光纤通信第二章：光纤
光纤通信技术-第二章-光纤光缆技术-作业习题(2)
1.光纤是如何分类的？各分为那些类别？2.相对折射指数差的表示式是什么？什么是弱导条件？。
3.什么是光纤的径向归一化相位常数U、光纤的径向归一化衰减常数W和光纤的归一化频率V？4.渐变型光纤的本地数值孔径的定义为什么？5.当光纤中出现什么时，即认为导波截止。
6.单模光纤是如何定义的？在标量近似解中，阶跃单模光纤只传输什么模？7.光纤的传输特性有哪几种？8.什么是导行波，什么是辐射波？9.什么是全反射，全发射的条件是什么?10.什么是弱导光纤，为什么标量近似解只适用于弱导光纤？11.为什么说采用渐变型光纤可以减小光纤的色散？12.什么是自聚焦现象？13.说明造成光纤损耗的原因。
14.单模光纤和多模光纤有何区别？各有何用途？15.根据ITU-T建议，单模光纤分为那几类？G.655光纤有何特点？16.什么是光纤的数值孔径NA？有何物理意义？17.光纤的波动方程是什么?18.光纤的电磁场表达式是什么？19.光纤的特征方程是什么？有何物理意义？20.什么是光纤的截止波长？21.光纤传输特性通常有几种？分别是什么？22.什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。
23.为什么色散和损耗是光纤通信的主要限制因素？24.什么是G.652和G.655光纤，它们的特点分别是什么？。
25.通常光缆结构由那些组成？26.光缆型号是如何标识的？如GYGZL03-12T50/125代表什么意思？27.光纤通信中常用的波长是什么？28.阶跃型光纤的导光原理是什么？29.什么是光纤色散？光纤色散主要有几种类型？其对光纤通信系统有何影响？色散带来的危害是什么？30.解释光纤中的模式色散、材料色散及波导色散。
31.什么是色散位移单模光纤。
32.什么是非零色散光纤。
33.什么是色散平坦光纤。
34.什么是色散补偿光纤。
35.均匀光纤芯与包层的折射率分别为n1=1.5,n2=1.45 试计算：光纤芯与包层的相对折射率差。
光纤的数值孔径。
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。
光纤通信原理第2章光纤2波导
麦氏方程----波动方程
直角坐标----柱坐标、归一化、通解
边界条件----特征方程 解 唯一
单模光纤分析
线偏振标量模
各个模式的截止曲线 传导模特性
☆波导方程的推导思路
麦克斯韦方程组
H J D t
E B t
• B 0 2.2.0.1
由波动方程求出满足边界条件的纵向场分量EZ、 HZ，再由麦氏方程组求出其它四个横向量
问题：
烦杂，除特例外，一般无解析解
办法(几个假设)
弱导近似，△<<1， —仅能传输单个模式 标量近似(阶跃光纤）—偏振方向不变 WKB近似(梯度光纤）
（振幅缓变，振幅的导数与振幅本身相比的项都忽略）
解决办法
•D
H-磁场强度，E-电场强度 B-磁感应强度，D-电位移矢量 -电荷密度，J-电流密度
电荷守恒定律
• J 0tBiblioteka 2.2.0.2物质方程
J E
2.2.0.3
D 0 E P 0r E B O H M Or H O H
P-媒质极化强度，M-磁化强度
-媒质电导率，o、o-自由空 间的介电常数和磁导率
×
弱导近似
° △<<1,NA=n0sinc≈1， c≈90
√
此时在光纤中传播的电磁波非常
接近于TEM波（横电磁波，比如平面波，只有横 向分量Et、Ht ，纵向分量Ez、Hz均为0） Ez、Hz 均很小，横向分量Et、Ht 很强
标量近似(阶跃光纤）
Et、Ht 的偏振方向在传输过程中保持不变，可 以用一个标量描述。即可以设：横向电场沿y
Ey (z) Ey (0)e j z
第2章光纤通信的基本原理
16、我总是站在顾客的角度看待即将推出的产品或服务，因为我就是顾客。2021年10月21日星期四12时3分57秒00:03:5721 October 2021
17、当有机会获利时，千万不要畏缩不前。当你对一笔交易有把握时，给对方致命一击，即做对还不够，要尽可能多地获取。上午12时3分57秒上午12时3分00:03:5721.10.21
2.1光纤的结构与分类
2.按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模
光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目 决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的 结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。
2.1光纤的结构与分类
3.按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分
布的不同可以将光纤分为阶跃 型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(GradedIndex Fiber，GIF)，其折射 率分布如右图所示。
光纤的折射率分布
2.1光纤的结构与分类
阶跃型光纤是由半径为a、折 射率为常数n1的纤芯和折射率 为常数n2的包层组成，并且 n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。
2n12
n1
2.2光纤传光原理
数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与 光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。
NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的 耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能 在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤 抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎 变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。
光纤通信原理及基础知识
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散
光纤的基本参数
PMD定义 定义: 减弱的波长结构导致的两个线性偏振模的色散 Δ tPMD=Dpmd * LΛ0.5 PMD Link y= PMDQ :99.99% probability of 100000 y
光纤的光学及传输特性参数之一------偏振模色散
光纤的分类
光纤的基本结构和分类
单模光纤特性
G.652光纤
G.653光纤
G.654光纤
G.655光纤
最成熟的单模光纤，但未把最小的衰减与最小的色散有效的结合在一起。
过渡性的单模光纤，通过对光纤的截止波长进行位移而获得极低的衰减。
过渡性的单模光纤，把零色散点移到了衰减最小的波长。
一种新型的单模光纤，把最小的衰减与小的色散结合在一起。
单模光纤的特性
光纤的基本结构和分类
G652光纤的分类、特点与应用
应用 ：支持G.957规定的SDH传输系统，G.691规定的带光放大的单通过路STM-16（ 2.5Gbit/s ）的SDH传输系统，G.693规定的40km的10Gbit/s以太网系统及STM-256 ：主要支持更高速率 ，例如G.691和G.692传输系统中直到STM-64 （10Gbit/s），在G.693和中对于STM-256的某些应用 （低水峰光纤） ：与G.652A光纤属性类似，允许使用在1360~1530nm扩展波长范围 ：与G.652B光纤属性类似，允许使用在1360~1530nm扩展波长范围
全反射： 当n1>n2时，随着入射角的不断增加，在入射角达到某一值时，折射角达到90oC，我们把此时的入射角称为临界角0 。当入射角大于临界角时，将发生全反射。
媒质1
《光纤通信第二章》PPT课件
co m p o n en ts
num erical solving
精选ppt
β mn
37
1. 波动方程和电磁场表达式
设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是
角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jωt)，则标量
波动方程为
T2EK2E0
(2.30)
T2HK2H0
(2.31)
精选ppt
24
2.光纤传输原理
精选ppt
25
2.1 光纤的射线光学传输理论
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
树脂被覆层 包层
芯
n n 特点： core> clad 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。
11
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。
17ps/nm.km
G.652
20
EDFA
10
频带 G.653
0
-10
-20
1300
1400
波长(nm)
1500
1600
1700
衰减 (dB/km) 色散(ps/nm.km)
精选ppt
13
传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤
光纤通信课后习题解答-第2章习题参考答案
第二章 光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G .651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21⎩⎨⎧≥<=ar n ar n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=ar n a r a r n r n cm α 3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0s i n220∆===n n n NA c φ两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。
4．简述光纤的导光原理。
答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。
光纤通信概论第二章2
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
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
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
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• G.657：弯曲损耗不敏感单模光纤。 G.652
EDFA 频带
20 10
G.653
0
G.655
1300 1400 1500 1600 1700
-10 -20
波长(nm)
色散(ps/nm.km)
17ps/nm.km
高阶色散效应
• 因为在 ＝ 0 处色散并未完全消失，尚存在高阶色 散，光脉冲仍会展宽。 D 不能使中心波长位于 0 的 光脉冲包含的所有波长都为零，D＝0并不意味着色 散不随波长而变， D的波长相关性或高阶色散将引 起脉冲展宽。高阶色散取决于色散斜率S：
• 波导色散 ()：同一模式的传播常数随波长变化 群速度色散 • 材料色散 n()：材料折射率随波长变化 • 偏振模色散PMD
2
n
光纤色散对光纤通信系统的影响
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。但实际上色散总 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）。
2决定了脉冲在光纤中的展宽程度
色散系数
• 以色散系数D[ps/(nm. km)]表达脉冲展宽
D的定义为：
D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延
脉冲展宽：
D L
以波长单位表达 的光信号谱宽
1 1 2c D 2 2 L L
按光纤构成的原材料分类
• 石英系光纤
• 塑料包层光纤 • 全塑光纤
聚合物(塑料)光纤(POF)：用于短距离用户接入。
尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信号衰减，但
• 韧性好，更为耐用
• 直径大10~20倍，连接时允许一定的差错，而不致牺牲耦合效率
光纤分类
ITU-T标准光纤
• G.652：普通单模光纤（SMF）
单模光纤的色散
• 材料色散：纤芯材料的折射率随波长变化导致 了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完 全相同的路径，也会发生脉冲展宽。
• 波导色散：由于单模光纤中只有约 80 ％的光功 率在纤芯中传播， 20 ％在包层中传播的光功率 其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导 色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播 常数是a/的函数(a纤芯半径， a/是光纤相当 于波长的尺度).
c
i
一束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光
n0
n1
n2
光纤结构特性
相对折射率差
c
i
n0
n1 n2
数值孔径(NA)
越大 ，NA越大，光纤聚光本领越强。
光纤传输理论：射线理论
一束平行光束经透镜聚焦后注入光纤，只有满足全反射条件 的光线才能在光纤中有效传输。能够满足全反射条件的光线， 在空间形成了一个立体角，光纤的数值孔径 (NA) 直接反映
• 用光射线代表光能量的传输线路来分析光纤中光传输
的问题
波动理论（麦克斯韦方程）
• 光作为电磁波，适合所有光纤 • 从波动方程和电磁场的边界条件出发，给出光纤中的 场的结构形式（即传输模式），从而给出光纤中完善 的场的描述形式
光纤传输理论：射线理论 请推导光线满足全内反射条件时， 入射角与折射率之间的关系？ 纤中有效地传播。（a>>λ）
损耗机理2——瑞利散射
•
•
瑞利散射是一种基本损耗机理。
由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的， 导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。
•
• •
大小与4成反比， R＝C/ 4（dB/km），因而主要作用在 短波长区。
瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了 光纤损耗的最终极限。 在 1.55m 波 段 ， 瑞 利 散 射 引 起 的 损 耗 仍 达 0.12~0.16 dB/km ，是该段损耗的主要原因。
光纤的损耗特性
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗
损耗机理1——材料吸收
– 紫外、红外、 OH离子、金属离子吸收等，是材料本 身所固有的--本征吸收损耗 – OH离子吸收： O-H键的基本谐振波长为 2.73μm，与 Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生 一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 μm ，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 – 减 低 OH 离 子 浓 度 ， 减 低 这 些 吸 收 峰 --- 全 波 光 纤 （AllWave 康宁）
第二章：光纤
刘建国 中国科学院大学 2015/9/25
讨论 目录
光纤结构特性
光纤中的光传播理论
光纤的分类
光纤设计与制备
光纤中影响通信容量的三要素 (损耗, 色散, 非线性)
光纤结构特性
光纤结构特性
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由石英等材料拉制而成 光纤：芯（Core）＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层 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
群时延定义
群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光 纤时的时延。
L d L vg d
群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相 同距离所需的时间都不一样。 这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随 时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时 延引入的脉冲展宽程度。
光纤色散对光纤通信系统的影响
群速度色散(GVD)
• 由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许 多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量 将以不同的群速度传播，因而在传输过程 中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速 度色散（ GVD ）、模内色散或简言之光 纤色散。 GVD 包括材料色散和波导色散。
群速度与相速度
损耗机理3——辐射损耗
• 辐射损耗又称弯曲损耗，导模的部分能量在光纤包 层中与纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中 心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与 纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消 失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能 的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。
光纤色散
限定下，本征解是传播常数 β mn
光纤传输理论：波动理论
根据电磁场理论， 本征解是分立的， 每一个本征解对应
唯一的光场分布，
我们称之为传播模
式，这种模式叫做
横模。
光纤传输理论：波动理论
讨论：是否
光场的能量全 部都限定在纤
n1 n1 n2
芯内传播？
n2
n2
n2
光纤传输理论：波动理论
有效折射率：由于不同模式的光场分布不同， 将光场与折射率进行加权平均， 即为该模式的有效折射率。 光传播常数：光场分布的每一个模式所对应 的本征解。由于不同模式对应 的有效折射率不同，导致其传 波常数存在差异。
树脂涂覆层 包层 芯
纤芯：折射率较高，用来传送光； 包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射； 保护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤
光纤结构特性
折射率分布形状，尺寸
光纤结构特性
DSF DSF
通过灵活设计光纤结构和折射率分布， 可以改变光纤的传光特性。
光纤传输理论
射线理论（几何光学）
• 当线芯尺寸远大于波长时有效，适合大芯径多模光纤
电磁场理论适用于所有波导，在一定的边界条件 下，都可以得出本征解。光纤从本质上讲类似于 圆柱形同轴线，因此适用于波动理论。
光纤传输理论：波动理论
E, Η Maxwell's Equations Wave Equation
(x,y,z)
Guided wave equation Helmholtz's Equation
了这个立体角的大小，从而描述了光纤接收光的能力。
NA越大，光纤的集光本领越强。
光纤传输理论：射线理论
讨论：光纤的聚光本领与光纤 线芯直径的关系？数值孔径越 大越好吗？
光纤传输理论：射线理论
光纤传输理论：射线理论
讨论：所有满足全内反射的光线 都能在光纤内长距离传输吗？为
什么？
光纤传输理论：波动理论
光纤设计与制备
设计制备 预制棒
• 改进的化学气相沉积法 （MCVD） • 等离子体化学气相沉积法 （PCVD） • 棒外气相沉积法（OVD） • 轴向气相沉积法（VAD）
拉制成纤
制备成缆
（典型预制棒长1-1.5m, 直径10-25mm）
光纤中影响通信容量的三要素
损耗
色散
非线性
光纤的损耗特性
光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传 输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石 英材料的研究。
separate variables
boundary conditions tangentical components
cylindrical coordinates
t
general solution eigenvalue equation
numerical solving
β mn
波动理论起源于麦克斯韦方程，在边界条件的
普通单模光纤的色散曲线
D=DM+DW
17ps/nm.km @1550nm
零色散波 长
正常色散与反常色散
零色散 波长
D
< D 正常色散区 2>0, D<0 红快兰慢 光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得慢