第3章：光纤的传输特性
光纤通信知识点归纳
第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。
光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm的波长区，对应频率: 167～375THz。
对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。
2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。
该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。
1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。
2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。
3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。
特性参数：灵敏度4）一般地，大容量、长距离光纤传输: 单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输: 多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。
组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。
（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19 dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。
（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。
（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。
（5）体积小、重量轻。
（6）原材料来源丰富、价格低廉。
缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。
光纤技术及应用第三章
Optical Fiber Technology and Its Application
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第3章
光
纤
Optic fiber
2021/7/22
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引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
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3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
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梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
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将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
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3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏
光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏第一章习题参考答案1、第一根光纤是什么时候显现的？其损耗是多少？答：第一根光纤大约是1950年显现的。
传输损耗高达1000dB/km左右。
2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。
答：光纤通信系统要紧由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。
系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号通过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。
中继器确实是用于长途传输时延长光信号的传输距离。
3、光纤通信有哪些优缺点？答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节约有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。
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不处的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是爱护光纤不受水汽的腐蚀和机械擦伤，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能够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，能够将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长能够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，能够将光纤分为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）能够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⎩⎨⎧≥<=a r n a r n r n渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=a r n a r a r n r n c m 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？两者有何区不？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 ()() 20-0sin 220∆===n n n NA c φ 两者区不：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。
光纤特性及传输试验
光纤特性及传输实验在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进 行调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调还原出来。
不管用什么方式调制，调制后 的载波要占用一定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹 的带宽。
载波的频率间隔若小于信号带宽，则不同信号间要互相干扰。
能够用作无线电通信的频率 资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。
通 信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波 和亚毫米波时遇到了困难。
光波波长比微波短得多，用光波作载波，其潜在的通信容量是微波通信 无法比拟的，光纤通信就是用光波作载波，用光纤传输光信号的通信方式。
与用电缆传输电信号相比，光纤通信具有通信容量大、传输距离长、价格低廉、重量轻、易敷 设、抗干扰、保密性好等优点，已成为固定通信网的主要传输技术，帮助我们的社会成功发展至信 息社会。
实验目的1 . 了解光纤通信的原理及基本特性。
2 .测量半导体激光器的伏安特性，电光转换特性。
3 .测量光电二极管的伏安特性。
4 .基带（幅度）调制传输实验。
5 .频率调制传输实验。
6 .音频信号传输实验。
7 .数字信号传输实验。
实验原理1.光纤光纤是由纤芯、包层、防护层组成的同心圆柱体，横 截面如图1所示。
纤芯与包层材料大多为高纯度的石英玻 璃，通过掺杂使纤芯折射率大于包层折射率，形成一种光 波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。
若纤芯的 折射率分布是均匀的，在纤芯与包层的界面处折射率突变， 称为阶跃型光纤：若纤芯从中心的高折射率逐渐变到边缘 与包层折射率一致，称为渐变型光纤。
若纤芯直径小于 1011m ，只有一种模式的光波能在光纤中传播，称为单模光纤。
若纤芯直径5011m 左右，有多个模式的光波能在光纤中传播，称为多模光纤。
防护层由缓冲涂层、加强材料涂覆层及套塑层组成。
光纤PPT课件
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光纤按折射率分布来分类，一般可 分为阶跃型光纤和渐变型光纤。
(1) 阶跃型光纤
如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保 持一定，包层折射率n2沿半径方向 也保持一定，而且纤芯和包层的折 射率在边界处呈阶梯型变化的光纤， 称为阶跃型光纤，又可称为均匀光 纤，它的结构如图3-1-2(a)所示。
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渐变折射率光纤可以降低模间色散，如 图3-2-2所示
选择合适的折射率分布就有可能使所有 光线同时到达光纤输出端。
相对折射指数差Δ和数值孔径NA是描 述光纤性能的两个重要参数。
1相对折射指数Δ
光纤纤芯的折射率和包层的折射率的 相差程度可以用相对折射指数差Δ来 表示
相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导
(2) 渐变型光纤
如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤， 又称为非均匀光纤，它的结构如图3-1-2(b)所示。
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光线入射在纤芯与包层界面上会发 生全反射，当全反射的光线再次入 射到纤芯与包层的分界面时，它被 再次全反射回纤芯中，这样所有满 足θ1＞θc的光线都会被限制在纤芯中 而向前传输，这就是光纤传光的基 本原理。
第三章 光纤
3.1光纤概述 3.2光纤的导光原理 3.3相对折射指数差Δ和数值孔径NA 3.4阶跃型光纤的波动光学理论 3.5阶跃型光纤的标量模 3.6可导与截止 3.7渐变型光纤的理论分析 3.8光纤的损耗特性 3.9光纤的色散特性 3.10单模光纤 3.11光纤的传输带宽
1光纤结构
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
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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。
第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应
第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应单模工作模特性及光功率分布 ............................................................. 错误!未定义书签。
单模光纤中LP 01模的高斯近似 ............................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） ............................. 错误!未定义书签。
双折射概念 ............................................................................................... 错误!未定义书签。
偏振模色散概念 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤中偏振状态的演化 ................................................................. 错误!未定义书签。
单模单偏振光纤 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤色散 ................................................................................................... 错误!未定义书签。
色散概述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。
光纤-光缆及其传输特性
光纤\光缆及其传输特性摘要:在广播电视传输网中,同轴电缆传输系统具有设备简单投资少,接入用户方便,因此它在广播电视传输网的接入网部分和小区域的用户中得到了广泛的应用。
但对于远距离传输而言,同轴电缆传输系统就曝露出致命的弱点。
而光纤的出现恰好弥补了这一缺陷,由于光信号在光缆中的传输衰减极小,很小的光功率便可以在光缆中将其传到很远的地方。
因此光纤在现代社会中被广泛应用。
现就光纤、光缆的概念及其传输特性做一介绍。
关键词:光纤、光缆、传输损耗、传输带宽、光纤性能参数1、光纤光纤是用于传导光的介质光波导。
为了能对光信号进行远距离传输,光纤必须具有两个功能:(1)必须具有较低损耗。
(2)必须满足光波导条件。
为了实现这一功能,光纤通常由纤芯和包层两个二氧化硅层组成,包层的折射率必须小于纤芯的折射率,这样在包层与限制你的临界面便形成一个封闭的全反射面,保证了从纤芯向外射出的光能被完全反射回纤芯。
光纤按其传输光波的模式,可分为多模光纤和单模光纤。
光信号是一种特殊的电磁波,它在光纤中传播与电磁波在电波导中传输一样,同样存在着模式的问题。
多模光纤可以允许光信号以多模式传播,而单模光纤只允许光以基模一种模式传播。
多模光纤中,由于多种模式的光信号传播速度不同,而引起时域脉冲展宽,使其信道带宽受到限制。
由于单模光纤只能传输一种单一模式,所以具有很大的信道带宽。
因此,单模光纤被广泛应用于现代通讯系统中。
2、光缆若将若干根光纤并行使用把它们以一定的形式组合到一起,在其外部加以各种保护套便形成了光缆。
通常使用的架空和直埋式光缆有两种结构形式:中心束管式和层绞式。
中心束管式光缆,使用于光纤芯数较少的场合。
通常12 芯以下光缆使用这种结构形式。
中心束光缆就是将所需数量的光纤并行装入充满纤膏的束管内,形成中心束管。
束管内的光纤可以在纤膏内活动,这样的结构称为松套式结构。
3、光纤的传输特性光纤的传输特性包括传输损耗、光纤的传输带宽以及光纤传输性能参数。
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光纤损耗的表示方法
光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
Pout PineL
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：
10 L
log
Pin Pout
dB/km
其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
光纤损耗的种类
吸收损耗
放大 器 信号 处理示波 器 Nhomakorabea数据 处理系统
3.3 光纤的色散
色散的含义
色散：
不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象
色散对光信号包络传播的影响
包络展宽
光纤通信中色散的含义
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
光纤色散对通信的影响
影响链：
色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大
第三章 光纤的传输特性
本章内容
光纤中信号的劣化 光纤的损耗特性 光纤的色散特性 单模光纤的非线性 光纤的制造工艺
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤
任何传输信道均会对信号造成损伤
线性损伤
加性噪声 损耗 外部串扰 信道内部串扰
非线性损伤
信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤
本征吸收 杂质吸收
过渡金属离子 氢氧根离子
散射损耗
瑞利散射 米氏散射
弯曲损耗
宏弯和微弯
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
dB/km
光纤的损耗谱
100 50
损 耗
10 5
1 0.5
0.1 0.05
瑞利散射 紫外吸收
实验值
OH-吸收 波导缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2 1.4
单模光纤 中依然存在
多模色散
模式色散影响机理
信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各
不相同 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就
越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输
单模光纤的双折射
单模光纤的实际工作模式
LP01x 模和 LP01y模
它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy
由于以下原因，光纤存在双折射现象
几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性 外加电磁场影响
问题
如何表示光纤损耗？ 光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
波长色散
群速度是表征光信号包络传播速度的量 单位长度光纤上光信号的群时延：
vg
d d
1 d c 1/ vg d
d dk0 1 d dk0 d c dk0
0 0 , k0 0 0 / c
波长λ(um)
红外吸收 1.6 1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理
宏弯损耗
曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲
微弯损耗
光纤成缆时产生，场分沿布轴向的随机性弯曲
Cladding
<
Core
> c
消逝场
R
降低光纤损耗的方法
工作波长选择
选择在低损耗窗口
超纯原料
降低过渡金属离子浓度
生产工艺
减小不均匀性 减小OH-离子的引入
10
SIF
SMF
8
6 GIF
4
2
0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 波 长 /m
(a)
超低损耗光纤
瑞利损耗与波长的关系 为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤
氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些 最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km
OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比
单模光纤损耗要小一些 原因包括以下几点：
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度 纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性
减小 包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中 纤芯小，弯曲损耗更低
损 耗 /( dB·km－ 1)
难度
超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量
测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法 剪断法、插入损耗法
偏置电路
光源
P1
被测光纤
P2
注入装置
检测器
放大器
电平测量
后向散射法
利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤 损耗系数的方法。
光源
光学系统 耦合器件 光学 系统
光学 系统
被测 光纤
光检 测器
线性损伤
加性噪声 多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计
损耗 外部串扰，可忽略不计 色散造成的信号畸变 内部串扰，来源于光纤的非线性
非线性损伤
光纤非线性造成的信号畸变 乘性噪声，可忽略不计
3.2 光纤的损耗特性
损耗
即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的
传播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
偏振模色散图
偏振模色散（PMD）
光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传
播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散
光纤保护
光纤的典型损耗特性
850nm
3dB/km
1310nm
0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)
1550nm
0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km） (理论极限值0.154dB/km)
使用过程中光纤的损耗变化
变化趋势
损耗增大
原因
热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀
通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度
归纳：
光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小
色散对通信系统的影响
光纤色散的种类
模式色散
多模色散 偏振模色散
波长色散
材料色散 波导色散