第5章-光纤通信技术
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光纤通信技术介绍
光纤通信技术介绍光纤通信是一种利用光信号来传输信息的通信技术。
与传统的电信通信相比，光纤通信具有更高的传输速度、更大的带宽和更低的信号损耗。
在光纤通信系统中，光信号是通过光纤传输的，光纤是一种由细长的玻璃或塑料制成的柔软光导体，能够将光信号迅速、高效地传输到目标地点。
光纤通信技术的原理是利用光的全内反射性质，在光纤内部不断地反射和折射，使光信号能够沿着光纤传输。
光纤中的光信号是通过光的强弱调制来表示信息的，光的强弱变化被光纤接收器解读为二进制码，从而实现信息的传递。
光纤通信系统由光纤传输系统和光纤网络系统两个主要部分组成。
光纤传输系统是光纤通信系统的基础，它由光纤传输设备、光纤接头和光纤传输线组成。
光纤传输设备主要包括光纤传输器和光纤接收器，它们负责将电信号转换为光信号，并通过光纤发送和接收光信号。
光纤接头是将不同的光纤连接在一起的装置，通过光纤接头可以将多段光纤连接成一个完整的光纤线路。
光纤传输线是将光信号传输到不同地点的光纤线路，它具有高强度、低损耗和较大的带宽，能够满足高速、大容量的光信号传输需求。
光纤网络系统是光纤通信系统的重要组成部分，它由光纤交换机和光纤路由器组成。
光纤交换机是将光信号从一个节点传输到另一个节点的设备，它能够根据需要选择传输路径，并将光信号切换到相应的路径上。
光纤路由器是管理和控制光纤网络的设备，它根据网络拓扑结构和路由策略，将光信号从源节点通过一系列的光纤传输到目标节点。
光纤通信技术的优势主要表现在三个方面。
首先，光纤通信具有高速传输的特点，光信号的传输速度可达到光的速度，可以满足大量数据的传输需求。
其次，光纤通信具有大带宽的特点，光纤的频率范围较宽，可以支持更多的频率和信号，使得网络能够同时传输多种类型的信号。
最后，光纤通信具有低信号损耗的特点，光信号在光纤中的传输距离可以达到几十公里，而且信号损耗非常低，可以减少信号的失真和衰减，提高通信质量和可靠性。
光纤通信技术在现代通信领域中得到了广泛的应用。
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件波分复用器件
Dl Df
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
l┋1
F1
ln
L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
1528.77 193.1
1552.52
196.0
1529.55 193.0
1553.33
195.9
1530.33 192.9
1554.13
195.8
1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
1.6nm 100G 0.8nm 50G 0.4nm 25G
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
Frequency Wavelength Frequency Wavelength
(THz)
(nm)
(THz)
(nm)
196.1
基于偏振干涉的光梳状滤波器
偏振干涉系统：起偏器P1、双折射晶体平行 平板及检偏器P2
FX
X
X
P1
S
Z
45°
Y
Y
P1
P2
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
透过起偏器的光场的振幅为A0，光通过 双折射晶体平行平板后在X、Y方向的分 量分别为
AxA0co4s5ex pj2(Lon/l) AyA0si4n5ex pj2(Len/l)
闪耀光栅剖面图
BOE1
l1 ln
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L1 L2 透射式二元光学波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件波分复用器件
干涉滤波片型
采用干涉滤波片来实现不同波长的光的 分离，实现分/合波功能。
由于采用了微等离子体镀膜技术，介质 膜窄带滤光片的光学性能有了很大改善， 工艺也较为成熟。透过率高，带宽窄，
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1530.33 192.9
1554.13
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1531.12 195.8
ห้องสมุดไป่ตู้
光纤通信技术
光纤通信技术.
光纤通信技术是一种使用光纤作为传输介质的通信技术。
它利用光的传输特性，将信息以光脉冲的形式通过光纤传输。
光纤通信技术的基本原理是利用光纤的高速传输和高带宽特性，将电子信号转换为光信号，在光纤中传输，并在接收端将光信号重新转换为电子信号。
光纤通信技术主要包括光纤的制备和光纤传输系统的设计与实现两个方面。
光纤的制备主要涉及纤芯和包层的材料选择和制备工艺，以及光纤的拉制和光纤连接技术等。
光纤的核心部分是非常纯净的玻璃或塑料纤芯，外面包裹着折射率较低的材料，形成了光纤的结构。
制备过程中需要控制光纤的损耗、色散和非线性等特性。
光纤传输系统的设计与实现主要包括光纤传输器件的选择和光纤传输系统的搭建与调试等。
光纤传输器件包括光源、调制器、光纤耦合器、光纤放大器和光接收器等。
光源产生稳定的光信号，调制器控制光信号的强度或频率，光纤耦合器将光信号输入或输出到光纤中，光纤放大器放大光信号，光接收器将光信号转换为电信号。
光纤通信技术具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点，广泛应用于互联网、电信、数据中心、电视传输等领域。
随着技术的不断进步，光纤通信技术也在不断发展，传输速度和带宽等性能得到了进一步提升。
光纤通信技术
光纤通信技术标题：光纤通信技术：现代通信领域的巨大突破引言：在信息时代的高速发展中，光纤通信技术作为现代通信中最具前沿和重要的一项技术，正发挥着越来越重要的作用。
本文将从光纤通信技术的原理、应用和未来发展等方面进行详细介绍，以展示光纤通信技术在通信领域带来的巨大突破。
第一部分：光纤通信技术的原理光纤通信技术是一种利用光传输信息的通信方式。
其原理基于光波在光纤中的传播。
光纤是一种由光学玻璃或塑料制成的细长光导纤维，其核心是光的传播通道。
当光波射入光纤时，根据全反射原理，光波将沿着光纤内部的核心进行传播，损耗极小。
而光信号的传输速度非常快，甚至接近光速，因此可以实现高速、大容量的信号传输。
此外，光纤通信技术还通过采用不同波长的光信号来实现多路复用，进一步提高了通信效率。
第二部分：光纤通信技术的应用光纤通信技术在现代通信领域有着广泛的应用。
首先，在长距离通信方面，光纤通信技术能够实现高速、低损耗的信息传输，比传统的电信号传输方式更加可靠。
无论是陆地通信还是海底光缆，光纤通信技术的应用都可以大大提高通信质量和速度。
其次，在数据中心和互联网领域，光纤通信技术的大容量和高速度使得数据传输更加稳定，能够满足日益增长的网络数据需求。
此外，光纤通信技术还应用于医疗设备、航天技术和军事通信等领域，为这些领域的发展提供了关键的支持。
第三部分：光纤通信技术的未来发展光纤通信技术在过去几十年中取得了巨大的进步，但其发展潜力远未到达极限。
未来，随着信息技术的不断发展，光纤通信技术将继续迎来新的突破。
首先，随着光纤材料的研究进展，将会出现更高效的光纤材料，降低传输损耗，提高传输容量。
其次，随着纳米技术和量子技术的进一步研究，有望实现光量子通信，从而进一步提高通信的安全性和速度。
此外，人们还在研究如何将光纤通信技术应用于无线通信领域，以实现更快速、更广覆盖的无线通信。
结论：光纤通信技术作为现代通信领域的重要技术，通过其高速、大容量和低损耗的特点，极大地改变了人们的通信方式和生活方式。
《光纤通信技术》课件
3 更高密度
光纤连接器和光纤组件将变得更小型化和高密度，提高光纤通信系统的灵活性。
光纤通信技术的挑战和解决方案
信号衰减
长距离传输会导致信号衰减， 引入光纤放大器和衰减补偿 器解决。
色散
不同波长的光信号在光纤中 传输速度不同，引入分波复 用和调制解调技术解决。
光纤损伤
光纤损伤会导致传输质量下 降，引入纤芯修复和保护技 术解决。
光纤通信
光纤通信技术通过光信号传输语音、图像和数 据，使信息传输更可靠和高效。
光纤通信的工作原理
全内反射
光纤内部采用全内反射原理，使光信号在光纤中传输。
光纤传输模式
光纤可以传输单模式和多模式信号，以适应不同的通信需求。
光纤连接和接收
光纤连接器和光接收器是实现光纤通信的关键组成部分。
光纤通信系统的组成
《光纤通信技术》课件
欢迎来到《光纤通信技术》课件！通过本课程，我们将探索光纤通信技术的 发展、应用和挑战，了解这Байду номын сангаас革命性技术的工作原理和优势。
光纤通信技术概述
光纤传输
光纤通过内部的光信号传输数据，提供更高的 带宽和更快的传输速度。
光纤网络
光纤网络可以覆盖较长的距离，并支持大量的 数据传输，是现代通信的基础设施。
总结和展望
光纤通信技术的发展给我们带来了前所未有的通信体验和行业变革。我们期 待光纤通信在未来继续推动信息社会的发展。
2
低延迟
光信号在光纤中传播速度快，减少了通信的延迟。
3
抗干扰
光纤对电磁干扰和噪声具有很强的抵抗能力。
光纤通信广泛应用于电信、互联网、医疗、军事等领域，推动了信息社会的发展。
光纤通信的发展趋势
光纤连接器和光纤组件将变得更小型化和高密度，提高光纤通信系统的灵活性。
光纤通信技术的挑战和解决方案
信号衰减
长距离传输会导致信号衰减， 引入光纤放大器和衰减补偿 器解决。
色散
不同波长的光信号在光纤中 传输速度不同，引入分波复 用和调制解调技术解决。
光纤损伤
光纤损伤会导致传输质量下 降，引入纤芯修复和保护技 术解决。
光纤通信
光纤通信技术通过光信号传输语音、图像和数 据，使信息传输更可靠和高效。
光纤通信的工作原理
全内反射
光纤内部采用全内反射原理，使光信号在光纤中传输。
光纤传输模式
光纤可以传输单模式和多模式信号，以适应不同的通信需求。
光纤连接和接收
光纤连接器和光接收器是实现光纤通信的关键组成部分。
光纤通信系统的组成
《光纤通信技术》课件
欢迎来到《光纤通信技术》课件！通过本课程，我们将探索光纤通信技术的 发展、应用和挑战，了解这Байду номын сангаас革命性技术的工作原理和优势。
光纤通信技术概述
光纤传输
光纤通过内部的光信号传输数据，提供更高的 带宽和更快的传输速度。
光纤网络
光纤网络可以覆盖较长的距离，并支持大量的 数据传输，是现代通信的基础设施。
总结和展望
光纤通信技术的发展给我们带来了前所未有的通信体验和行业变革。我们期 待光纤通信在未来继续推动信息社会的发展。
2
低延迟
光信号在光纤中传播速度快，减少了通信的延迟。
3
抗干扰
光纤对电磁干扰和噪声具有很强的抵抗能力。
光纤通信广泛应用于电信、互联网、医疗、军事等领域，推动了信息社会的发展。
光纤通信的发展趋势
《光纤通信技术》 课程大纲
《光纤通信技术》课程大纲《光纤通信技术》课程大纲课程名称：光纤通信技术课程类别：核心课学分：4学分适用专业：通信工程专业、计算机应用专业先修课程：数字通信原理、数据通信原理一、课程的教学目的《光纤通信技术》是信息与通信工程学科一门重要的专业课程。
课程定位为需要学习通信工程、计算机通信技术等专业，从事信息通信、计算机、网络等相关行业的学员。
光纤通信系统具有低的传输损耗和宽的传输频带的特点，成为高速数据业务的理想传输通道。
课程以光纤的导光原理和激光器的发光原理为基础内容，同时涵盖了各种实用光网络技术。
课程以提高学生基本技能素质与新技术、新手段的应用能力为目标，培养能满足光纤网络工程的规划建设、系统调测、电信核心网络和接入网络的工程等需要的应用型人才。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
鉴于本课程是实践性很强的专业课程，其教学内容既包括理论学习内容，又涵盖与之相关的实践实验活动内容，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
二、相关课程的衔接学习本课程需要先修《数字通信原理》、《数据通信原理》等专业基础课程以及《现代交换技术》、《宽带接入技术》等相关课程；后续课程包括《光网络》、《多媒体通信》等。
三、教学的基本要求要求掌握《光纤通信技术》的基本概念、工作原理，了解相关扩展知识。
熟练进行光纤通信技术的工程分析及工程计算。
熟悉实验原理及内容，能够利用所学基本知识完成简单电路的分析和设计。
四、课程教学方法下载教学内容导学、详解、实时辅导、教案、综合练习题等资料。
为了更好地掌握本课程的知识，每章后面均附有大量的习题，并对主要知识点进行了总结。
本课程含有实验，使本课程更多地与实践接轨，为以后学习光纤通信工程新技术打下基础。
五、课程考核方式本学期将安排4次阶段作业。
每次作业计10分，共计40分。
作业类型为客观题，可重复提交，直至分数满意为止。
考试：本课程的考试采用开卷的形式，由于本课程的计算量较大，建议学生熟练使用计算器。
光纤通信技术（第2版）习题答案孙学康张金菊第五章习题
pout 102.51012 6.6261034 193.11012 10(5.515)/10
Pout 10000.36/16 62.5mW
Pout 18 20.5 28.5(dBm)
答： P137 最后一段
8.请画出光传送网的分层结构图，并简单介绍各层的功 能。
答： P152 图5-25 传送网的分层模型 各层功能：P151 ”1.基于SDH的光传送网”中的内容
9Hale Waihona Puke 什么是OADM？其所具有的功能有哪些？
答： OADM：光分插复用器 功能：P141 ”（1）OADM的功能”中的内容
10.试计算STM-1段开销的比特数？
答： 利用P125中 图5-2 STM-N的帧结构来计算
STM-1段开销的比特数=8×9×8=576bit
11.计算STM-16的码率。
答： 先利用P125中图5-2计算出其一帧比特数，再除以 一帧的周期
STM-16的码率= 2709816 =2488.32Mb/s
125 106
12.已知某波分复用系统的信道间隔 v 为100GHz。请计 算该系统中所使用光源谱宽的最大值是多少？（取 f=193.10×1012Hz）
答：
v 2
C
100109 (1552.52)2 3108
0.8nm
13.如果某WDM系统中的技术参数如下：
中心波长为1552.52nm（对应中心频率为193.10THz）， OSNR=7（满足BER=10-12时），N=10，NF=5.5dB， Δλ=0.1nm，Lα=15dB，BWeff=2.5THz 。请算出实用16路 WDM系统所要求的光放大器的输出光功率范围？
5.请画出SDH的帧结构图。 答： P125 图5-2 STM-N的帧结构
Pout 10000.36/16 62.5mW
Pout 18 20.5 28.5(dBm)
答： P137 最后一段
8.请画出光传送网的分层结构图，并简单介绍各层的功 能。
答： P152 图5-25 传送网的分层模型 各层功能：P151 ”1.基于SDH的光传送网”中的内容
9Hale Waihona Puke 什么是OADM？其所具有的功能有哪些？
答： OADM：光分插复用器 功能：P141 ”（1）OADM的功能”中的内容
10.试计算STM-1段开销的比特数？
答： 利用P125中 图5-2 STM-N的帧结构来计算
STM-1段开销的比特数=8×9×8=576bit
11.计算STM-16的码率。
答： 先利用P125中图5-2计算出其一帧比特数，再除以 一帧的周期
STM-16的码率= 2709816 =2488.32Mb/s
125 106
12.已知某波分复用系统的信道间隔 v 为100GHz。请计 算该系统中所使用光源谱宽的最大值是多少？（取 f=193.10×1012Hz）
答：
v 2
C
100109 (1552.52)2 3108
0.8nm
13.如果某WDM系统中的技术参数如下：
中心波长为1552.52nm（对应中心频率为193.10THz）， OSNR=7（满足BER=10-12时），N=10，NF=5.5dB， Δλ=0.1nm，Lα=15dB，BWeff=2.5THz 。请算出实用16路 WDM系统所要求的光放大器的输出光功率范围？
5.请画出SDH的帧结构图。 答： P125 图5-2 STM-N的帧结构
光纤通信技术
光的全反射与光纤的导光原理
光的全反射
当光线从一种介质射入另一种介质时，如果入射角大于某一临界角，光波将在第二种介质表面发生全 反射，即所有的光线都将被反射回第一种介质，而不会进入第二种介质。全反射是光纤导光的物理基 础。
光纤的导光原理
光线在光纤中传播时，由于光的全反射作用，光波被限制在光纤的纤芯中传播，从而实现光的定向传 输。光纤的导光原理是光纤通信中的核心技术之一。
光子集成电路与光子晶体光纤
总结词
光子集成电路和光子晶体光纤是光纤通信技术的两个重 要发展方向。
详细描述
光子集成电路是一种集成了多种光器件的光子回路，具 有高度集成、低能耗、高速传输等优点。而光子晶体光 纤则是一种新型的光纤结构，具有高非线性、高色散等 特性，为光通信带来了新的可能性。
光纤网络的可靠性、稳定性与安全性
光检测器与光接收机
光检测器
光检测器是光纤通信系统的接收端，用于将光信号转换为电信号。常用的光检 测器有光电二极管和雪崩光电二极管。
光接收机
光接收机是将光信号转换为电信号的设备，它包括光检测器、信号处理电路和 放大器等。
光纤与光缆
光纤
光纤是光纤通信系统的传输介质，用于传输光信号。光纤由纤芯和包层组成，纤 芯负责传输光信号，包层则起到保护和折射的作用。
物联网与智能交通
实时数据传输
光纤通信技术能够为智能 交通系统提供实时、可靠 的数据传输服务，支持交 通流量的监控和调度。
车辆安全与控制
光纤通信技术可以用于实 现车辆之间的信息交互， 提高车辆行驶的安全性和 控制精度。
智能停车系统
光纤通信技术可以支持智 能停车系统的建设，实现 车位信息的实时更新和车 辆快速定位。
光纤通信技术的发展历程
光纤通信技术
光纤传输系统主要由：光发送机、光接收机、光缆传 输线路、光中继器和各种无源光器件构成。要实现通信， 基带信号还必须经过电端机对信号进行处理后送到光纤传 输系统完成通信过程。 • 它适合于光纤模拟通信系统中，而且也适用于光纤数 字通信系统和数据通信系统。在光纤模拟通信系统中，电 信号处理是指对基带信号进行放大、预调制等处理，而电 信号反处理则是发端处理的逆过程，即解调、放大等处理。 在光纤数字通信系统中，电信号处理是指对基带信号进行 放大、取样、量化，即脉冲编码调制（PCM ）和线路码 型编码处理等，而电信号反处理也是发端的逆过程。对数 据光纤通信，电信号处理主要包括对信号进行放大，和数 字通信系统不同的是它不需要码型变换。 •
◆FTTH遇到的挑战：现在广泛采用的ADSL技术提 供宽带业务尚有一定优势
• 与FTTH相比：①价格便宜②利用原有铜线网使工程 建设简单③对于目前1Mbps—500kbps影视节目的传输可 满足需求。FTTH目前大量推广受制约。 • 对于不久的将来要发展的宽带业务，如：网上教育， 网上办公，会议电视，网上游戏，远程诊疗等双向业务和 HDTV高清数字电视，上下行传输不对称的业务，ADSL 就难以满足。尤其是HDTV，经过压缩，目前其传输速率 尚需19.2Mbps。正在用H.264技术开发，可压缩到5～ 6Mbps。通常认为对QOS有所保证的ADSL的最高传输速 串是2Mbps，仍难以传输HDTV。可以认为HDTV是FTTH 的主要推动力。即HDTV业务到来时，非FTTH不可。
简介
• 光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信 息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上 看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测 器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分 类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用 光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种， 而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、 倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器 件的形式出现。 • 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．
光纤通信第五章光纤线路技术原理及器件光环形器
光纤通信
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
3
4
z
y
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
Fiber-Optic Communication Technology
2005/2006学年第二学期
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
第五章 光纤线路技术及器件
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
主要内容
一、光隔离器和光环形器 二、光纤的连接 三、光衰减器和光开关 四、光纤耦合器 五、光纤光栅 六、波分复用器件 七、平面及矩形光波导技术及器件 八、光放大器 九、色散补偿技术
单纤双向通信、上/下话路、合波/分波 及色散补偿等
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
结构
光 分 偏 光 偏分 光 纤 束 振 束 振束 纤 准 合 旋 变 旋合 准 直 束 转 换 转束 直 器 镜 镜 器 镜镜 器
端 x口
1 23 4 5 6
端 口
1
2
3
4
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y
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
(dB )
Pi：输入的光信号功率，
Pi
Po
Po ：经过光隔离器后的功率，
显然， IL值越小越好。
光隔离器的插入损耗来源于偏振器、法拉 第旋转器等各部分的插入损耗。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
回波损耗(RL)
回波损耗：指由于构成光隔离器的各元 件、光纤以及空气折射率失配引起的反 射造成的对入射光信号的衰减。
光纤通信第五章光纤线路技术原理 及器件光环形器
光隔离器(isolator)
光隔离器是一种只允许光沿一个方向通 过而在相反方向阻挡光通过的光无源器 件
作用：防止光路中的后向传输光对光源 以及光路系统产生不良影响
例如：半导体激光器、光纤放大器 应用：光纤通信、光信息处理系统、光
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第5章-光纤通信技术
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•单模光纤和多模光纤
• 多模光纤中可以有多种模式的光信号传播，但是模 间色散大，随着传输距离增大，带宽会减小，因此普 通多模光纤不适用与长距离传播。 • 单模光纤中只有一个模式的光传播，模间色散小， 适合远程通信线路。
第5章-光纤通信技术
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 的传播
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 •在弱导近似下，根的据传纤播芯和包层分界面上（r=a）
的连续性条件可以得到LP模式的本征值方程
•式中取正和负是完全等价的
•求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，进而算 出b，将它们都表示成归一化频率V的函数。这样就可 以看出传导的模式与波长以及光纤各项参数的关系 。
号在光纤中传输的相关
结论
熟悉波动理论分析光信
号在光纤中传输的相关
结论
掌握光纤的损耗及色散
的分析、计算、测量、
补偿以及其他相关应用。
熟悉常见光通信器件的
原理、特性以及它们在 第5章-光纤通信技术
• 引言
• 光纤通信系统是目 前世界通信系统的主要 模式，比以前的电缆通 信系统无论从性能还是 成本上都有极大优势。 正是光纤用于现代通信 系统，才使得我们能够 成功构建今天高速、多 元化的信息社会
•根据麦克斯韦方程，可以用z方向的场分量来表示其 他和z垂直的方向的场分量。这样只需要计算z方向的 两个场分量Ez和Hz就可以完全唯一的确定整个场分布 •得到柱坐标下z分量满足的方程
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 的传播
•将电磁场的z分量进行变量分离
•可得到关于场分量Ez(r,f)和Hz(r,f) 横向模式的波动方程
•贝塞尔方程通解
•电磁场z分量通解
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•弱导近似
的传播
•如果光纤包层和纤芯的折射率很接近，即 ，•我们称这种
•光纤为弱导光纤。在弱导光纤中，HE、EH、TE和TM四个解 的近似解可以用两个线性偏振模，即LP模表示。
•注意，LP模式并不是真实存在的模式。然而在弱导近似下，一对HEEH模的传播常数非常接近，它们是近似简并的。因此它们叠加起来可以 用一个线性偏振的模式LP模式替代，而不去区分其中电场和磁场哪个占 优势。与此类似，一对TE-TM模的叠加也可以用一个LP模式代替。这样 就减少了场分量个数，可以使计算过程和结果都得到简化。
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远
远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。
第5章-光纤通信技术
ห้องสมุดไป่ตู้
•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤的应用 ➢ 通信系统 ➢ 光纤传感器。 ➢ 医学照明、内窥。 ➢ 装饰
第5章-光纤通信技术
•5.1.2 光纤的基•本5工.1 作光原纤理基和本结知构识
第5章-光纤通信技术
• 本章内容 •5.1 光纤基本知识 •5.2 光在光纤波导中的传播 •5.3 光纤的损耗与色散 •5.4 光通信器件
第5章-光纤通信技术
•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是一 种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理传 输光能的工具。
第5章-光纤通信技术
2020/11/26
第5章-光纤通信技术
• 学掌握习光目纤标通信的原理
• 掌握光纤的相关参数，
光纤中损耗和色散的相
关知识
• 常见的光通信器件的基
本原理、特性和使用
• 光纤通信系统中复用技
术的原理、方法和实际
应用
第5章-光纤通信技术
•
学熟悉习光要纤求的参数、分类
等基本知识
熟悉几何光学分析光信
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•导模截止要求W→的0，传此播时方程的本征值U趋近于截止频率Vc
•W→0
•。
•远离截止要求W→∞
•截止条件
•W→∞
•远离截止条件
•LP模式可以存在的数目
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 的传播
• 为了讨论方便，根据波动方程的解中Ez和Hz是否等于0， 可以将模式分为以下四种：
①横电磁模（TEM）：Ez=Hz=0。 ②横电模（TE）与横磁模（TM）：仅Ez=0，称为横电模；
仅Hz=0，称为横磁模。 ③混合模（EH或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁场贡献为主
称为HE，电场贡献为主称为EH。 ④线偏振模（LP）：也称为标量模，这并不是光纤中传播
变化频率。b对应光纤中传播的模式 。 •横向传播常数k是和z垂直的方向上波矢分量的大小
•表示纤芯中横向场的振荡频率
•描述包层中消逝波的衰减速度
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •几个关键参数 的传播
•归一化频率
•归一化频率V是一个无量纲的量，也称为V数，是包含了光纤各项参数的重要参量
• 1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
第5章-光纤通信技术
•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤的优点
➢ 频带宽，传输容量大。 ➢ 损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时
在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。 ➢ 重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •时空变量分离 的传播
•波动方程既包含时间的导数又包含空间的导数，不 方便求解，因此必须对其进行时间空间变量分离。
•称为波数或电磁波在光纤中的传播常数 •称为真空中的传播常数
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •亥姆霍兹方程 的传播
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
• 制造光纤的方法很多，目前主要有：改进 化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相 沉积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向 汽相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都 要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加 温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为 光纤芯线。
第5章-光纤通信技术
•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中 •光脉冲展宽Dt可以的用传光播经过最长距离和最短距
离的时间差来估计。
•L为光纤长度
•信号的带宽B可以用光脉冲展宽的倒数来表示
•传播距离越长，带宽会越来越小。因此，阶跃折射 率光纤不适合于长距离的多模信号传输。
第5章-光纤通信技术
•原理：全反射 •结构：纤芯，包层，套层。
•n2
•n1
•n1> n2
第5章-光纤通信技术
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•按用途：通信用光纤、非通信用光纤。 •按材料：石英光纤、全塑光纤。 •按传输模式：单模光纤和多模光纤。 •按传输窗口：常规型单模光纤、色散位移型单模光纤 (DSF)、非零色散位移光纤。 •按、剖面折射率分布：阶跃折射率光纤、渐变折射率 光纤。
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•改进化学汽相沉积法(MCVD)
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•管外汽相沉积法(OVD)
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•轴向汽相沉积法(VAD)
第5章-光纤通信技术
•数值孔径NA是光纤的重要参数，它描述的光纤收光的 能力。数值孔径较大的光纤可以耦合较大范围入射角的 光，即使是像LED这样的光源发出的发散光也可以被耦 合到其中传播。同时数值孔径较大的光纤还使得光纤在 弯曲的时候能传播更大范围的光。
第5章-光纤通信技术
•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤
•阶跃折射率光纤（SIF） •渐变折射率光纤（GIF）
第5章-光纤通信技术
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•国际电信联盟（ITU-T）光纤标 准
名称 G. 651 G. 652 G. 653 G. 654 G. 655
类型 多模渐变型折射率光纤
非色散位移光纤 色散位移光纤 截止波长位移光纤 非零色散位移光纤
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•原料：SiO2 •要求： •①光纤原材料必须要高纯度的SiO2 •②制作过程中必须防止杂质污染和气泡混入 •③要准确控制制作尺寸，精度要达到1mm甚至更高 •④减小光纤表面损伤，提高其机械性能。 •⑤按要求控制好其折射率分布
的传播
• 如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由 于不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相 同，这会导致不同角度入射的光线传播到终点的时间 不一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模 光纤的模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之 间就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区 较大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这 样信号就会发生失真。
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•单模光纤和多模光纤
• 多模光纤中可以有多种模式的光信号传播，但是模 间色散大，随着传输距离增大，带宽会减小，因此普 通多模光纤不适用与长距离传播。 • 单模光纤中只有一个模式的光传播，模间色散小， 适合远程通信线路。
第5章-光纤通信技术
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 的传播
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 •在弱导近似下，根的据传纤播芯和包层分界面上（r=a）
的连续性条件可以得到LP模式的本征值方程
•式中取正和负是完全等价的
•求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，进而算 出b，将它们都表示成归一化频率V的函数。这样就可 以看出传导的模式与波长以及光纤各项参数的关系 。
号在光纤中传输的相关
结论
熟悉波动理论分析光信
号在光纤中传输的相关
结论
掌握光纤的损耗及色散
的分析、计算、测量、
补偿以及其他相关应用。
熟悉常见光通信器件的
原理、特性以及它们在 第5章-光纤通信技术
• 引言
• 光纤通信系统是目 前世界通信系统的主要 模式，比以前的电缆通 信系统无论从性能还是 成本上都有极大优势。 正是光纤用于现代通信 系统，才使得我们能够 成功构建今天高速、多 元化的信息社会
•根据麦克斯韦方程，可以用z方向的场分量来表示其 他和z垂直的方向的场分量。这样只需要计算z方向的 两个场分量Ez和Hz就可以完全唯一的确定整个场分布 •得到柱坐标下z分量满足的方程
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 的传播
•将电磁场的z分量进行变量分离
•可得到关于场分量Ez(r,f)和Hz(r,f) 横向模式的波动方程
•贝塞尔方程通解
•电磁场z分量通解
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•弱导近似
的传播
•如果光纤包层和纤芯的折射率很接近，即 ，•我们称这种
•光纤为弱导光纤。在弱导光纤中，HE、EH、TE和TM四个解 的近似解可以用两个线性偏振模，即LP模表示。
•注意，LP模式并不是真实存在的模式。然而在弱导近似下，一对HEEH模的传播常数非常接近，它们是近似简并的。因此它们叠加起来可以 用一个线性偏振的模式LP模式替代，而不去区分其中电场和磁场哪个占 优势。与此类似，一对TE-TM模的叠加也可以用一个LP模式代替。这样 就减少了场分量个数，可以使计算过程和结果都得到简化。
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远
远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。
第5章-光纤通信技术
ห้องสมุดไป่ตู้
•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤的应用 ➢ 通信系统 ➢ 光纤传感器。 ➢ 医学照明、内窥。 ➢ 装饰
第5章-光纤通信技术
•5.1.2 光纤的基•本5工.1 作光原纤理基和本结知构识
第5章-光纤通信技术
• 本章内容 •5.1 光纤基本知识 •5.2 光在光纤波导中的传播 •5.3 光纤的损耗与色散 •5.4 光通信器件
第5章-光纤通信技术
•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是一 种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理传 输光能的工具。
第5章-光纤通信技术
2020/11/26
第5章-光纤通信技术
• 学掌握习光目纤标通信的原理
• 掌握光纤的相关参数，
光纤中损耗和色散的相
关知识
• 常见的光通信器件的基
本原理、特性和使用
• 光纤通信系统中复用技
术的原理、方法和实际
应用
第5章-光纤通信技术
•
学熟悉习光要纤求的参数、分类
等基本知识
熟悉几何光学分析光信
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•导模截止要求W→的0，传此播时方程的本征值U趋近于截止频率Vc
•W→0
•。
•远离截止要求W→∞
•截止条件
•W→∞
•远离截止条件
•LP模式可以存在的数目
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 的传播
• 为了讨论方便，根据波动方程的解中Ez和Hz是否等于0， 可以将模式分为以下四种：
①横电磁模（TEM）：Ez=Hz=0。 ②横电模（TE）与横磁模（TM）：仅Ez=0，称为横电模；
仅Hz=0，称为横磁模。 ③混合模（EH或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁场贡献为主
称为HE，电场贡献为主称为EH。 ④线偏振模（LP）：也称为标量模，这并不是光纤中传播
变化频率。b对应光纤中传播的模式 。 •横向传播常数k是和z垂直的方向上波矢分量的大小
•表示纤芯中横向场的振荡频率
•描述包层中消逝波的衰减速度
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •几个关键参数 的传播
•归一化频率
•归一化频率V是一个无量纲的量，也称为V数，是包含了光纤各项参数的重要参量
• 1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
第5章-光纤通信技术
•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤的优点
➢ 频带宽，传输容量大。 ➢ 损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时
在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。 ➢ 重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •时空变量分离 的传播
•波动方程既包含时间的导数又包含空间的导数，不 方便求解，因此必须对其进行时间空间变量分离。
•称为波数或电磁波在光纤中的传播常数 •称为真空中的传播常数
第5章-光纤通信技术
•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •亥姆霍兹方程 的传播
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
• 制造光纤的方法很多，目前主要有：改进 化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相 沉积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向 汽相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都 要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加 温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为 光纤芯线。
第5章-光纤通信技术
•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中 •光脉冲展宽Dt可以的用传光播经过最长距离和最短距
离的时间差来估计。
•L为光纤长度
•信号的带宽B可以用光脉冲展宽的倒数来表示
•传播距离越长，带宽会越来越小。因此，阶跃折射 率光纤不适合于长距离的多模信号传输。
第5章-光纤通信技术
•原理：全反射 •结构：纤芯，包层，套层。
•n2
•n1
•n1> n2
第5章-光纤通信技术
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•按用途：通信用光纤、非通信用光纤。 •按材料：石英光纤、全塑光纤。 •按传输模式：单模光纤和多模光纤。 •按传输窗口：常规型单模光纤、色散位移型单模光纤 (DSF)、非零色散位移光纤。 •按、剖面折射率分布：阶跃折射率光纤、渐变折射率 光纤。
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•改进化学汽相沉积法(MCVD)
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•管外汽相沉积法(OVD)
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•轴向汽相沉积法(VAD)
第5章-光纤通信技术
•数值孔径NA是光纤的重要参数，它描述的光纤收光的 能力。数值孔径较大的光纤可以耦合较大范围入射角的 光，即使是像LED这样的光源发出的发散光也可以被耦 合到其中传播。同时数值孔径较大的光纤还使得光纤在 弯曲的时候能传播更大范围的光。
第5章-光纤通信技术
•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤
•阶跃折射率光纤（SIF） •渐变折射率光纤（GIF）
第5章-光纤通信技术
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•国际电信联盟（ITU-T）光纤标 准
名称 G. 651 G. 652 G. 653 G. 654 G. 655
类型 多模渐变型折射率光纤
非色散位移光纤 色散位移光纤 截止波长位移光纤 非零色散位移光纤
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•原料：SiO2 •要求： •①光纤原材料必须要高纯度的SiO2 •②制作过程中必须防止杂质污染和气泡混入 •③要准确控制制作尺寸，精度要达到1mm甚至更高 •④减小光纤表面损伤，提高其机械性能。 •⑤按要求控制好其折射率分布
的传播
• 如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由 于不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相 同，这会导致不同角度入射的光线传播到终点的时间 不一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模 光纤的模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之 间就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区 较大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这 样信号就会发生失真。