光纤通信原理全套课件.ppt

光纤通信原理光纤通信原理第一章第一章概述概述1.1 基本概念基本概念1.通信：传递信息的方式、方法及其过程通信：传递信息的方式、方法及其过程 2.电通信：所谓电通信即是用电信号、通过电线（或电缆）来传递信息电通信主要有两种方式：v模模拟拟通通信信：用电信号模拟所要传递的信息的大小、特征进行传输频频分分复复用用：用载频f0把多路音频信号调制到不同的高频率位置，使多路信号可以在同一条线路上同时传输1n12nf频分复用f1f2fnf0.33.4V(t)声音0.33.4f(t）模拟电信号fv数数字字通通信信：把连续的模拟信号抽样、量化、编码成离散的数字信号（0、1码）后传输时时分分复复用用：把n路信号分别占用不同的时间（时隙）在同一条线路上传输1）.抽样频率为fs=8000Hz(周期125s）;2）.一路语音信号的速率为8000*8=64bit/s;PCM一次群（或称基群，30/32路），速率为64*32=2.048Mbit/s，简称2兆信号;PCM二次群，速率为8.448Mbit/s;三次群为34.368Mbit/s;四次群为139.264Mbit/s时分复用时分复用12n1n抽样信号ft11010000数字信号f（t）t（量化、编码）3.光纤通信传输的是光信号、传输线路是光纤（光缆）光纤通信与电通信的主要区别有两点：用光波作为载波信号传输来信号用光纤作传输线路目前使用的光纤通信系统，普遍采用的是数字编码、强度调制，即用数字信号去直接调制光源的光强，使之随信号电流呈线性变化（如“1”、“0”分别使“有光”、“无光”）光纤通信系统中的主要组成部分将是激光器和光纤，及其它光器件，是我们这门课程的重要内容。

1.2 光纤通信系统1.光纤通信系统基本组成 P3图1-2与数字通信系统相比，即是数字通信系统模型中数字传输信道部分l光端机：把数字电信号转换为数字光信号，或相反（用光电二极管把光检波为电脉冲）强度调制-直接检波通信系统（强度即光强，指单位面积上的光功率）即用信号去直接调制光源的光强，使之随信号电流呈线性变化；直接检波-把光信号直接在接收机的光频上检测为电信号l光中继器：光信号放大、再生PCM复复用用设设备备光光端端机机光光中中继继器器光光端端机机PCM复复用用设设备备光通信系统光通信系统光缆通信传输系统的基本构成光缆通信传输系统的基本构成光信号电信号电信号2.优缺点优点优点：传输频带宽，通信容量大；损耗小，不受电磁干扰，传输质量好，传输距离长；线径细，质量轻，空间利用率高；资源丰富缺点：光纤质地脆、机械强度低；要求比较好的切断、连接技术；分路、耦合比较麻烦等光波也是电磁波，其波长在微米级、頻率为10121016Hz数量级目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0.81.8m其中短波长波段波长为0.85m长波长波段波长为1.31m和1.55m0.85m、1.31m和1.55m是目前所采用的三个通信窗口频率频率波长波长名称名称（Hz）（cm）超短波超短波可见光可见光10210410610810101012101410161018102010221024kHzMHzGHz108106104102110-210-410-610-810-1010-121km1m1cm1mmm11nm1A0音频音频长波长波中波中波短波短波微波微波毫米波毫米波红外线红外线紫外线紫外线X射线射线射线射线电磁波谱电磁波谱频率频率波长波长名称名称（Hz）（cm）102104超短波超短波可见光可见光10610810101012101410161018102010221024kHzMHzGHz108106104102110-210-410-610-810-1010-121km1m1cm1mmm11nm1A0音频音频长波长波中波中波短波短波微波微波毫米波毫米波红外线红外线紫外线紫外线X射线射线射线射线电磁波谱电磁波谱波长与频率关系1.3 光纤通信的发展光纤通信的发展传输（长途、短途）全光网通信网示意图：终端终端交换机交换机网络第一章第一章概述概述第二章第二章光纤和光缆光纤和光缆第三章第三章光路无源器件光路无源器件第四章第四章光端机光端机第五章第五章光纤通信系统光纤通信系统第六章第六章光纤放大器光纤放大器第七章第七章同步数字体系同步数字体系第八章第八章光纤及光纤通信系统的测量光纤及光纤通信系统的测量l l要求：要求：注注意意适适时时复复习习、总总结结，特特别别强强调调独独立立、按按时时、高高质质量量完成作业。

完成作业1.4主要内容与要求第二章第二章光纤和光缆光纤和光缆重点掌握光纤的结构、分类，光纤的导波原理，光纤的损耗、色散特性2.1光纤的结构与分类2.1.1光纤的结构两层同心的石英玻璃组成里面是纤芯，直径2a，光折射率n1高；外层是包层，直径2b，折射率n2低(n1n2)裸纤2a2b一次涂敷一次涂敷二次涂敷（套塑）二次涂敷（套塑）2a2b纤芯纤芯包层包层光纤芯线的剖面构造光纤芯线的剖面构造光纤结构2b2ann1n20abrn0abrn2n1（r）阶跃型光纤的剖面折射率分布阶跃型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布一、按照一、按照折射率折射率分布不同来分分布不同来分常用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种常用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种1.阶跃型阶跃型光纤光纤n1n2n1、n2都为常数，且都为常数，且n1n2，在纤芯和包层，在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶的交界面处折射率呈阶梯型变化，这种光纤称梯型变化，这种光纤称为阶跃型光纤，又称为为阶跃型光纤，又称为突变型光纤，可用突变型光纤，可用SI(Step-Index)表示2.1.2光纤的分类2.渐变型光纤渐变型光纤纤芯折射率纤芯折射率n1随着半随着半径的增加而按一定规律减径的增加而按一定规律减小，到纤芯与包层交界处小，到纤芯与包层交界处为包层的折射率为包层的折射率n2，即纤，即纤芯中折射率的变化呈近似芯中折射率的变化呈近似抛物线型。

这种光纤称为抛物线型这种光纤称为渐变型光纤，可用渐变型光纤，可用GI(Graded-Index)表示2ann1n20abrn0abrn2n1（r）n1n2阶跃型光纤的剖面折射率分布阶跃型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布渐变型光纤的剖面折射率分布二、按照传输的总模数来分二、按照传输的总模数来分所谓所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式模式，实质上是电磁场的一种分布形式根据光纤中传输模式数量来分，可分为根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤单模光纤和和多模光纤多模光纤1、单模光纤、单模光纤（SM-Singlemodefiber）它的纤芯直径很小，约为它的纤芯直径很小，约为410m，理论上只传输一种模，理论上只传输一种模式即只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得这种光纤式即只传输主模，从而完全避免了模式色散，使得这种光纤的传输频带很宽，传输容量很大，适用于大容量、长距离的光的传输频带很宽，传输容量很大，适用于大容量、长距离的光纤通信纤芯纤芯包层包层nABCD2a2b折射率折射率阶跃型多模光纤（阶跃型多模光纤（SI）包层包层包层（包层（n2）芯（芯（n1）ACB折射率折射率梯度型多模光纤梯度型多模光纤（GI）包层包层包层包层芯芯2、多模光纤、多模光纤（MM-multimodefiber）在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中传在一定的工作波长下，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。

输时，则这种光纤称为多模光纤当媒质的几何尺寸远大于光波波长时（近似于媒当媒质的几何尺寸远大于光波波长时（近似于媒介为无穷大），光可以用一条表示光的传播方向的几介为无穷大），光可以用一条表示光的传播方向的几何线来代表，这条几何线就称为光射线何线来代表，这条几何线就称为光射线用光射线来研究光传播特性的方法，称为用光射线来研究光传播特性的方法，称为射线法射线法1.均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念所谓均匀平面波，就是指在与传播方向垂所谓均匀平面波，就是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度直的无限大平面的每个点上，电场强度E的幅的幅度相等、相位及方向相同；磁场强度度相等、相位及方向相同；磁场强度H的幅度的幅度也相等、相位及方向也相同也相等、相位及方向也相同2.2用射线法分析光波在光纤中的传输用射线法分析光波在光纤中的传输XYZ0EH沿正沿正Z轴传播的均匀平面波轴传播的均匀平面波如果均匀平面波是在均匀理想介质中传播，其如果均匀平面波是在均匀理想介质中传播，其特性可概括为以下几点：特性可概括为以下几点：（1）平面波的电场、磁场互相垂直，都位于与传播方向垂直的）平面波的电场、磁场互相垂直，都位于与传播方向垂直的平面上而无纵向分量，因此称它为横电磁波（平面上而无纵向分量，因此称它为横电磁波（TEM波波）（2）均匀平面波在同一等相位面上电场的幅度相等；磁场的幅）均匀平面波在同一等相位面上电场的幅度相等；磁场的幅度也相等；度也相等；（3）平面波的传播方向垂直于电磁场所在的平面，传播速度为）平面波的传播方向垂直于电磁场所在的平面，传播速度为V=1/ （4）均匀平面波在某一种无限大的介质中传播时，在单位长度）均匀平面波在某一种无限大的介质中传播时，在单位长度上相位变化了多少，用相位常数上相位变化了多少，用相位常数k来表示。

来表示K=2n/0（5）由于理想介质没有损耗，因此在传播中，电场强度和磁场）由于理想介质没有损耗，因此在传播中，电场强度和磁场强度的幅度不随距离强度的幅度不随距离Z而变化2.光波在两介质交界面的反射与全反射（1）反射与折射光从介质n1射向介质n2，入射角1，折射角2，反射角1：斯涅尔定律斯涅尔定律：1=1（1）反射定律n1sin1=n2sin2（2）折射定律或cos2=1-sin22=1-（n1/n2）2sin21介质n2介质n1121zx（2）.全反射入射角为临界角时，使：1=c2=90sinc=n2/n1全反射反射角2必大于90光线不会进入介质2，全部发射回介质1，这种现象称为全反射全反射全反射条件：n1n2，901c121zxc90介质2介质1（3）导行波全反射时，纤芯中的波为入射波与反射波的合成波：E=E1+E1，=2E01cos（k1xx+1）e-j（k1zz-1）分两部分：X方向：幅度按三角函数规律变化，是振荡的，呈驻波分布；Z方向：相位随Z的增加而滞后，表示合成波是沿Z方向传输的，呈行波分布传播的Z方向即是与界面平行，所以说电磁波是被介质边界所导行，称导行波，简称导波子午线子午线子午面子午面00n1（a）子午线）子午线纤芯纤芯过纤芯的轴线过纤芯的轴线OO的平面称为的平面称为子午面子午面。

在子午面上和在子午面上和轴线相交的光射线，就称为轴线相交的光射线，就称为子午线子午线全反射时，入射线与反射线会在同一个平面（子午面）中不经过光纤轴线的光射线，称为不经过光纤轴线的光射线，称为斜射线斜射线3.光纤中光射线的分析光纤中光射线的分析一阶跃型光纤中光射线的分析：1.光射线类型：光纤中存在两种形式的光射线：子午线与斜射线2.主要特性参数主要特性参数（1）相对折射指数差）相对折射指数差 n1n2n1（2）数值孔径）数值孔径NA光纤的光纤的数值孔径数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量是表示光纤捕捉光射线能力的物理量NA=sinmax= n12n22=n1 2 max是光纤纤芯所能捕捉光射线的最大入射角是光纤纤芯所能捕捉光射线的最大入射角（此时（此时1=c=90-max）max1n1n2n0数值孔径示意图数值孔径示意图（3）最大时延差）最大时延差 max不同角度的入射子午线，代表光纤中不同的模不同角度的入射子午线，代表光纤中不同的模式由于路径不同，在传输同一光纤长度式由于路径不同，在传输同一光纤长度L时，时，所用的时间是不同的所用的时间是不同的最最长长路径（路径（max、1c）与最）与最短短路径。