2-3光纤的单模传输条件2
光纤结构和类型
一、突变型多模光纤
为简便起见，以突变型多模光纤的交 轴光线(子午光线)为例，进一步讨论光纤 的传输条件。
设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，
空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴
一致。
二. 突变型多模光纤导光原理
突变型多模光纤导光原理图
与内光线入射角的临界角θc相对应，光 纤入射光的入射角θi有一个最大值 θmax 。 θmax 称为光纤端面入射临界角（简称入射临
折射率按抛物线分布的渐变光纤最 大时延差为
max
1 2
Ln(0) c
2
式中： n(0)为轴线上的折射率； L为渐变光纤的长度； C为真空中的光速。
（5）渐变多模光纤的最大比特率距离 积BL为:
BL 2c n(0)2
例1 一根多模渐变光纤的长度L=1km，纤芯的 折射率n(0)=1.5，相对折射率差Δ=0.01，求其 传输容量线的轨迹为
r(z) C1 sin(Az) C2 cos(Az)
式中，A
2 a
，C1和C2是待定常数，由边
界条件确定。
得到光线的轨迹为
r(z)
0
An(0)
s
in(
Az
)
ri
cos
(Az
)
当θ0=0时，光线平行光纤轴入射
r(z) ri cos(Az)
当ri=0时，光线在r=0，z=0处以不 同的入射角射入光纤得
n0[1
2(
r a
)2
1
]2
n2
0ra ra
由于渐变型多模光纤折射率分布是 径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不 同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最 大数值孔径 NAmax
NA(r) n2(r) n22
光纤通信原理第2章光纤2波导
麦氏方程----波动方程
直角坐标----柱坐标、归一化、通解
边界条件----特征方程 解 唯一
单模光纤分析
线偏振标量模
各个模式的截止曲线 传导模特性
☆波导方程的推导思路
麦克斯韦方程组
H J D t
E B t
• B 0 2.2.0.1
由波动方程求出满足边界条件的纵向场分量EZ、 HZ，再由麦氏方程组求出其它四个横向量
问题：
烦杂，除特例外，一般无解析解
办法(几个假设)
弱导近似，△<<1， —仅能传输单个模式 标量近似(阶跃光纤）—偏振方向不变 WKB近似(梯度光纤）
（振幅缓变，振幅的导数与振幅本身相比的项都忽略）
解决办法
•D
H-磁场强度，E-电场强度 B-磁感应强度，D-电位移矢量 -电荷密度，J-电流密度
电荷守恒定律
• J 0tBiblioteka 2.2.0.2物质方程
J E
2.2.0.3
D 0 E P 0r E B O H M Or H O H
P-媒质极化强度，M-磁化强度
-媒质电导率，o、o-自由空 间的介电常数和磁导率
×
弱导近似
° △<<1,NA=n0sinc≈1， c≈90
√
此时在光纤中传播的电磁波非常
接近于TEM波（横电磁波，比如平面波，只有横 向分量Et、Ht ，纵向分量Ez、Hz均为0） Ez、Hz 均很小，横向分量Et、Ht 很强
标量近似(阶跃光纤）
Et、Ht 的偏振方向在传输过程中保持不变，可 以用一个标量描述。即可以设：横向电场沿y
Ey (z) Ey (0)e j z
光纤传输理论
当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工 作波长只能传播一个模式，称为单模光纤 （Single Mode Fiber,SMF）。纤芯直径较 大的光纤可传输多个模式，称为多模光纤 （Multimode Fiber,MMF）。 单模光纤与多模光纤的外径（包层直径） 均为125μm，多模光纤芯径50μm或 62.5μm ，单模光纤芯径8—10μm。
关键的名词和概念
可传播的模式数
1 2 M V 2
阶跃折射率光纤中的传输模式数M取决于光纤纤芯半径a、纤芯折 射率n1、包层折射率n2和光波长λ。
单模传输条件
单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤的基模。基模不会截止。
V 2.405
单模条件
V (2 / )an1 2 2.405
光纤的衰减
• 造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压， 杂质，不均匀和对接等。 • 本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射， 固有吸收等。 • 弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射 而损失掉，造成的损耗。 • 挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造 成的损耗。 • 杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播 的光，造成的损失。 • 不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损 耗。 • 对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴 （单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴 心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质 量差等。
极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：
PCE Ps ,out Pp ,in
p 1 s
噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值
SNR(0) NF SNR( L)
SNR (0) I
2
s2
( RP0 ) P0 2q ( RP0 )f 2hvf
单模光纤的参数及理论分析
单模光纤的特性参数及特性的理论分析陆锐勇 2009012303皖西学院信息工程学院通信工程2009级02班摘要：本文通过在理论上对单模光纤的特征参数（即影响单模光纤的传输效率因素），以及衰减特性的分析。
在单模光纤中存在弯缩损耗，材料对信号的吸收及模内色散等现象。
并结合实际应用的技术规范，对单模光纤的生产要求和研发趋势进行简单的总结和概述。
关键词：单模光纤、色散、宏弯损耗、微弯损耗、吸收Abstract: Based in theory of single mode fiber characteristic parameters (i.e. the effects of single mode optical fiber transmission efficiency factors ), and attenuation characteristics analysis. In a single-mode fiber in the presence of bending loss, material absorbs the signal and intramode dispersion phenomenon. Combined with the practical application of the technical specification for single-mode fiber, the production requirements and development trend for simple summary and overview.Key words: A single-mode optical fiber, dispersion, macro bending loss, microbending loss, absorption一、光纤的介绍光纤是一种高度透明的玻璃丝，由二氧化硅等高纯度玻璃经复杂的工艺拉丝制成。
光纤传输理论
ห้องสมุดไป่ตู้ 光纤的分类
• （1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光 纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。 • （2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐 变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型 等）。 • （3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非 偏振保持光纤）、多模光纤。 • （4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复 合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料 等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金 属材料（铜、镍等）和塑料等。 • （5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、 化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法 （Rod intube）和双坩锅法等。
极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：
PCE Ps ,out Pp ,in
p 1 s
噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值
SNR(0) NF SNR( L)
SNR (0) I
2
s2
( RP0 ) P0 2q ( RP0 )f 2hvf
2
NF反比于光频率，980nm噪声系数小
1 最大比特率＝ 4t total
单模光纤
ttotal (tchromatic )2 (t polarizationmod e ) 2
tchromatic Dchromatic ( ) L
t polarizationmod e D polarizationmod e L
2nL m c vm m 2nL c / 2nL c/ c
81GHz
2
2
c
0.195nm
光纤的历史
光纤-光缆及其传输特性
光纤\光缆及其传输特性摘要:在广播电视传输网中,同轴电缆传输系统具有设备简单投资少,接入用户方便,因此它在广播电视传输网的接入网部分和小区域的用户中得到了广泛的应用。
但对于远距离传输而言,同轴电缆传输系统就曝露出致命的弱点。
而光纤的出现恰好弥补了这一缺陷,由于光信号在光缆中的传输衰减极小,很小的光功率便可以在光缆中将其传到很远的地方。
因此光纤在现代社会中被广泛应用。
现就光纤、光缆的概念及其传输特性做一介绍。
关键词:光纤、光缆、传输损耗、传输带宽、光纤性能参数1、光纤光纤是用于传导光的介质光波导。
为了能对光信号进行远距离传输,光纤必须具有两个功能:(1)必须具有较低损耗。
(2)必须满足光波导条件。
为了实现这一功能,光纤通常由纤芯和包层两个二氧化硅层组成,包层的折射率必须小于纤芯的折射率,这样在包层与限制你的临界面便形成一个封闭的全反射面,保证了从纤芯向外射出的光能被完全反射回纤芯。
光纤按其传输光波的模式,可分为多模光纤和单模光纤。
光信号是一种特殊的电磁波,它在光纤中传播与电磁波在电波导中传输一样,同样存在着模式的问题。
多模光纤可以允许光信号以多模式传播,而单模光纤只允许光以基模一种模式传播。
多模光纤中,由于多种模式的光信号传播速度不同,而引起时域脉冲展宽,使其信道带宽受到限制。
由于单模光纤只能传输一种单一模式,所以具有很大的信道带宽。
因此,单模光纤被广泛应用于现代通讯系统中。
2、光缆若将若干根光纤并行使用把它们以一定的形式组合到一起,在其外部加以各种保护套便形成了光缆。
通常使用的架空和直埋式光缆有两种结构形式:中心束管式和层绞式。
中心束管式光缆,使用于光纤芯数较少的场合。
通常12 芯以下光缆使用这种结构形式。
中心束光缆就是将所需数量的光纤并行装入充满纤膏的束管内,形成中心束管。
束管内的光纤可以在纤膏内活动,这样的结构称为松套式结构。
3、光纤的传输特性光纤的传输特性包括传输损耗、光纤的传输带宽以及光纤传输性能参数。
光纤通信课后第2章习题答案
第2章 复习思考题参考答案2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。
我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层n a 、n b 和n c 等组成，如图2.1.2（a ）所示，而且 >>>c b a n n n 。
使光线1的入射角θA 正好等于折射率为n a 的a 层和折射率为n b 的b 层的交界面A 点发生全反射时临界角()a b c arcsin )ab (n n =θ，然后到达光纤轴线上的O'点。
而光线2的入射角θB 却小于在a 层和b 层交界面B 点处的临界角θc (ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB ' 折射进入b 层。
如果n b 适当且小于n a ，光线2就可以到达b 和c 界面的B'点，它正好在A 点的上方（OO'线的中点）。
假如选择n c 适当且比n b 小，使光线2在B '发生全反射，即θB ' >θC (bc) = arcsin(n c /n b )。
于是通过适当地选择n a 、n b 和n c ，就可以确保光线1和2通过O'。
那么，它们是否同时到达O'呢？由于n a >n b ，所以光线2在b 层要比光线1在a 层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。
这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b ）所示。
图2.1.2 渐变（GI ）多模光纤减小模间色散的原理2-2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。
当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。
只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。
单模光纤传输条件
第三章作业
•1、比较半导体激光器和发光二极管的异同。半导体激光器 （LD）有哪些特性？半导体发光二极管（LED）有那些特性？ 答：LD和LED都可以用作通信光源。LD原理是受激辐射，而 LED是自发辐射。 LD是阈值器件，需要较完善的驱动和外围电路，其发出的 光谱线窄，适宜于高速率系统； LED没有阈值，结构简单，但其谱线较宽，适用于要求较低 的场合。 • 4、已知半导体材料GaAs的Eg＝1.43eV，InGaAsP的Eg= 0.96eV，分别求由这两种材料组成半导体激光器的发射波长。 hc 1.24 λ 答： E E
光纤
电极
第二章作业
4.光纤中色散有几种？单模传输光纤中主要是什么色散？多 模传输光纤中主要存在什么色散？ 答:从产生机理而言，光纤中的色散主要包括材料色散、 波导色散和模式间色散、偏振模色散等。 单模光纤中主要是材料色散； 多模光纤中主要是模式间色散。
7、何谓模式截止？光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中 传输的是什么模式？其截止波长为多大？阶跃折射率光纤中线 性极化模LP11模对应的是什么矢量模？ 答：如果一个传播模，在包层中不衰减，表明该模的能量可 以透过包层辐射出去，该传播模被截止了。如果一个传播模在 包层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。 LP11模对应的矢量模是TE01，TM01，HE21。
光纤单模传输的条件是什么？单模光纤中传输的是什么模式？ 其截止波长为多大？ 答：单模光纤传输条件：归一化频率V≤2.405 单模光纤中传输的是LP01模，对应的矢量模是HE11模。 截止波长： 2a n 2 n 2
c
Vmax
1
2
2a 2 n12 n2 2.405
例：在某阶跃折射率多模光纤的纤芯折射率n1=1.50，相对 折射率差Δ ＝0.005,长度L=1 km，要实现1310nm的单模传输， 纤芯半径a的尺寸应该如何设计？ 答：要实现1310nm的单模传输，必须满足模式截止条件：
《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。
《光纤通信》试卷题及答案
2007-2008年度教学质量综合评估测验试卷《光纤通信》试题注：1、开课学院：通信与信息工程学院。
命题组：通信工程教研组·张延锋2、考试时间：90分钟。
试卷满分：100分。
3、请考生用黑色或蓝色中性笔作答，考试前提前带好必要物件（含计算器）。
4、所有答案请写于相应答题纸的相应位置上，考试结束后请将试卷与答题一、 选择题（每小题仅有一个选项是符合题意要求的，共10小题，每小题2分，共20分）1、表示光纤色散程度的物理量是A.时延B.相位差C.时延差D.速度差2、随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会A.逐渐减少B.保持不变C.逐渐增大D.先逐渐增大,后逐渐减少3、当平面波的入射角变化时，在薄膜波导中可产生的三种不同的波型是A.TEM 波、TE 波和TMB.导波、TE 波和TM 波C.导波、衬底辐射模和敷层辐射模D.TEM 波、导波和TM 波4、平方律型折射指数分布光纤中总的模数量等于A. 121n n n -B. ∆21nC. 22VD. 42V 5、光接收机中将升余弦频谱脉冲信号恢复为“0”和“1”码信号的模块为A. 均衡器B. 判决器和时钟恢复电路C. 放大器D. 光电检测器6、在光纤通信系统中，EDFA 以何种应用形式可以显著提高光接收机的灵敏度A.作前置放大器使用B.作后置放大器使用C.作功率放大器使用D.作光中继器使用7、EDFA 中用于降低放大器噪声的器件是A.光耦合器B.波分复用器C.光滤波器D.光衰减器8、关于PIN 和APD 的偏置电压表述，正确的是A.均为正向偏置B.均为反向偏置C.前者正偏,后者反偏D.前者反偏,后者正偏9、下列哪项技术是提高每个信道上传输信息容量的一个有效的途径？A.光纤孤子(Soliton)通信B. DWDMC. OTDMD. OFDM10、光纤数字通信系统中不能传输HDB3码的原因是A.光源不能产生负信号光B.将出现长连“1”或长连“0”C.编码器太复杂D.码率冗余度太大二、 填空题（本题共三部分，每部分6分，共18分）（一）、基本概念及基本理论填空（每空1分，共4小题6小空，共6分）11、以色散为基，对于单模光纤来说，主要是材料色散和，而对于多模光纤来说，占主要地位。
第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应
第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应3.1.2 单模工作模特性及光功率分布 (3)3.1.3单模光纤中LP01模的高斯近似 (4)3.2 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） (6)3.2.1双折射概念 (6)3.2.2 偏振模色散概念 (8)3.2.3 单模光纤中偏振状态的演化 (9)3.2.4 单模单偏振光纤 (10)3.3单模光纤色散 (11)3.3.1 色散概述 (11)3.3.2 单模光纤的色散系数 (13)3.4 单模光纤中的非线性效应 (15)3.4.1 受激拉曼散射（SRS） (16)3.4.2 受激布里渊散射（SBS） (19)3.5 非线性折射率及相关非线性现象 (21)3.5.1 光纤的非线性折射率 (21)3.5.2 与非线性折射率有关的非线性现象 (22)3.5.3 自相位调制 (23)第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应3.1 单模光纤的传输特性单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。
例如在阶跃型光纤只传播HE11模（或LP01）的光纤。
由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因而单模光纤拥有巨大的传输带宽。
长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介质。
由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握其传输特性就显得尤为重要。
单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。
3.1.1 单模条件和截止波长阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为2.405。
单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意味着归一化工作频率应满足条件：0<V<2.405。
单模光纤的截止波长也就是LP 11模的截止波长，在光纤结构参数n 1、Δ及a 已知的条件下，其截止波长为： a n U a n cc 112612.222∆=∆=πλ按上式计算截止波长只有理论意义。
光纤单模传输条件
光纤单模传输条件1.引言1.1 概述概述:光纤单模传输是一种基于光纤的通信技术，它通过采用单模光纤来传送光信号。
相比于多模光纤传输，光纤单模传输具有更高的传输质量和更大的传输距离，适用于需求更高的通信和数据传输领域。
本文将介绍光纤单模传输的定义、原理和必备的传输条件。
随着信息时代的到来，传输速度和质量对于现代通信变得至关重要。
传统的铜线传输面临着很多限制，例如信号损失、电磁干扰等。
而光纤单模传输技术能够有效克服这些问题，成为了现代通信领域的重要技术手段之一。
在光纤单模传输中，光信号以单一的模式在光纤中传输，这就意味着光信号的传输路径非常集中，减少了模式间的相互干扰，从而提高了传输的稳定性和可靠性。
相比之下，多模光纤传输则允许多个模式同时传输，导致了信号的扩散和衰减。
为了实现光纤单模传输，一些关键的条件需要被满足。
首先，光源必须是单色光源，即光信号的频率必须非常准确，并且频宽非常窄。
其次，光纤的直径和折射率必须匹配光源的输出波长。
这样可以使得光信号在光纤内部能够弯曲而不损失太多的信号强度。
此外，光纤和连接器的材料必须具备低损耗和高抗干扰的特性，以确保传输的高质量。
最后，传输的环境也需要达到一定的条件，特别是在长距离传输时，需要保持光纤的稳定性，避免外部因素对传输质量的影响。
光纤单模传输在很多领域都有着广泛的应用。
例如，它被广泛应用于光纤通信领域，用于实现高速、稳定和长距离的数据传输。
此外，光纤单模传输还被应用于科学研究、医疗设备、军事通信等领域。
它的高质量和可靠性使得它成为了现代化社会不可或缺的一部分。
综上所述，光纤单模传输是一种基于单模光纤的高质量通信技术。
本文将进一步介绍光纤单模传输的原理和条件要点，以及它的优势和应用。
通过学习和理解光纤单模传输，我们能够更好地应用这种技术，并推动通信领域的发展和创新。
1.2文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构的主要目的是为读者提供一个清晰的内容导航，以便他们可以更好地理解和阅读文章。
光纤通信总结的复习题目
习题一、填空题5.在数字光纤通信系统中，色散使（光脉冲）发生展宽。
6.波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的（几何结构）所引起的。
7.光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和（折射率扰动）。
8.当光纤中的非线性效应和色散（相互平衡）时，可以形成光孤子。
9.单模光纤的截止波长是指光纤的第一个（高阶模）截止时的波长。
10.单模光纤实际上传输两个（相互正交）的基模。
二、单项选择题1.将光纤的低损耗和低色散区做到1 450～1 650 nm波长范围，则相应的带宽为（B）THz。
A.25B.25C.50D.502.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）而使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3.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.间断变化D.基本不变4.目前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB／km左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A.1050B.1550C.2050D.25505.石英光纤材料的零色散系数波长在（B）nm附近。
A.127B.1270C.227D.22706.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.43107.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。
A.G652B.G653C.G654D.G655三、多项选择题1.根据光纤横截面折射率分布的不同，常用的光纤可以分成（AB）。
A.阶跃光纤B.渐变光纤C.单模光纤D.多模光纤2.光纤的损耗因素主要有本征损耗、（ABCD）和附加损耗等。
A.制造损耗B.连接损耗C.耦合损耗D.散射损耗3.光纤通信所使用的低损耗窗口是（AC）和1310nm波段。
A.850 nm波段B.1050 nm波段C.1550 nm波段D.2650 nm波段4.根据色散产生的原因，光纤色散的种类主要可以分为（ABC）。
《光纤通信系统》第二版-李履信,沈建华-习题解答
<< 光电子器件导论 >> 习题解答1-1.光纤通信有哪些优点？答：光纤通信具有下面一些优点：1、传输容量大；2、传输损耗小，中继距离长；3、泄漏小，保密性好；4、节约大量有色金属；5、抗电磁干扰性能好；6、重量轻，可挠性好，敷设方便。
1-2.比较五代光纤通信系统的主要特点与差别。
答：五代光纤通信系统的主要特点与差别如下：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代后期投入使用，工作波长在850nm波长段的多模光纤系统。
光纤的衰减系统为 2.5~4.0 dB/Km，系统的传输速率在20～100Mbit/s之间，实用的系统容量为脉冲编码调制（PCM）三次群，最高传输速率为34Mbit/S，中继距离为8～10km。
20世纪80年代初，工作波长在1310nm波长段的多模光纤系统投入使用，光纤衰减系数为0.55～1.0dB/Km，传输速率达140Mbit/s，中继距离为20~30Km。
2、第二代光纤通信系统在20世纪80年代中期投入使用，工作波长在1310nm波长段的单模光纤通信系统。
光纤衰减系数为0.～0.5 dB/Km，可传送准同步数字体系（PDH）的各次群信号，最高传输速率可达1.7Gbit/s，中继距离约为50Km。
3、第三代光纤通信系统在20世纪80年代后期投入使用，工作波长在1550nm波长段的单模光纤系统。
光纤衰减系数为0.2 dB/Km，应用在同步数字体系（SDH）光纤传输网，传输速率达2.5～10Gbit/s，中继距离可超过100Km。
4、第四代光纤通信系统采用光放大器来增加中继距离，同时采用波分复用/频分复用（WDM/FDM）技术来提高传输速率。
已完成的有单信道传输速率为40Gbit/s，不采用电中继器，结合先进的调制技术和编码技术等，实现传输距离达10000Km的试验。
20世纪90年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光纤通信的重大变革。
目前在实验室中最高的系统容量已经达到10Tbit/s级。
光纤通信期末考试试题(简答)
光纤通信期末考试试题（简答）（开卷90分钟内完成，1~5题每题6分，6~15题每题7分,共100分)1、光纤的结构分别由哪三部分构成，各部分作用是什么？光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成.其中纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。
直径d 1=4μm~50μm ，单模光纤的纤芯为4μm ～10μm ，多模光纤的纤芯为50μm 。
纤芯的成分是高纯度SiO2，作用是提高纤芯对光的折射率（n 1)，以传输光信号。
包层：包层位于纤芯的周围。
直径d 2=125μm ，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO 2。
略低于纤芯的折射率，即n 1＞n 2,它使得光信号封闭在纤芯中传输。
涂覆层：光纤的最外层为涂覆层,包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。
涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。
涂覆后的光纤其外径约1。
5mm 。
2、光缆的结构分别由哪三部分构成，各部分作用是什么？光缆由缆芯、护层和加强芯组成。
其中缆芯就是套塑光纤，护层对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏.护层可分为内护层和外护层。
内护层用来防潮。
外护层起抗侧压、耐磨、抗紫外线、防湿作用，隔离外界的不良影响。
加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。
3、光纤的三个传输窗口是什么？光纤中的导波属于TM/TE/TEM/近似TEM 波？0.85μm 、1.31μm 、1.55μm 。
光纤中得电磁场近似为横电磁波（TEM 波）4、什么是归一化频率V ，V 取值多少时光纤单模传输?什么叫光纤的截止波长？光纤的归一化频率V 012/1/)2(2λαπn ∆=是一个综合性参数，与光纤的结构参数（纤芯的折射率n1、半径a 、折射率相对差△）和工作波长λ0有关.其数值大小决定了弱波导光纤中电磁场的分布和传输情况。
光纤单模传输的条件是0〈V 〈 2。
4。
光纤的截止波长λc 是一组数组波长，表示不同导模刚好截止不传（波长大于该值时，相应的电磁场模式不能沿光纤有效传输）.单模光纤进行单模传输的最小波长称为单模光纤的截止波长.5、什么是数值孔径NA,它的大小与相对折射率及色散大小有无关联?光纤的数值孔径数值孔径表征了光纤的集光能力(最大有效入射角的正弦值）。
第二章 光纤与光缆
38
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
14
单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a
光纤特性及传输实验
光纤特性及传输实验光纤是一种能够将光信号传输的纤维材料，由于其具有高带宽、低衰减等优点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
本文将介绍光纤的特性以及光纤传输实验。
首先，光纤具有以下几个重要特性：1. 高带宽：光纤的传输速度非常快，可以达到光速的70%以上，因此能够传输大量的数据。
2. 低衰减：光纤的衰减很小，一般在每公里0.2-0.5 dB以内，因此信号的传输损失较小，可以实现长距离的传输。
3. 抗干扰能力强：光纤的信号传输是通过光的全内反射实现的，不会受到电磁干扰的影响，因此具有较高的抗干扰能力。
4. 安全性高：光信号传输不会产生电磁辐射，不易被窃听，因此具有较高的安全性。
光纤传输实验是通过实际操作来验证光纤的传输性能和特性。
下面将介绍一种常见的光纤传输实验方法。
实验材料：1. 光纤：可以使用单模光纤或多模光纤，长度约为几十米至几百米。
2. 光源：可以使用激光器或LED作为光源。
3. 接收器：用于接收光信号的光电二极管或光电探测器。
4. 信号发生器：用于产生测试信号。
实验步骤：1. 将光纤的一端连接到光源，另一端连接到接收器。
2. 设置信号发生器的输出信号，并将信号输入到光源端。
3. 观察接收器的输出信号，并记录下来。
4. 改变光纤的长度、弯曲程度等条件，再次观察并记录输出信号。
5. 根据实验记录，分析光纤在不同条件下的传输性能。
实验结果分析：通过实验可以得到光纤在不同条件下的传输结果。
例如，当光纤长度增加时，输出信号的衰减程度会增加；当光纤弯曲程度增加时，输出信号的衰减程度也会增加。
这些结果验证了光纤的低衰减特性以及对弯曲的敏感性。
此外，实验还可以验证光纤的带宽特性。
可以通过改变信号发生器的频率，观察输出信号的变化。
当信号频率增加时，输出信号的衰减程度会增加，说明光纤的传输带宽有限。
总结：光纤具有高带宽、低衰减、抗干扰能力强和安全性高等特性，在实际应用中具有广泛的应用前景。
通过光纤传输实验，可以验证光纤的传输性能和特性，为光纤通信的设计和应用提供参考。
单模光纤传输条件
13、光谱线宽度为1.5nm的光脉冲经过长为20km，色散系数为 3ps/km·nm的单模光纤传输后，光脉冲被展宽了多少？ 答： D * L * 3*20*1.5 90 ps
m
例1.已知阶跃型光纤的n1=1.5，△=1％，工作波λ =1.3μ m， 光纤长度L=1km，光纤中的导模数量M=2。求： ① 光纤的数值孔径NA。 ② 光纤的纤芯半径a。 ③ 计算光纤带宽（只考虑模式色散,不计 dn1/dλ） 解：① NA≈n1(2Δ)1/2=1.5*(2*0.01) 1/2= 0.21 ② 阶跃多模光纤，g->∞，M=V2/2 => V=2 V=2*3.14*a*NA/λ => a= 2* 1.3/(2*3.14*0.21)= 1.97μm ③ σ (g->∞）≈ τ *0.4247=0.4247* Ln1Δ /C =0.42*1000*1.5*0.01/3x108= 2.1ns f3dB =187/σ =187/2.1=89 MHZ(数字信号允许速119Mb/s)
a 2.405*
2 2 n12 n2
2.405*1.31 2*3.14*1.5* 2*0.005
3.3um
8、由光源发出λ ＝1.31μ m的光，在a=9um，Δ =0.01，n1= 1.45，光纤折射率为阶跃分布时，光纤中导模的数量为多少？ 对α =2的渐变光纤，其导模数量为多少？ 答：归一化频率V： 2a 2a 2 2
在高场区内光生载流子被强电场加速获得高的动能与晶格的原子发生碰撞电离形成二次电子空穴对产生的二次电子空穴在强电场中又被加速再次碰撞再次电离如此循环下去形成连锁反应致使耗尽层内的载流子数雪崩似的急剧增加通过二极管的电流也就猛增这就是雪崩倍增效应
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任务二 光纤特性测试 （知识精讲2-3）
1
人
第二课 光纤特性测试
生
规
划
• 光纤与光缆的结构
过 程
• 光纤的导光原理
• 光纤单模传输的条件
• 光纤损耗与色散特性
• OTDR的原理与使用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
课程目标
1 掌握光纤、光缆的结构和分类 2 掌握光纤导光原理、单模传输条件及传输特性 3 具备按不同应用场景合理选择光纤光缆的能力 4 具备OTDR测试仪表的调测能力
13:10
举例
例：阶跃光纤的纤芯折射率
，相对折射率差
，当波长分
别为
，
,要实现单模传输，纤芯半a应小于多少？
解：（1）
（2）
9
谢谢聆听
10
光纤与光缆 的结构
光纤的导光 原理
光纤单模传 输的条件
光纤的传输 特性
OTDR原理 与使用
光纤单模传输的条件
知识目标
1.了解光纤的传播模式 ； 2.掌握单模传输条件。
能力目标
素质目标
1.具备判断单模传输条件的能力； 2.具备识别单模光纤类型的能力。
通过实例，培养同学们举一反三的意识和自 主学习的能力。
13:10
归一化频率V
当进入光纤中的信号归一化频率V大于某种模式的截止频率VC时，该 信号可在光纤中传输；反之，若V<VC ,相应的模式将被截止，不能在光 纤中传输。
13:10
单模传输条件
单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一模式的光纤，由于其 在光传输性能方面大大优于多模光纤，在长距离、大容量通信系统获得 了极其广泛的应用。HE11模是光纤的主模，这种模式对于任意的光波长 都能在光纤中传输，其截止频率为零，LP01模的归一化截止频率为 Vc≈2.405,如果光纤的归一化频率V<Vc(2.405)，TE01、TM01、HE21模式 还没有出现时，光纤只有HE11模。
13:10
光纤的传播模式
在光纤的受光角内，光波以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤 芯-包层交界面上产生全反射，但每种光纤都只允许某些特定的光波通过， 而其他形式的光波在光纤中无法存在。
每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一个模式。如 图所示，以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传 播模式。沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有低次模、高次模等。