光纤通信第一章1-光纤的基本性质
光纤通信原理及基础知识
t D • Δ PMD= pmd * LΛ0.5
•
PMD Link
y=
1
n
n k 1
x
2 k
1 2
• PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的基本参数
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离
偏振模色散受限的最大理论传输距离
光纤的通信原理及基础知识
第一章 光纤通信的基本原理 第二章 光纤的基本结构和分类 第三章 光纤的基本参数 第四章 光纤的制造方法
第一章 光纤、光缆的基本知识
§1.1 光纤通信的基本原理
信号 处理
发送端
光波导
信号 处理
接收端
光纤通信的基本原理
频谱分配
电磁波谱
低频
高频
微波
直流电
LW MW KW UKW dm cm
微观弯曲损耗：是指光纤受到不均匀应力的作
用，光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗。
光纤的基本参数
参数典型值 光纤的光学及传输特性参数之一------
• 模场直径： • 衰减系数：
• 色散系数：
• 偏振模色散：
• 截止波长： • 弯曲损耗：
•1310nm: 8-10m; 1550nm: 9-11m
包层(SiO2+F )掺氟二氧化硅
125 µm
标准单模光纤
标准梯度折射率分布多模光纤
涂层(acrylic) 250 µm
涂层 250 µm
涂层
力学影响的防护
塑料光纤
涂层 1000 µm
光纤的基本结构和分类
光纤的分类
按材料分类：
光纤通信复习资料必看
光纤通信复习资料必看(总16页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--复习提纲第一章知识点小结：1.什么是光纤通信 3、光纤通信和电通信的区别。
2.基本光纤通信系统的组成和各部分作用。
第二章知识点小结1、光能量在光纤中传输的必要条件（对光纤结构的要求）。
2、突变多模光纤数值孔径的概念及计算。
3、弱导波光纤的概念。
4、相对折射率指数差的定义及计算。
5、突变多模光纤的时间延迟。
6、渐变型多模光纤自聚焦效应的产生机理。
7、归一化频率的表达式。
8、突变光纤和平方律渐变光纤传输模数量的计算。
第三章知识点小结1、纤通信中常用的半导体激光器的种类。
2、半导体激光器的主要由哪三个部分组成3、电子吸收或辐射光子所要满足的波尔条件。
4、什么是粒子数反转分布5、理解半导体激光产生激光的机理和过程。
6、静态单纵模激光器。
7、半导体激光器的温度特性。
8、DFB激光器的优点。
9、LD与LED的主要区别 10、常用光电检测器的种类。
11、光电二极管的工作原理。
12、PIN和APD的主要特点。
13、耦合器的功能。
14、光耦合器的结构种类。
15、什么是耦合比 16、什么是附加损耗17、光隔离器的结构和工作原理。
第四章知识点小结1、数字光发射机的方框图。
2、光电延迟和张驰振荡。
3、激光器为什么要采用自动温度控4、数字光接收机的方框图。
5、光接收机对光检测器的要求。
6、什么是灵敏度7、什么是误码和误码率 8、什么是动态范围9、数字光纤通信读线路码型的要求。
10、数字光纤通信系统中常用的码型种类。
第五章知识点小结1、SDH的优点。
2、SDH传输网的主要组成设备。
3、SDH的帧结构（STM-1）。
4、SDH的复用原理。
5、三种误码率参数的概念。
6、可靠性及其表示方法。
7、损耗对中继距离限制的计算。
8、色散对中继距离限制的计算。
第七章点知识小结1、光放大器的种类2、掺铒光纤放大器的工作原理3、掺铒光纤放大器的构成方框图4、什么WDM5、光交换技术的方式6、什么是光孤子7、光孤子的产生机理 8、相干光通信信号调制的方式9、相干光通信技术的优点光纤通信复习第一章1.什么是光纤通信光纤通信，是指利用光纤来传输光波信号的一种通信方式2.光纤通信和电通信的区别。
光纤的基本理论
第一章 光纤的基本理论1、光纤的结构：光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。
光纤由纤芯、包层和涂覆层构成，折射率从里到外依次减小（n 纤芯>n 包层>n 涂覆层）2、光纤的分类：（1）按光纤横截面上折射率分布的不同，可以将光纤分为阶跃折射率分布光纤 (简称阶跃光纤，适用于短距离传输 )和渐变折射率分布光纤 (简称渐变光纤，适用于长距离传输 )。
（2）根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。
单模光纤的纤芯直径很小，为4μm~10μm ，包层直径为125μm 。
多模光纤的纤芯一般为50μm,包层的外径为125μm 。
（3）按光纤构成的原材料分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤。
（4）按光纤的套塑层可分为紧套光纤和松套光纤。
3、光纤的相对折射率差：其中n1为纤芯的折射率， n2为包层折射率。
4、光纤的数值孔径为：NA5、假若在长为L 的光纤中，走得最快的模式所用的时间为τmin ，走得最慢的模式所用的时间为τmax ，则最大时延差Δτmax 为6、在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为 其中n(0)、n2分别是r = 0处的和包层的折射率。
7、渐变光纤的本地数值孔径公式：其中n （r ）为渐变光纤纤芯折射率。
8、亥姆霍兹方程 方程求解方法主要有两种：标量近似解和矢量解。
9、光纤的归一化频率10、归一化截止频率Vc 可求出截止波长λc(课本P15)当λ<λc 时，该模式可传输；而当λ>λc 时，该模式就截止。
11、图1—9（P16），注意横、纵坐标所表示的含义。
12、阶跃光纤中的模数量以M 表示，则M=V^2/2(详见课本P18)13、衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数） ，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为 其中Pi 为输入光纤的光功率，Po 为光纤输出的光功率。
14、造成光纤损耗的因素：引起光纤损耗的因素有吸收损耗、散射损耗和其它损耗，这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗等。
光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
光纤通信基本知识
光纤通信基本知识第一篇：光纤通信基本知识一、光纤通信的基本知识（一）光纤通信的概念1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。
结果使观众们大吃一惊。
人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。
这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是由于全反射的作用，由于水等介质密度由于比周围的物质（如空气）大，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。
表面上看，光好像在水流中弯曲前进。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。
由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。
（视频）光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
（视频）（二）光纤通信的发展光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。
采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光纤通信。
中国光纤通信已进入实用阶段。
（三）光纤通信的优缺点1、光纤通信的优点现代通信网的三大支柱是光纤通信、卫星通信和无线电通信，而其中光纤通信是主体，这是因为光纤通信本身具有许多突出的优点：①频带宽，通信容量大。
光纤可利用的带宽约为50000GHz，1987年投入使用的1.7Gb/s光纤通信系统，一对光纤能同时传输24192路电话，2.4Gb/s系统，能同时传输30000多路电话。
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。
光纤通信原理-(全套)课件
1.2 光纤通信的主要特性
1.2.1 光纤通信的优点
1. 光纤的容量大
光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载 波的通信系统，其载波—光波具有很高的 频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信 容量。
2. 损耗低、中继距离长
目前，实用的光纤通信系统使用的光 纤多为石英光纤，此类光纤在1.55μm波长 区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他 通信线路的损耗都低得多，因此，由其组 成的光纤通信系统的中继距离也较其它介 质构成的系统长得多。
光纤通信原理
1
第一章 概 述
1.1 光纤通信的发展与现状 1.2 光纤通信的主要特性 1.3 光纤通信系统的组成和分类
1.1 光纤通信的发展与现状
1.1.1 早期的光通信
到了1880年，贝尔发明了第一个光电 话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通 信的开端。
在这里，将弧光灯的恒定光束投射在 话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱 变化的反射光束，这个过程就是调制。
式中：R、T都是复数，包括大小及相
位。其模值分别表示反射波、传递波与入
射波幅度的大小之比；2Ф1、2Ф2是R和T的
相角，分别表示在介质分界面上反射波、 传递波比入射波超前的相位。
3. 平面波的全反射
全反射是一种重要的物理现象，当光 波从光密介质射入光疏介质，且入射角大 于临界角时才能产生全反射，即全反射必
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常 数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
光纤通信系统 第一章 概述
制造中造成强度下降的原因
（1）预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，会 转移到光纤中。由于杂质的膨胀系数与周围玻 璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气 泡对强度的影响将更大。 （2）拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环 境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出 现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。 环境中的水分等有害物质将对光纤造成腐蚀， 使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。
光纤简介
光纤通信的发展概况
光纤通信的主要特点
光纤通信系统的基本组成（重点）
光纤通信要解决的基本问题
一、光纤简介
光纤结构
光纤材料
玻璃光纤
塑料光纤
专用光纤（氟化物光纤，光敏光纤等）
光纤的制造
目前通信用光纤主要是以石英玻璃 （SiO2）为主的石英光纤。 制造光纤流程：
涂覆和套塑流程
光纤预制棒生产企业有五家：长飞、法尔 胜光子、烽火通信、杭州富通和特恩弛，5 家企业的生产能力是2000万公里／年。 光纤拉丝生产企业有19家：长飞、上海光 纤、南京华新藤仓、深圳特发、成都中住、 杭州富通、法尔胜光子、西古、烽火通信、 天大天财、特恩弛、亨通阿尔法、中天科 技、华伦光纤、富春江、上海华源、山东 太平洋、海南韩国三星、海南睿丰，这19 家企业的生产能力是3500万公里／年。
衰减、色散对脉冲的影响示意
3. 非线性效应
光波间或光波与其中传输的材料之间 的相互作用，从而对光信号产生影响。能 引起噪声和串扰。
光缆
1. 要求： 避免受到破坏力 防止光纤传输特性的劣化 易于操作 2. 构造: 缆芯，加强元件，护层
缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，有单芯、多 芯。 多芯光缆要对光纤进行着色以便于识 别。 为防止气体和水分子浸入， 光纤中应 具有各种防潮层并填充油膏。
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北京邮电大学顾畹仪
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光纤的损耗谱
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（2）色散（Dispersion)
模式色散 (intermodal dispersion) 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因 而形成模式色散。 L L sin c Ln1 d 模内色散 （intramodal dispersion）
涂敷层 包层
Core
(3) 光缆的基本结构
纤芯
包层 涂敷层
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2
光纤的结构、分类和光的传输
n2 n1 (1 )
n1 n2 n1
= 0.01 ~0.03
= 0.002 ~0.01
r n(r ) n0 [1 ( ) g ] a rp a n0 ra
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DSF光纤的色散谱和折射率分布
NZDSF光纤的 一种折射率分布
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 22
光子晶体光纤－PCF
宽带单模传输 超强的光学非线性 灵活的色散特性 可变的双折射
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L L sin c Ln1 n1 n2 Ln1 d c c n2 c n1
2 NA sin max n12 n2
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子午光线和斜射线
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多模渐变折射率光纤中光射线
折射率分布
射线方程
统
非零色散位移光纤(NZDF), G.655
在1.55um窗口 D() = 1 ~ 4 ps/nm-km ，抑制FWM, 支持高速率传
输
色散补偿光纤 (DCF)
在1.55um窗口有 -100 ps/nm km Pure-silica core fiber
纯石英芯子光纤（PSCF） 大有效面积（110mm2 ），低损耗 (0.17dB/km) 2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 光子晶体光纤
2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 3
用全反射原理分析多模阶 跃折射率光纤中光的传输
临界角
n2 c arcsin n1
2 sin max n1 sin(90o c） = n12 n2 2 NA n12 n2
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4
多 模 阶 跃 折 射 率 光 纤 的 最 大 群 时 延 差
第1.1节 光纤的基本性质 1. 光纤的结构、分类和光的传输 2. 光纤的传输性质 3. 光纤类型的发展演变
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1
1、光纤的结构、分类和光的传输
(1) 光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷层 (2) 石英光纤的基本类型和光的传输
多模光纤: 阶跃折射率（Step-Index Fiber） 渐变折射率（ Graded-Index Fiber） 单模光纤
色散参数 D =（d/d）/ L （ps/nm•km） 是群时延
20 10 DM 0 -10 -20 -30 DW
Dtotal
ZD
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Wavelength (mm)
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3、光纤类型的发展演变
多模光纤
常规单模光纤 (SMF), G.652
也可近似为抛物线分布
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单模光纤
射线光学分析方法不适用于单模光纤 波动光学分析方法
求解波动方程(圆柱坐标系) 1 1 2 2 2 (r ) 2 2 r r r r z 2
2 k 2 0
代入边界条件, 求出特征方程 纤芯中应为振荡解, 包层中为衰减解. r = a处, Eφ和Hφ应连续 分析各种导模的场型和性质 单模传输条件: V < 2.405， 基模HE11 2 a 归一化频率 V n12 n2 2
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(1) Fiber Attenuation
损耗计算（ dB/km）
10 P log10 in L Pout
第一窗口
Pin ：输入光功率 Pout ：输出光功率 L ：光纤长度 低损耗窗口 0.85 mm (< 2.5dB/km) 1.3 mm (< 0.4dB/km) 1.55mm (< 0.2dB/km) dBm = dB relative to 1 mW e.g., 0 dBm = 1mW 10 dBm = 10mW 20 dBm = 100mW
r g n(r ) n0 [1 ( ) ] a n0 n0 na n0 r d dr ( n ) n ds ds
r
a
ra
对近轴子午光线
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d r 1 dn 2 dz n dr
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2
n0 dn 2 2r dr a 2n0 r d 2r 2 2 得 dz na d 2 r 2r n0 2 1，有 对近轴光线， 2 dz a n
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2 a
上式可近似为抛物线分布
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自聚焦光纤中的光射线：偏射线
螺旋线应满足的条件：
dr 0 dz
折射率分布应为
1 1 n(r ) n0 [1 ( r ) 2 ] 2 2 1 3 2 n0 [1 ( r ) ( r ) 4 ] 2 8
对抛物线分布
dr 设z 0时， r r0 , r0 , 上式的解 dz 1 z 1 z a 2 r r0 cos[(2) 2 ] r0 [(2 ) ] 1 a a (2) 2
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自聚焦光纤中的光射线：子午线
1 2 2 5 4 4 n(r ) n0 sec h( r ) n0 (1 r r ) 2 24
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（2）光缆
六纤光缆
Outer Sheath Yarn strength member Buffer strength member Paper/Plastic Binding Tape Polyurethane/PVC Jacket Basic Fiber building block Insulator Copper Conductor
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缆芯结构
层 绞 式
骨 架 式
大 束 管 式
带 式
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2. 光纤的传输性质
(1) 损耗（Attenuation）
(2) 色散（Dispersion） (3) 非线性效应 （Non-Linear Effects in Fiber）
零色散点在 1310nm 在1.55 um波段D() = 17 ps/nm-km ，若传输速率在 10 Gbps 或更
高，需要色散补零色散点移动到1.55 um，适合在损耗最低窗口传输高速率信号 但由于四波混频（FWM）造成复用信道的串扰，不适合 DWDM 系
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a
第二窗口
第三窗口
b
c d e
Corning SMF-28 光纤的损耗
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产生损耗的因素
材料的吸收损耗 (Material absorption)
a. 本征吸收: SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 b. 非固有吸收 (杂质吸收) • Fe, Cu, Ni, Cr. • OH 离子在 1.39um, 1.24um 和 0.95um形成吸收峰 散射损耗 (scattering) a. 瑞利散射（Rayleigh Silica） 分子热骚动 折射率在微观上的随机起伏 光散射 ~ 1/λ 4 b. 波导散射（Wavequide Scattering） 微弯损耗
材料色散（Dm）： 波导色散（Dw）
c n1
c
偏振模色散：对于单模光纤，两个偏振模式因光纤的不 完善而出现传输系数的差异，产生的色散被称为偏振模色 散. 材料色散、波导色散和偏振模色散统称为模内色散。
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单模光纤的色散谱
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Dispersion [ps/(kmnm)]