光纤传输理论
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
光纤传输基本理论
别离变量
• 电矢量与磁矢量别离: 波动方程，是只与 电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与 磁场强度H(x,y,z,t)有关的方程式；
• 时、空坐标别离: 亥姆霍兹方程，是关于 E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式；
• 空间坐标纵、横别离：波导场方程，是 关于E(x,y)和H(x,y)的方程式；
• 假设数学处理上，规定光纤轴e向jz 为z方向，那么场分 布与z坐标的关系可用指数形式表示为 ，可进一步
对亥姆霍兹方程进x ,行y ,空z间 坐标x ,y 纵e 、 i 横z别离，令
• 上式代入亥姆霍兹方程(2-4)式，得
2 z 2 2 x ,y 2 2x ,y t 2x ,y 2x ,y 02 5
• 边界条件：在两种介质交界面上电磁场 矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。
•
电矢量与磁矢量别离：波动方程
E H D B //tt
B D 00
D
E
B H
• 对麦克斯韦方程第2式取旋度，并利用
矢量 关系，E 可得E 2E
E D 1 D D 1E 可得到只与电场强度 E有关的方程式
EH
• 再将式上中式，代入标可量代波动表方程和(2-3)式的，任可得一分量。
2 x , y , z 2 x , y , z 0 2 4
这就是亥姆霍兹方程，该方程对任何电磁波的传播都
适用。加上边界条件后，即可求出任意波导结构中光波
场的场分布。
• 空间坐标纵、横别离：波导场方程
（1）几何光学射线法
当光线芯径远大于光波波长 0 时，可近似认为 0 0 ,
从而将光波近似看成由一根光线所构成。因此，可以用几何 光学的方法来分析光线的入射、传播(轨迹)，以及时延(色散) 和光强分布等特性。 优点：简单直观，在分析芯径较粗的多模光纤时可以得到较 精确的结果； 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合，以及光 场分布等现象。而且当工作波长于芯径可比较(单模光纤)，误 差较大。
第四章 光波导(光纤)传输理论PPT课件
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
光波 ？是高频率的电磁波，其频率 为1014HZ量级，波长为微米量级。 光纤 ？是工作在光频的一种介质波 导，它引导光沿着与轴线平行的方 向传输。 电磁波的频谱图
3
图4.1 电磁波谱图4
可得光纤中导波特征方程：
[n12 1J'm(U)1K'm(W)][1J'm(U)1K'm(W)] n22UJm(U) WKm(W) UJm(U) WKm(W)
m2(11)(n12 11) U2 W2 n22U2 W2
(4.15) 35
对于弱导波光纤n2≈n1 ，则特征方程可简化为：
U 1J J'm m ((U U ))W 1K K 'm m ((W W )) m (U 1 2W 12) (4.16)
25
贝塞尔函数曲线 第二类修正贝塞尔函数曲26 线
2. U、W、V和β作用
（在光纤中引入的几个重要参数）
U叫导波径向（r向）归一化相位常数，它描述 了导波电场和磁场在纤芯横截面上的分布； W叫导波径向（r向）归一化衰减常数，它描述 了导波电场和磁场在包层横截面上的分布； V叫归一化频率，它是表示光波频率大小的无量 纲的量； β为导波沿光纤轴向传输时的相位常数。
(4.4) 24
在纤芯中应为振荡解，故其解取贝塞尔函数；在 包层中应是衰减解，故其解取第二类修正的贝塞 尔函数解。于是R(r)可写为：
R(r)Jm[n21k202]1/2r
R (r)K m [ 2n22k20]1/2r
ra
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。
《光纤传输理论》PPT课件 (2)
第1章 光纤的传输理论
第1章 光纤的传输理论
光传输的两种理论
射线光学：用光射线去代表光能量传输路 线的方法。
波动光学：把光纤中的光作为经典电磁场 来处理。
第1章 光纤的传输理论
1.1 光纤的基本性质 1.1.1 光纤的结构、分类和光的传输 光纤的结构：光纤是横截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内有束缚 和传输光的作用。
20世纪80年代：研制成功了掺稀土的光纤放大器 与光纤激光器。
20世纪90年代：大量产品走出实验室，形成光纤 信息产业。
光纤通信是在低损耗通信光纤和半导体激光器的基础
上发展起来的。
1966年，英籍华裔学者高锟 (C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A. Hockham)发表了论文《光频 率介质纤维表面波导》阐述 了利用光纤(Optical Fiber)进 行信息传输的可能性和技术 途径的论文。
n(r)
{n0 [1 ( na
r a
)g
]
r<a r≥a
g的最佳值是2
2.光的传输
（1）近轴子午光线
右图显示了近轴子午光线的 传输轨迹。 从光纤端面上平行入射的光 线与从光纤端面同一点出发 的近轴子午光线经过适当的 距离后又从新汇聚到一点， 也就是说他们有相同的传输 时延，有自聚焦性质。
2.光的传输
1.1.2光纤的传输性质
1.光纤的损耗： 纤芯和包层物质的吸收损耗，包括石英材料的本征吸
收和杂质吸收。 纤芯和包层材料的散射损耗，包括瑞利散射损耗以及
光纤在强光场作用下受激喇曼散射和受激布里渊散射； 光纤表面的随机畸变和粗糙所产生的波导散射损耗； 外套损耗
1.1.2光纤的传输性质
石英光纤的固有损耗：
光纤的本征吸收和本征散射
光缆传输原理
光缆传输原理
光缆传输原理是指利用光纤作为传输介质，通过光的全反射和折射特性来实现信息的传输。
光缆传输原理是现代通信技术中的重要组成部分，其优点包括传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等，因此在通信领域得到了广泛的应用。
首先，光缆传输原理的基础是光的全反射和折射特性。
光纤是一种细长的玻璃纤维，其内部被包裹着折射率较低的材料，使得光在光纤内部的传播受到限制。
当光线从光纤的一端射入时，由于光线在光纤内部的折射作用，光线会一直沿着光纤的轴线传播，直到到达另一端。
这种全反射和折射的特性使得光能够在光纤中传输，从而实现信息的传送。
其次，光缆传输原理的关键是利用光的特性来进行信息的编码和解码。
在光纤通信系统中，信息通常是以光脉冲的形式进行传输的。
发送端通过调制光脉冲的强度、频率或相位来表示数字信号，然后将光脉冲发送到光纤中。
接收端则通过光探测器将光脉冲转换为电信号，再经过解调器将其转换为数字信号。
这样就实现了信息的传输和接收。
另外，光缆传输原理的优势在于其传输速度快、带宽大和抗干扰能力强。
光纤的传输速度可以达到光的速度，远远快于传统的铜质电缆传输。
同时，光纤的带宽也远远大于铜质电缆，可以满足大容量数据的传输需求。
此外，光纤传输不受电磁干扰的影响，信号传输稳定可靠，抗干扰能力强。
总的来说，光缆传输原理是一种高效、稳定、可靠的信息传输方式，其在现代通信领域有着广泛的应用前景。
随着通信技术的不断发展，光缆传输原理将继续发挥其重要作用，为人们的生活和工作提供更加便捷、高效的通信服务。
光纤通信系统知识点总结
分析光纤中的传输，可用两种理论：射线光学（即几何光学）理论和波动光学理论。
根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类，光纤可分为阶跃折射率型和渐变折射率型。
数值孔径NA=，表示光纤的集光能力。
最大时延差 L 为光纤的长度相对折射率差 单位长度光纤的最大群时延差 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。
色散可分为：模式色散、材料色散、波导色散。
采用内包层的作用：1减小基模的损耗，2得到纤芯半径较大的单模光纤。
0.85μm ，1.3μm 和1.55μm 左右是光纤通信中常用的低损耗窗口。
色散可分为模式色散，材料色散以及波导色散。
在所有的导模中，只有HE 11模式的截止频率为0，亦即截止波长为无穷大。
HE 11是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。
最常用的光源是半导体激光器和发光二极管用半导体激光器的原因：1）半导体光源体积小；2）发射波长适合在光纤中低损耗传输；3）可以直接进行强度调制；4）可靠性较高。
原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称为能级跃迁，若电子跃迁中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁，若交换的能量是光能，则是光跃迁。
放大媒质：N2>N1，受激辐射占主导地位，r （v ）>0，光波经过媒质时强度按指数规律增加，光波被放大。
21N N >的媒质是一中处于非热平衡状态下的反常情况，称之为粒子数反转或布居反转，这种媒质对应于激光型放大的情况。
在半导体物理中，通常把形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带。
导带和价带之间，被宽度为Eg 的禁带所分开。
原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间。
光子能量满足 Eg<hv<e0V 的光子有放大作用。
对大量原子组成的体系来说，将同时存在着光的自发发射、受激辐射、和受激吸收3个过程。
自发发射：处于高能级E2上的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能级E1上，并发射一个频率为v 、能量为hv=E2—E1的光子，这个过程称为光的自发发射过程。
第二章 光纤传输理论及特性
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
Er
k02n2
j
2
Ez r
0 0
k0 r
H z
E
k02n2
j
2
r
Ez
0 0
k0 r
H r
z
Hr
k02n2
j
2
H z r
k0n2 r
Ez
H
k02n2
j
2
H z r
0 0
k0n2
Ez
光纤中场的纵向分量：
2Ez r 2
1 r
Ez r
1 r2
2Ez
2
(k 2
2)Ez
0
2Hz r 2
n(r
)
径向分量：
d
(n
dr
)
nr
d
2
dn
ds ds ds dr
轴向分量： 圆周分量：
n dr d d nr d 0
ds ds ds ds d (n dz) 0 ds ds
求解光线方程的过程：
n(r0 ) sinn no sin0 sin0
光纤入射端处折射光线波 矢量K的圆柱分量:
几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以 对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析
波动理论和射线理论之比较
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点
几何光学方法 l << 2a 光线 射线方程
折射/反射定理 约束光线
波动光学方法 l ~ 2a 模式
波导场方程 边值问题 模式
3.2.1 传输条件
3.3 光纤的波动理论
光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传 输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解 光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤 其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正 确处理单模光纤的问题。
光纤传输信号原理
光纤传输信号原理光纤传输信号原理光纤不仅可用来传输模拟信号和数字信号而且不满足视频传输的需求。
其数据传输率能达几千Mbps。
如果在不使用中继器的情况下传输范围能达到6-8km。
我国外配线系统发展的三个阶段综观近年来国内外配线系统的发展我们可看出这样三个阶段1、双绞线阶段。
在这个阶段语音同大规模数据通信不能混用也适应这样的数据通信。
2、同轴电缆双绞线阶段。
它能满足用户的大量数据传输和视频的需求但需要更多的接入设备造价相对提高许多且不易今后的扩展需求。
3、光纤阶段。
即我们所说的最终阶段在此时各相应附属设备更完善数据处理能力更强扩展性更好。
近年来发展也特别快接入设备价格目前有所调整可以说这是一步到位的综合通信阶段。
分析光纤中光的传输可以用两种理论射线光学即几何光学理论和波动光学理论。
射线光学理论是用光射线去代替光能量传输路线的方法这种理论对于光波长远远小于光波到尺寸的多模光纤是容易得到简单而直观的分析结果的但对于复杂问题射线光学只能给出比较粗糙的概念。
波动光学是把光纤中的光作为经典电磁场来处理因此光场必须服从麦克斯韦方程组及全部边界条件。
从波动方程和电磁场的边界条件出发可以得到全面、正确的解析或数字结果给出波导中容许的场结构形式即模式发展和应用光纤通信技术应用迅速增长自1977年光纤系统首次商用安装以来电话公司就开始使用光纤链路替代旧的铜线系统。
今天的许多电话公司在他们的系统中全面使用光纤作为干线结构和作为城市电话系统之间的长距离连接。
提供商已开始用光纤/铜轴混合线路进行试验。
这种混合线路允许在领域之间集成光纤和同轴电缆这种被称为节点的位置提供将光脉冲转换为电信号的光接收机然后信号再经过同轴电缆被传送到各个家庭。
近年来作为一种通信信号传输的恰当手段光纤稳步替代铜线是显而易见的这些光缆在本地电话系统之间跨越很长的距离并为许多网络系统提供干线连接。
光纤是一种采用玻璃作为波导以光的形式将信息从一端传送到另一端的技术。
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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
2
NF反比于光频率，980nm噪声系数小
相似之处： • 都是非弹性散射，都引起光波频移 不同之处: • 原理不同 • 阈值不同：要求的功率阈值对受激拉曼散射为 100mW～200mW，对受激布里渊散射为 10mW。 • 频移量不同，Raman大约10THz，Brillouin大 约1-10GHz
第五章 无源器件
一个2×2融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60％ 的信道的插入损耗为2.7dB,而40％的信道的插入损耗为 4.7dB。1，若输入功率是1mw，求两端口的输出功率；2， 求耦合器的额外损耗。
光纤传输优点
• • • • • • • 1、频带宽 2．损耗低 3．重量轻 4．抗干扰能力强 5．保真度高 6．工作性能可靠 7．成本不断下降
1 1 最大比特率＝ 4t total 4 (t chromatic ) 2 (t PMD ) 2 1 4 (Dc () L) 2 (D PMD L) 2
色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法
多模渐变折射率光纤 Tmodel
Ln1 2 20 3c0
光栅周期：Λ= λuv/2sin(θ/2) Bragg波长： 2neff 2n
一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔 是多少(波长1550nm)？请问在1525nm～1565nm波段可以
容纳多少个通道？
c
c
2
2
c
衰减：
pout 1 10 lg( ) L 125 km L pin
一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25 μm ，n1=1.5，相对折 射率差Δ＝1％，长度 L＝1km。求 （1）子午光线的最大时延差； （2）若将光纤的包层和表面涂层去掉，求裸光纤的数值 孔径和最大时延差。
最大时延差：
响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比 e
R hv
量子效率
产生的电子－空穴对数 I p e ＝ 入射光子数 P / hv
1.015 A/W 1.124 A/W
能带差△E和发出光的振荡频率v之间有△E＝hv的关系。这里 h是普朗克常数，等于6.625×10-34焦耳· 秒。半导体发射波长 由λ=c/v的关系式得出
光纤纤芯半径：
a
1.202 n n
2 1 2 2
截止波长：
2 2 a n1 n2 c 1.202
阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯半 径50μm，光源波长0.85 μm 。请计算光从空气射入光纤的 数值孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。
2 2 2 1 NA n1 n2 1.480 1.460 0.2425 2
对应截止波长：
λc =2πaNA 2.405=(2π4μm)0.113 2.405=1i 10lg Pout Pin
0.2*200=-10*lg(Pout/1mW)
注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器 要求的最小光功率是10nW，在1.3 μm波段工作，光纤衰减 系数0.4dB/km，请问无须中继器的最大光纤长度是多少？
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。
1.6nm
2 `1 N 25
第六章 有源器件
EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：
Ps ,out
p Ps ,in Pp ,in s
p hvs s hvp
输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和 功率转换效率 PCE
Ps ,out Ps ,in Pp ,in Ps ,out Pp ,in
Δτ Ln1 Δ c 50ns
n2 1
Δτ Ln 1(n1 n2 ) (cn2 ) 2.5s
2 2 t ( t ) ( t ) 多模光纤 total mod al chromatic
•阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)
t modal Ln1 L(NA)2 2 3c0 4 3n1c0
2 sinαmax NA n0 0.2425 1 αmax 14 3 归一化频率： V (2πa λ )NA [2π 50 0.85] 0.2425 89.62
模式数量： N V 2 2 4016
典型单模光纤的纤芯直径是8 μm ，折射率是1.46。其相对 折射率差是0.3％，包层直径是125 μm ，光源波长为0.85 μm 。请计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。
2nL m c vm m 2nL c / 2nL c/ c
81GHz
2
2
c
0.195nm
光纤的历史
• 1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输 • 1960-电射及光纤之发明 • 1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将 用于通信。 • 1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有 20dm/km的光纤。 • 1977-首次实际安装电话光纤网路 • 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 • 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光 纤，被誉为“中国光纤之父” • 1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 • 2000-到屋边光纤=>到桌边光纤 • 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭
入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的 禁带宽度，才能产生光生载流子。
E hv E g
截止波长
c hc Eg
6.626068 10-34 kgm 2s -1 3 108 m s -1 1.43 1.60 10-19 J =868.8nm 1J 1kgm 2s -2 (W=FL=mgL)
hc Eg
△E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特(eV)，需转换单位 1.43 869nm
0.96
1294nm
光电二极管的倍增因子
M IM I p
量子效率
产生的电子－空穴对数 I p e ＝ 入射光子数 P / hv
hcI M M Pe
42.5
2 nL m c vm m 2nL c / 2 nL c/ c 2
Raman scattering: inelastic scattering of a photon.
拉曼散射源自光纤中光与二氧化硅硅分子振 动之间的相互作用，使得一部分光子能量转化为 分子自身的机械能，同时发出频率低于入射光的 光子(Stoke波)，原因是部分能量已经损失掉。 若分子已处于激发态，则可能产生频率高于入射 光的光子(反Stoke波) Brillouin scattering： inelastic scattering of a photon. 是一种由材料密度变化引起的非弹性散射。 材料密度变化可由声波或温度梯度引起。
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