《光纤通信技术教学资料》第2章第5节
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 =λ，o c f =λ （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。
《光纤通信技术教学资料》第2章第4节
波导色散是指同一模式、不同波长，亦称模内色散，而模式色散是对 不同模式、相同波长时的色散。
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（5）偏振模色散（ Polarization Dispersion ）
单模光纤中，实际上存在简并的偏振方向正交的两个偏振模，当光纤 存在双折射时，这两个模式的传播速度改变而不相等，由此引起的色散称 为偏振模色散。
我们由图（b）可见： 长波长窗口的材料色散较短波长的小！
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2、波导色散
(P6)
波导色散与归一化频率V、归一化传播常数b及光纤芯和包层群折射率 （n1g、n2g）有关。波导色散参数由式(2.4.20a)计算得到。
我们可以通过图2.13 和 图2.14 做进一步讨论。
图2.13 Vb的一阶及二阶微分与V的编关辑系ppt
d 2 (V b ) dV 2
都是正
值，因而 DW 在 0μm～1.6μm都是
负值。
图2.13
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图2.14展示了材 料色散、波导色散以 及两者之合随波长的 变化，（DM 、Dw与 D = DM+Dw ）。
可见，波导色散 使零色散波长 0 从 1.273 µm向右移动了 30—40nm，总色散D在 1.31 µm附近为零。
2.4 单模光纤的色散
光色散概念:
光在媒质中的传播速度随波长λ而变动的现象,称为色散。
光纤的色散是在光纤中传输的光脉冲，随传输距离增加，由于光波 中不同成分(不同模式或不同波长成分)以不同的速度传输,产生时延不同 而引起的光脉冲展宽的物理效应。
色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信 质量变差，限制通信容量与通信距离。
《光纤通信技术》 (2)幻灯片
• 光纤通信系统中复用技 术的原理、方法和实际 应用
学 熟等习悉基要光本求纤知的识参数、分类
熟悉几何光学分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
熟悉波动理论分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
掌握光纤的损耗及色散 的分析、计算、测量、 补偿以及其他相关应用。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是 一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理 传输光能的工具。
1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤的优点
➢ 频带宽，传输容量大。 ➢ 损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时
在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。 ➢ 重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远
远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
《光纤通信技术》 (2)幻灯 片
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学 • 掌习握目光标纤通信的原理
• 掌握光纤的相关参数， 光纤中损耗和色散的相 关知识
最后光纤应用时还 要做成光缆 。
5.1.5 光纤通信5系.1统光纤基本知识
光纤通信原理与技术课程教学大纲
《光纤通信原理与技术》课程教学大纲英文名称:Fiber Communication Principle and its Application学时:51 学分：3开课学期：第7学期一、课程性质与任务通过讲授光纤通信技术的基础知识,使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机)。
通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法,了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。
二、课程教学的基本要求要求通过课堂认真听讲和实验课,以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。
三、课程内容第一章光通信发展史及其优点（1学时）第二章光纤的传输特性（2学时）第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时）第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件(9学时）第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时)第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时）第七章光纤传输系统（4学时)第八章光纤网络介绍（6学时）第九章光纤通信原理与技术实验(17课时)四、教学重点、难点本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用,光电新产品开发举例。
本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。
（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2）六、教学方式理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。
七、本课程与其它课程的关系1。
本课程必要的先修课程《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程2。
本课程的后续课程《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。
八、考核方式考核方式：考查具体有三种。
根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种.第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定.对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告)和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%,实验成绩占总成绩的30％,作业成绩及平时考勤占总成绩的15％。
《光纤通信技术》 课程大纲
《光纤通信技术》课程大纲《光纤通信技术》课程大纲课程名称：光纤通信技术课程类别：核心课学分：4学分适用专业：通信工程专业、计算机应用专业先修课程：数字通信原理、数据通信原理一、课程的教学目的《光纤通信技术》是信息与通信工程学科一门重要的专业课程。
课程定位为需要学习通信工程、计算机通信技术等专业，从事信息通信、计算机、网络等相关行业的学员。
光纤通信系统具有低的传输损耗和宽的传输频带的特点，成为高速数据业务的理想传输通道。
课程以光纤的导光原理和激光器的发光原理为基础内容，同时涵盖了各种实用光网络技术。
课程以提高学生基本技能素质与新技术、新手段的应用能力为目标，培养能满足光纤网络工程的规划建设、系统调测、电信核心网络和接入网络的工程等需要的应用型人才。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
鉴于本课程是实践性很强的专业课程，其教学内容既包括理论学习内容，又涵盖与之相关的实践实验活动内容，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
二、相关课程的衔接学习本课程需要先修《数字通信原理》、《数据通信原理》等专业基础课程以及《现代交换技术》、《宽带接入技术》等相关课程；后续课程包括《光网络》、《多媒体通信》等。
三、教学的基本要求要求掌握《光纤通信技术》的基本概念、工作原理，了解相关扩展知识。
熟练进行光纤通信技术的工程分析及工程计算。
熟悉实验原理及内容，能够利用所学基本知识完成简单电路的分析和设计。
四、课程教学方法下载教学内容导学、详解、实时辅导、教案、综合练习题等资料。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
本课程含有实验，使本课程更多地与实践接轨，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
五、课程考核方式本学期将安排4次阶段作业。
每次作业计10分，共计40分。
作业类型为客观题，可重复提交，直至分数满意为止。
考试：本课程的考试采用开卷的形式，由于本课程的计算量较大，建议学生熟练使用计算器。
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义与发展历程1.2 光纤通信的优势与局限性1.3 光纤通信的基本原理1.4 光纤通信的应用领域第二章：光纤与光纤器件2.1 光纤的制备与分类2.2 光纤的传输特性2.3 光纤的连接与耦合技术2.4 光纤通信系统中的关键器件第三章：光发送与接收技术3.1 光发送器的工作原理与分类3.2 光发射机的性能指标3.3 光接收器的工作原理与分类3.4 光接收机的性能指标第四章：光纤传输系统设计4.1 光纤传输系统的基本组成4.2 光纤传输损耗与色散4.3 光纤传输系统的性能评估4.4 光纤传输系统的设计步骤与方法第五章：光纤通信网络与技术5.2 光纤传输网（OTN）5.3 光纤接入网（FTTx）5.4 光纤交换技术与光互联网第六章：光纤通信系统的测试与维护6.1 光纤通信系统性能测试指标6.2 光纤通信系统测试设备与方法6.3 光纤通信系统维护与管理6.4 故障诊断与处理方法第七章：光纤通信技术在特定领域的应用7.1 光纤通信在数据通信中的应用7.2 光纤通信在电信网络中的应用7.3 光纤通信在有线电视网络中的应用7.4 光纤通信在其他领域的应用案例第八章：光纤通信技术的未来发展8.1 新型光纤材料与技术8.2 光子集成电路与光电子技术8.3 光纤通信网络的智能化与自动化8.4 量子光纤通信技术的发展第九章：光纤通信技术的工程实践9.1 光纤通信系统的设计与实施9.2 光纤通信设备的安装与调试9.4 工程案例分析与实践第十章：课程总结与复习10.1 光纤通信技术的关键概念与技术10.2 光纤通信系统的性能评估与优化10.3 光纤通信技术在现代通信网络中的应用10.4 课程复习与考试要点重点和难点解析一、光纤通信的定义与发展历程重点：光纤通信的基本原理、优势与局限性难点：光纤通信技术的发展历程及其对现代通信的影响二、光纤与光纤器件重点：光纤的制备与分类、光纤的传输特性难点：光纤的连接与耦合技术、光纤通信系统中的关键器件的工作原理与性能三、光发送与接收技术重点：光发送器的工作原理与分类、光接收器的工作原理与分类难点：光发射机的性能指标、光接收机的性能指标四、光纤传输系统设计重点：光纤传输系统的基本组成、光纤传输损耗与色散难点：光纤传输系统的性能评估方法、光纤传输系统的设计步骤与方法五、光纤通信网络与技术重点：光纤通信网络的分类与结构、光纤传输网（OTN）、光纤接入网（FTTx）、光纤交换技术与光互联网难点：光纤通信网络的设计与实施、光纤通信设备的安装与调试、光纤通信网络的运营与管理六、光纤通信系统的测试与维护重点：光纤通信系统性能测试指标、光纤通信系统测试设备与方法难点：光纤通信系统维护与管理、故障诊断与处理方法七、光纤通信技术在特定领域的应用重点：光纤通信在数据通信、电信网络、有线电视网络等领域的应用难点：光纤通信在其他领域的应用案例分析八、光纤通信技术的未来发展重点：新型光纤材料与技术、光子集成电路与光电子技术难点：光纤通信网络的智能化与自动化、量子光纤通信技术的发展九、光纤通信技术的工程实践重点：光纤通信系统的设计与实施、光纤通信设备的安装与调试难点：光纤通信网络的运营与管理、工程案例分析与实践十、课程总结与复习重点：光纤通信技术的关键概念与技术、光纤通信系统的性能评估与优化难点：光纤通信技术在现代通信网络中的应用、课程复习与考试要点全文总结和概括：本课程《光纤通信技术》涵盖了光纤通信的基本概念、技术原理、系统设计、网络应用以及未来发展等多个方面。
光纤通信技术课件
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为
光纤通信发展的一个重要里程碑。
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实用光纤通信系统的前期发展
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（GaALAs LD、多模光纤、10Km、44.7Mbps）。 1980年，美国标准化FT-3光纤通信系统投入商业应用。 1976年和1978年，日本先后进行了速率为34Mbps的突变型多模光纤通信系 统，以及速率为100Mbps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。 随后，由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋TAT-8海底光缆通信系统于 1988年建成。 第一条横跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光缆通信系统于1989年建成。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。
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光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年
，获得诺贝尔物理学奖。
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1970年，光纤研制取得了重大突破
美国康宁玻璃公司1970年首 先研制出衰耗20dB/km的光纤。光 纤通信正式开始！
据说康宁公司花费3000万美 元，得到30米光纤样品，认为非 常值得。这一突破，引起整个通 信界的震动，世界发达国家开始 投入巨大力量研究光纤通信。
光纤通信技术
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主要参考书目及网址
《光通信原理与应用》朱宗玖等 编著 清华大学出版社 《光纤通信技术》孙学康等著 人民邮电出版社
中国光纤通信 光纤在线 光电新闻网
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《光纤通信技术教学资料》第2章第5节
R C / 4
（2.5.4）
式中 C为常数
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3. 辐射损耗
当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的 弯曲，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。
光纤的弯曲有两种类型: 一是光纤弯曲半径比光纤直径大得多; 二是光纤成缆时其轴线产生的随机性微弯。
过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。
2
2.5.1 衰减系数
损耗是光纤的一个重要传输参量，是限制光纤传输系统中继距离的主
要因素之一。
1 (dp )
p dz
(2.5.1)
式中为衰减系数，即 p (km1) ，p为入纤光功率。 与光频或光波
长有关。
设入纤光功率为 Pin，则光纤输出端的光功率为
1. 材料吸收损耗 材料吸收损耗有两种：本征吸收损耗与非本征吸收损耗，前者对
应于纯石英引起的损耗，后者对应于杂质引起的损耗。
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1) 本征吸收损耗 在任一波长处，任何材料的吸收均与特定分子有关的电子共振和振动
共振有关。 对于石英(SiO2)分子，电子共振发生在紫外区(λ＜0.4μm)内，而振
动共振发生在红外区(λ＞0.7μm)内。 由于熔融石英的非结晶特性，这些共振表现为吸收带形，吸收带延伸
2.5 光纤的损耗特性
2.4节讨论了光纤色散对光纤传输容量(BL积)的限制，本节讨论BL 积的另一个基本限制因素——光纤损耗，它是通信距离的固有限制。
在给定发送功率和接收机灵敏度条件下，它决定了从光发送机到光 接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统的性能。
事实上，光波系统所用石英光纤只有当其损耗降低至传输距离达到 10km或更远时才有意义。
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4、光纤接续损耗
5-2光纤的熔接图示 5-3光纤连接点不连续现象的分类图示
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练习题1：光线衰减
注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电二极管要求 的最小光功率是10nW，光纤衰减系数为0.4dB/km，问无中继器的最 大光纤长度是多少？
练习题2：输出功率
一根光纤长20km，衰减为0.5dB/km，一端注入光功率为600μw 的光信号，求输出的光功率是多少？
通常又可将该波长范围划分为6个波段(见表)。
C波段是 WDM系 统最常 用的传 输波段
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2.5.2 衰减机理
光纤的衰减机理主要有3种，即光能量的吸收损耗、散射损耗和辐 射损耗。前面已叙述：
吸收损耗与光纤材料有关； 散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关； 辐射损耗是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。 下面分别进行讨论。
pout pin exp( L)
(2.5.2)
式中，L(km)为光纤长度。
3
通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB)数表示，定义为
10 L
lg
pout pin
(dB / km)
(2.5.3)
图2.19为石英光纤的损耗谱，图中给出了光纤通信系统的三个传 输窗口：
♫ 短波长的 0.85 m 波段 ♫ 长波长的 1.31 m 及 1.55 m 波段
4
图2.19 单模光纤的损耗谱特性
5
光纤损耗谱特性
6
各类石英光纤的典型损耗值（dB/km）
波长（µm）
多模光纤
阶跃型
梯度性
单模光纤 阶跃型
0.85
3
3
2.5
1.3
0.5---1
0.5---1
0.4
1.55
0.5
0.3
0.2---0.3
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通过超纯光纤生产工艺削去1.24m及1.39m的OH峰，实现了1200— 1650nm的全波光纤，最大损耗不超过0.5dB／km，为波分复用在更宽的光 波范围内的应用提供了可能。
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光纤OH-吸收峰的影响
12
2.散射损耗 石英玻璃由于制造过程的因素，这种结构中会存在分子密度的不均
匀，GeO2与P2O5的掺入过程中，其分布也会存在不均匀。 分子密度的这种波动导致折射率在小于光波长的线度内的随机波动，
折射率的这种波动将引起信号光的散射，这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射的大小与光波长的四次方成反比。因此对短波长窗口的影
2.5 光纤的损耗特性
2.4节讨论了光纤色散对光纤传输容量(BL积)的限制，本节讨论BL 积的另一个基本限制因素——光纤损耗，它是通信距离的固有限制。
在给定发送功率和接收机灵敏度条件下，它决定了从光发送机到光 接收机之间的最大距离，损耗过大将严重影响通信系统的性能。
事实上，光波系统所用石英光纤只有当其损耗降低至传输距离达到 10km或更远时才有意义。
1. 材料吸收损耗 材料吸收损耗有两种：本征吸收损耗与非本征吸收损耗，前者对
应于纯石英引起的损耗，后者对应于杂质引起的损耗。
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1) 本征吸收损耗 在任一波长处，任何材料的吸收均与特定分子有关的电子共振和振动
共振有关。 对于石英(SiO2)分子，电子共振发生在紫外区(λ＜0.4μm)内，而振
动共振发生在红外区(λ＞0.7μm)内。 由于熔融石英的非结晶特性，这些共振表现为吸收带形，吸收带延伸
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★ 第一类 当弯曲程度加大，曲率半径减小时，损耗将随exp(R/Rc)成比例增大，R是光纤弯曲的曲率半径，Rc为临界曲率半径：
Rc a(n12 n22 )
当曲率半径达到Rc时，就可观测到弯曲损耗。
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对单模光纤，Rc的典型值为0.2mm～0.4mm。 当曲率半径大于5mm时，弯曲损耗小于0.01dB/km，可忽略不计。 大多数弯曲半径大于5mm，这种弯曲损耗实际上可忽略。 但是当弯曲的曲率半径R进一步减小到比Rc小得多时，损耗将变得 非常大。 ★ 第二类 光纤成缆时产生的随机性扭曲微弯引起的附加损耗一 般很小，基本上观测不到。
现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于109 以下，因此它
们的影响可忽略不计。 现代的工艺水平已能获得这种高纯度石英，但水蒸气的存在却使非
本征吸收大大增加。 OH-的振动共振发生在2.73μm处，其基波与石英的振动波作用将在
1.39μm、1.24μm和0.95μm处产生很强的吸收。 图2.19中在这3个波长附近显示的3个谱峰。
响较大。 石英光纤在波长λ处，瑞利散射引起的本征损耗可表示为
R C / 4
（2.5.4）
式中 C为常数
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3. 辐射损耗
当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的 弯曲，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。
光纤的弯曲有两种类型: 一是光纤弯曲半径比光纤直径大得多; 二是光纤成缆时其轴线产生的随机性微弯。
过程中由于连接、弯曲而导致附加光功率损失。
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2.5.1 衰减系数
损耗是光纤的一个重要传输参量，是限制光纤传输系统中继距离的主
要因素之一。
1 (dp )
p dz
(2.5.1)
式中为衰减系数，即 p (km1) ，p为入纤光功率。 与光频或光波
长有关。
设入纤光功率为 Pin，则光纤输出端的光功率为
到了可见光区。 图2.19显示出石英的本征材料吸收在0.8μm～1.6μm范围内，低于
0.1dB/km。 事实上，通常用于光波系统的光纤，在1.3μm～1.6μm窗口，材料吸
收损耗在。过渡金属杂质，如Fe、Cu、Co、Ni、Mn和Cr。 在λ＝0.6μm～1.6μm 范围有很强的吸收。
本节主要讨论光纤的损耗机制，并介绍一些典型参数。
1
什么是光纤损耗？造成光纤损耗的原因是什么？
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。
5-1损耗示意图
光纤损耗分为： 吸收损耗---与光纤材料有关。 散射损耗---与光纤材料及光波导中的结构缺陷、非线性效应有关。 辐射损耗---与光纤几何形状的扰动相联系。 损耗产生的主要原因是光纤材料的吸收、散射作用和光纤在使用