第3章光纤的传输特性
光纤习题
第一章思考题与习题1、光通信的发展经历了那三个阶段？2、为什么说1970年是光纤通信的元年？高琨的主要贡献是什么？3、什么是光纤通信？光纤通信有哪些优缺点？4、光纤通信使用的波长和频率在什么范围？光纤通信采用的三个窗口是那三个？5、激光的特点是什么？6、光纤通信系统主要由哪几部分组成？简述各部分的主要作用。
7、光纤通信系统是怎样分类的？试简单比较数字光纤通信系统与模拟光纤通信系统的优缺点。
8、光纤通信向那些方面发展？8、我国“十五”863计划中提出的光时代计划的指导思想是什么？第二章习题与思考题1、光纤由那几层构成，各层的主要作用是什么？2、光纤是怎样分类的？3、光纤的制造主要有哪三个过程？4、分析光纤传光原理有哪些方法？使用这些方法的条件是什么？5、什么是子午光线、斜光线、螺旋光线？6、均匀光纤与包层的折射率分别为：n1＝1.5、n2＝1.45，试计算：(1) 光纤芯与包层的相对折射率差Δ＝？(2) 光纤的数值孔径NA=?(3) 在1m长的光纤上，由于子午光线的光程差所引起的最大时延差Δτmax=?7、已知均匀光纤芯的折射率n1＝1.5 ，相对折射率差Δ＝0.01，芯半径a=25μm，试求：(1)LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？(2)若λ0=1 μm，计算光纤的归一化频率V以及其中传播的模数量M各等于多少？8、均匀光纤，若n1＝1.5 ，λ0=1.3 μm，计算：(1)若Δ＝0.25，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？(2)若取a=5 μm,为保证单模传输，Δ应取多大？9、目前光纤通信为什么采用以下三个作波长：λ0=0.85 μm，λ2=1.31 μm，λ3=1.55 μm？10、光纤通信为什么向长波长、单模光纤方向发展？11、光纤色散产生的原因及危害是什么？12、光纤损耗产生的原因及危害是什么？13、阶跃折射率光纤中，n1＝1.52，n2＝1.49(1)光纤浸入水中(n0＝1.33)，求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角；(2)光纤放置在空气中，求数值孔径。
第03章 光波系统中光信号的传输特性
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(2) β3的影响。 当β3≠0，即高阶色散的影响不能忽略时， 经严格分析发现，高斯脉冲在传输过程中不 再保持原高斯脉冲形状，而是形成了一种振 荡 结 构 的 尾 部 。 这 种 脉 冲 就 不 能 用 T0 或 TFWHM 来确切描述其宽度，而通常用均方根 脉宽来描述，它定义为 σ=[<T2>-<T>2]1/2 角括号<>代表对强度分布的平均。
高斯形光脉冲的脉宽与谱宽光波通信系统中大都采用半导体激光器作为光源一般它产生的光脉冲信号是高斯形的而且均伴随不同程度的啁瞅分量可写为exp022100ttjcata?11啁啾?是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语是指对脉冲进行编码时其载频在脉冲持续时间内线性地增加当将脉冲变到音频地会发出一种声音听起来像鸟叫的啁啾声故名啁啾
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图3-2啁啾高斯脉冲展宽因子T1／T0随传输距离z／ LD的变化曲线。(LD=T02/|β2|称为色散长度)。
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对非啁啾脉冲，C=O，脉宽随 [1+(z／LD)2]1/2 成比例展宽，在z=LD处展宽为初始输入脉宽的√2 倍。 对C≠0的啁啾脉冲，在传输过程中，有可能展宽。 亦有可能压窄，这取决于β2与C是同号还是异号。
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为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲 应限制在所分配的比特时隙(TB)内，而TB =1／B， B为比特率，根据这一准则可求得σ与B的关系。 通常规定: σ≤TB／4或4Bσ≤1，这样至少有95％ 的脉冲能量被限制在比特时隙内。 因此极限比特率为 B≤1／(4σ) 对于很窄的输入脉冲，σ≈σD=|D|Lσλ，则有 B≤l／(4L| D|σλ)
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光纤技术及应用第三章
Optical Fiber Technology and Its Application
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第3章
光
纤
Optic fiber
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引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
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3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
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梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
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将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
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3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
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
光通信技术课后答案-第三章
第三章 光通信信道专业通信103班 代高凯 201027209 3-2.什么是阶跃光纤？什么是渐变光纤？答：光纤按照折射率的分布分类，可分为阶跃光纤和渐变光纤。
(1).阶跃光纤是指在纤芯和包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别是n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，折射率分布的表达式为⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤=21)2()1()1()(a r a n a r n n r ，， 阶跃光纤是早起光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤取代，但是它用来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。
(2).渐变光纤是指光纤轴心处的折射率n1最大，而随沿剖面径向的增加而逐渐减小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2⎪⎩⎪⎨⎧≤<≤∆-=2121211)()(21a r a n a r a r n n r ，， 式中，n1为光纤轴心处的折射率；n2包层区域的折射率；a1为纤芯半径；121n n n -=∆称为相对折射率差。
3-4.什么是单模光纤？什么是多模光纤？答：光纤按照传播的模式分类，可分为多模光纤和单模光纤。
(1).当光纤的几何尺寸（主要是纤径直径d1）远远大于光波波长（约1μm ）时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。
不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会产生时延，导致光脉冲变宽。
这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。
计算多模光纤中除传播模式数量的经典公式为4/2V N =，其中V 为归一化频率。
模式色散会使许多多模光纤的带宽变窄，降低其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。
多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布，即渐变折射率分布，其纤芯直径d1大约为50μm 。
(2)根据电磁场理论与求解麦克斯韦方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与波长相比拟时，如芯径d1在5~10μm 范围，光纤只允许一种模式（基模HE11）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤，由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信，但是必须满足 归一化频率4048.221≤=NA a V λπ光纤的纤芯半径NAa πλ2024.11≤ 3-7.光纤损耗主要有几种原因？其对光纤系统有何影响？答：光纤损耗主要包括：（1）吸收损耗(Absorbtion)—由制造光纤材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根粒子（OH-）等杂质对光的吸收而产生的损耗，包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。
光纤通信本科课程设计
光纤通信 本科课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光纤通信的基本原理，掌握光纤的传输特性和优势。
2. 学习光纤的组成结构，了解不同类型的光纤及其应用场景。
3. 掌握光发射器、光接收器的工作原理及其在光纤通信中的作用。
4. 理解光纤通信系统中常用的编码和解码技术。
技能目标：1. 能够运用光纤通信相关知识，分析并解决实际通信问题。
2. 学会使用光纤通信设备，进行简单的光纤连接和测试操作。
3. 能够设计简单的光纤通信系统，并进行性能评估。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光纤通信技术的好奇心和探究精神，提高学习兴趣。
2. 增强学生的团队合作意识，培养在光纤通信实验和项目中相互协作的能力。
3. 让学生认识到光纤通信在现代通信领域的重要地位，增强社会责任感和使命感。
课程性质：本课程为本科阶段的光纤通信课程设计，旨在帮助学生巩固光纤通信的基础知识，提高实践操作能力。
学生特点：本科学生具备一定的理论基础，具有较强的学习能力和动手能力，对新技术和新知识充满好奇心。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过课程设计，使学生在掌握光纤通信基本知识的基础上，具备实际应用和创新能力。
教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 光纤通信原理- 光纤的结构与分类- 光纤的传输特性- 光的传播原理2. 光纤通信器件- 光发射器：LED、LD、光泵浦源- 光接收器：PIN光电二极管、APD- 光纤连接器、耦合器、波分复用器3. 光纤通信系统- 系统组成与工作原理- 常用编码解码技术- 光纤通信系统的性能指标4. 光纤通信网络- 网络结构及其应用- 光纤通信技术在现代通信网络中的应用- 光网络的发展趋势5. 光纤通信实验- 光纤的切割、熔接与测试- 光发射器与光接收器的性能测试- 光纤通信系统的搭建与性能评估教学内容根据课程目标制定，涵盖光纤通信的基本原理、器件、系统、网络及实验操作等方面。
《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
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( 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
光纤通信知识点归纳
第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。
2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。
2）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发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。
3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
特性参数：灵敏度4）一般地，大容量、长距离光纤传输: 单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输: 多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19 dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。
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单模工作模特性及光功率分布 ............................................................. 错误!未定义书签。
单模光纤中LP 01模的高斯近似 ............................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） ............................. 错误!未定义书签。
双折射概念 ............................................................................................... 错误!未定义书签。
偏振模色散概念 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤中偏振状态的演化 ................................................................. 错误!未定义书签。
单模单偏振光纤 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤色散 ................................................................................................... 错误!未定义书签。
色散概述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。
光传输基础知识
光传输基础知识
光传输是指使用电子器件和光学元件将电信号转换为光信号，然后通过光纤传输到目的地。
以下是一些光传输基础知识：
1. 光信号的基本特性：
- 光信号是由光子组成的，光子是能量的量子单位。
- 光信号的频率是由电信号的频率决定的。
- 光信号的波长是由光纤的折射率决定的。
- 光信号的强度是由光纤的损耗和信号的功率决定的。
2. 光纤的基本特性：
- 光纤是由玻璃或塑料制成的细长的纤维，用于传输光信号。
- 光纤的直径通常为10微米左右。
- 光纤的折射率大于周围材料的折射率，因此光信号可以沿着光纤传输。
- 光纤的损耗是由光纤的材料、长度、弯曲和接头等因素决定的。
3. 光电器件的基本特性：
- 光电二极管是一种常用的光电器件，用于将光信号转换为电信号。
- 光电二极管的工作原理是利用光子激发电子产生电流。
- 光电二极管的响应速度和灵敏度是由其材料和结构决定的。
4. 光传输系统的基本组成部分：
- 发送端：包括光源、调制器和光探测器等。
- 光纤：用于传输光信号。
- 接收端：包括光探测器、解调器和信号处理器等。
- 控制系统：用于控制和监测光传输系统的运行状态。
5. 光传输系统的常见应用：
- 光纤通信：用于传输语音、数据和图像等信息。
- 光纤传感：用于测量温度、应变、压力和流量等物理量。
- 光纤照明：用于室内和室外照明。
- 光纤医疗：用于医疗成像和治疗。
以上是光传输基础知识的一些基本概念和应用，希望能对您有所帮助。
光纤通信原理-(全套)PPT课件
为了描述光纤中传输的模式数目，在
此引入一个非常重要的结构参数，即光纤
的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
V k 0 n m a2 2 0n m a2 C n m a2
1. 多模光纤
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
光纤的作用是为光信号的传送提供传 送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一 处。
中继器分为电中继器和光中继器(光放 大器)两种，其主要作用就是延长光信号的 传输距离。
1.3.2 光纤通信系统的分类
根据调制信号的类型，光纤通信系统 可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通 信系统。
根据光源的调制方式，光纤通信系统 可以分为直接调制光纤通信系统和间接调 制光纤通信系统。
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区 的 损 耗 可 低 到 0 . 1 8 dB/km， 比 已 知 的 其 他通信线路的损耗都低得多，因此，由其 组成的光纤通信系统的中继距离也较其它 介质构成的系统长得多。
图2.2 光纤的折射率分布
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
n r n n 1 2
r a r a
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)。
光纤思考题
光纤通信第一章：1、什么是光纤通信：光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式2、光纤的主要作用是什么？引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。
Or（单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，适用于高速长途通信系统。
多模光纤的纤芯直径为50μm，适用于低速短距离通信系统）3、与电缆或微波等通信方式相比，光纤通信有何优缺点？光纤通信有何优点：容许频带很宽，传输容量很大损耗很小，中继距离很长且误码率很小重量轻、体积小丶抗电磁干扰性能好泄漏小，保密性能好节约金属材料，有利于资源合理使用or与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：(1)传输频带极宽，通信容量很大(2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；(3)串扰小，信号传输质量高；(4)光纤抗电磁干扰，保密性好；(5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；(6)耐化学腐蚀；（7)光纤是石英玻璃拉制成形原材料来源丰富4、为什么说使用光纤通信可以节省大量有色金属？5、为什么说光纤通信具有传输频带宽，通信容量大？光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一堆光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输3000多路电话，频带宽对于各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则，无法满足未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展的需要。
6、可见光是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.39~0.76μm7、红外线是人眼能看见的光，其波长范围是多少？0.76~300μm8、近红外区：其波长范围是多少？0.76~1.5μm9、光纤通信所用光波的波长范围是多少？0.8~1.6μm10、光纤通信中常用的三个低损耗的窗口的中心波长分别是多少？0.85,1.30,1.55μm第二章：1、典型光纤由几部分组成？各部分的作用是什么？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。
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。
光纤通信(第二版)期末复习知识点
第一章1.光纤通信的优缺点。
答：优点：一是通信容量大。
光载波的中心频率很高，约为，最大可用带宽一般取载波频率的10%。
二是中继距离长。
三是抗电磁干扰，光纤通信系统具有良好的电磁兼容性。
四是传输误码率极低。
缺点：一是有些光器件比较昂贵。
二是光纤的机械强度差。
三是不能传送电力。
四是光纤断裂后的维修比较困难，需要专用的工具。
2，什么是光纤通信。
3.光纤通信系统的应用。
答：一通信网，包括全球通信网、各国的公共电信网、各种专用通信网、特殊通信手段。
二计算机局域网和广域网。
三有线电视的干线和分配网。
四综合业务光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网。
4.未来光网络的发展趋势及关键技术答：发展趋于智能化、全光化。
关键技术：长波长激光器、低损耗单模光纤、高效光放大器、WDM复用技术和全光网络技术。
第二章光纤和光缆1光纤结构和分类答：光纤是由中心的纤心和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
类型：突变型多模光纤、渐变型多模光纤、单模光纤、双包层光纤、三角芯光纤、椭圆芯光纤2损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输带宽。
色散包括模式色散、材料色散、波导色散，其中单模色散只包括后两者。
第三章通信用光器件1.光源有半导体激光器和发光二极管。
其中半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用光学谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光的振荡2.光与物质间的互相作用过程。
答：一受激吸收。
在正常状态下，电子处于低能级，在入射光的作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级上，这种跃迁称为受激吸收。
二、自发辐射。
在高能级的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动跃迁到低能级上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。
三、受激辐射、在高能级的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，称为受激辐射。
3.比较半导体激光器和发光二极管的异同。
《光纤通信》第3章课后习题答案
1．计算一个波长为1m λμ=的光子能量，分别对1MHz 和100MHz 的无线电做同样的计算。
解：波长为1m λμ=的光子能量为834206310// 6.6310 1.991010c m s E hf hc J s J mλ---⨯===⨯⋅⨯=⨯ 对1MHz 和100MHz 的无线电的光子能量分别为346286.6310110 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯346266.631010010 6.6310c E hf J s Hz J --==⨯⋅⨯⨯=⨯2．太阳向地球辐射光波，设其平均波长0.7m λμ=，射到地球外面大气层的光强大约为20.14/I W cm =。
如果恰好在大气层外放一个太阳能电池，试计算每秒钟到达太阳能电池上每平方米板上的光子数。
解：光子数为3484441660.14 6.6310310101010 3.98100.710c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯=⨯=⨯=⨯=⨯⨯ 3．如果激光器在0.5m λμ=上工作，输出1W 的连续功率，试计算每秒从激活物质的高能级跃迁到低能级的粒子数。
解：粒子数为3482161 6.6310310 3.98100.510c I Ihc n hf λ---⨯⨯⨯⨯====⨯⨯ 4．光与物质间的相互作用过程有哪些？答：受激吸收，受激辐射和自发辐射。
5．什么是粒子数反转？什么情况下能实现光放大？答：粒子数反转分布是指高能级粒子布居数大于低能级的粒子布居数。
处于粒子数反转分布的介质（叫激活介质）可实现光放大。
6．什么是激光器的阈值条件？答：阈值增益为1211ln 2th G L r r α=+其中α是介质的损耗系数，12,r r 分别是谐振腔反射镜的反射系数。
当激光器的增益th G G ≥时，才能有激光放出。
（详细推导请看补充题1、2）7．由表达式/E hc λ=说明为什么LED 的FWHM 功率谱宽度在长波长中会变得更宽些？证明：由/E hc λ=得到2hc E λλ∆=-∆，于是得到2E hc λλ∆=-∆，可见当E ∆一定时，λ∆与2λ成正比。
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。
光纤通信原理及基础知识
偏振模色散受限的最大理论传输距离 B 当比特率大于10Gbs 偏振模色散必须考虑降低光纤偏振模色散值改进光纤的几何形状导致裸纤的旋转 10 PMD ps4 km 25 Gbs10 Gbs 40 Gbs 30 180km llkm lkm 10 1600 km 100 km 6km 05 6400km 400 km 25km 02 40000 km 2500 km 156km 光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理论传输距离光纤的基本参数固有和非固有的偏振模色散原因包层中心为椭圆包层偏心进入气体侧压涂层椭圆涂层偏心非固有原因侧压弯曲扭曲光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散光纤的基本参数定义光纤作为单模光纤工作的最短波长工作波长超过此波长时只能传输基模此<aname=baidusnap0></a>时光</B>纤为单模光纤工作波长低于此波长时除基模外高次模也可传输此时光</B>纤为多模光纤光纤的光学及传输特性参数之一------截止波长光纤的基本参数弯曲损耗宏观弯曲损耗是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时所引入的附加损耗微观弯曲损耗是指光纤受到不均匀应力的作用光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗光纤的光学及传输特性参数之一------弯曲损耗光纤的基本参数衰减系数色散系数截止波长弯曲损耗 1310nm波长处036dBkm 1550nm波长处022dBkm 1310nm波长处 0ps nmkm 1550nm波长处19ps nmkmcc1260nm 以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减005dB模场直径 1310nm 8-10m 1550nm 9-11m 光纤的光学及传输特性参数之一------参数典型值光纤的基本参数偏振模色散 PMD05ps km 12 光纤的光学及传输特性参数之一------ITU规范典型值光纤的基本参数机械及环境性能参数光纤筛选应力水平光纤抗张强度光纤动态疲劳参数光纤静态疲劳参数筛选应力069GPa 持续时间1s 典型值500kpsi nd 20 ns 20 光纤的基本参数光纤温度衰减特性光纤浸水性能光纤老化性能 -60oC85oC下附加衰减005dBkm 23oC下浸水14天后附加衰减005dBkm 温度湿度衰减特性 -10oC85oC98RH下附加衰减 005dBkm 85oC下老化一个月后附加衰减005dBkm 机械及环境性能参数光纤的基本参数第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构及分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识光纤制造的工艺流程制造光纤的基本化学反应式如下 SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 其工艺流程如下制棒脱水烧缩抛光拉丝筛选复绕光纤的制造方法根据预制棒生产方式的不同光纤制造方法可分为以下四种改进的化学气相沉积法 MCVD 等离子激活化学气相沉积法PCVD 真空泵 O2 SiCl4 GeCl4 BBr3 空腔谐振器排气喷灯管子O2 SiCl4 GeCl4 光纤制造的方法光纤的制造方法管外气相沉积法OVD 喷灯 O2 SiCl4 GeCl4 O2H2 多孔预制棒喷灯 O2 SiCl4 GeCl4 O2H2 O2H2 多孔预制棒轴向气相沉积法 VAD 光纤制造的方法光纤的制造方法工艺要求高洁净度氮气保护高速涂覆快速冷却预制棒驱动机构石墨炉预制棒在线测径仪在线测径仪涂覆模涂覆模 UV固化炉 UV固化炉收线盘拉丝光纤的制造方法 THANK YOU Please leave your Idea That is all for today 一般折射率n 1c 310 n1 n2 1信号丢失极小2无电磁干扰3 纤芯芯径包层直径光纤的模是指电磁波在光线中的传播方式G652称为常规单模光纤可在双波长工作其在1310nm处色散最低在1550处衰减最低价格低技术成熟90％＋其大色散在1550nm处对系统传输速率有很大影响 G652 最佳工作波长1310 G653 零色散波长在155 m 高斯分布的单模光纤模场直径是光场幅度分布1e处各点所围成圆的直径也等于光功率分布1e2处各点所围成圆的直径一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1e的各点中两点最大距离石英光纤的损耗曲线光纤的色散引起传输信号的畸变使通信质量下降从而限制了通信容量和通信距离光源发出的不是单色光调制信号有一定的带宽材料色散波导色散模式色散偏振色散单模光纤中世纪存在偏振方向相互正交的两个基模当光纤存在双折射时这两个模式的传输速度不同由此引起的色散叫偏振色散也属模式色散的范畴微弯损耗是在光纤的制作成缆敷设光纤在低温环境下运作而产生微弯产生的损耗是不可避免的光纤的通信原理及基础知识第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构和分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识§11 光纤通信的基本原理信号处理发送端信号处理接收端光波导第一章光纤光缆的基本知识 f 10km 1km 100m 10m 1m 1cm 1dm 105m 100km 107m 0 10Hz 100Hz 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 1cm 100m 1mm 10m100nm 1m 10nm 1nm 100pm 10pm 1pm 10G 100G 1T 10T 100T 1015T 1017T1016T 1019T 1018T 1020T 16m 15m 13m 14m 11m 12m 1m 900nm 800nm700nm 500nm 600nm 400nm 红外线紫外线 X射线伽玛射线光纤应用范围无线电电视卫星 LW KW MW UKW dm cm 高频微波低频交流电直流电微波可见光电磁波谱频谱分配光纤通信的基本原理光在传输过程中在两种不同的传输媒质的界面将产生以下行为一部分入射光将被反射一部分入射光将进入第二种媒质并产生折射媒质 1 折射率n1 媒质 2 折射率n2 入射光线反射光线 1 2 1 2 n1·Sin1 n2·Sin2 媒质1 折射率n1 媒质2 折射率n2 入射光线 1 2 折射光线光的反射和折射定律光纤通信的基本原理折射率 n＝光在真空中的传播速度光在该媒质中的传播速度全反射当n1n2时随着入射角的不断增加在入射角达到某一值时折射角达到90oC我们把此时的入射角称为临界角0 当入射角大于临界角时将发生全反射媒质1 媒质2 根据折射定律我们可以求出临界角此时2＝90o即 n1·Sin0 n2·Sin90o 所以 Sin0 n2n1 媒质折射率真空空气水多模光纤单模光纤玻璃钻石光的全反射定律光纤通信的基本原理光通信正是利用了全反射原理当光的注入角满足一定条件时光</B>便能在光纤光波导内形成全反射从而达到长距离传输的目的包层 n2 纤芯 n1 光纤中心轴线 0 90- 0 包层 n2 空气 n0 1 光纤的导光原理光纤通信的基本原理 n1 n2 n0 n0 空气中的折射率n1 纤芯的折射率 n2 包层的折射率 0 0 入射角和 sin0n2n1 条件涂层包层纤芯光纤的结构光纤的基本结构和分类光纤通信的优点光通信基本原理大容量长中继距离适应能力强体积小重量轻便于安装和维护选材丰富价格低Raw material abundance low price 保密性强第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构和分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识光纤的结构及组成涂层力学影响的防护涂层 acrylic 250 μm 涂层 250 μm 标准单模光纤标准梯度折射率分布多模光纤纤芯 SiO2GeF 掺锗二氧化硅86-95 μm 纤芯聚甲基丙烯酸甲酯980 μm 包层 SiO2F 掺氟二氧化硅125 μm 纤芯掺锗二氧化硅50 μm 625 μm 100 μm 涂层 1000 μm 塑料光纤光纤的基本结构和分类按材料分类二氧化硅系光纤多组份光纤塑料光纤光纤的分类光纤的基本结构和分类用于通信如光缆用于传感器如光纤陀螺用于传输图像如内窥镜其它用途如用于传输能量按用途分类光纤的分类光纤的基本结构和分类按传输模式分类多模光纤单模光纤光纤的分类光纤的基本结构和分类 G651多模光纤工作波长为850nm的LAN用的多模光纤 G652光纤最佳工作波长为1310nm的单模光纤 G652A G652B标准光纤 G652C G652D低水峰全波光纤 G653光纤零色散波长在155m窗口的单模光纤 G654光纤截止波长在1500 nm的海底应用单模光纤又称为最低衰减单模光纤 G655光纤在1550nm窗口给定波长区间内色散不为零的色散位移单模光纤称为非零色散位移光纤G655A 单信道光纤 1995 G655B G655C DWDM光纤 20001020031 G656光纤使用于DWDM 系统SCL波带的非零色散位移光纤 200310提出20044争取会议同意光纤的分类光纤的基本结构和分类单模光纤特性G652光纤 G653光纤 G654光纤 G655光纤最成熟的单模光纤但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起过渡性的单模光纤通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减过渡性的单模光纤把零色散点移到了衰减最小的波长一种新型的单模光纤把最小的衰减与小的色散结合在一起单模光纤的特性光纤的基本结构和分类G652光纤的分类特点与应用应用 maxbook118com支持G957规定的SDH传输系统G691规定的带光放大的单通过路STM-16 25Gbits 的SDH传输系统G693规定的40km的10Gbits以太网系统及STM-256 maxbook118com主要支持更高速率 maxbook118com输系统中直到STM-64 10Gbitsmaxbook118com1中对于STM-256的某些应用maxbook118com低水峰光纤与G652A光纤属性类似允许使用在13601530nm扩展波长范围 maxbook118com与G652B光纤属性类似允许使用在13601530nm扩展波长范围光纤的基本结构和分类长距离应用发展方向是大有效面积色散平坦型G655 城域网中低水峰光纤 G652C G652D有较大的应用前景关键在价格目前主要采用的是G652A G652B光纤接入网中将主要应用G652光纤其发展前景仍被很多专家看好目前市场规模在下降但仍继续占主导地位 LAN中将主要应用多模光纤芯径逐渐由625m向50 m发展市场在逐渐扩大室内布线将向塑料光纤发展光纤应用的发展趋势光纤的基本结构和分类第一章光纤通信的基本原理第二章光纤的基本结构及分类第三章光纤的基本参数第四章光纤的制造方法光纤的通信原理及基础知识几何尺寸参数光学及传输特性参数机械及环境性能参数光纤参数分类光纤的基本参数光纤的几何尺寸参数纤芯直径纤芯包层同心度包层外径 d dxdy 2 包层不圆度 dmax-dmind 涂层外径包层涂层同心度光纤翘曲度 R dx dy R 光纤的基本参数光纤几何尺寸参数典型值纤芯直径多模光纤纤芯直径单模光纤纤芯包层同心度包层外径包层不圆度涂层外径包层涂层同心度62550m 8～10m 10m 125m2m 2 245m10m 15m 光纤翘曲度 2m 光纤的基本参数光纤的光学及传输特性参数衰减系数色散系数截止波长弯曲损耗偏振模色散模场直径光纤的基本参数定义高斯分布的单模光纤模场直径是光场幅度分布1e处各点所围成圆的直径也等于光功率分布1e2处各点所围成圆的直径光纤的光学及传输特性参数之一------模场直径光纤的基本参数● P0Pe 衰减系数＝10lg PiPo L 下面Pi 输入功率Po 通过长度为L的光纤后的输出功率 L 传输距离定义 Loss dB -10lg PoutPin 限制传输距离固有损耗瑞利散射材料反射紫外线辐射红外线吸收外来损耗吸收分离点损耗 Pi Po L §12衰减系数光纤的光传输特性衰减 dBkm波长 nm 1310 1550 036 020 －单模光纤的典型频谱衰耗 OH-吸收峰又称为水峰光纤的光学及传输特性参数之一------典型频谱衰耗图光纤的基本参数定义由于传输介质的折射率与光波的波长相关而造成不同波长的光在相同传输介质中的传播速度不同的现象其程度用色散系数进行反映光纤的光学及传输特性参数之一------色散系数D ps km·nm 光纤的基本参数 Theoretical max distance limited by the dispersionB capacity 1550nm G652 1550nm G655 1310nm G652 25Gbs928km 4528km 6400km 10Gbs 58km 283km 400km 20Gbs 145km 70kml00km 40Gbs 36km 18km 25km 10 光纤的光学及传输特性参数之一------色散受限最大理论传输距离光纤的基本参数 8 4 -4 0 1200-8 1800 1400 1500 1600 1700 1 3 2 nm 4 色散D ps nmkm 波长nm 1 非色散位移光纤 2 色散位移光纤 3 色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤－不同单模光纤的色散曲线光纤的光学及传输特性参数之一------色散曲线图光纤的基本参数定义基模包含两个正交的矢量这两个偏振矢量在传播过程中会产生时延从而引入偏振模色散光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散光纤的基本参数 PMD定义定义减弱的波长结构导致的两个线性偏振模的色散Δ tPMD Dpmd L∧05 PMD Link y PMDQ 9999 probability of 100000 y 光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散光纤的基本参数一般折射率n 1c 310 n1 n2 1信号丢失极小2无电磁干扰 3 纤芯芯径包层直径光纤的模是指电磁波在光线中的传播方式 G652称为常规单模光纤可在双波长工作其在1310nm处色散最低在1550处衰减最低价格低技术成熟90％＋其大色散在1550nm处对系统传输速率有很大影响 G652 最佳工作波长1310 G653 零色散波长在155 m 高斯分布的单模光纤模场直径是光场幅度分布1e处各点所围成圆的直径也等于光功率分布1e2处各点所围成圆的直径一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1e的各点中两点最大距离石英光纤的损耗曲线光纤的色散引起传输信号的畸变使通信质量下降从而限制了通信容量和通信距离光源发出的不是单色光调制信号有一定的带宽材料色散波导色散模式色散偏振色散单模光纤中世纪存在偏振方向相互正交的两个基模当光纤存在双折射时这两个模式的传输速度不同由此引起的色散叫偏振色散也属模式色散的范畴微弯损耗是在光纤的制作成缆敷设光纤在低温环境下运作而产生微弯产生的损耗是不可避免的 Sheet115190000 00 00 00 00。
《光纤通信原理》PPT课件
3-1-2 散射损耗
光线通过均匀透明介质时，从侧面是难 以看到光线的，如果介质不均匀，如空 气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧 面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介 质中的不均匀性使光线四面八方散开的 结果，这种现象称之为散射。散射损耗 是以光能的形式把能量辐射出光纤之外 的一种损耗。散射损耗可分为线性散射 损耗和非线性散射损耗。
红外吸收损耗对于波长大于2微米的光 波表现得特别强烈，形成红外吸收带。
29
杂质吸收损耗
杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低 而减小，直至清除。因此得到一个很宽 的低损耗波长窗口，有利于波分复用 （WDM）。
30
原子缺陷吸收损耗
原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的 制造工艺，不同的掺杂材料及含量使之 减小到可以忽略不记的程度。
2
1-1 光纤通信的发展与现状
1-1-1 早期的光通信 几千年前，中国就有火光通信：烽火
台，它是世界上最早的光通信，因为它 具有光通信的基本要素：光源、接受器、 信息加在光波上和光通道。
1880年，贝尔发明了光电话，它是现 代光通信的开端，但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
3
1-1-2 光纤通信
3、弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折
射率差△ 以及光缆的材料和结构。实用光纤的 最小弯曲半径一般为50~70毫米，光缆的最小 弯曲半径一般为500~700毫米，等于或大于光 纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下，光辐 射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小 弯曲半径，附加损耗则急剧增加。
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维， 但损耗高达1000db/Km，这天文数字的 损耗量，使有人认为光纤传输无实际意 义。
1960年，英籍华人高锟指出：如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度， 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km，信 息容量可能超过100MHz。
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D
G.652（常规SM）
G.653(DSF) G.655 (NZ-DSF)
1310
1550
(nm)
色散对通信容量限制的估算
高斯光脉冲的展宽因子
1 2 2 z 2 2 3 z 1 1 V 1 V 2 3 0 2 0 8 2 0
由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的 调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM (SelfPhase Modulation)
对光纤通信的负面影响
光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移
光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移 在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度
1
d 3 3 d 3
0
2 2 S 0 2D 2 (2c)
3.4 SM光纤的非线性传输特性
电介质的极化
电介质的极化通常用极化强度矢量 P 来描述
极化强度与电场强度的关系为
P 0 1 E 0 2 : EE 0 3 EEE
波长色散
群速度是表征光信号包络传播速度的量
d vg d
单位长度光纤上光信号的群时延：
1 d vg d
c 1/
0 0 , k0 0 0 / c 2 d k0 2 / 2c d
d dk0 1 d dk0 d c dk0
有益应用
光纤通信中色散的含义
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
光纤色散对通信的影响
影响链：
色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大
通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度 光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理
宏弯损耗
曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲
微弯损耗
光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲 场分布
Cladding Core
< > c
消逝场
R
降低光纤损耗的方法
工作波长选择
选择在低损耗窗口
— 真空介电常数 (i) — 媒质的电极化率张量 (i)是i+1阶张量
对各向同性电介质，有
P 0 ( 1 E 2 E 2 3 E 3 )
极化的非线性
P PL PNL
PL 0 1 E
PNL 0 2 : EE 0 3 EEE
吸收损耗
本征吸收 杂质吸收
过渡金属离子 氢氧根离子
散射损耗
瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯
弯曲损耗
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值
红外吸收
紫外吸收
OH-吸收
波导缺陷
超纯原料
降低过渡金属离子浓度
减小不均匀性 减小OH-离子的引入
生产工艺
光纤保护
光纤的典型损耗特性
850nm
3dB/km 0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)
1310nm
1550nm
0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km）
(理论极限值0.154dB/km)
氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km
难度
超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量
测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法
剪断法、插入损耗法
偏置电路 被测光纤
P1 光源 注入装置
P2 检测器
放大器
电平测量
6 4 2 0
GIF
纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性 减小
包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中
0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 波长 / m (a)
纤芯小，弯曲损耗更低
超低损耗光纤
瑞利损耗与波长的关系
为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤
使用过程中光纤的损耗变化
变化趋势
损耗增大
原因
热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀
OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比
单模光纤损耗要小一些
10 SIF 8
－1 km 损 耗 /( dB· )
原因包括以下几点：
SMF
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度
各阶电极化率张量间的关系
1 2 Eat 2 Eat 2
其中， Eat
e 40 a
2
是原子内部的库仑场
通常外加电场E<<Eat，所以|PNL|<<|PL|，电介质的非线性不显著
极化强度与折射率
极化强度 P t 0 1 E 0 2 E 2 0 3 E 3
由于以下原因，光纤存在双折射现象
外加电磁场影响
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的 传播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
偏振模色散图
偏振模色散（PMD）
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传 播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就 越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输
单模光纤的双折射
单模光纤的实际工作模式
LP01x 模和 LP01y模 它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy 几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性
2 d 1 d 2 d 2 2 d 2c d d
波长色散
与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或 GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)或 色度色散
波长色散的组成
光纤的波长色散组成
材料色散 波导色散 折射率剖面色散
材料色散
材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是 频率的函数引起的
Gi n n 1 2 2 i 1 i
2
1
2
v c/n
石英材料： G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
1 2 2 3 3 电位移矢量 D 0 E P 0 ( E 0 E 0 E )
折射率
n2 1 1 2 E 3 E 2
光纤的非线性折射率
n 2 1 1 2 E 3 E 2
材料色散系数
vg d d
k0 n n 0 0 n / c
dn dn dn dn vg c n k0 c n n N n k0 dk 0 d dk 0 d
1 / vg
本章内容
光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性
光纤的制造工艺
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤
任何传输信道均会对信号造成损伤
线性损伤
加性噪声
损耗
外部串扰 信道内部串扰
非线性损伤
信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤
线性损伤
加性噪声
多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计
损耗 外部串扰，可忽略不计
色散造成的信号畸变
内部串扰，来源于光纤的非线性
非线性损伤
光纤非线性造成的信号畸变
乘性噪声，可忽略不计
3.2 光纤的损耗特性
损耗
即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。
问题
如何表示光纤损耗？
d 1 dN d c d
2 d n Ym 2 d2
1 Ym c
1 材料色散系数： D - Ym c
波导色散
波导色散系数
2 1.5
DW
N1 N 2 d 2 bV V 0 2 c dV