光纤通信系统第二讲光信号的传输特性(第一部分)(精)
合集下载
光纤传输特性(精)
光纤色散对系统的限制•光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率B决定，因而不希望色散展宽而产生误码。
但实际上群速度色散GVD总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，产生ISI（Intersymbol Interference），从而限制了光纤通信系统的比特率B和传输距离L，而BL积是评价系统传输性能的基本参数（称为通信容量）。
光纤的传输带宽定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。
光纤的带宽特性如图所示：
例：SI-MMF（阶跃型-多模光纤）, n1＝1.487， NA=0.275仅考虑模间色散, 1km长度脉冲展宽
例：LD, Δλ=2nm,λ=1.31um, SMF, D(λ=2ps/nm.km, 1km长度模内色散造成的脉冲展宽
本节小结光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道。
传输特性损耗：直接影响中继距离，光放大器；色散：将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量，色散管理；表2.3 光纤参数。
光纤通信系统讲义第一章
0
3
5
•Electric phone
•Radio TV
•micro wave
•AM无线电 •FM无线电 •卫星/微波
•同轴电缆
•双铰线
•infra •Visible
red
light
•光纤
•107 •106 •105 •104 •103 •102 •101 •100 •10-1 •10-2 •10-3 •10-4 •10-5 •10-6
光纤通信系统讲义第一 章
PPT文档演模板
2020/11/5
光纤通信系统讲义第一章
第一章 概述
1.1. 光纤通信的发展概况 • 光通信就是发出包含了某种信息在内的光，
将这种光通过媒质光纤传到对方，然后在 这种光中取出原来的信息，这就是光纤通 信。
• 古代，我们的祖先已经利用光来传递信息。 建造烽火台，用烟和火花来报警，用旗语 来传送信息等。
在我国青岛和韩国泰安登陆、全长549公里
•
光纤通信系统讲义第一章
照Pioneer公司预测，海底光缆系统的建设资金（包 括新建和升级改造），2003年为最低点，2007年 则可恢复到2001年的水平。略高于140亿美元)。 而Terabit Consulting公司认为，2004年后海底光 缆建设将开始复苏，2004-2009年海底光缆的投 资总额可达496亿美元（这段时间每年平均80多 亿美元）。但日本KDDI公司认为，从现时的市场 感觉以及根据IT泡沫发生前的长时期内市场的发 展趋势来判断，Consulting公司的预测将很难成 为现实。KDDI还认为，2004年后海底光缆建设每 年的投资额充其量也就是40亿美元左右。
•2 dB/cm
•Fourth Generation, 1996, 1.55 mm
光纤的传输特性知识点课件
模式色散 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
光射信到号 了在光光纤纤外内部–传，播这模，叫随做式着光色距纤离的散的传增输是大损指，耗能（即量或会传使越输同来衰越减一弱），。波其长中一的部分光能，量在若光纤其内模部被式吸收不，同一部，分可则能传突破播光纤速纤率芯的也束缚不，辐同， 模式色散是指即使同从一波而长引的光起，若色其散模式，不同又，称则传为播速模率间也不色同，散从，而引只起色存散在，又于称为多模模间色光散，纤只存中在。于多模光纤中。
归纳思考
色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模 色散三种。
对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材 料色散。
损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么 不同？
光纤的传输特性
光纤的传输特性
光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传 输所表现出来的特性，主要包括损耗特性 和色散特性。
1．光纤的损耗特性
模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。
定义 Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW或W）
光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
10 P 光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
i
lg 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
L P (色单散位主：要dB包/k括m模) 式色散、色度色散和偏振模色散三o 种。
光光纤纤的 的色传散输是特在性光指纤的中是传光(输信单的号位光在信光：号纤d，中B随传/k传输m输所)距表离现增出加来，的由特于性不，同主成要分包的括光损传耗输特时性延和不色同散引特起性的。脉冲展宽的物理效应。
光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
光射信到号 了在光光纤纤外内部–传，播这模，叫随做式着光色距纤离的散的传增输是大损指，耗能（即量或会传使越输同来衰越减一弱），。波其长中一的部分光能，量在若光纤其内模部被式吸收不，同一部，分可则能传突破播光纤速纤率芯的也束缚不，辐同， 模式色散是指即使同从一波而长引的光起，若色其散模式，不同又，称则传为播速模率间也不色同，散从，而引只起色存散在，又于称为多模模间色光散，纤只存中在。于多模光纤中。
归纳思考
色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模 色散三种。
对于多模光纤，主要是模式色散。
对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材 料色散。
损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么 不同？
光纤的传输特性
光纤的传输特性
光纤的传输特性指的是光信号在光纤中传 输所表现出来的特性，主要包括损耗特性 和色散特性。
1．光纤的损耗特性
模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同，从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。
定义 Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW或W）
光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
10 P 光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。
i
lg 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
L P (色单散位主：要dB包/k括m模) 式色散、色度色散和偏振模色散三o 种。
光光纤纤的 的色传散输是特在性光指纤的中是传光(输信单的号位光在信光：号纤d，中B随传/k传输m输所)距表离现增出加来，的由特于性不，同主成要分包的括光损传耗输特时性延和不色同散引特起性的。脉冲展宽的物理效应。
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。
光纤的损耗特性*************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数（损耗系数），定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。
其表达式为：式中求得波长在λ处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。
（1）光纤的损耗特性曲线•损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。
自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。
总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。
•从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。
目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。
（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。
包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。
物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。
光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。
另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。
最新第2章光纤传输原理及特性PPT课件
（4）Ey的标量解
整理变为：
R (r)Jm [n21k20 2]1/2r
R (r)K m [2 n 22k20]1 /2r
ra
ra
E y 1 e jzcm oA s 1 Jm (U /a )r
E y2ejzcm oA s2K m (W /a)r
r≤ a
r≥ a
(2.16)
利用光纤的边界条件可确定式中的常数。首先根据边界条件找
出 A1, A2 之 间 的 关 系 。 在 r=a 处 ， 因 ， 可 得
A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代人（2.16）式中，得：得
E y 1 A jze cm oJ m s(U /a )/r J m (U ) r≤ a E y 2 A jze cm oK s m (U /a )/r K m (U ) r≥ a
以m=0的LP0n模为例，其场沿r 方向变化为： R (r)J0(U r/ a )
•LP01模，U=μ01=2.405, R (r)J0(2.40 r/a 5 ) ,在r=0处,R(r)=1而在r=a 处, R (r)J0(2.4)00 5
沿变化如图4-12
•LP02模，U=μ02=5.5201, R (r)J0(5.5r2/a)1 在r=0处,R(r)=1,而在r=a 处, R (r)J0(5.5)20 1 在r=0.4357a处, R (r)J0(2.4)00 5沿r的变化
φα为什么是最大接收角? (2)数值孔径NA(Numerical Aperture) NA的定义? NA=sinφα 物理意义: NA大小反映了光纤捕捉 线的能力.
NA=sinφα=?
NA的表达示
图2.12 光线在阶跃光纤中传播
因为n0n s:1 inc φαo =c n1n s1 s in1 ( 90s 0-2 θicc )=n nn 11 co1 s θn n c,2 2 1 2n s2 1 in cn 2 2 nn12
第二章_光纤传输理论及传输特性(2011)
按缆芯结构
中心束管、层绞、骨架和带状
按加强件和护层
金属加强件、非金属加强、铠装
按使用场合
长途/室外、室内、水下/海底等
按敷设方式
架空、管道、直埋和水下
19
光缆的结构（成缆方式）
层绞式 骨架式 中心束管式 带状式
20
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
纤芯直径(um) 包层直径(um) 材料 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅
A1a
A1b A1c A1d A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b A4c
50
62.5 85 100 100 200 200 200 200 200 980-990 730-740 480-490
21
松套层绞3
金属加强自承式光缆
24
微束管室内室外光缆*
微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用，适合室 内和室外两种环境，芯数一般为12～32。微束管松套光纤为半干式结构， 便于室内光缆分支和施工。
25
分支型室内布线光缆*
分支型室内布线光缆采 用单芯子单元光缆结构，适 合在大楼竖井内中长距离上 的多处分纤终端，每条光缆 子单元均可用现场连接器直 接与终端相连接。光缆为全 介质结构，具有优良的防火 阻燃性能。抗拉强度和防火 等级满足室内垂直/水平布线 光缆的等级要求。芯数有 4/6/8/12/24多种。 与分支型室内布线光缆类似，还有一种束状室内布线光缆，使用 0.9mm紧套光纤，干式结构，纤芯密度高，重量轻。
光纤通信与数字传输
南京邮电大学
通信与信息工程学院
第二章 光纤传输理论及传输特性
光纤的传输特性课件
详细描述
光的折射是指光线在穿越不同折射率的介质时，传播方向发 生变化的现象。反射则是光线在遇到介质界面时，部分能量 返回原介质的现象。这两种现象在光纤中都存在，并影响光 线的传播路径和能量分布。
光纤中光的传播方式
总结词
在光纤中，光线通过全反射原理实现传播，能量主要集中在纤芯区域，以保持光 的传输方向和路径。
光纤的传输特性课件
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
目录CONTENTS
• 光纤的简介 • 光纤的传输原理 • 光纤的传输特性 • 光纤的应用 • 光纤的未来发展
01
光纤的简介
光纤的定义
光纤
是一种传输光信号的介质，由高 纯度的石英玻璃纤维制成，具有 极低的损耗率和良好的绝缘性。
交叉相位调制
当两个不同频率的光在光纤中 传播时，它们的相位会相互影
响。
01
光纤的应用
通信领域的应用
高速数据传输
光纤作为信息传输介质，具有极 高的传输速度和带宽，适用于大 规模数据中心的连接和高速互联
网接入。
长距离传输
光纤的损耗较低，能够实现远距离 信号的无损传输，适用于跨大洲、 跨海域的光纤通信网络建设。
光波导
光纤内部由折射率较高的纤芯和 折射率较低的包层组成，光波在 纤芯中传播，形成光波导效应。
光纤的发展历程
01
02
03
起源
20世纪60年代，英国科学 家高锟和霍克哈姆提出利 用光纤进行通信的设想。
实验阶段
20世纪70年代，美国贝尔 实验室成功研制出第一根 实用化的光纤。
应用阶段
20世纪80年代，随着光电 子器件和光通信技术的成 熟，光纤开始广泛应用于 通信领域。
光的折射是指光线在穿越不同折射率的介质时，传播方向发 生变化的现象。反射则是光线在遇到介质界面时，部分能量 返回原介质的现象。这两种现象在光纤中都存在，并影响光 线的传播路径和能量分布。
光纤中光的传播方式
总结词
在光纤中，光线通过全反射原理实现传播，能量主要集中在纤芯区域，以保持光 的传输方向和路径。
光纤的传输特性课件
THE FIRST LESSON OF THE SCHOOL YEAR
目录CONTENTS
• 光纤的简介 • 光纤的传输原理 • 光纤的传输特性 • 光纤的应用 • 光纤的未来发展
01
光纤的简介
光纤的定义
光纤
是一种传输光信号的介质，由高 纯度的石英玻璃纤维制成，具有 极低的损耗率和良好的绝缘性。
交叉相位调制
当两个不同频率的光在光纤中 传播时，它们的相位会相互影
响。
01
光纤的应用
通信领域的应用
高速数据传输
光纤作为信息传输介质，具有极 高的传输速度和带宽，适用于大 规模数据中心的连接和高速互联
网接入。
长距离传输
光纤的损耗较低，能够实现远距离 信号的无损传输，适用于跨大洲、 跨海域的光纤通信网络建设。
光波导
光纤内部由折射率较高的纤芯和 折射率较低的包层组成，光波在 纤芯中传播，形成光波导效应。
光纤的发展历程
01
02
03
起源
20世纪60年代，英国科学 家高锟和霍克哈姆提出利 用光纤进行通信的设想。
实验阶段
20世纪70年代，美国贝尔 实验室成功研制出第一根 实用化的光纤。
应用阶段
20世纪80年代，随着光电 子器件和光通信技术的成 熟，光纤开始广泛应用于 通信领域。
《光纤的传输特性》PPT课件
5
精选ppt
非本征吸收
原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较 强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子， 如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。
OH－吸收峰
6
解决方法： (1)对制造光纤的材料进 行严格的化学提纯，比 如材料达到 99.9999999%的纯度 (2)制造工艺上改进，如 避免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)
0.26
因此可以算出在1320 nm处， 波导色散为：
D w()n c2Vdd 2(V V 2)b1.9
24
精选ppt
标准单模光纤总的模内色散
一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw|
DDmDw
1320
25
精选ppt
模间色散
多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。
导致的后果： 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
12
精选ppt
宏弯和微弯对损耗的附加影响
基本损耗 宏弯损耗
微弯 损耗
光纤弯曲带来额外损耗
V2 an1 2n2 21/22 aNA
增加，V减少
13
弯曲损耗随模场直径增加显著增加
精选ppt
27
精选ppt
PMD 对传输的影响
28
精选ppt
色散对传输带宽的影响：宽谱光源
比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF1 /T 41D /4L GH z
例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：
光波系统中光信号的传输特性
4
3.1色散影响下光信号的传输特性
3.1.1 光脉冲传输的基本方程
• 在单模光纤中传播的光场的每一个频率分量都是 平面波，可写成
E(r,) F (x, y)G(0,) exp( jz)
式中，G(0,) 为初始振幅；β 为模式传播常数， F(x，y)为模式场分布，通常F(x，y)也与频率和 非线性有关，但对谱宽Δ << 0的光脉冲和弱非 线性近似下，其依存关系可忽略不计。这里0是 脉冲频谱的中心频率，称为载频。
• (1) β2的影响。当β3=0，即光脉冲载波是远 离零色散波长时，方程的积分可解析求得， 结果为
18
• 由此式可见，高斯脉冲在光纤中传输时仍 保持高斯形，而脉宽则随z而增加
• 式 的1中／，eT强1类度似点于的T半0，宽定。义为展宽后的脉冲 上对式脉显冲示展，宽光影纤响的的色定散量(β关2)系和。光源的啁啾(C)
19
图L3D-2的啁变啾化高曲斯线脉。冲(展LD宽=／因T子02T|β12／|称T为0随色传散输长距度离)z。／
20
• 对例展非宽啁，啾在脉z冲=，LDC处=展O宽，为脉初宽始随输[1入+脉(z／宽L的D)√22]1-倍/2成。比 • 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。
L'D T03 / 3
式中，T0为脉宽。
25
• 当L'D ≤LD时，高阶色散影响起主要作用，这个 条件不仅与色散的相对值亦即与光源载波波长有 关，而且与光脉冲宽度T0有关。因此通常情况下， β3的影响可以忽略。
• 图3．3展示了无啁啾高斯脉冲在z=5L'D处， β2=0(实线)和β2=β3／T0 (=LD )(虚线)两种情况下 脉冲的形状，为比较，图中用点线画出了输入高 斯脉冲波形。可见，考虑高阶色散时，会引起脉 冲形状畸变，形成不对称的前后沿结构。
第二章 光纤传输理论及特性
*在数据链路、用户接入网中普遍应用
2.1.2 光纤的分类
3．单模光纤的型号
ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655单模光纤 （1）G.652光纤
G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤，具有如下特点：
➢ 1310nm色散（1~3ps.nm-1.km-1),衰减0.34dB/km; ➢ 1550nm色散（17ps.nm-1.km-1),衰减0.20dB/km; ➢ 成本低，大多数已安装的光纤均为G.652，低损耗 ; ➢ 大有效面积，有利于克服非线性效应; ➢ 色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短; ➢ 可用G.652+DCF方案升级扩容，但成本高;
光纤通信光纤通信76264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应受激散射非线性折射弹性散射非弹性散射参量过程自相位调制spm和色散配合产生光孤子交叉相位调制xpm高速光开关四波混频fwm参量放大器三次谐波拉曼散射光纤放大布里渊散射光纤传感光纤通信光纤通信77264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应2srs受激拉曼散射当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动进而调制光强产生间隔恰好为分子振动频率的边带
带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。
如图2-27、2-28所示。
图2-27 中心束管式带状光缆
图2-28 层绞式带状光缆
2.1.3 光缆的结构
（5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-29所示。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软 线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。
图2-29 单芯软光缆
2.5.1 射线方程
2.1.2 光纤的分类
3．单模光纤的型号
ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655单模光纤 （1）G.652光纤
G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤，具有如下特点：
➢ 1310nm色散（1~3ps.nm-1.km-1),衰减0.34dB/km; ➢ 1550nm色散（17ps.nm-1.km-1),衰减0.20dB/km; ➢ 成本低，大多数已安装的光纤均为G.652，低损耗 ; ➢ 大有效面积，有利于克服非线性效应; ➢ 色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短; ➢ 可用G.652+DCF方案升级扩容，但成本高;
光纤通信光纤通信76264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应受激散射非线性折射弹性散射非弹性散射参量过程自相位调制spm和色散配合产生光孤子交叉相位调制xpm高速光开关四波混频fwm参量放大器三次谐波拉曼散射光纤放大布里渊散射光纤传感光纤通信光纤通信77264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应2srs受激拉曼散射当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动进而调制光强产生间隔恰好为分子振动频率的边带
带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。
如图2-27、2-28所示。
图2-27 中心束管式带状光缆
图2-28 层绞式带状光缆
2.1.3 光缆的结构
（5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-29所示。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软 线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。
图2-29 单芯软光缆
2.5.1 射线方程
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ITU-T标准光纤
G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移光纤(DSF) G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF),产品：F） 色散补偿光纤（DCF） 掺铒光纤（EDF）等
光纤的种类
光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传 播的模的数量不同
渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值 逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。 入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变 化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传 播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端， 降低模间色散。
2. 渐变光纤
n2 c BL 2 n1
对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)， =0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km 减小值，BL能提高很多。一般<0.01。 当=0.002时，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率 传输10km，适用于一些局域网。
2. 渐变光纤
优化设计的渐变光纤，其BL积达约 10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。
第一代光波系统就是使用的渐变光纤。 单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波 和模式理论来讨论。
• 归一化频率V：
确定传输模式的参数。可 由波动方程导出。
V k0 a n n
2 1
2 12 2
(2 )an1 2
1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在 1.55 m处)
－－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的 革命，开创了光纤通信的时代。
2.1.1 光纤的结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层 Clad)＋涂覆层
多模光纤 2a=50 m 单模光纤 2a=4~10 m 外径： 2b=125m
模场直径MFD
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常 用模场直径2w，即光 斑尺寸表示，近似为：
1. 阶跃光纤
c i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
2 n1 L L n1 T L c sin c c n2
-传输容量限制: T 1 BL n2 c 2 B n1
B--信号比特率
1. 阶跃光纤
-传输容量限制:
包层 芯
树脂被覆层
特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复
进行全反射，并在光纤中传递下去。
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
1. 阶跃光纤
-数值孔径(NA)
代表光纤接收光的本领
（示意图，比例不符） c i
n0
n1 n2
2 2 NA n0 sin i n1 n2
在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特 性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
第二章 光信号的传输特性
2.1 光纤概述
2.2 光纤的损耗特性
2.3 光纤的色散特性及色散限制
2.4 光纤中的非线性光学效应
2.1 光纤概述
60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约 20dB/km (1m附近波长区)
1. 阶跃光纤
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core cladding Low-order Mode (shorter path)
所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内。
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的 途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速 度传播，但到达光纤输出端的时间却不同， 出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。 模间色散
光纤通信系统
第二章 光信号的传输特性 （第一部分）
王翀
cw72@
光信息科学与技术专业 西安邮电学院光电子技术系
光 纤
驱动电路 调制器 光源 光电二 极管 光纤 放大器 判决器
中继器 光纤
第二章 光信号的传输特性
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。 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和 色散，当信号强度较高时还存在非线性。
k0
2.1.2 光纤的分类(1)
按照光纤传输模式的多少分： 单模光纤
多模光纤
按照光纤截面折射率分布分： 阶跃型光纤
梯度型光纤(多模光纤) 双包层（W型） 三角分布--色散位移光纤(DSF G.653),非零 色散位移光纤(NZ-DSF G.655)
2.1.2 光纤的分类(2)
n1 sin c n2 sin 900 n2 cos c 1 n2 n1
n0 sin i n1 cos c
2
相对折射率差
2 n12 n2 n1 n2 2 2n1 n1
NA n1 2
1
2
n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
W a 0.69 1.1619 V
3 2
2.879 V
6
•三种主要类型光纤的比较
a为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。
参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果 V<2.405，则它只容纳单模——单模光纤。
模式: 每一个传输常 数对应着一种可能 的光场分布--模式
•模式
一个模式是由它的传播常数唯一确定的.由可 引入一个很有用的量. •模折射率（有效折射率）： n •单模光纤的截止波长： 使得V=2.405时的光波长.
G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移光纤(DSF) G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF),产品：F） 色散补偿光纤（DCF） 掺铒光纤（EDF）等
光纤的种类
光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传 播的模的数量不同
渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值 逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。 入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变 化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传 播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端， 降低模间色散。
2. 渐变光纤
n2 c BL 2 n1
对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)， =0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km 减小值，BL能提高很多。一般<0.01。 当=0.002时，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率 传输10km，适用于一些局域网。
2. 渐变光纤
优化设计的渐变光纤，其BL积达约 10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。
第一代光波系统就是使用的渐变光纤。 单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波 和模式理论来讨论。
• 归一化频率V：
确定传输模式的参数。可 由波动方程导出。
V k0 a n n
2 1
2 12 2
(2 )an1 2
1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在 1.55 m处)
－－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的 革命，开创了光纤通信的时代。
2.1.1 光纤的结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层 Clad)＋涂覆层
多模光纤 2a=50 m 单模光纤 2a=4~10 m 外径： 2b=125m
模场直径MFD
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常 用模场直径2w，即光 斑尺寸表示，近似为：
1. 阶跃光纤
c i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
2 n1 L L n1 T L c sin c c n2
-传输容量限制: T 1 BL n2 c 2 B n1
B--信号比特率
1. 阶跃光纤
-传输容量限制:
包层 芯
树脂被覆层
特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上反复
进行全反射，并在光纤中传递下去。
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
1. 阶跃光纤
-数值孔径(NA)
代表光纤接收光的本领
（示意图，比例不符） c i
n0
n1 n2
2 2 NA n0 sin i n1 n2
在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特 性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
第二章 光信号的传输特性
2.1 光纤概述
2.2 光纤的损耗特性
2.3 光纤的色散特性及色散限制
2.4 光纤中的非线性光学效应
2.1 光纤概述
60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约 20dB/km (1m附近波长区)
1. 阶跃光纤
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core cladding Low-order Mode (shorter path)
所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内。
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的 途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速 度传播，但到达光纤输出端的时间却不同， 出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。 模间色散
光纤通信系统
第二章 光信号的传输特性 （第一部分）
王翀
cw72@
光信息科学与技术专业 西安邮电学院光电子技术系
光 纤
驱动电路 调制器 光源 光电二 极管 光纤 放大器 判决器
中继器 光纤
第二章 光信号的传输特性
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。 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和 色散，当信号强度较高时还存在非线性。
k0
2.1.2 光纤的分类(1)
按照光纤传输模式的多少分： 单模光纤
多模光纤
按照光纤截面折射率分布分： 阶跃型光纤
梯度型光纤(多模光纤) 双包层（W型） 三角分布--色散位移光纤(DSF G.653),非零 色散位移光纤(NZ-DSF G.655)
2.1.2 光纤的分类(2)
n1 sin c n2 sin 900 n2 cos c 1 n2 n1
n0 sin i n1 cos c
2
相对折射率差
2 n12 n2 n1 n2 2 2n1 n1
NA n1 2
1
2
n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
W a 0.69 1.1619 V
3 2
2.879 V
6
•三种主要类型光纤的比较
a为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。
参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果 V<2.405，则它只容纳单模——单模光纤。
模式: 每一个传输常 数对应着一种可能 的光场分布--模式
•模式
一个模式是由它的传播常数唯一确定的.由可 引入一个很有用的量. •模折射率（有效折射率）： n •单模光纤的截止波长： 使得V=2.405时的光波长.