第五章光纤通信刘
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光纤通信第5章.ppt
影响光纤的连接损耗有多种，主要包括 以下2个方面：
(1)光纤结构参数失配引起的连接损耗，主 要包括光纤芯径尺寸失配、数值孔径失配 以及折射率分布失配等3个方面。
① 光纤芯径尺寸失配（主要在单模光纤中 考虑）
②数值孔径失配（多模光纤中起作用）
③折射率分布失配（多模光纤中起作用）
（2）两光纤相对位置偏离引起的连接损耗
对掺铒光纤进行激励的泵浦功率低，仅需几十毫 瓦，而喇曼放大器需要1W以上；
增益高、噪声低、输出功率大。增益可达40dB， 噪声系数可低至3-4dB，输出功率可达14-20dBm；
连接损耗低，与光纤连接损耗可低至0.1dB；
对各种类型、速率与格式的信号传输透明。
一、EDFA的基本结构
两根光纤相对位置偏离引起的连接损耗主要 包括横向错位引起的损耗、倾斜损耗以及间隙损 耗。
①横向错位引起的损耗
②纵向间隙引起的损耗 ③角度偏移引起的损耗
• 2）回波损耗大。
回波损耗是指在光纤连接处，后向反射光功率Pr相对输 入光功率Pi比的分贝值。回波（绝对值）越大越好，以减小 反射光对光源和系统的影响，其典型值应不小于45dB。
2
1
2
1
3
3 3端口环行器
4 4端口环行器
从图中可见，从任何端口进入的光都能被定向到任 何其它的端口，但必须按顺序通过。
环行器的主要参数： 隔离度： 插入损耗： 偏振相关损耗： 工作波长：
3、衰减器 衰减器是在控制状态下减少传输光功率的装置。
衰减器在光网络中最重要的应用包括：
防止接收器达到饱和（保证输入功率在接收器的 动态范围内）。
3、特性参数
在耦合器/分离器基础上，又增加了新的特性参数。
《光纤通信原》课件
纤通信领域
光放大技术
光放大技术的原 理：通过放大光 信号，提高光信 号的传输距离和
传输质量
光放大技术的种 类：包括光纤放 大器、半导体光 放大器、光栅放
大器等
光放大技术的应 用：在光纤通信 系统中，光放大 技术可以提高光 信号的传输距离 和传输质量，降
低传输损耗
Байду номын сангаас
光放大技术的发 展趋势：随着光 纤通信技术的不 断发展，光放大 技术也在不断进 步，未来可能会 出现更高效、更 稳定的光放大技
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
色散：光在光纤中传输时，由于不 同波长的光在光纤中的传播速度不 同，导致光脉冲在传输过程中发生 展宽和变形的现象
光纤损耗和色散的测量：通过光功 率计、光谱分析仪等仪器进行测量 和评估
光纤通信系统的可靠性
光纤通信系统的可靠性主要取决于光纤的传输性能和设备的稳定性 光纤的传输性能包括光纤的损耗、色散、非线性效应等 设备的稳定性包括设备的可靠性、安全性、可维护性等 光纤通信系统的可靠性还受到环境因素的影响，如温度、湿度、电磁干扰等
光纤通信发展历程
添加标题
1966年，英国科学家高锟提出光纤通信理论
添加标题
1976年，美国贝尔实验室研制出世界上第一根 实用光纤
添加标题
1988年，欧洲电信标准协会（ETSI）发布光纤通 信标准
添加标题
1970年，美国科学家凯文·凯利和乔治·哈克曼首 次实现光纤通信实验
添加标题
1980年，美国电信公司AT&T推出商用光纤通信 系统
光纤通信新技术：WDM、DWDM、OTDM等 发展趋势：高速、大容量、长距离、高可靠性 应用领域：电信、互联网、广播电视等 技术挑战：信号失真、色散、非线性效应等
光放大技术
光放大技术的原 理：通过放大光 信号，提高光信 号的传输距离和
传输质量
光放大技术的种 类：包括光纤放 大器、半导体光 放大器、光栅放
大器等
光放大技术的应 用：在光纤通信 系统中，光放大 技术可以提高光 信号的传输距离 和传输质量，降
低传输损耗
Байду номын сангаас
光放大技术的发 展趋势：随着光 纤通信技术的不 断发展，光放大 技术也在不断进 步，未来可能会 出现更高效、更 稳定的光放大技
添加标题
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色散：光在光纤中传输时，由于不 同波长的光在光纤中的传播速度不 同，导致光脉冲在传输过程中发生 展宽和变形的现象
光纤损耗和色散的测量：通过光功 率计、光谱分析仪等仪器进行测量 和评估
光纤通信系统的可靠性
光纤通信系统的可靠性主要取决于光纤的传输性能和设备的稳定性 光纤的传输性能包括光纤的损耗、色散、非线性效应等 设备的稳定性包括设备的可靠性、安全性、可维护性等 光纤通信系统的可靠性还受到环境因素的影响，如温度、湿度、电磁干扰等
光纤通信发展历程
添加标题
1966年，英国科学家高锟提出光纤通信理论
添加标题
1976年，美国贝尔实验室研制出世界上第一根 实用光纤
添加标题
1988年，欧洲电信标准协会（ETSI）发布光纤通 信标准
添加标题
1970年，美国科学家凯文·凯利和乔治·哈克曼首 次实现光纤通信实验
添加标题
1980年，美国电信公司AT&T推出商用光纤通信 系统
光纤通信新技术：WDM、DWDM、OTDM等 发展趋势：高速、大容量、长距离、高可靠性 应用领域：电信、互联网、广播电视等 技术挑战：信号失真、色散、非线性效应等
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。
光纤通信第五版_第五章讲义02
GRIN光纤中的脉冲畸变
n12 GRIN光纤的模式展宽近似计算公式为： L 2c (5.19)
回忆 SI光纤的模式展宽公式：
n1 L c
GRIN光纤模式展宽减小的系数为：
n1 L SI c 2 n12 L 2 c GRIN
5.6.2 单模光纤中的脉冲畸变
单模光纤仅有色散（材料色散和波导色散），在0.8 0.9 mm 区间内，材料色散占主要地位。 下页将给出单模光纤的脉冲展宽图，图中的脉冲展宽由材 料色散造成
结论：
由于多模SI光纤的模式畸变占主导地位，色散与之相比
很小，光源线宽造成的色散展宽不是主要考虑因素，所以
用 LED还是LD区别不大。
2 0
单 位 长 度 脉 冲 展 宽 (ns/km)
LED
l = 0.7 mm 0.8 0.9
0.025 0.05 0.1 0.25 0.5
3-dB 带 宽 距 离 积 (GHz*km)
由于
L 在0.5到1ns/km左右 mod
5 2 1 0.2 0.1 1
1.4 ns/km
(4) 没有模式畸变
快速传输区域 a 0 a
轴向光纤
n1
0 高阶模光线
5.6 26
n(r)
5.6 25
GRIN光纤中的脉冲畸变
GRIN光纤中的脉冲畸变
轴向光线传输距离最小其传输速度为：
高阶模光纤传输的距离长，但是其中部分时间高阶模传输
区域的折射率小因此根据速度计算公式
v
c n1
回忆纤芯折射率分布为：
传输光纤
5.6 15 5.6 16
Prepared by John Mc Fadden
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。
光纤通信第五章3用课件
27
（2）增益平坦控制技术
目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两 大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA， 如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、 增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA 外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、 单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波 器，如M—z滤波器、声光可调滤波器、镀 介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等
NF( f ) SNRin SNRout
NF (实际 E） N(等 F 效分立放 •ex大 1p(L 器 ) ）
39
4.多波长泵浦时的组合增益谱
（OFC2001）
设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激 喇曼散射，还要考虑 ➢ 信号和信号之间的受激喇曼散射 ➢ 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 ➢ 双径后向瑞利散射
（2）输出功率特性
15
（3）EDFA的增益变化曲线
信 号 增 (益d B )
40
EDFA的增益与泵浦功率、
35
输入功率和EDF的长度有关，
30
25
EDF存在最佳长度。
20
泵浦功率: 90mW
15
泵浦功率: 50mW 泵浦功率: 30mW
10
5
35
12
0
30
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 掺 铒 光 纤 长 度 (m)
8
5.5.3 掺铒光纤放大器
(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)
1．EDFA的工作原理
9
1、掺铒光纤放大器原理
a) 三能级跃迁
1μs
铒是镧系稀土元素,原子序数是68, 原子量为167.3, 利用其4f能级
（2）增益平坦控制技术
目前EDFA的增益平坦技术主要可分为两 大类：一是研究设计自身增益平坦EDFA， 如经过优化设计EDFA(粒子数强烈反转法、 增益互补法)，特种光纤等等；二是EDFA 外部采用各种增益均衡技术，如衰减法、 单独放大法、滤波法(插入各种无源光滤波 器，如M—z滤波器、声光可调滤波器、镀 介质膜的滤波器光纤环镜和光纤光栅)等
NF( f ) SNRin SNRout
NF (实际 E） N(等 F 效分立放 •ex大 1p(L 器 ) ）
39
4.多波长泵浦时的组合增益谱
（OFC2001）
设计宽带RAMAN放大器不仅要考虑信号和泵浦之间的受激 喇曼散射，还要考虑 ➢ 信号和信号之间的受激喇曼散射 ➢ 泵浦和泵浦之间的受激喇曼散射 ➢ 双径后向瑞利散射
（2）输出功率特性
15
（3）EDFA的增益变化曲线
信 号 增 (益d B )
40
EDFA的增益与泵浦功率、
35
输入功率和EDF的长度有关，
30
25
EDF存在最佳长度。
20
泵浦功率: 90mW
15
泵浦功率: 50mW 泵浦功率: 30mW
10
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0
30
10
0 25 50 75 100 125 150 175 200 掺 铒 光 纤 长 度 (m)
8
5.5.3 掺铒光纤放大器
(Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA)
1．EDFA的工作原理
9
1、掺铒光纤放大器原理
a) 三能级跃迁
1μs
铒是镧系稀土元素,原子序数是68, 原子量为167.3, 利用其4f能级
光纤通信概论课件
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光纤放大技术
总结词
简化网络结构
详细描述
光纤放大技术简化了网络结构，减少了中继 站的数量，降低了网络的复杂性和成本。这 有助于提高网络的可靠性和可维护性，降低 运营和维护成本。
光纤放大技术
总结词
推动光网络发展
详细描述
光纤放大技术是推动光网络发展的重要支撑 技术之一。它促进了光网络的规模应用和发 展，使得光网络成为现代通信网络的主流技
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物或孔隙时，会绕过障碍物或孔隙继续传播的现象。 衍射是光波的波动性的另一重要表现，它也是光学仪器和光通信中常用的技术手 段。
光的全反射
• 光的全反射：当光从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大 于某一临界角，光波将在界面上完全反射回光密介质，而不能 进入光疏介质的现象。全反射是光纤通信中的重要原理之一， 它使得光波能够在光纤中实现低损耗、长距离的传输。
光纤通信面临的挑战
技术成熟度
虽然光纤通信技术已经取得了长 足的进步，但在一些特殊环境和 应用场景中，技术成熟度仍需进
一步提高。
成本与投资
光纤通信系统的建设和维护成本较 高，需要大量的资金投入，同时也 需要探索更加有效的商业模式。
网络安全与隐私
随着光纤通信网络的普及，网络安 全和隐私保护问题也日益突出，需 要加强技术和管理措施，保障网络 的安全和用户的隐私。
军事领域
光纤通信在军事领域中具有保 密性好、抗电磁干扰等优点， 广泛应用于军事通信。
企业和校园网络
光纤通信也广泛应用于企业和 校园网络的建设，提供高速、 稳定的数据传输服务。
02
光纤通信系统组成
光源和光发送机
光源
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
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光波的频率一般可达到1013-1014 Hz，对应的波 长在10-100000 nm之间。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.3 光纤通信的特点 ① 传输频带宽，通信容量大。 ② 传输损耗低，中继距离长。 ③ 抗电磁干扰。 ④ 保密性强，无串话干扰。 ⑤ 线径细（0.1mm），重量轻。 ⑥ 资源丰富。
第五章 光纤通信
5.1 概述 5.1.1 光纤通信的发展历史 5.1.2 光纤通信的概念 5.1.3 光纤通信的特点
5.2 光纤 5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
1
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.1 光纤通信的发展历史 • 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。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
高锟(左) 因发明光 纤、提出 光纤通信 理论获得 2009 年 诺 贝尔物理 学奖。
瑞典国王(右)向高锟颁奖 10
第五章光纤通信刘
5.1 概述
• 1970 年 ， 美 国 康 宁 (Corning) 公 司 研 制 成 功 损 耗 20dB/km 的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一 个新阶段。
高次模
基模
低次模
第五章光纤通信刘
横截 面
折射 率分布 r
输入 脉冲 Ai
光线 传播路径
纤芯
包层
(a)
2b
2a
n
t
r
Ai
(b) 125m
50 m r
n t
Ai
输出 脉冲 Ao
t Ao
t Ao
(c) 125m
～ 10 m
n
t
t
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
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。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.2 光纤通信的概念 光纤通信是以光波为载波、光导纤维（简称光纤）
为传输媒质的一种通信方式。 ✓光波实际上是一高频(1014 Hz)的电磁波。 ✓在讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长来代替频
纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折 射率分别为n1、n2，则n1>n2。
纤芯
包层
保护套
第五章光纤通信刘
5.2 光纤
（1）根据光纤横截面上折射率分布的不同，分为阶 跃型光纤和渐变型光纤。
18
第五章光纤通信刘
54.2 光纤
（2）根据光纤中传输模式（模式是指电磁场的分布 形式）数量的不同，分为单模光纤和多模光纤。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
由于当时没有理想的光源和传输介质， 这种光
电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而
进展很慢。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
光源的发展
• 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石
激光器，给光通信带来了新的希望。
激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高的 良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线 电波相似，是一种理想的光载波。
• 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”。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
• 在发送端，利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光
束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化 而变化，实现话音对光强度的调制。
• 在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到
硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。
• 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到 4 dB/km。 • 1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到 2.5dB/km。 • 1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低 到 0.47 dB/km 。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
光纤通信用光源的进展 • 1970 年，研制成功室温下连续振荡的半导体激光 器。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器 的发展奠定了基础。 • 1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。 • 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达 到10万小时。
当时石英纤维的损耗高达1000dB/km以上，高锟等 人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特 性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属离子的 吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利散 射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离 通信使用的低损耗光纤。
由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光 波能量衰减很大。
例如，雨能造成30dB/km的衰减，浓雾衰减高达 120dB/km。另一方面，大气的密度和温度不均匀， 造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。因而通信 的距离和稳定性都受到极大的限制。
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信 进入一个崭新的阶段。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
大气光通信 激光器一问世，人们就模拟无线电通信进行了大
气激光通信的研究。 实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传
播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质 量受气候影响十分严重。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
第五章光纤通信刘
5.1 概述
传输介质--光纤的发展 1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关
于 传 输 介 质 新 概 念 的 论 文 ， 指 出 了 利 用 光 纤 (Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代 光通信——光纤通信的基础。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
率描述。波长与频率的关系为： c
f
第五章光纤通信刘
5.1 概述
c
f
其中：λ为电磁波的波长，其物理含义是电磁波在 时间上变化一周，其波前在空间变化一周所行进的长 度；c为光波在自由空间中传播的速度，其值为 3×108m/s；f 为电磁波的频率，其物理含义是交变电 磁波在单位时间（每秒）变化的周期数。
第五章光纤通信刘
第五章 光纤通信
5.1 概述 5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类 5.2.2 光纤的传输特性 5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
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现代第移五动章通光信纤网通络信技术刘
5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类 光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信
号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保 护纤芯。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.3 光纤通信的特点 ① 传输频带宽，通信容量大。 ② 传输损耗低，中继距离长。 ③ 抗电磁干扰。 ④ 保密性强，无串话干扰。 ⑤ 线径细（0.1mm），重量轻。 ⑥ 资源丰富。
第五章 光纤通信
5.1 概述 5.1.1 光纤通信的发展历史 5.1.2 光纤通信的概念 5.1.3 光纤通信的特点
5.2 光纤 5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
1
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.1 光纤通信的发展历史 • 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。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
高锟(左) 因发明光 纤、提出 光纤通信 理论获得 2009 年 诺 贝尔物理 学奖。
瑞典国王(右)向高锟颁奖 10
第五章光纤通信刘
5.1 概述
• 1970 年 ， 美 国 康 宁 (Corning) 公 司 研 制 成 功 损 耗 20dB/km 的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一 个新阶段。
高次模
基模
低次模
第五章光纤通信刘
横截 面
折射 率分布 r
输入 脉冲 Ai
光线 传播路径
纤芯
包层
(a)
2b
2a
n
t
r
Ai
(b) 125m
50 m r
n t
Ai
输出 脉冲 Ao
t Ao
t Ao
(c) 125m
～ 10 m
n
t
t
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
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。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
5.1.2 光纤通信的概念 光纤通信是以光波为载波、光导纤维（简称光纤）
为传输媒质的一种通信方式。 ✓光波实际上是一高频(1014 Hz)的电磁波。 ✓在讨论高频电磁波时，我们习惯采用波长来代替频
纤芯和包层的折射率不同，设纤芯、包层的折 射率分别为n1、n2，则n1>n2。
纤芯
包层
保护套
第五章光纤通信刘
5.2 光纤
（1）根据光纤横截面上折射率分布的不同，分为阶 跃型光纤和渐变型光纤。
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第五章光纤通信刘
54.2 光纤
（2）根据光纤中传输模式（模式是指电磁场的分布 形式）数量的不同，分为单模光纤和多模光纤。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
由于当时没有理想的光源和传输介质， 这种光
电话的传输距离很短，并没有实际应用价值，因而
进展很慢。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
光源的发展
• 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石
激光器，给光通信带来了新的希望。
激光具有波谱宽度窄，方向性极好，亮度极高的 良好特性。激光是一种高度相干光，它的特性和无线 电波相似，是一种理想的光载波。
• 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”。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
• 在发送端，利用太阳光或弧光灯作光源，通过透镜把光
束聚焦在送话器前的振动镜片上，使光强度随话音的变化 而变化，实现话音对光强度的调制。
• 在接收端，用抛物面反射镜把从大气传来的光束反射到
硅光电池上，使光信号变换为电流，传送到受话器。
• 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到 4 dB/km。 • 1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到 2.5dB/km。 • 1976年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低 到 0.47 dB/km 。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
光纤通信用光源的进展 • 1970 年，研制成功室温下连续振荡的半导体激光 器。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器 的发展奠定了基础。 • 1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。 • 1977年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达 到10万小时。
当时石英纤维的损耗高达1000dB/km以上，高锟等 人指出：这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特 性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属离子的 吸收产生的。材料本身固有的损耗基本上由瑞利散 射决定，它随波长的四次方而下降，其损耗很小。 因此有可能通过原材料的提纯制造出适合于长距离 通信使用的低损耗光纤。
由于雨、雾、雪和大气灰尘的吸收和散射，光 波能量衰减很大。
例如，雨能造成30dB/km的衰减，浓雾衰减高达 120dB/km。另一方面，大气的密度和温度不均匀， 造成折射率的变化，使光束位置发生偏移。因而通信 的距离和稳定性都受到极大的限制。
由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质，对 光通信的研究曾一度走入了低潮。
激光器的发明和应用，使沉睡了80年的光通信 进入一个崭新的阶段。
第五章光纤通信刘
5.1 概述
大气光通信 激光器一问世，人们就模拟无线电通信进行了大
气激光通信的研究。 实验证明：用承载信息的光波，通过大气的传
播，实现点对点的通信是可行的，但是通信能力和质 量受气候影响十分严重。
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5.1 概述
第五章光纤通信刘
5.1 概述
传输介质--光纤的发展 1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关
于 传 输 介 质 新 概 念 的 论 文 ， 指 出 了 利 用 光 纤 (Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代 光通信——光纤通信的基础。
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5.1 概述
率描述。波长与频率的关系为： c
f
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5.1 概述
c
f
其中：λ为电磁波的波长，其物理含义是电磁波在 时间上变化一周，其波前在空间变化一周所行进的长 度；c为光波在自由空间中传播的速度，其值为 3×108m/s；f 为电磁波的频率，其物理含义是交变电 磁波在单位时间（每秒）变化的周期数。
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5.1 概述 5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类 5.2.2 光纤的传输特性 5.3 光纤通信系统 5.4 光波分复用（WDM）
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5.2 光纤
5.2.1 光纤的结构和分类 光纤由纤芯和包层两部分组成，纤芯完成光信
号的传输，包层是为了将光信号封闭在纤芯中并保 护纤芯。