光纤 第一章 绪论_11
光纤光学课件第一章
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
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。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须求解波导场方程。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤通信第1章概论.pptx
1.2.3 光纤通信的应用 1·3 光纤通信系统的基本组成
1.3.1 发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统
1.1 光纤通信发展的历史和现状
1.1.1 探索时期的光通信
原始形式的光通信:中国古代用“烽火 台”报警，欧洲人用旗语传送信息。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用 光波作载波传送话音的“光电话”。贝 尔光电话是现代光通信的雏型。
第三阶段(1986~1996年)，这是以超大容
量超长距离为目标、全面深入开展新技术研
究的时期。
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1.1.3
1976年美国在亚特兰大进行的现场试验， 标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用 的新阶段。
此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多 模发展到单模，工作波长从0.85 μm发展到1.31 μm和1.55 μm(短波长向长波长），传输速率从 几十Mb/s发展到几十Gb/s。
1976年，日本电报电话公司研制成功发 射波长为1.3 μm的铟镓砷磷(InGaAsP) 激光器。
1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光 器寿命达到10万小时。
1979年美国电报电话(AT&T)公司和日 本电报电话公司研制成功发射波长为 1.55 μm的连续振荡半导体激光器。
由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。
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1.2.2 光纤通信的优点
容许频带很宽，
损耗很小， 中继距离很长且误码率很小
重量轻、 体积小
抗电磁干扰性能好
泄漏小，
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节约金属材料， 有利于资源合理使用
光纤课件第一章
第四代光纤通信阶段： 80年代期后，进入了使用特种光纤在1.55μ m （1550nm、193THZ）波段上传输的第四代光纤通 信阶段。 1.55μ m （1550nm）是石英光纤的最低损耗窗口， 为0.2dB/km，传输速率可达10Gb/s，中继距离为 80～150公里。 使用色散平坦光纤和非零色散光纤。 光源是分布反馈激光器DFB。 在这个时期，掺铒光纤放大器(EDFA)的出现成 为光纤通信发展史上的重要里程碑。
第一代光纤通信的特征： 采用光波的工作波长为850nm（0.85μ m），属于 光纤的短波长波段，是光纤的第一个低损耗窗 口。 使用的光纤为“多模光纤” 光纤损耗为2.5～3dB/km，光源采用镓铝砷半导 体激光器，光电探测器采用硅材料的光电二极 管 传输速率为50～100Mb/s 中继距离为8～10公里 用于城市内局间短距离数字传输系统、模拟电视。
一、光纤通信的特点
优点： 损耗很小，中继距离很长且误码率很小. 重量轻、体积小， 抗电磁干扰性能好 一般电磁辐射的频谱和光波的频谱相距很远。 光检测器只对某一波段的光波信号响应。 泄漏小，保密性能好 光信号封闭束缚在光纤纤芯中传输 ,表面涂消光 剂. 资源丰富，节约有色金属和能源，具有经济价 值。 化学性能稳定。抗腐蚀、不怕潮湿。寿命长。
1970年——称为光纤通信元年。
光纤通信的发展
光纤通信经过了40多年的发展，已经有五代光 纤通信系统进行了使用。 第一代光纤通信系统： 1977年在芝加哥相距7公里的两个电信局之间进 行了数字光纤通信系统传输试验。 使用的速率为 44.736Mb/s ，采用的光纤损耗为 2.54dB/km，光源采用镓铝砷（GaAlAs）半导体 激光器，工作波长为0.85μ m（353THZ）， 光电探测器采用硅材料制作。 它成为第一代光纤通信的标志。
光纤光学课件第一章
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------光纤光学课件第一章1幻灯片 1 光纤光学第一章光纤传输的基本理论 W-C Chen Foshan Univ. 幻灯片 2 1. 前言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。
光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科光纤光学。
幻灯片 3 光纤的分类幻灯片 4 2实用光纤主要的三种基本类型 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c ）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包Ait(a)输入脉冲光线传播路径～多模光纤幻灯片 5 阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）3 单模光纤多模光纤幻灯片 6 光纤结构光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
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n1n2。
幻灯片 7 主要用途：1 / 15突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55 m 色散移位光纤实现了 10 Gb/s 容量的 100 km 的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
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。
4幻灯片 8 2.光纤的研究方法光线理论几何光学方法波动光学方法适用条件研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题主要特点约束光线模式幻灯片 9 光线理论光线分类子午光线倾斜光线射线方程几何光学法分析问题的两个出发点数值孔径时间延迟幻灯片 10 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。
光纤通信技术Chapter课件1
因此，受激喇曼散射是在激励场和斯托克斯场的同时作用下产生的受激过程， 是非线性光学效应。
19
第1 章光纤的基本理论
受激喇曼散射的条件： 受激喇曼散射的阈值 受激喇曼散射的增益阈值
20
第1 章光纤的基本理论
1.6.1 受激散射效应 • 布里渊散射
在一般情况下，任何光学介质内部均存在着由大量质点统计热运动所形成的 自发的弹性力学的声波场，这种声波场可分解为无数多个单色简谐平面声波之和，每 一种单色平面声波场将引起介质密度随时间和空间的周期性变化，因此将引起对入射 光波的“衍射”效应，并且“衍射”光的频率将随声波场的速度和传播方向的不同而 产生变化，这就是普通布里渊散射的经典物理过程。
W 2 k02n22 2 a 0
k0n2
2 0
n2
传播常数与自由空间的一样，因此，LP01模式对波长没有限制，即没有截止现象。
11
第1 章光纤的基本理论
d. 单模光纤，保证LP01模式存在，阻止或截止其它高阶模式振荡，比较LP02和 LP11模式，得到只要使归一化频率V小于二阶模LP11模的归一化频率即可。
16
第1 章光纤的基本理论
喇曼散射量子理论的观点：
在拉曼散射过程中，光子与微观粒子（原子、分子、电子及声子等）发生非弹性碰
撞，结果是入射光子散射成为一个能量和方向都与入射光子不同的散射光子，同时相
应的引起了粒子由初始态向终止态的跃迁。这种跃迁包括两种过程：一种是初始处于
较低能级 上的粒Eb子，在散射后跃迁到较高的能级 (分子内能E增a 加），而散射光
Km K
m
Wr a
非线性光纤光学第一章绪论
➢ 20世纪60年代，光纤损耗超过1000dB/km；1966年，高锟预言高纯度的光纤可以传输光500m 还剩余10％的能量，当时听起来是神话。
➢ 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附近波长区) ➢ 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处)
最 大 的 角 应 该 是 使 c 。 在
n0 / n1 界面，根据斯奈尔(Snell)定律，得
到
sin max
sin 90o c
n1 n0
全 反 射 时 满 足 ， sinc n2 n1 ， 将此式
代入上式，得到
sinmax
n12 n22 1 2 n0
当光从空气进入光纤时， n0 1，所以
表示光纤性质的光学参数
✓ 相对折射率差(阶跃光纤)
相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难 易程度。
n12 n22 2n12
包层折射率 纤芯折射率
✓数值孔径（NA）
n1 n2 >n0 n0
B
>c
<max
A B
>max
<c 900_ c
不同入射角的光线
c 2 a N A /2 .4 0 5 1 .1 8 m
光纤制造
原料制备 原料提纯 制棒 拉丝 涂敷 筛选 合格光纤
纯度分析 质量控制
制造光纤的工艺流程
性能测量
(1)制作预制棒
➢ 汽相沉积法 ✓ CVD－化学汽相沉积法 ✓ MCVD—改进的化学汽相沉积法 ✓ PCVD－等离子体化学汽相沉积法 ✓ OVD－棒外汽相沉积法 ✓ VAD－轴向汽相沉积法 ➢ 非汽相沉积法 ✓ 多组分玻璃法 ✓ 凝胶法 ✓ 机械成形光纤预制棒法
光纤光学课件第一章
幻灯片1光纤光学第一章光纤传输的基本理论W-C ChenFoshan Univ.幻灯片2§1. 前言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。
光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
幻灯片3光纤的分类幻灯片4实用光纤主要的三种基本类型(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c）单模光纤(a)(b)(c)多模光纤幻灯片5阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）单模光纤多模光纤幻灯片6光纤结构●光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。
●纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
●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。
幻灯片7主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
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。
幻灯片8§2.光纤的研究方法 ——光线理论幻灯片9 光线理论 ● 光线分类● 子午光线 ● 倾斜光线 射线方程几何光学法分析问题的两个出发点 • 数值孔径 • 时间延迟 幻灯片10● 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ψ1入射到包层(n1>n2)。
《光电材料与器件》课程教学大纲
《光电材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：光电材料与器件英文名称：Optoelectronics Materials and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程无五、授课对象材料及材料加工类专业本科生六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握激光的产生机制，光纤的传导机制以及熟悉光调制的基本原理。
2、理解光电技术在信息传输，光探测以及光伏等领域的应用原理。
3、能够关注和了解光电材料与技术在日常生活中的应用。
掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
七、教学重点与难点：课程重点：（1）光电材料的工作原理和应用。
本课程重点介绍针对半导体材料的电学性能和其在激光领域的应用。
（2）在了解半导体材料相关物理理论知识的基础上，重点学习基于半导体的光电器件的种类、应用和影响性能的因素等。
（3）重点学习的章节内容包括：第2章“激光”（6学时）、第3章“波导”（6学时）、第5章“光探测器”（4学时）。
课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解基于半导体材料的激光基本原理，激光器的基本构造以及应用范围。
（2）通过对光电材料及其光电器件的学习，了解影响光电材料与器件性能的因素和改进策略，从而具备设计和改进光电器件响应性能的能力。
八、教学方法与手段：教学方法：（1）课程邀请相关科研工作者做前沿报告，调动学生学习积极性。
（2）课堂讲授和相关多媒体小视频相结合，提高学生听课积极性，视频与课程内容相关，加深记忆和理解概念；（3）通过期末专题报告的形式，让学生讲解生活中与课程相关的知识或技术，台下的学生听众提问，而台上的学生为自己的观点进行辩护，从而产生互动，加深记忆和理解，更主要是能激发学生的兴趣。
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告警信号传输设备
告 警 信 号 监 测 监
监控站 公 区 间
监
公 区 间
控
务 通信
控
务 通信
设备 无人中继站
控
务 通信
端局
控 有人中继站
控
监控站
第一章 绪 论
发射和接收 发射部分：信源、电发射、光发射 接收部分：光接收、电接收、信宿
基本光纤传输系统 1. 光发射机 调制：使光信号的某一参量随电信号而变化的过程。 （电信号 >>>>光信号的映射过程） Mapping 光通信的调制方式(目前）： IM 内调制/外调制
泡沫时期世界光器件市场销售变化
$7.1B
$4.4B $3.3B $2.3B
$1.8B
2.1 1.0 ’
1.2
SONET/SDH DWDM
’99 Actual
’00 Actual
’01 Fcst
’02 Fcst
2003年上半年器件行业特点
•
系统公司全面退出，器件公司格局初定
第一章 绪论
* 第一条横跨大西洋的海底光缆通信系统88年建成： 全长 6400km * 第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统89年建成： 全长 13200km 光纤通信发展的若干阶段 * 第一阶段 （1966～1976年）：基础研究 >>>> 商用开发阶段 * 第二阶段 （1976～1986年）：推广应用阶段 （提高传输码率，增加中继距离） * 第三阶段 （1986～1996年）：全面开发新技术 （大容量、长距离、WDM /EDFA ） * 第四阶段 （1996～ ）：深入开发新技术 （超大容量、超长距离、 DWDM/ 宽带 光纤/拉曼放大器）
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光 频介质纤维表面波导”首次明确提出,通过 改进制备工艺,减少原材料杂质 , 可使石 英光纤的损耗大大下降 , 并有可能拉制出 损耗低于20dB/km的光纤,从而使光纤可用 于通信之中。
光纤之父”----高锟博士
高琨博士被称为 “光纤之父”
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
第一章 绪论
* 光/电通信的区别：信息的载体分别为光频段和 射频段的电磁波 * 实现光通信的基本条件 光源 、 传输介质（媒体）、光检测 早期的光纤通信 * 最原始的光通信: 烽火台 、旗语、手势等 *最早的现代光通信 贝尔的光电话 光源 ：太阳灯/弧光灯 传输介质：自由空间 光电接收：硅光电池
5月12日Avanex公司签署最终协议以2003年5月 9日每股$1.12的收盘价，总共约$63.5 million的 联合交易价收购Alcatel和Corning的光器件业 务。 市场通过转让、兼并、破产的一轮大洗礼，国 际市场器件公司格局基本确定：JDSU、 BOOKHAM、AVANEX、FINISAR、 TRIQUINT、INFINEON......
第一章 绪论/光波导技术的迅猛发展
1970年,康宁玻璃公司(Corning Glss Co） 率先研制成功损耗为20dB/km 的石英光纤, 取得了重要的技术突破； 经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至 0.2dB/km (单模光纤）； 各种光波导器件在光纤系统中获得广泛应用， 构筑所谓的“信息高速公路” ，相关的应 用产业日新月异地蓬勃发展，涉及的部门包 括邮电、电子、电力、化工以及机械等行业， 形成一个年产值1000多亿美元的巨大市场。
3.地区分工，亚太成为低成本区
Agilent Technologies 2003年2月宣布在马来西亚开辟两 家新的R&D和生产厂，面积达550,000 平方英尺， Agilent 40 %的生产在亚太地区， 40%在北美，20%在 欧洲，2004年亚太将达到50% ；最近关闭英国的工厂， 设备搬迁新加坡 Finisar 2001年11月在马来西亚建光模块生产基地，现 规模达到1200人，2002年在上海建成无源器件厂，130 人； Oplink Communications也把它的无源器件厂建在中国， 扩大它在中国的生产规模； 中国大陆、台湾、东南亚是国际公司关注的焦点
第一章 绪论
半导体光源的成熟
* 850 nm 波段的 LED(Light emitting diode) /LD ( Laser diode) ：GaAlAs (73年） * 1310 nm 波段的 LED/LD ：InGaAsP (76年） * 1550 nm 波段的 LD ：InGaAsP (79年） 半导体光探测器 ： Si / Ge / InGaAs 半导体光电管 PD/PIN/ APD 光源 光纤 光电探测 >>>> 光纤通信的应用 光纤通信 进入 实用阶段： * 世界上第一实用的光纤通信系统： 76年 在美国亚 特兰大开通。 ( 中继距离：10 km, 码率：44.7 Mb/s, 波长：850nm)
第一章绪 论
光通信与射频通信传输能力的比较
第一章 绪 论
各种通信系统相对造价与传输容量的比较
第一章 绪论
1.1.3 光纤通信的发展与现状 光通信的发展 * 传输体制： PDH >>>>SDH * 信道： 单波长 >>>>多波长 * 用户的光纤化 * 光交换接点将取代电交换接点 * 相干光通信是未来的光通信的主要方式 * 孤子通信与全光系统
第一章 绪论/光纤通信系统
1. 2 光纤通信系统的基本组成(1)
光纤通信系统基本组成(2)
备用 系统 备用 系统
远 供
PCM
系统 转换 设备
光 端 机
光缆 终端 架
光缆 终端 架
局设 中继 设备
光缆 终端 架
无 人 中 继 器
光 缆 终 端 架
光 端 机
系 统 转 换 设备
PCM 设 备
设 备
监控中心 中 监 任 务 中区 间 心 公
第一章 绪论/光纤通信网络
1.3.1 网络的概念 *全连接网
分局 分局
分局
分局
优点：可靠性高，节点之 间可组成多种迂回路由。
分局
缺点：设备多、投 资大。
适用场合：电话网中较高层次的局间中继
◆
复合网
重要部分：网状网 次要部分：幅射式组网
◆
汇接制
汇接局
汇接局
汇接局
分局 分局
分局
分局
分局 适用：大城市
第一章 绪论
* 美国IT产业经济下滑与科技进步
9.11 事 件 后
技术
经济
1996
1997
1998
1999
2000 2001
2002
第一章 绪 论
* 2001年 光纤通信产业首次下滑
这是自70年代末光纤通信形成产业以来的首次 下滑，下滑幅度达40％ 原因 a) . IT 行业全球下滑 b).全球经济不景气 ，特别是美国经济 出现衰退迹象 c). 光纤通信近10年，特别是96～2000年 的超高速发展 国内 * 80年代～ 2000 持续高速、稳定发展 * 2001 年 继续高速发展
•
2.局部兼并收购，调整产品布局
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•
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Finisar 2003.4月收购Genoa，获 LSOA+1300/1550nmVCSEL产品技术 OCP继Cielo Communications后，2003.2.3 日又宣布收购Gore Photonics ，或 850nm 、 1310 nm VCSEL paralle module Vitesse 2003.6.9收购Multilink Technology， 把metro 和长途10-Gbit/s transceiver 改造 为 光互连back plane transceivers ……..
分局
分局
联网形式
* 点对点
* 总线制
* 星型
*令牌环
第一章 绪论/光纤通信网络
1.3.2 第二代光纤通信网络 特点： 提供三种类型的服务 *光通道服务 *虚拟电路服务 *数据报业务 信息的透明型 电分组与光交换技术 WDM网络结构 光层 OTDM(光时分复用）网络结构
FTTP 光纤通信行业的新 亮点
第一章 绪论
* 大气激光通信 激光出现的意义：a). 连续的光频电磁波(相干性） b). 方向性 c). 高强度 d). 高亮度 大气激光通信：以大气空间作传输介质的激光通信 大气激光通信的不足： 稳定性/可靠性差（当时） 光通信的出路？ 解决传输介质： a). 透镜波导/ 反射镜波导 b). 开发新型光传输波导－－ 光纤 （Optical fiber)
第一章 绪 论
* 2002年 与2001年基本持平 光纤通信继续发展的推动力 * 信息时代对信息量的要求不断增长 “ 3T” 时代： 信息的处理速率为 1012 bit/s； 信息传输速率为 1012 bit/s； 信息存贮密度为 1012 bit/cm2 * 技术创新，使光纤通信的成本不断下降 * 光纤接入网的普及 * 世界经济的发展 *FTTH (2006---)
一、光通信行业总趋势 二、FTTP技术发展动向 三、FTTP关键器件 四、FTTP—市场新亮点
一、光通信行业总趋势
投资先热后冷引起的行业冬天
自2001年投资金额不断下降
011Q—181亿 012Q—147亿 013Q—124亿 014Q—140亿 021Q—80 亿 022Q—92 亿 023Q—82 亿
第一章 绪论/光波导的基本概念
导波光：受到约束的光波 光波导：约束光波传输的媒介 介质光波导三要素：
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗