光纤通信课件 第1章 概述
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k
传输方向
Ex
Hy 波前
z
图 1.2.5 沿 z 传播的平面电磁波在指定平面上的任一点 具有相同的 Ex 或H y ,所有电场在 xy 平面同向
相速度和介质折射率
电场和它产生的偶极子相互作用的程度可用相对介电常数 r 来表 示。当电磁波在相对介电常数为 r 的非磁介电质中传播时，相速度为
1 r o o
(1.2.12)
假如电磁场的频率是在光频范围内，电场产生的介质极化是离子
极化，它要比分子极化更慢一些，相速度也更慢一些。对于在自由空
间 传 播 的 电 磁 波 ， r =1 ， 真 空 中 的 光 速
v 1 oo c 3108 ms-1 。介质折射率 n 是光在自由空间的速度
与它在介质中的速度之比
光通信系统设计
课前的话
1.学习意义
掌握一些光纤通信技术是现实需要对很多专业提出的要求， 也是形成相关人员合理知识结构一个不可缺的重要组成部 分要求。 光纤通信技术在近30、40年里得到了极大的发展，目前它 和移动通信、数据通信已经成为电信领域发展的基石。
2.专业课特点 授课内容不局限于某一本教材 实时补充最新的相关内容 传统式习题量小 要求利用图书馆和网络信息进行设计
A'
V2 t
A i
t B'
V1 t
B
从几何光学我们可以得到（见图1.3.1左上角小图）
AB 1t 2t sin i sin t
或者
sin i 1 n2 sin t 2 n1
这就是斯奈尔（Snell）定律， 它表示入射角和折射角与介质折射率的关系。
图1.3.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入 射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况
内容要求
1.2 光波基础 1.3 光与介质的相互作用 1.4 平面介质波导
1.2.2 均匀介质中的光波
1. 平面电磁波
光是一种电磁波，它的电场和磁场随时间不
断的变化，分别用Ex和Hy表示 ，在空间沿 着z方向总是相互正交传输，如图1.2.4所示 。最简单的行波是正弦波，沿z方向传输的
数学表达式为
解：相速度
c n 3 108 ms 1 1.450 2.069 108 ms 1
从图 1.2.9 可知， =1m 时， N g =1.460，因此
g c Ng 3108 m s1 1.460 2.055 108 m s1
由此可见，群速度比相速度约慢 0.7%。
1.3.1
斯奈尔定律和全反射
菲涅耳方程
利用电磁波从介质1传播到介质2的边界条件，可以易获得反射波和折射波 幅度的表达式，这些关系式叫菲涅耳方程。电场的反射
r
Ero, Eio,
cosi cosi
n2 sin 2 i n2 sin 2 i
12 12
| r
| e j
|
tg( / 2)
sin 2 i - n2 1 2 cosi
参考书目
《光纤通信》（第3版）原荣 编著 电子工业出版社 2010.5
共计36学时
考试课
讲授内容(1)
1 概述
1.2 光波基础
3.4 光耦合器Coupler
1.3光与介质的相互作用
3.5 复用器与滤波器
1.4平面介质波导
Multiplexer and Filter
2 光纤和光缆
3.6 光隔离器与环行器
n2 n1 n2
y
z
x
H i,//
H t , //
kt 透射光
t
（折射光）
Et,
i r Er,
n1
ki Ei, H r,//
入射光
kr
反射光
t Et, 消逝波
Hi, //
kt
i r Er,
ki Ei,
H r,//
kr
(a) i c ,存在反射和折射
(b) i > c ,只有全反射和消逝波
5.5光接收机的灵敏度
对系统的影响
5.6光接收机的性能评估
7.5信道串扰
7.6光纤通信系统设计中的功
6 光放大器
率预算
6.1 概述 6.2 光放大器的原理与一般特性
8
光网络及其它光纤通信技术
6.3 掺铒光纤放大器EDFA
复习
6.4 半导体光放大器SOA
6.5光纤拉曼放大器FRA
共计36学时
考试课
第一章 概述
3.3 光衰减器Attenuator
4.2 半导体激光器的工作特性
4.3 光发射机
讲授内容(2)
5 光探测器和光接收机
7 光纤传输系统
5.1 光检测器
7.1光纤通信系统结构
5.2 光检测器的工作特性和参数
7.2光纤损耗对系统的限制
5.3 光接收机
7.3光纤色散对系统的限制
5.4光接收机的噪声特性
7.4光纤中的非线性光学效应
n c
r
(1.2.13)
由此可见，介质折射率 n 与材料的介电常数 r 有关，真空中的光速要
比介质中的光速快。
例1.2.2 相速度、群折射率和群速度
考 虑 光 波 在 纯 SiO 2 玻 璃 介 质 中 传 输 ， 假 如 波 长 是 1m，该波长的折射率是 1.450，请问相速度、群折射率和 群速度是多少？
2.1 光纤结构和类型
3.7 光调制器Modulators
2.2 光纤传输原理
3.8 光开关Switches
2.3 光纤特性
3.9 光波长转换器
2.4 单模光纤传输的进展和应用
3.10 光交叉互连器
3 光通信器件
3.1 光器件概述
4 光源和光发射机
3.2 光连接器Connector
4.1 半导体激光二极管LD
n1 n2
n2 n1
ki
入射光
t
kt
透射光
（折射光）
i r
kr
ki
反射光
t kt c c kr
(a) i c
(b)临界角 i c
ki i c
消逝波
kt
kr
(c)全反射 i c
图1.3.3 光波从折射率较大的介质进入较小的介质,电场 与传输方向正交,
并可分解为与入射面垂直的电场分量和平行的磁场分量
Ex Eo cost kz o （1.2.5）
t kz o
dz v
dt k
电磁波是行波
Ex
传输方向
k
x
z
z
y
Hy
图 1.2.4 电磁波是行ห้องสมุดไป่ตู้，电场 Ex 和磁场H y 随时间不断的变化, 在空间沿着 z 方向总是相互正交传输
平面波的波前 是与传播方向正交的平面
Ex
波矢量
n n2 n1
这些方程的重要意义在于，反射波和透射波的幅度和相 位可用反射系数和透射系数来描述
图1.3.4 在内反射（n1>n2)时由菲涅耳方程得出 的反射系数幅度和相位变化与入射角的关系
全反射
1.0
0.9
相 对
0.8
反 0.7
射 系
0.6
数 0.5
幅 度
传输方向
Ex
Hy 波前
z
图 1.2.5 沿 z 传播的平面电磁波在指定平面上的任一点 具有相同的 Ex 或H y ,所有电场在 xy 平面同向
相速度和介质折射率
电场和它产生的偶极子相互作用的程度可用相对介电常数 r 来表 示。当电磁波在相对介电常数为 r 的非磁介电质中传播时，相速度为
1 r o o
(1.2.12)
假如电磁场的频率是在光频范围内，电场产生的介质极化是离子
极化，它要比分子极化更慢一些，相速度也更慢一些。对于在自由空
间 传 播 的 电 磁 波 ， r =1 ， 真 空 中 的 光 速
v 1 oo c 3108 ms-1 。介质折射率 n 是光在自由空间的速度
与它在介质中的速度之比
光通信系统设计
课前的话
1.学习意义
掌握一些光纤通信技术是现实需要对很多专业提出的要求， 也是形成相关人员合理知识结构一个不可缺的重要组成部 分要求。 光纤通信技术在近30、40年里得到了极大的发展，目前它 和移动通信、数据通信已经成为电信领域发展的基石。
2.专业课特点 授课内容不局限于某一本教材 实时补充最新的相关内容 传统式习题量小 要求利用图书馆和网络信息进行设计
A'
V2 t
A i
t B'
V1 t
B
从几何光学我们可以得到（见图1.3.1左上角小图）
AB 1t 2t sin i sin t
或者
sin i 1 n2 sin t 2 n1
这就是斯奈尔（Snell）定律， 它表示入射角和折射角与介质折射率的关系。
图1.3.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入 射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况
内容要求
1.2 光波基础 1.3 光与介质的相互作用 1.4 平面介质波导
1.2.2 均匀介质中的光波
1. 平面电磁波
光是一种电磁波，它的电场和磁场随时间不
断的变化，分别用Ex和Hy表示 ，在空间沿 着z方向总是相互正交传输，如图1.2.4所示 。最简单的行波是正弦波，沿z方向传输的
数学表达式为
解：相速度
c n 3 108 ms 1 1.450 2.069 108 ms 1
从图 1.2.9 可知， =1m 时， N g =1.460，因此
g c Ng 3108 m s1 1.460 2.055 108 m s1
由此可见，群速度比相速度约慢 0.7%。
1.3.1
斯奈尔定律和全反射
菲涅耳方程
利用电磁波从介质1传播到介质2的边界条件，可以易获得反射波和折射波 幅度的表达式，这些关系式叫菲涅耳方程。电场的反射
r
Ero, Eio,
cosi cosi
n2 sin 2 i n2 sin 2 i
12 12
| r
| e j
|
tg( / 2)
sin 2 i - n2 1 2 cosi
参考书目
《光纤通信》（第3版）原荣 编著 电子工业出版社 2010.5
共计36学时
考试课
讲授内容(1)
1 概述
1.2 光波基础
3.4 光耦合器Coupler
1.3光与介质的相互作用
3.5 复用器与滤波器
1.4平面介质波导
Multiplexer and Filter
2 光纤和光缆
3.6 光隔离器与环行器
n2 n1 n2
y
z
x
H i,//
H t , //
kt 透射光
t
（折射光）
Et,
i r Er,
n1
ki Ei, H r,//
入射光
kr
反射光
t Et, 消逝波
Hi, //
kt
i r Er,
ki Ei,
H r,//
kr
(a) i c ,存在反射和折射
(b) i > c ,只有全反射和消逝波
5.5光接收机的灵敏度
对系统的影响
5.6光接收机的性能评估
7.5信道串扰
7.6光纤通信系统设计中的功
6 光放大器
率预算
6.1 概述 6.2 光放大器的原理与一般特性
8
光网络及其它光纤通信技术
6.3 掺铒光纤放大器EDFA
复习
6.4 半导体光放大器SOA
6.5光纤拉曼放大器FRA
共计36学时
考试课
第一章 概述
3.3 光衰减器Attenuator
4.2 半导体激光器的工作特性
4.3 光发射机
讲授内容(2)
5 光探测器和光接收机
7 光纤传输系统
5.1 光检测器
7.1光纤通信系统结构
5.2 光检测器的工作特性和参数
7.2光纤损耗对系统的限制
5.3 光接收机
7.3光纤色散对系统的限制
5.4光接收机的噪声特性
7.4光纤中的非线性光学效应
n c
r
(1.2.13)
由此可见，介质折射率 n 与材料的介电常数 r 有关，真空中的光速要
比介质中的光速快。
例1.2.2 相速度、群折射率和群速度
考 虑 光 波 在 纯 SiO 2 玻 璃 介 质 中 传 输 ， 假 如 波 长 是 1m，该波长的折射率是 1.450，请问相速度、群折射率和 群速度是多少？
2.1 光纤结构和类型
3.7 光调制器Modulators
2.2 光纤传输原理
3.8 光开关Switches
2.3 光纤特性
3.9 光波长转换器
2.4 单模光纤传输的进展和应用
3.10 光交叉互连器
3 光通信器件
3.1 光器件概述
4 光源和光发射机
3.2 光连接器Connector
4.1 半导体激光二极管LD
n1 n2
n2 n1
ki
入射光
t
kt
透射光
（折射光）
i r
kr
ki
反射光
t kt c c kr
(a) i c
(b)临界角 i c
ki i c
消逝波
kt
kr
(c)全反射 i c
图1.3.3 光波从折射率较大的介质进入较小的介质,电场 与传输方向正交,
并可分解为与入射面垂直的电场分量和平行的磁场分量
Ex Eo cost kz o （1.2.5）
t kz o
dz v
dt k
电磁波是行波
Ex
传输方向
k
x
z
z
y
Hy
图 1.2.4 电磁波是行ห้องสมุดไป่ตู้，电场 Ex 和磁场H y 随时间不断的变化, 在空间沿着 z 方向总是相互正交传输
平面波的波前 是与传播方向正交的平面
Ex
波矢量
n n2 n1
这些方程的重要意义在于，反射波和透射波的幅度和相 位可用反射系数和透射系数来描述
图1.3.4 在内反射（n1>n2)时由菲涅耳方程得出 的反射系数幅度和相位变化与入射角的关系
全反射
1.0
0.9
相 对
0.8
反 0.7
射 系
0.6
数 0.5
幅 度