第2章光纤和光缆 光纤通信 optical communication 教学课件
光纤通信电子教案
光纤通信电子教案教师备课纸第 1 次课题1、光纤通信概述目的要求 1.了解光纤通信发展的历史2.了解光纤通信的优点及应用3.掌握光纤通信系统的基本组成4.了解光纤通信的发展现状及展望教学重点 1.光纤通信系统的一般组成2.光端机、光纤链路的基本功能教学难点光纤通信系统的组成与功能教学课时 2教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤《光纤通信》课程内容介绍、专业学习方法、参考资料介绍第1章概论第2章光纤和光缆第3章通信用光器件第4章光端机第5章数字光纤通信系统第6章模拟光纤通信系统第7章光纤通信新技术第8章光纤通信网络1.1 光纤通信的发展历史和现状教师备课纸1.1.1 探索时期的光通信中国古代用“烽火台”报警欧洲旗语望远镜，目视光通信1880年，美国人贝尔发明了用“光电话”1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器1.1.2 现代光纤通信1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆的论文指出利用光纤进行信息传输，奠定了现代光通信基础。
1970 年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。
1976 年，世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验成功。
光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段：第一阶段(1966~1976年)，是基础研究到商业应用的开发时期。
第二阶段(1976~1986年)，提高传输速率和增加传输距离的发展时期。
第三阶段(1986~1996年)，全面深入、开展新技术研究的时期1.1.3 国内外光纤通信发展的现状1.2 光纤通信的优点和应用1.2.1 光纤通信的优点1.容许频带很宽，传输容量很大；2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小；3.重量轻、体积小； 教师备课纸4.抗电磁干扰性能好；5.泄漏小，保密性能好；6.节约金属材料，有利于资源合理使用。
1.2.2 光纤通信的应用光纤通信的各种应用可概括如下：①通信网 ②构成因特网的计算机局域网和广域网③有线电视网；工业电视系统；自动控制系统④综合业务光纤接入网1.3 光纤通信系统的基本组成1.光发射机：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路 (常简称为电/光或E/O 转换)。
光纤通信(第二版)课件PPT(刘增基著)
第1章 概 论
为了克服气候对激光通信的影响，人们自然想到把激光束 限制在特定的空间内传输, 因而提出了透镜波导和反射镜波导的 光波传输系统。透镜波导是在金属管内每隔一定距离安装一个 透镜，每个透镜把经传输的光束会聚到下一个透镜而实现的。 反射镜波导和透镜波导相似，是用与光束传输方向成45°角的 两个平行反射镜代替透镜而构成的。这两种波导，从理论上讲 是可行的，但在实际应用中遇到了不可克服的困难。首先，现 场施工中校准和安装十分复杂；其次，为了防止地面活动对波
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对光通信的 研究曾一度走入了低谷。
第1章 概 论
1.1.2 现代光纤通信 1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用 光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。当时石英纤维的损耗高达 1000 dB/km以上，高锟等人指出：这样大的损耗不是石英纤维 本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe、 Cu等)离子的吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利 (Rayleigh)散射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的 低损耗光纤。如果把材料中金属离子含量的比重降低到10－6以 下，就可以使光纤损耗减小到10 dB/km。再通过改进制造工艺 的热处理提高材料的均匀性，可以进一步把损耗减小到几 dB/km。这个思想和预测受到世界各国极大的重视。
十一五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材
光 纤 通 信(第二版)
刘增基 周洋溢 胡辽林 编著
任光亮 周绮丽
西 安 电 子西科 技 大 学 出 版 社
光纤通信第2章光纤与光缆
������ = 2arctg
������1 2 ������2
sin2������1 − sin2������������ cos������1
10:19:53
20
2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播
子午射线：光线从入射端面耦合进光纤中，光线始终在一个 包含光纤中心轴线的平面内传播, 并且一个传播周期与光纤 轴线相交两次。
������ ������ = ������
������ = 3 × 108m/s(真空中)
������为媒质的折射率 空气������ = 1 水������ = 1.33 硅玻璃������ = 1.5
分析
2.2.1基本光学定义和定律
光的射线理论的简单规则：
������
=
������12−������22 2������12
24
2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（2）子午射线在渐变型光纤中的传播
10:19:53
25
2.2光纤的射线理论分析
10:19:53
26
2.2光纤的射线理论分析
渐变光纤的数值孔径
������������ = sin������0 = ������(0)2 − ���������2��� = ������(0) 2Δ
第二章 光纤与光缆
10:19:53
1
内容
2.1光纤的结构与类型 (1)光纤的结构 (2)光纤的类型 2.2光纤的射线理论分析 (1)基本光学定义和定律 (2)光纤中光的传播 (3)光纤中的模式传输 (4)多模光纤与单模光纤 2.3均匀光纤的波动理论分析 (1)平面波在理想介质中的传播 (2)阶跃光纤的波动理论 2.4光缆 (1)光缆的典型结构 (2)光缆的种类与型号 2.5小结
《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。
OpticalCommunications光通信课件
Applications
Transmit telephone signals Transmit Internet communication Transmit cable teCommunications光通信课 件
➢Converged Voice-Data-Connection ➢Temporary network installation
OpticalCommunications光通信课 件
Thank you!
OpticalCommunications光通信课 件
➢ Free-space optical communications
➢ Applications
OpticalCommunications光通信课 件
What are optical communications
➢any form of telecommunication that uses light as the transmission medium.
radiation
OpticalCommunications光通信课 件
Typical optical communications
➢Optical fiber communications ➢Free-space optical communications
OpticalCommunications光通信课 件
Overview
➢ Definition
➢ Technology
➢ Optical transmitters/sources
➢ Optical receivers/detectors
➢ Advantages
《光缆和光纤通信器》课件
光纤到小区（FTTZ）的应用案例
总结词
光纤接入到小区，提供高速上网、视频 通话等服务。
VS
详细描述
光纤到小区（FTTZ）是一种将光缆接入 到小区的方式，通过这种方式，小区内的 用户可以享受到高速上网、视频通话、电 视接收等多种服务。FTTZ的建设成本较 低，覆盖范围广，是小区通信网络建设的 重要方式之一。同时，FTTZ还可以提高 小区的信息化水平和管理效率，为小区居 民提供更好的生活服务。
光缆的组成材料
01
02
03
光纤
光缆中的核心材料是光纤 ，其质量直接影响光缆的 性能。
加强元件
为了保护光纤，光缆中通 常会加入加强元件，如钢 丝或塑料骨架等。
护套材料
护套材料用于保护光缆免 受机械损伤和环境侵蚀， 常用的护套材料有聚乙烯 、聚氯乙烯等。
光缆的制造工艺
光纤预制棒制备
光纤预制棒是制造光纤的原料 ，其制备工艺非常关键。
光缆和光纤通信器的发展历程
总结词
光缆和光纤通信器的发展历程
详细描述
光缆和光纤通信器的发展经历了多个阶段。最早的光 纤是由英国人贝尔和霍尔于1870年首次试制成功的， 当时使用的材料是石英玻璃，传输衰减很大。随着科 技的发展，人们不断改进光纤材料和制造工艺，使得 光纤的传输衰减不断降低，传输距离不断延长。同时 ，光缆技术也得到了快速发展，光缆的制造工艺和材 料不断改进，光缆的传输性能和可靠性得到了显著提 高。
感谢观看
THANKS
02
光缆的结构与分类
光纤的结构与分类
光纤的结构
光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。纤 芯是传输光信号的核心部分，包层用 于保护纤芯，涂覆层则起到保护光纤 不受外界环境影响的作用。
梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案
第1章概述1－1、什么是光纤通信？参考答案：光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，其先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。
光经过调变后便能携带资讯。
光纤通信利用了全反射原理，即当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。
1－2、光纤通信技术有哪些特点？参考答案：(1)无串音干扰，保密性好。
(2)频带极宽，通信容量大。
(3)抗电磁干扰能力强。
(4)损耗低，中继距离长。
(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。
除以上特点之外，还有光纤的原材料资源丰富，成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。
1－3、光纤通信系统由哪几部分组成？简述各部分作用。
参考答案：光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。
其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光接收机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。
(1)光发送机：由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。
其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。
(2)光接收机：由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。
其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端的电端机去。
(3)光纤线路：其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。
(4)中继器：由光检测器、光源和判决再生电路组成。
它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。
(5)无源器件：包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。
Optical Fiber Communications光纤通讯知识课件
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1.6 Key Elements of Optical Fiber Systems
• Transmitter: a light source and signal-formatting circuitry • A cable offering mechanical and environmental protection
Optical Fiber Communications
Chapter 1 Overview
School of Electrical and Electronic Enginesering, Hubei University of Technology
Overview – Chapter 1
1.1 Motivations for Lightwave Communications
School of Electrical and Electronic Enginesering, Hubei University of Technology
School of Electrical and Electronic Enginesering, Hubei University of Technology
• Short band (S-band): 1460 to 1530 nm (shorter than C-band) • Conventional band (C-band): 1530 to 1565 nm (EDFA region) • Long band (L-band): 1565 to 1625 nm (longer than C-band) • Ultra-long band (U-band): 1625 to 1675 nm
《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历
光纤通信技术第一章：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 光纤通信的应用领域第二章：光纤与光波导2.1 光纤的制备与分类2.2 光纤的传输原理2.3 光波导的类型与制备方法第三章：光纤通信系统的基本组成3.1 光源与光发送器3.2 光纤与光缆3.3 光接收器与光检测器3.4 光放大器与光调制器第四章：光纤通信的信号处理与传输技术4.1 信号处理技术：滤波、编码、调制与解调4.2 光波分复用技术4.3 光波编码与光波调制技术4.4 光纤通信系统的性能评估第五章：光纤通信系统的应用与发展趋势5.1 光纤通信在电信领域的应用5.2 光纤通信在数据通信与网络中的应用5.3 光纤通信在有线电视与宽带接入网中的应用5.4 光纤通信技术的发展趋势第六章：光纤通信系统的网络拓扑与传输技术6.1 光纤通信系统的网络拓扑结构6.2 传输技术：单模光纤与多模光纤的传输6.3 光纤通信系统的网络规划与设计第七章：光纤放大器与光电子器件7.1 光放大器的工作原理与类型7.2 光电子器件的分类与功能7.3 光纤通信中的信号放大与处理技术第八章：光纤通信系统的性能评估与优化8.1 系统性能评估指标：损耗、色散、非线性效应8.2 光纤通信系统的性能优化技术8.3 网络性能的监测与管理第九章：光纤通信技术的标准化与协议9.1 光纤通信技术的国际标准与国内标准9.2 光纤传输协议：SDH、DWDM与OTN9.3 光网络协议：MPLS、PON与5G承载网第十章：光纤通信技术的实验与实践10.1 光纤通信实验设备与实验方法10.2 光纤通信系统的调试与维护10.3 光纤通信技术在实际工程中的应用案例分析重点和难点解析重点环节1：光纤通信的定义与发展历程解析：理解光纤通信的基本概念和发展历程对于掌握整个课程至关重要。
学生需要了解光纤通信与传统通信方式的差异，以及光纤通信技术是如何逐步取代传统通信技术的。
《光纤与光缆》PPT课件
包层掺入B 折射率
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77
光纤的分类
1.根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：
不同的折射率分布，传输特性完全不同
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88
三种主要类型光纤的比较
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99
阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输 入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。 这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。 光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶， 所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突 变光纤。
第二章 光纤与光缆
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1
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22
本章内容
§2.1 光纤概述 §2.2 光纤传输原理 §2.3 光纤的传输特性 §2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤
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33
要点
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
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24 24
G653光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想 的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时， 又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干 扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。 为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即 G655光纤，将光纤的零色散点移到1.55μm 工作 区以外的1.60μm以后或在1.53μm以前，但在 1.55μm波长区内仍保持很低的色散。这种非零色 散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输， 而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既 满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解 释光在光纤中传播的物理现象
光纤通信(Optical Fiber Communication)Optical FiberPPT课件
tan
2
2E0x E0y cos
E02x E02y
2020/7/24
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
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CONTENT
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The Sch. Of Information Engineering, WHUT
15
CONTENT
When E0x E0 y E0 , 2 2m (m 0, 1, 2 )
CONTENT
Chapter2 Optical Fiber
2020/7/24
The Sch. Of Information Engineering, WHUT
1
OUTLINE
CONTENT
The nature of light The fabrication of optical fibers The structure of an optical fiber The propagation principle of light along a fiber The transmission character of fiber
CONTENT
In 1815, Fresnel gived the correct explanation of diffraction. In 1864, Maxwell theorized that light waves must be electromagnetic in nature. The observation of polarization effects indicated that light wave are transverse. It is no different from a radio wave except that the wavelength is much shorter.
光纤通信课件第二章
由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散
波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位
置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的
DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。
18
2.1.2 光纤的分类
光纤通信
而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率
（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭
在纤芯中传输。
5
2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
（3）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。
一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 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。通常所说的光纤为此种光纤。
图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 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。
图2-3 光纤的折射率分布
8
2.1 光纤的结构和类型
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 如图2-5和图2-6所示。
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
19
2.2 光纤的导光原理
光纤通信
1．折射和折射率
光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的 参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：
1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式， 这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。
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包层 n2
现代通信技术研究所 殷洪玺
z 11
改变角度，不同 相应的光线将在纤芯与包层交界面发
生反射或折射。
根据全反射原理， 存在一个临界角c。 • 当<c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1。根据斯奈尔(Snell) 定律得到
n 0sinc n 1sin1 n 1c o s1
现代通信技术研究所 殷洪玺
(2.1)
• 当=c时，相应的光线将以c入射到交界面，并沿交界面
向前传播(折射角为90)， 如光线2。
• 当>c时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐
消失，如光线3。
2020/10/3
现代通信技术研究所 殷洪玺
12
由此可见，只有在半锥角为≤c的圆锥内入射的光束，才
能在光纤中传播。
根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径
MM-GI Multi-Mode Graded Index
nrn112ar 1/2
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现代通信技术研究所 殷洪玺
refractive index
6
特种单模光纤
双包层光纤
色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF）
色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF）
(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律
N A n 0sincn 1cosc
(2.2)
n1sincn2sin90
n0=1，由式 (2.2) 经简单计算得到
N An12n2 2n1 2
(2.3)
式中Δ=(n1n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。
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现代通信技术研究所 殷洪玺
图2.1 光纤结构示意图
纤芯和包层的相对折射率差典型值Δ=(n1－n2)/n1，一般单模 光纤为0.3%～0.6%，多模光纤为1%～2%。Δ越大，把光能
量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。
2020/10/3
现代通信技术研究所 殷洪玺
3
4
5
SM Single-Mode
MM-SI Multi-Mode Step Index
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主 要集中在纤芯内传输。
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。
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。
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现代通信技术研究所 殷洪玺
2
涂敷层的作用：保护光纤不 受水汽的侵蚀和机械擦伤。
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，因而限制了传 输容量。
所以， 要根据实际使用场合，选择适当的NA。
时间延迟 入射角为 的光线在长度为L 的光纤中传输，所经
历的路程为l。在 不大的条件下，其传播时间(即时间延迟)为
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波动光学理论法
认为光波是一种波长很短的电磁波。故可以根据电磁场
理论(麦克斯韦方程组)，对光波导的基本问题进行求解。
优点：严格、全面，很好地解释模式的概念；缺点：分
析方法复杂。
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现代通信技术研究所 殷洪玺
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2.2.1 几何光学方法
几何光学法分析光在光纤中的传输原理，关注光束在光纤 中传播的空间分布和时间分布，建立两个概念：
• 数值孔径 NA (Numerical Aperture)
• 时间延迟 (Time Delay)
下面讨论两类光纤： • 突变型多模光纤 SIF • 渐变型多模光纤 GIF
1. 突变型多模光纤(SIF) 数值孔径
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现代通信技术研究所 殷洪玺
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以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例。
单模光纤用在大容量、长距离的光纤通信系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平
1.55m色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的大容量、 长距离传输系统。
色散平坦光纤适用于WDM系统，可以把传输容量提高几倍 到几十倍。
三角芯光纤有效面积较大，适用于DWDM和孤子系统，可以 把传输容量提高几倍到几十倍，实现超大容量和超长距离传输。
三角芯光纤
椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。
n1
n1(r)
n1
n2
n2
n2
n3
n3
2a′2a
2b
a/a2
(a)
(b)
(b)
(a) 双包层(W型)
(b) 三角芯 (NZDSF)
Hale Waihona Puke 2020/10/3图 2.3典型特种单模光纤
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(c) 椭圆芯 (保偏光纤)
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主要用途：
突变型多模光纤只能用于小容量短距离的传输系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离的传输系统。
第 2 章 光纤和光缆
本章主要内容：
2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤传输原理 2.3 光纤传输特性 2.4 光缆 2.5 光纤特性测量方法
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2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。
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。
光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0<n1)，折射角 为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以
角度1入射到包层(n1>n2)。
3
空气
2
1
c l
1
1
1
c 0
L
x
1 2
纤芯 n1
3
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偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最 大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
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2.2 光纤传输原理
分析光纤传输原理的常用理论： 射线光学(几何光学)理论
条件是: 光波长要远小于光波导的横向尺寸。近似认为 0，于是，光的衍射现象可以忽略，光的发散角可近 似为0，从而，可将光看成一条射线。优点：直观、简 单；缺点：不严格，无法解释模式的概念。
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[例] 设光纤 = 0.01, n1=1.5, 则
N A n 12 1 .5 2 0 .0 1 = 0 .2 1 r a d = 1 2 .2
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)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c内的入射光都能在光纤中传输。