光纤通信第一章
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a0=a 折线变为螺旋线 a0=0 斜射线变为子午线
6.时间延迟（时延）
时间延迟
入射角为θ的光线在长度为L(AC)的光纤中
传输，所经历的路程为
Lmin L；
L max L AB L BC
LAB LBC ;
n1 L； n2
多模阶跃光纤最大时延差
Tmax Tmin
纤芯中速度为
2.根据光纤传输模式的不同分类 （ 2）多模光纤：传输多个模式的光波。包括 A 阶跃型光纤。。。短距离，小容量通信
B 渐变型光纤。。。中距离，中容量通信
3.按照制造光纤所用的材料分类
石英系光纤
多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤
4. 根据光纤的工作波长分类
0.85m；
1.31m；
第二阶段：80s 波长：1310nm 激光器：MM-LD 光纤： MMF：＜100Mb/s，10km SMF:1.7Gb/s, 50km
第三阶段：80-90s 波长：1550nm 激光器：SM-LD 光纤：SMF 2.5GBb/s，100km
第四阶段：90s,波长：1550nm OA ：光放大器（EDFA）
国际电联ITU-T 的光纤标准
G.651：多模光纤 G.652：第一代单模光纤（用量最大的） G.653： 1550nm 零色散单模光纤 G.654 ：1550nm 波长衰减最小光纤 G.655：非零色散位移光纤 G.656：
光学传输原理
分析光纤传输原理的常用方法：
几何光学法
max
Lmax Lmin v v
c v n1
max
Ln1 L n12 c n2 c
时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。
它限制了光纤的传输带宽
7. NA 与 max 的关系
max L n12 c n2
1.1.1
光纤的结构和分类
一、结构
核心结构：纤芯、包层
1.纤芯： 光波传输的主要通道。 直径2a一般在4～50μm。 折射率用n1表示。
2. 包层：2b=125 μm。 折射率用 n2表示。
3. 涂覆层：保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤。
注：n1 > n2。这是光在光纤中传输的必要条件。
二、分类
面发生全反射。将光线束缚在纤芯内传输。
(3)不能全反射 i max
i max ，则 c 临界角，不能发生全反射。有 折射发生，光线有损失。
半锥角 由此可见，只有在半锥角为 i max 的圆 锥内入射的光束才能在光纤中传播。
3.数值孔径
根据传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔 径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为：
NA sinmax
NA sin max
sin max n1 cosc
n1 sin c n 2 sin 2 n 2 sin2 c cos 2 c 1
2 1
NA n1 cos c
cos c
2 2 n1 n2
n1
NA sin max n n
n1 n 2 n1
光纤的数值孔径可表示为：
NA n n n1 2
2 1 2 2
例题： 设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率 n2=1.485。求: （1）相对折射率差Δ； （2）数值孔径NA； （3）入射临界角max 。
解： （1）相对折射率差Δ：
n1 n2 1.500 1.485 0.01 n1 1.500
100 THz 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz
1 m 10 m 100m
光纤通信系统的组成
电端机
光发射机
光纤
光接收机
电端机
光 纤
驱动电路 中继器 光电二 极管 光纤 放大器
百度文库
调制器
光源
光纤
判决器
光发射机
中继器 光器件
全反射条件： 光线由光密介质 光疏介质 入射角>全发射临界角
光纤的导光特性：是基于光线在纤芯和包层交界面上 的全反射。把光线限制在纤芯中传输。 光纤光纤种类：子午线 斜射线
2.子午线在光纤中的传输 n0 ：空气折射率 n1 ：纤芯折射率 n2 ：包层折射率 且n1>n2>n0
（1）临界入射（ i max 空气中的入射临界角）
（2）数值孔径NA：
NA n1 2 1.500 2 0.01 0.21
（3）入射临界角 max
max sin ( NA) sin (0.21)
1 1
12.12
o
5.斜射线在光纤中的传输
图A 光纤端面投影图
图B 光线传输的路径
斜射线在光纤中传输为一条空间折线。 焦散面：传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面 相切，该元柱面称为焦散面，半径为a0
选择适当的 NA ， 通常用于通信的光纤 NA 的取值
范围为0.1~0.3之间。
4、相对折射率差Δ
n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，引入 相对折射率差来表示它们相差的程度，用Δ表示，即
n n 2 2n1
2 1
2 2
弱导光纤，有 n1 ≈ n2 ，此时
2 2 n1 n2 2 2n1
DWDM：密集波分复用
三.光纤通信的应用
四.特点
1.光波作为载波，速率高、信息量大； 2. 光纤，损耗小、中继距离大； 3.抗电磁干扰；
4.保密性好；
5.尺寸小、重量轻； 6.资源丰富。
各种传输线路的损耗特性
光纤通信的缺点
1、光纤的弯曲半径不易过小。 2、切断和连接操作复杂。 3、分路、耦合麻烦。
1. 3U
2. 1250nm-1650nm 损耗＜0.5dB/km
光
1960 梅曼 红宝石激光器
1962 半导体激光器
1966 高锟 论文预言 1970 康宁、损耗20dB/km 波长1310、1550 nm低损耗窗口
1970 双异质结半导体激光器 850nm SMF
1975年 1310、1550nm MM-LD 静态单纵模DFB-LD 动态单纵模DFB-LD
光接收机
光纤----传输通道
有三种危害
损耗（Loss） 色散（Dispersion） 非线性效应（ Nonlinearity）
功率降低 脉冲展宽
畸变
光发射机----PCM加载到光源上
驱动电路
电信号输入
光 源
LED、 LD、 DFB
光输出
调制器
通道耦合器
光接收机---接收光信号
光信号 光检测器 前置放大器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
通信（Communication） 光通信（Optical Communication） 光纤通信（ Optical fiber Communication）
部分电磁波频谱
频率 波长 名称 紫外线 可见光线 (光纤通信用） 近红外线 远红外线 亚毫米波 1m m 10 m m 100 m m 1m 10 m 100m 毫米波 (EHF) 厘米波 (SHF) 分米波 (UHF) 米波(VHF) 短波(HF) 中波(MF)
1.55m
实用光纤主要有三种基本类型
1. 多 模阶跃光纤（ Step Index Fiber, SIF ），
一般2a=50μm，特点是信号畸变大。 作用：相应的带宽只有 10-20 MHz· km ，只能用 于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。
2.多模渐变光纤（ Graded Index Fiber, GIF），2a为50μm，特点是信号畸变小。
第一章 光纤的基本理论
光纤的结构
光纤的基本理论 光纤的基本参数 单模光纤
28
结构特性：几何尺寸、分类
光纤的特性：
光学特性：折射率、数值孔径 传输特性：损耗和色散
教学重点及难点
重点:
一、分析光纤的导光原理； 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算。
难点：
光纤传输的波动理论
与内光线入射角的临界角 c 相对应，光纤入射光的入射 角 i 有一个最大值 max ，称为光纤端面入射临界角（简称
入射临界角）。
c 90 1
n0 sin i n1 sin 1 sin max n1 cosc
(2)全反射传输 i max 当 i max 时， c 临界角， 光线在纤芯和包层交界
特种单模光纤
n1 n2
n3
2a ′ 2a
(a)
(b)
(b)
(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯
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） 三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。
1.根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类
（1）阶跃型光纤 （2）渐变型光纤
阶跃光纤的折射率分布
渐变光纤的折射率分布
根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式 2.根据光纤传输模式的不同分类
单模光纤
（1）单模光纤：传输一个模式的光波，光线以直线形状
沿纤芯中心轴线方向传播。纤芯直径只有4~10 μm。只有 阶跃型光纤。。。长距离，大容量通信
绪论 光纤 光发射机 光接收机 光纤通信系统设计
光纤通信
教材：
光纤通信（第二版） 顾婉仪 人民邮电出版社
参考书：
1.光纤通信及网络技术 徐宝强 北京航空航天大学出版社 2.光纤通信（第四版 ） Gerd Keiser 电子工业出版社
绪论
光纤通信的含义
发展历史、现状 光纤通信特点
一.光纤通信的含义
2 2
光纤的数值孔径 NA仅决定于光纤的折射率
n1和n2 ，与光纤的直径无关。
光纤的数值孔径 NA 越大，纤芯对光能量的束缚
越强，光纤抗弯曲性能越好；(集光能力越好)
2 2 NA n1 n2
公式可知，NA越大，n1，n2的差值越大；经光纤传输
后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。
1975年 1310、1550nm MM-LD 静态单纵模DFB-LD 动态单纵模DFB-LD
商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器
MMF to SMF DSF色散位移光纤
NZDSF
商用：大有效面积NZDSF
三.光纤通信系统的发展
第一阶段：70s 波长：850nm 光纤：多模光纤 MMF 速率：10-100Mb/s 距离：10km
作用：带宽可达1-2 GHz· km，适用于中等容 量（34-140 Mb/s）中等距离（10-20 km）系统。
3. 单 模 光 纤 （ Single Mode Fiber, SMF ） ， 2a=4-10 μm，其信号畸变很小。 作用：大容量（565 Mb/s－2.5 Gb/s）长距离 (30 km以上)系统要用单模光纤
商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器
MMF to SMF DSF色散位移光纤
NZDSF
商用：大有效面积NZDSF
1960 梅曼 红宝石激光器
1962 半导体激光器
1966 高锟 论文预言 1970 康宁、损耗20dB/km 波长1310、1550 nm低损耗窗口
1970 双异质结半导体激光器 850nm SMF
通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 射线光学法分析问题的两个角度 •多模阶跃光纤 •多模渐变光纤
多模阶跃折射率光纤的射线光学 理论分析
全反射 光纤的数值孔径 光纤的相对折射率差 最大群时延差
光纤通信课程 第一章
45
1.光的全反射
(1) 反射与折射 n1 sin 1 n2 sin 2 90 (2) 全反射临界 2 n2 临界角 c arc sin n1 (3) 全反射 1 c
麦克斯韦波动方程法
几何光学法（射线光学）：是忽略波长的光学（波长 趋近于0），用射线代表光能量传输路线的方法。
波动方程法：把光作为经典电磁场来处理，研究电磁
波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、长
结构等。。。
1.1.2 多模阶跃折射率光线的射线光学理论分析
分析问题的两个出发点 • 数值孔径
• 时间延迟
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
中继器—恢复原来的信号
3R: 放大（Reamplifying）
重定时（Retiming）
整形（ Reshaping）
二.光纤通信的发展
Fire beacons 狼烟
1880年，贝尔(Bell)发明了 “光电话”。
光电话存在问题：1.光源
2.传输媒质 光纤通信的发展方向：
6.时间延迟（时延）
时间延迟
入射角为θ的光线在长度为L(AC)的光纤中
传输，所经历的路程为
Lmin L；
L max L AB L BC
LAB LBC ;
n1 L； n2
多模阶跃光纤最大时延差
Tmax Tmin
纤芯中速度为
2.根据光纤传输模式的不同分类 （ 2）多模光纤：传输多个模式的光波。包括 A 阶跃型光纤。。。短距离，小容量通信
B 渐变型光纤。。。中距离，中容量通信
3.按照制造光纤所用的材料分类
石英系光纤
多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤
4. 根据光纤的工作波长分类
0.85m；
1.31m；
第二阶段：80s 波长：1310nm 激光器：MM-LD 光纤： MMF：＜100Mb/s，10km SMF:1.7Gb/s, 50km
第三阶段：80-90s 波长：1550nm 激光器：SM-LD 光纤：SMF 2.5GBb/s，100km
第四阶段：90s,波长：1550nm OA ：光放大器（EDFA）
国际电联ITU-T 的光纤标准
G.651：多模光纤 G.652：第一代单模光纤（用量最大的） G.653： 1550nm 零色散单模光纤 G.654 ：1550nm 波长衰减最小光纤 G.655：非零色散位移光纤 G.656：
光学传输原理
分析光纤传输原理的常用方法：
几何光学法
max
Lmax Lmin v v
c v n1
max
Ln1 L n12 c n2 c
时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。
它限制了光纤的传输带宽
7. NA 与 max 的关系
max L n12 c n2
1.1.1
光纤的结构和分类
一、结构
核心结构：纤芯、包层
1.纤芯： 光波传输的主要通道。 直径2a一般在4～50μm。 折射率用n1表示。
2. 包层：2b=125 μm。 折射率用 n2表示。
3. 涂覆层：保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤。
注：n1 > n2。这是光在光纤中传输的必要条件。
二、分类
面发生全反射。将光线束缚在纤芯内传输。
(3)不能全反射 i max
i max ，则 c 临界角，不能发生全反射。有 折射发生，光线有损失。
半锥角 由此可见，只有在半锥角为 i max 的圆 锥内入射的光束才能在光纤中传播。
3.数值孔径
根据传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔 径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为：
NA sinmax
NA sin max
sin max n1 cosc
n1 sin c n 2 sin 2 n 2 sin2 c cos 2 c 1
2 1
NA n1 cos c
cos c
2 2 n1 n2
n1
NA sin max n n
n1 n 2 n1
光纤的数值孔径可表示为：
NA n n n1 2
2 1 2 2
例题： 设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率 n2=1.485。求: （1）相对折射率差Δ； （2）数值孔径NA； （3）入射临界角max 。
解： （1）相对折射率差Δ：
n1 n2 1.500 1.485 0.01 n1 1.500
100 THz 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz
1 m 10 m 100m
光纤通信系统的组成
电端机
光发射机
光纤
光接收机
电端机
光 纤
驱动电路 中继器 光电二 极管 光纤 放大器
百度文库
调制器
光源
光纤
判决器
光发射机
中继器 光器件
全反射条件： 光线由光密介质 光疏介质 入射角>全发射临界角
光纤的导光特性：是基于光线在纤芯和包层交界面上 的全反射。把光线限制在纤芯中传输。 光纤光纤种类：子午线 斜射线
2.子午线在光纤中的传输 n0 ：空气折射率 n1 ：纤芯折射率 n2 ：包层折射率 且n1>n2>n0
（1）临界入射（ i max 空气中的入射临界角）
（2）数值孔径NA：
NA n1 2 1.500 2 0.01 0.21
（3）入射临界角 max
max sin ( NA) sin (0.21)
1 1
12.12
o
5.斜射线在光纤中的传输
图A 光纤端面投影图
图B 光线传输的路径
斜射线在光纤中传输为一条空间折线。 焦散面：传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面 相切，该元柱面称为焦散面，半径为a0
选择适当的 NA ， 通常用于通信的光纤 NA 的取值
范围为0.1~0.3之间。
4、相对折射率差Δ
n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，引入 相对折射率差来表示它们相差的程度，用Δ表示，即
n n 2 2n1
2 1
2 2
弱导光纤，有 n1 ≈ n2 ，此时
2 2 n1 n2 2 2n1
DWDM：密集波分复用
三.光纤通信的应用
四.特点
1.光波作为载波，速率高、信息量大； 2. 光纤，损耗小、中继距离大； 3.抗电磁干扰；
4.保密性好；
5.尺寸小、重量轻； 6.资源丰富。
各种传输线路的损耗特性
光纤通信的缺点
1、光纤的弯曲半径不易过小。 2、切断和连接操作复杂。 3、分路、耦合麻烦。
1. 3U
2. 1250nm-1650nm 损耗＜0.5dB/km
光
1960 梅曼 红宝石激光器
1962 半导体激光器
1966 高锟 论文预言 1970 康宁、损耗20dB/km 波长1310、1550 nm低损耗窗口
1970 双异质结半导体激光器 850nm SMF
1975年 1310、1550nm MM-LD 静态单纵模DFB-LD 动态单纵模DFB-LD
光接收机
光纤----传输通道
有三种危害
损耗（Loss） 色散（Dispersion） 非线性效应（ Nonlinearity）
功率降低 脉冲展宽
畸变
光发射机----PCM加载到光源上
驱动电路
电信号输入
光 源
LED、 LD、 DFB
光输出
调制器
通道耦合器
光接收机---接收光信号
光信号 光检测器 前置放大器 主放大器 再生码流 均衡器 判决器
通信（Communication） 光通信（Optical Communication） 光纤通信（ Optical fiber Communication）
部分电磁波频谱
频率 波长 名称 紫外线 可见光线 (光纤通信用） 近红外线 远红外线 亚毫米波 1m m 10 m m 100 m m 1m 10 m 100m 毫米波 (EHF) 厘米波 (SHF) 分米波 (UHF) 米波(VHF) 短波(HF) 中波(MF)
1.55m
实用光纤主要有三种基本类型
1. 多 模阶跃光纤（ Step Index Fiber, SIF ），
一般2a=50μm，特点是信号畸变大。 作用：相应的带宽只有 10-20 MHz· km ，只能用 于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。
2.多模渐变光纤（ Graded Index Fiber, GIF），2a为50μm，特点是信号畸变小。
第一章 光纤的基本理论
光纤的结构
光纤的基本理论 光纤的基本参数 单模光纤
28
结构特性：几何尺寸、分类
光纤的特性：
光学特性：折射率、数值孔径 传输特性：损耗和色散
教学重点及难点
重点:
一、分析光纤的导光原理； 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算。
难点：
光纤传输的波动理论
与内光线入射角的临界角 c 相对应，光纤入射光的入射 角 i 有一个最大值 max ，称为光纤端面入射临界角（简称
入射临界角）。
c 90 1
n0 sin i n1 sin 1 sin max n1 cosc
(2)全反射传输 i max 当 i max 时， c 临界角， 光线在纤芯和包层交界
特种单模光纤
n1 n2
n3
2a ′ 2a
(a)
(b)
(b)
(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯
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） 三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。
1.根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类
（1）阶跃型光纤 （2）渐变型光纤
阶跃光纤的折射率分布
渐变光纤的折射率分布
根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式 2.根据光纤传输模式的不同分类
单模光纤
（1）单模光纤：传输一个模式的光波，光线以直线形状
沿纤芯中心轴线方向传播。纤芯直径只有4~10 μm。只有 阶跃型光纤。。。长距离，大容量通信
绪论 光纤 光发射机 光接收机 光纤通信系统设计
光纤通信
教材：
光纤通信（第二版） 顾婉仪 人民邮电出版社
参考书：
1.光纤通信及网络技术 徐宝强 北京航空航天大学出版社 2.光纤通信（第四版 ） Gerd Keiser 电子工业出版社
绪论
光纤通信的含义
发展历史、现状 光纤通信特点
一.光纤通信的含义
2 2
光纤的数值孔径 NA仅决定于光纤的折射率
n1和n2 ，与光纤的直径无关。
光纤的数值孔径 NA 越大，纤芯对光能量的束缚
越强，光纤抗弯曲性能越好；(集光能力越好)
2 2 NA n1 n2
公式可知，NA越大，n1，n2的差值越大；经光纤传输
后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。
1975年 1310、1550nm MM-LD 静态单纵模DFB-LD 动态单纵模DFB-LD
商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器
MMF to SMF DSF色散位移光纤
NZDSF
商用：大有效面积NZDSF
三.光纤通信系统的发展
第一阶段：70s 波长：850nm 光纤：多模光纤 MMF 速率：10-100Mb/s 距离：10km
作用：带宽可达1-2 GHz· km，适用于中等容 量（34-140 Mb/s）中等距离（10-20 km）系统。
3. 单 模 光 纤 （ Single Mode Fiber, SMF ） ， 2a=4-10 μm，其信号畸变很小。 作用：大容量（565 Mb/s－2.5 Gb/s）长距离 (30 km以上)系统要用单模光纤
商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器
MMF to SMF DSF色散位移光纤
NZDSF
商用：大有效面积NZDSF
1960 梅曼 红宝石激光器
1962 半导体激光器
1966 高锟 论文预言 1970 康宁、损耗20dB/km 波长1310、1550 nm低损耗窗口
1970 双异质结半导体激光器 850nm SMF
通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 射线光学法分析问题的两个角度 •多模阶跃光纤 •多模渐变光纤
多模阶跃折射率光纤的射线光学 理论分析
全反射 光纤的数值孔径 光纤的相对折射率差 最大群时延差
光纤通信课程 第一章
45
1.光的全反射
(1) 反射与折射 n1 sin 1 n2 sin 2 90 (2) 全反射临界 2 n2 临界角 c arc sin n1 (3) 全反射 1 c
麦克斯韦波动方程法
几何光学法（射线光学）：是忽略波长的光学（波长 趋近于0），用射线代表光能量传输路线的方法。
波动方程法：把光作为经典电磁场来处理，研究电磁
波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、长
结构等。。。
1.1.2 多模阶跃折射率光线的射线光学理论分析
分析问题的两个出发点 • 数值孔径
• 时间延迟
偏压控制
AGC 电路
时钟 提取
中继器—恢复原来的信号
3R: 放大（Reamplifying）
重定时（Retiming）
整形（ Reshaping）
二.光纤通信的发展
Fire beacons 狼烟
1880年，贝尔(Bell)发明了 “光电话”。
光电话存在问题：1.光源
2.传输媒质 光纤通信的发展方向：