.125mm细直径的光纤。特点是可制造折射 率分布复杂的光纤。
32
光纤的制造－预制棒法
33
k0n
2n 0
2f 2c
0
g
d d
d d0
d0 d
2n 02
2 0
dn
•
0
2
d0 2c
1 c
n
0
dn
d 0
ps/nm
10
材料色散参量
m
L g
L Vg
m (0 ) m (0 ) L g 0 g 0
0
c
d2 n
d 02
0 L
偏振态改变 发生偏振色散 保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤
26
偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由 Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到
1 c
d
dk
1 c (nx
ny )
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保偏光纤(PMF)
双折射参量的定义
BF
X Y
k0
0
X Y 2
传输相位差
L ( X Y ) L
28
用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτn ——模式色散； Δτm——材料色散； Δτw ——波导色散 所引起的脉冲展宽的均方根值。 8
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
d d
9
光纤内的群延时
M L
第二章 光纤传输的基本理论
分
形 式
E 电场强度矢量 H 磁场强度矢量 D 电位移矢量
磁感应强度矢量
D dS dV B
B dS 0
S
S
J 传导电流密度矢量
式中，D E；B H ；，分别为介质的介电常数 和磁导率。
是自由电荷体密度。
1
a
2 3
o1z源自图 2.2.3 光纤中的子午光线
图中n１、n２分别为纤芯和包层的折射率。要使光完全限制在光纤 内传输，光线在纤芯包层分界面上的入射角 须满足： 。 即：
n2 n2 sin 0 ， 0 arcsin( ) n1 n1 n2 2 ) n1
0
或 sin 0 1 (
x 包层n 2 r 纤芯n 1
z
y
图 光纤中的圆柱坐标
E ( H )各分量的含义
Ez ( H z )： 光纤轴（纵）向分量
r x
Er ( H r )：光纤端面径向分量
E ( H )：光纤端面沿圆周方向分量
y
z
1 E 2 E ( E ) 0 2 (3) t (3)、(4)的解为 2 1 H 2 H ( ) H 0 2 (4) t E (r , , z, t ) E (r , ) exp[ j (t z )] (5) H (r , , z, t ) H (r , ) exp[ j (t z )] (6)
2
1 E 2 E ( E ) 0 2 (3) t 2 1 H 2 H ( ) H 0 2 (4) t
第二章 光纤传输理论及传输特性ppt课件
2
第二章 光纤传输理论及传输特性
2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 2.3 阶跃折射率光纤模式分析 2.4 单模传输 2.5 射线光学理论 2.6 光纤传输特性
3
2.1 光纤、光缆的结构和类型
2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤型号 2.1.3 光缆及其结构
4
n r
22
麦克斯韦方程推出波动方程
对2-1式两边取旋度：
E E 00 t (2 tE 2 H )
利用矢量 恒等式 E ( E ) 2 E
有 2E 0 2 tE 2 ( E ) 由2-4式得 D ( E ) E E 0
EE
光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用 大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字 和小写字母表示不同种类光纤。见表2-1及表2-2。
12
表2-1 多模光纤类型
类型 A1a A1b A1c A1d A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b A4c
折射率分布 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率
需要指出的是，这里重点是理解分析和推导 的思路和方法，而不是具体的过程。
20
2.2.1 麦克斯韦方程组和波动方程
微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场
矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可
表示如下：
EB
（2-2）
H
t D
（2-3）
t
D0
（2-4）
B0
（2-5）
光纤通信与数字传输B
第二章 光纤传输理论及传输特性
2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 2.3 阶跃折射率光纤模式分析 2.4 单模传输 2.5 射线光学理论 2.6 光纤传输特性
3
2.1 光纤、光缆的结构和类型
2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤型号 2.1.3 光缆及其结构
4
n r
22
麦克斯韦方程推出波动方程
对2-1式两边取旋度：
E E 00 t (2 tE 2 H )
利用矢量 恒等式 E ( E ) 2 E
有 2E 0 2 tE 2 ( E ) 由2-4式得 D ( E ) E E 0
EE
光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用 大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字 和小写字母表示不同种类光纤。见表2-1及表2-2。
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表2-1 多模光纤类型
类型 A1a A1b A1c A1d A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b A4c
折射率分布 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率
需要指出的是，这里重点是理解分析和推导 的思路和方法，而不是具体的过程。
20
2.2.1 麦克斯韦方程组和波动方程
微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场
矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可
表示如下：
EB
（2-2）
H
t D
（2-3）
t
D0
（2-4）
B0
（2-5）
光纤通信与数字传输B
《光纤通信第二章》PPT课件
co m p o n en ts
num erical solving
精选ppt
β mn
37
1. 波动方程和电磁场表达式
设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是
角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jωt)，则标量
波动方程为
T2EK2E0
(2.30)
T2HK2H0
(2.31)
精选ppt
24
2.光纤传输原理
精选ppt
25
2.1 光纤的射线光学传输理论
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。
光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层 Clad)＋涂覆层
树脂被覆层 包层
芯
n n 特点： core> clad 光在芯和包层之间的界面上反复
进行全反射，并在光纤中传递下去。
11
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。
17ps/nm.km
G.652
20
EDFA
10
频带 G.653
0
-10
-20
1300
1400
波长(nm)
1500
1600
1700
衰减 (dB/km) 色散(ps/nm.km)
精选ppt
13
传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤
光纤通信概论第二章2
线性与非线性
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输 入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时 间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
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材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输 入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时 间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
3第二章 (2)光纤的传输特性
吸收损耗 原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构 的不完整造成。 非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离 子 (OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗。 本征吸收损耗：由制造光纤材料本身 (如 SiO2) 的特性所决定，包括紫外吸收、红外 吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收。
Ex
光传播方向 k z
光纤吸收损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤
几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较
OH－
0.154 dB/km
散射损耗
光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上 的不完善，会发生散射现象。 瑞利散射：尺度小于光波长的材料密度的不均匀对 入射光产生的本征散射，短波长的光容易发生这种散 射 [造成原因]—分子密度分布不均匀；掺杂分子导致折 射率不均匀 波导散射：由波导缺陷导致的散射 [造成原因]—纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀 以及残留气泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工艺 基本可以克服波导散射） 本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
原子缺陷吸收
在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励造成结构的 不完善或在使用时暴露在强粒子的光辐射下将会发生某个共价 键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生 振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630 nm 左右。
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
非本征吸收
D ( )
2c
2
2
ps/(km· nm)
正色散、负色散和零色散
1. 色散系数D为正：负色散
v高频光 > v低频光
2. 色散系数D为负：正色散
v高频光 < v低频光
3. 色散系数D为零：零色散
《光纤通信》第二章讲课提纲
《光纤通信》第二章光纤光缆讲课提纲浙江传媒学院 陈柏年一、光纤（Fibel ）：圆柱形介质光波导，作用是引导光能沿着轴线平行方向传输。
1、导光波（guided wave ）：光纤中携带信息、由纤芯和包层的界面引导前进的光波。
2、光纤的传导模：在光纤中既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束。
3、光纤的三层结构：（1）纤芯（core ），（2）包层（coating ），（3）涂覆层（jacket ）：包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。
纤芯折射率为n 1，包层折射率为n 2，纤芯包层相对折射率差121n n n -D =4、光纤的分类：有多种分类的方法。
（1）按照光纤截面折射率分布：SIF （小容量、短距离，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输），GIF （中等容量、中等距离，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输）、双包层光纤（色散平坦光纤DFF 、色散移位光纤DSF ）、三角芯光纤（非零色散长距离光纤）；（2）按照光纤中传输模式数量：MMF ，SMF （光线以直线形状沿纤芯轴线方向传输）；（3）按照按光纤的工作波长：短波长（850 nm ）光纤，长波长（1310 nm 、1550 nm ）光纤；（4）按套塑（二次涂覆层）：松套光纤，紧套光纤。
二、光的两种传输理论（一）光的射线传输理论1、几何光学方法：基于射线方程，依据光线的斯奈耳反射定律和折射定律，研究光线的运动轨迹。
2、光纤的几何导光原理：光纤是利用光的全反射特性导光；3、突变型折射率多模光纤主要参数：（1）光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。
光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。
（2）光纤的临界角θc ：只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内的光束才能在光纤中传播。
（3）数值孔径NA ：入射媒质折射率与最大入射角（临界角）的正弦值之积。
与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。
它表示光纤接收和传输光的能力， NA 通常为0.18～0.23。
第二章 光纤传输理论及特性
26
2.5.2 光纤的传光原理
3．自聚焦透镜（补充）
G-Lens工作原理
光纤通信
C-Lens Vs. G-Lens *打破日本NSG自聚焦透镜长达10年的专利垄断 *发明者：大学新秀----罗勇（原长春精密光学机械学院） 1998年，罗勇在福建华科公司提出对普通的透镜基础上加以改 进，从而取代自聚焦透镜的设想, 于1999年末通过了国际Bellcore
图2-3 光纤的折射率分布
8
2.1 光纤的结构和类型
如图2-5和图2-6所示。
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
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播
9
2.1.2 光纤的分类
1．单模与多模光纤
光纤通信
传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何 尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 轨迹进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。
聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光 纤可以在套管中自由活动。
图2-2 套塑光纤结构
7
2.1 光纤的结构和类型
2．光纤的折射率率分布情况。
光纤通信
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。
度（光线时延）、模场分布、传输损耗、畸变、偏振特性等； 研究方法 *粒子说：射线光学（几何光学），解释反射、折射，适用 大 尺寸光学现象----多模光纤。
*波动说：波动理论（波动光学），解释干涉、衍射现象，
适用小尺寸光学现象-----单模光纤。
3
2.1 光纤、光缆的结构和类型
2.5.2 光纤的传光原理
3．自聚焦透镜（补充）
G-Lens工作原理
光纤通信
C-Lens Vs. G-Lens *打破日本NSG自聚焦透镜长达10年的专利垄断 *发明者：大学新秀----罗勇（原长春精密光学机械学院） 1998年，罗勇在福建华科公司提出对普通的透镜基础上加以改 进，从而取代自聚焦透镜的设想, 于1999年末通过了国际Bellcore
图2-3 光纤的折射率分布
8
2.1 光纤的结构和类型
如图2-5和图2-6所示。
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
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播
9
2.1.2 光纤的分类
1．单模与多模光纤
光纤通信
传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何 尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 轨迹进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。
聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光 纤可以在套管中自由活动。
图2-2 套塑光纤结构
7
2.1 光纤的结构和类型
2．光纤的折射率率分布情况。
光纤通信
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。
度（光线时延）、模场分布、传输损耗、畸变、偏振特性等； 研究方法 *粒子说：射线光学（几何光学），解释反射、折射，适用 大 尺寸光学现象----多模光纤。
*波动说：波动理论（波动光学），解释干涉、衍射现象，
适用小尺寸光学现象-----单模光纤。
3
2.1 光纤、光缆的结构和类型
光纤传输理论及特性
光纤传输不受电磁干扰，信号衰减缓慢，可确保数据传输的安全性和 稳定性。
光纤技术在传感领域的应用
光纤传感器
利用光纤的传光特性，可实现温度、压力、位移等物理量的测量， 具有高灵敏度、抗干扰能力强等优点。
分布式光纤传感器
通过分析光纤中传输光的特性变化，可实现大范围、连续的物理量 监测，广泛应用于石油、天然气等领域的管道监测。
为光纤通信技术的发展开辟新的道路。
03
光量子通信
利用量子力学原理实现信息传输，具有高度保密性和不可窃听性，是未
来通信技术的发展方向之一。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
04 光纤通信系统
光源与光发送机
光源类型
激光二极管（LD）、发光二极管 （LED）等，用于产生光信号。
调制方式
直接调制和间接调制，根据不同的 调制方式，光源输出的光信号会有 不同的频率和幅度。
光源性能
输出光功率、光谱宽度、波长稳定 性等，对光纤传输系统的性能有重 要影响。
光检测器与光接收机
光检测器类型
散射损耗
由于光纤内部结构的不规则或杂质引起的光信号 散射，导致光信号的减弱。
弯曲损耗
光纤弯曲时，光信号在弯曲处发生散射和反射， 导致光信号的损耗。
光纤的色散特性
材料色散
由于光纤材料对不同波长 的光信号折射率不同，导 致不同波长的光信号传播 速度不同。
波导色散
由于光纤内部结构对光信 号的约束作用，导致不同 波长的光信号传播速度不 同。
核心网
负责高速、大容量的数据传输，连接各大城市和国家。
汇聚网
将核心网的数据传输到各个区域，实现区域内的数据交换。
接入网
负责将数据传输到最终用户，提供宽带接入服务。
光纤技术在传感领域的应用
光纤传感器
利用光纤的传光特性，可实现温度、压力、位移等物理量的测量， 具有高灵敏度、抗干扰能力强等优点。
分布式光纤传感器
通过分析光纤中传输光的特性变化，可实现大范围、连续的物理量 监测，广泛应用于石油、天然气等领域的管道监测。
为光纤通信技术的发展开辟新的道路。
03
光量子通信
利用量子力学原理实现信息传输，具有高度保密性和不可窃听性，是未
来通信技术的发展方向之一。
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感谢您的观看
04 光纤通信系统
光源与光发送机
光源类型
激光二极管（LD）、发光二极管 （LED）等，用于产生光信号。
调制方式
直接调制和间接调制，根据不同的 调制方式，光源输出的光信号会有 不同的频率和幅度。
光源性能
输出光功率、光谱宽度、波长稳定 性等，对光纤传输系统的性能有重 要影响。
光检测器与光接收机
光检测器类型
散射损耗
由于光纤内部结构的不规则或杂质引起的光信号 散射，导致光信号的减弱。
弯曲损耗
光纤弯曲时，光信号在弯曲处发生散射和反射， 导致光信号的损耗。
光纤的色散特性
材料色散
由于光纤材料对不同波长 的光信号折射率不同，导 致不同波长的光信号传播 速度不同。
波导色散
由于光纤内部结构对光信 号的约束作用，导致不同 波长的光信号传播速度不 同。
核心网
负责高速、大容量的数据传输，连接各大城市和国家。
汇聚网
将核心网的数据传输到各个区域，实现区域内的数据交换。
接入网
负责将数据传输到最终用户，提供宽带接入服务。
《光纤传导原理与技术》课程标准
《光纤传导原理与技术》课程标准一、课程简介光纤传导原理与技术课程是一门涉及物理学、光学、电子学等多个领域的综合性课程。
本课程旨在帮助学生了解光纤的基本原理和技术，掌握光纤在通信、传感、医疗等领域的应用，培养学生对现代科技领域的兴趣和发展潜力。
本课程将在校内进行，以课堂教学和实验操作相结合的方式进行。
二、教学目标1.了解光纤的基本结构和性质，如光线在光纤中的传播模式、色散效应等。
2.掌握光纤的制造技术和工艺，包括光缆的生产流程、光纤传输质量的评估等。
3.了解光纤在通信、传感、医疗等领域的应用和发展趋势，培养学生对现代科技领域的兴趣。
三、教学内容与安排第一章：光纤基础1.光纤的定义和基本结构2.光纤的材料和制造工艺3.光线在光纤中的传播模式和色散效应第二章：光纤传输特性1.光纤传输损耗和带宽特性2.光纤传输质量的评估指标3.光纤的稳定性问题第三章：光纤通信技术1.光纤通信系统的基本组成和工作原理2.光信号的调制和解调技术3.光纤通信网络的发展和应用前景第四章：光纤在各领域的应用1.光纤在通信领域的应用和优势2.光纤在传感领域的应用和原理3.光纤在医疗领域的应用和前景第五章：实验操作1.实验器材准备：认识光纤实验设备，了解实验操作流程。
2.实验操作：制作简单的光纤传输实验装置，进行光信号在光纤中的传输实验，评估实验结果。
3.实验报告：整理实验数据和结果，撰写实验报告。
四、教学方法与手段本课程将采用多种教学方法和手段，包括课堂教学、实验教学、案例分析、小组讨论等。
教师将注重引导学生主动思考、动手实践，培养学生独立思考和创新的能力。
教学手段将充分运用现代科技，如利用多媒体教学、网络资源等，使学生能够更加全面、生动地了解和学习相关知识。
同时，教师将鼓励学生参与学术研究、实践活动，提高学生对本领域的兴趣和深入了解的能力。
五、评估方式本课程的评估方式包括以下方面：1.课堂表现：包括参与课堂讨论、回答问题等。
2.实验报告：包括实验数据记录、分析等。
第2章光纤的特性1
念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的 光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗 系 数 ， 单 位 是 dB/km。 用 数 学 表 达 式 表
示为：
2019/9/30
式中：L为光纤长度，以km为单位；P1 和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以 mW或μW为单位。
2019/9/30
光纤损耗的来源
D＝17ps/nm/km ＝0.2dB/km
2019/9/30
零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)
2019/9/30
ZMD＝1.55m
非零色散位移光纤 (Nonzero Dispersion Shifted Fiber)
2019/9/30
单模光纤色散比较
第二章 光纤的特性
2.1引言 光纤传输损耗、色散和偏振是
光纤最重要特性参量。它在很大程 度上决定了中继站之间的距离。
2019/9/30
2.2光纤的损耗
杂质离子吸收
吸收损耗
过渡族金属离子 OH-
损
本征吸收
紫外吸收
耗
红外吸收
折射率分布不均匀
制作缺陷 芯-包层界面不理想
散射损耗
气泡、条纹、结石 瑞利散射 与波长四次方成反比
= 0.0047
L
SI
23
ns / km
L
GRIN
0.0047 2
23ns/km
54 ps/km
GRIN 54 0.3 16.2 ps
2019/9/30
各种色散导致脉冲展宽的特点
材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模 式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速 不同导致的脉冲展宽。 模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同 模式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲 展宽。 偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同 一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致 的脉冲展宽。
示为：
2019/9/30
式中：L为光纤长度，以km为单位；P1 和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以 mW或μW为单位。
2019/9/30
光纤损耗的来源
D＝17ps/nm/km ＝0.2dB/km
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零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)
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ZMD＝1.55m
非零色散位移光纤 (Nonzero Dispersion Shifted Fiber)
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单模光纤色散比较
第二章 光纤的特性
2.1引言 光纤传输损耗、色散和偏振是
光纤最重要特性参量。它在很大程 度上决定了中继站之间的距离。
2019/9/30
2.2光纤的损耗
杂质离子吸收
吸收损耗
过渡族金属离子 OH-
损
本征吸收
紫外吸收
耗
红外吸收
折射率分布不均匀
制作缺陷 芯-包层界面不理想
散射损耗
气泡、条纹、结石 瑞利散射 与波长四次方成反比
= 0.0047
L
SI
23
ns / km
L
GRIN
0.0047 2
23ns/km
54 ps/km
GRIN 54 0.3 16.2 ps
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各种色散导致脉冲展宽的特点
材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模 式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速 不同导致的脉冲展宽。 模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同 模式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲 展宽。 偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同 一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致 的脉冲展宽。
光纤的传输特性知识点课件
模式色散 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
光射信到号 了在光光纤纤外内部–传，播这模，叫随做式着光色距纤离的散的传增输是大损指，耗能（即量或会传使越输同来衰越减一弱），。波其长中一的部分光能，量在若光纤其内模部被式吸收不，同一部，分可则能传突破播光纤速纤率芯的也束缚不，辐同， 模式色散是指即使同从一波而长引的光起，若色其散模式，不同又，称则传为播速模率间也不色同，散从，而引只起色存散在，又于称为多模模间色光散，纤只存中在。于多模光纤中。
归纳思考
色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模 色散三种。
对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材 料色散。
损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么 不同？
光纤的传输特性
光纤的传输特性
光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传 输所表现出来的特性，主要包括损耗特性 和色散特性。
1．光纤的损耗特性
模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。
定义 Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW或W）
光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
10 P 光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
i
lg 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
L P (色单散位主：要dB包/k括m模) 式色散、色度色散和偏振模色散三o 种。
光光纤纤的 的色传散输是特在性光指纤的中是传光(输信单的号位光在信光：号纤d，中B随传/k传输m输所)距表离现增出加来，的由特于性不，同主成要分包的括光损传耗输特时性延和不色同散引特起性的。脉冲展宽的物理效应。
光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
光射信到号 了在光光纤纤外内部–传，播这模，叫随做式着光色距纤离的散的传增输是大损指，耗能（即量或会传使越输同来衰越减一弱），。波其长中一的部分光能，量在若光纤其内模部被式吸收不，同一部，分可则能传突破播光纤速纤率芯的也束缚不，辐同， 模式色散是指即使同从一波而长引的光起，若色其散模式，不同又，称则传为播速模率间也不色同，散从，而引只起色存散在，又于称为多模模间色光散，纤只存中在。于多模光纤中。
归纳思考
色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模 色散三种。
对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材 料色散。
损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么 不同？
光纤的传输特性
光纤的传输特性
光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传 输所表现出来的特性，主要包括损耗特性 和色散特性。
1．光纤的损耗特性
模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。
定义 Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW或W）
光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
10 P 光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
i
lg 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
L P (色单散位主：要dB包/k括m模) 式色散、色度色散和偏振模色散三o 种。
光光纤纤的 的色传散输是特在性光指纤的中是传光(输信单的号位光在信光：号纤d，中B随传/k传输m输所)距表离现增出加来，的由特于性不，同主成要分包的括光损传耗输特时性延和不色同散引特起性的。脉冲展宽的物理效应。
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1. 光纤的带宽
带宽的表示可用光带宽和电带宽两种表示方法。 因为 10lg P( fc) 10lg 1 / 2 3dB
P(0) 1
表示经光纤传输后，输出光功率下降3dB，此时 称fc为光纤的光带宽。光检测器输出的电流是正比 于被检测的光功率，因此可用电流来 表示： 20lg I ( fc) 20lg 1 / 2 6dB
m
1 n(0) 2 C
2
9 单模光纤：色度色散和偏振模色散
色度色散
两类：材料色散 波导色散
色度色散参数为波长的函数；
Dmat =材料色散，Dwg =波导色散，D=总色散
偏振模色散：
两个偏振模式因光纤的不完善而出现传输常数的差
异时产生的色散 偏振模色散与色度色散相比相对较小
表2-7 PMD与系统传输速率 以及最大传输距离的关系
损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选 择 ，影响光纤通信系统的成本
3、损耗的种类
吸收损耗 散射损耗 其他损耗
吸收损耗
本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收 光能量产生的。主要存在红外波段的分 子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。 红外吸收对长波长有影响，紫外吸收对 短波长有影响。 杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的 各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子 在光的激励下产生振动，吸收光能量造 成。 （OH-）离子的吸收对光通信的长 波长影响比较大（主要在1.38um)。
低损耗 零色散 小有效面积 长距离、单信道超高速EDFA系统 四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术
结论:
适用于 10Gb/s 以上速率单信道传输，但不适 用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。
G.655单模光纤（NZ-DSF）
在1530－1565nm窗口有较低的损耗 工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（ 四波混频）的发生。 可以有正的或负的色散——海底传输系统
8 渐变型光纤的模式色散
渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线，其中正弦 幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光线传输路程短，但由 于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴心处最大并沿径向逐渐减小，所 以正弦幅度最大的光线由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而 正弦幅度最小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果 在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐变型多模光 纤的模式色散较小。 一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
最大传输距离/km PMD/(ps/km1/2) 3.0 1.0 2.5Gbit/s 180 1600 10Gbit/s 11 100 40bit/s <1 6
0.5
0.1
6400
160000
400
10000
25
625
2.6.3 光纤的带宽和冲激响应
光纤色散的大小除了用输出脉冲的展宽来表 征外，还可以用光纤的带宽来表征。 在被测光纤上输入一个单色光，并对它进行 强度调制，改变调制频率，观察光纤的输出光 功率与调制频率的关系，从而得到光纤的频 率响应。
I (0) 1
此时称fc为光纤的电带宽。 显然，我们所说的-3dB光带宽和-6dB电带宽，实 际上是光纤的同一带宽。（频域表示带宽）
光纤带宽与色散的关系
实质用时域来表示带宽 对于输入为冲激函数，输出为高斯脉冲，带宽 与脉冲展宽（色散）的关系如下：
B
441
B的单位为GHz,t单位为ps
2.6.4 光纤中的非线性效应
1 什么是色散，色散的分类 名词：色散 信号在光纤中是由不同的频率成份和不同的 模式成份携带的，这些不同的频率成份和模 式成份有不同的传播速度，使得光纤输出波 形在时间上产生展宽。 色散种类：模内色散（色度色散）和模间色 散，偏振模色散（单模光纤中）。
2 模内色散（色度色散）
模内色散包括材料色散和波导色散 材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致 色散。折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不 同，造成时延差,发生脉冲展宽。在1.27um处最小 波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在 纤芯中传播，20%在包层中传播，由于包层中传播 速率大于纤芯，就出现色散。波导色散的大小取决 于光纤的设计
连接与耦合损耗：
轴偏
角度偏
弯曲损耗（宏弯损耗和微弯损耗）
单模光纤中的宏弯损耗：a)光纤中的模场分布 b)弯曲光纤中的模场分布
微弯损耗
宏弯损耗
弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一， 它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作 为光纤的一项参数给出。 弯曲半径应超出光纤包层直径的150倍；对短期应 用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为 125μm的话，这两个数值分别19mm和13mm。 利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入 一些可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通 过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均 可控制衰减量。
正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。 为DWDM系统的应用而设计的
结论:
适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，
是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
色散 0 ps/nmkm 1310nm 波长 1550nm 色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
G.652单模光纤（NDSF）
其他损耗
主要是连接损耗和弯曲损耗和微弯损耗。 连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤 位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与 连接使用的工具和操作者技能有密切关系。 弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为 辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系， 弯曲半径越大，弯曲损耗越小。 微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致 纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。
散射损耗
散射损耗是指在光纤中传输的一部分光由于散射而改 变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的 损耗。主要包含瑞利散射损耗、 非线性散射损耗和波 导效应散射损耗。 瑞利散射损耗是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随 机不均匀性所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长 的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短 波长窗口影响较大。 非线性散射损耗是当光强度大到一定程度时，产生非 线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部 分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散 射损耗是随传播频率变化的。在常规光纤中由于半导 体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在 DWDM 系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。 波导效应散射损耗是由于光纤波导结构缺陷引起的损 耗，与波长无关。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉 丝工艺不完善造成。
色度色散
3 偏振模色散
4 模间色散
模间色散产生的原因：即使在同一频率
的光，不同的模式群速率不一样，也产 生色散。它主要取决于光纤的折射率
分布。
模间色散主要存于多模光纤中。
5 光纤各种色散对传输的影响：
• 模间色散
• 材料色散
E-
EE+
• 偏振模色散
E+
6 色散效应对高速通信系统的影响
大多数已安装的光纤
低损耗 大色散分布 大有效面积
色散受限距离短 2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
G.653单模光纤（DSF）
1. 受激拉曼散射（SRS）阀值较高,高频率信 道的能量可能通过受激拉曼散射向低频率信 道的信号的转移,多出现在波分复用WDM系 统中. 2. 受激布里渊散射（SBS）增益谱很窄（约 10～100MHz）只要对信号载频设计得好， 可以很容易地避免SBS引起的干扰
2.6.4 光纤中的非线性效应
10 Gb/s
40 Gb/s
7 阶跃型光纤的模式色散
在阶跃型光纤中，当光线端面的入射角小于端面临界 角时，将在纤芯中形成全反射。若每条光线代表一 种模式，则不同入射角的光线代表不同的模式，不 同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由 于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的 传播速度相同，因此不同路径的光线到达输出端的 时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。
2.6 光纤传输特性
主要内容
损耗 色散 光纤的带宽和冲激响应 光纤中的非线性效应 单模光纤性能指标
2.6.1 损耗
1、损耗的定义： 当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功 率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。 2、损耗一般用损耗系数α 表示： (单位：dB/km) P 10 in lg L P out
4 光纤的损耗波谱曲线
一般测试曲线
损 耗 dB/km
瑞利散射 短 波 Biblioteka 窗 口紫外吸收 波导缺陷吸收
红外吸收 长波长窗口
光纤通信所使用的三个低损耗窗口:
0.85um
1.31um
1.55um
约为 2.5dB/km 约为 0.5dB/km 约为 0.2dB/km
2.6.2 光波导中信号失真
3. 交叉相位调制（XPM）多出现在相干检测 方式中， 4. 四波混频（FWM）当传输光工作在光纤的 零色散波长附近时，四波混频的相位条件可 能得到满足
2.6.5
单模光纤性能介绍