半锥角 由此可见，只有在半锥角i为 max 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。
3.数值孔径
根据传播条件，定义入射临界角的正弦为数
值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔
径为：
NA sinmax
NA sinmax sinmax n1 cosc
n1 sin c n2 sin 2 n2 sin 2 c cos2 c 1
1.1.2 多模阶跃折射率光线的射线光学理论分析 分析问题的两个出发点 • 数值孔径 • 时间延迟
通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 射线光学法分析问题的两个角度 •多模阶跃光纤 •多模渐变光纤
多模阶跃折射率光纤的射线光学 理论分析
全反射 光纤的数值孔径 光纤的相对折射率差 最大群时延差
1 m 10 m 10 0m 1 mm 10 mm 10 0 mm 1m 10 m 10 0m
紫外线 可见光线 (光纤通信用）
近红外线 远红外线 亚毫米波
毫米波(EH F)
厘米波(SHF)
分米波(U HF)
米波(VH F)
短波(H F) 中波(MF)
光纤通信系统的组成
电端机
光发射机
光纤
电端机
光接收机
（1）阶跃型光纤
（2）渐变型光纤
阶跃光纤的折射率分布
渐变光纤的折射率分布
根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式 2.根据光纤传输模式的不同分类
单模光纤
（1）单模光纤：传输一个模式的光波，光线以直线形状
沿纤芯中心轴线方向传播。纤芯直径只有4~10 μm。只有 阶跃型光纤。。。长距离，大容量通信
2.根据光纤传输模式的不同分类
NA n1 cosc
cos c n12 n22
n1
NA sin max n12 n22
光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折 射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。
光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越
强，光纤抗弯曲性能越好；(集光能力越好)
NA n12 n22
公式可知，NA越大，n1，n2的差值越大；经光纤传输
一.光纤通信的含义
通信（Communication） 光通信（Optical Communication） 光纤通信（ Optical fiber Communication）
部分电磁波频谱
频率
波长
名称
10 0 TH z 10 THz 1 THz 100 GHz 10 GHz 1 GHz 100 MHz 10 MHz 1 MHz
三.光纤通信的应用
四.特点
1.光波作为载波，速率高、信息量大； 2. 光纤，损耗小、中继距离大； 3.抗电磁干扰； 4.保密性好； 5.尺寸小、重量轻； 6.资源丰富。
各种传弯曲半径不易过小。 2、切断和连接操作复杂。 3、分路、耦合麻烦。
第一章 光纤的基本理论
2n12
n1
光纤的数值孔径可表示为：
NA n12 n22 n1 2
例题：
设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率 n2=1.485。求:
（1）相对折射率差Δ；
（2）数值孔径NA；
（3）入射临界角max 。
解：
（1）相对折射率差Δ：
n1 n2 1.500 1.485 0.01
话”。
光电话存在问题：1.光源
2. 传输媒质 光纤通信的发展方向：
1. 3U
2. 1250nm-1650nm 损耗＜0.5dB/km
光
1960 梅曼 红宝石激光器 1962 半导体激光器 1970 双异质结半导体激光器 850nm 1975年 1310、1550nm MM-LD 静态单纵模DFB-LD 动态单纵模DFB-LD
纤芯中速度为
v c n1
max
L c
n12 n2
Ln1 c
时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。
它限制了光纤的传输带宽
7. NA 与 max 的关系
max
L c
n12 n2
NA n1 2
max
L 2n1c
( NA)2
NA 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；但NA 越大，模间色散越严重。
（ 2）多模光纤：传输多个模式的光波。包括 A 阶跃型光纤。。。短距离，
小容量通信
中容量通信
B 渐变型光纤。。。中距离，
3.按照制造光纤所用的材料分类 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤
4. 根据光纤的工作波长分类
0.85m； 1.31m； 1.55m
实用光纤主要有三种基本类型
商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器
1966 高锟 论文预言 1970 康宁、损耗20dB/km 波长1310、1550 nm低损耗窗口
SMF MMF to SMF DSF色散位移光纤
NZDSF 商用：大有效面积NZDSF
1960 梅曼 红宝石激光器 1962 半导体激光器 1970 双异质结半导体激光器 850nm 1975年 1310、1550nm MM-LD 静态单纵模DFB-LD 动态单纵模DFB-LD
驱动电路
光源
调制器
光发射机
光纤
光纤
中继器
光电二 极管
光纤
放大器 判决器
中继器
光接收机
光器件
光纤----传输通道
有三种危害
损耗（Loss）
功率降低
色散（Dispersion）
脉冲展宽
非线性效应（ Nonlinearity 畸变 ）
光发射机----PCM加载到光源上
电信号输入
驱动电路
光源
光输出
调制器 通道耦合器
光纤通信课程 第一章
45
1.光的全反射
(1) 反射与折射 n1 sin1 n2 sin2
(2) 全反射临界 2 90
(3)
临界角 全反射 1
c c
arc sin
n2 n1
全反射条件： 光线由光密介质 入射角>全发射临界角
光疏介质
光纤的导光特性：是基于光线在纤芯和包层交界面上 的全反射。把光线限制在纤芯中传输。
LED、LD、 DFB
光接收机---接收光信号
光信号
前置放大器 光检测器
主放大器
均衡器
偏压控制
AGC 电路
判决器
再生码流
时钟 提取
中继器—恢复原来的信号
3R: 放大（Reamplifying）
重定时（Retiming） 整形（ Reshaping）
二.光纤通信的发展
Fire beacons 狼烟 1880年，贝尔(Bell)发明了 “光电
国际电联ITU-T 的光纤标准
• G.651：多模光纤 • G.652：第一代单模光纤（用量最大的） • G.653： 1550nm 零色散单模光纤 • G.654 ：1550nm 波长衰减最小光纤 • G.655：非零色散位移光纤 • G.656：
光学传输原理
分析光纤传输原理的常用方法：
几何光学法 麦克斯韦波动方程法 几何光学法（射线光学）：是忽略波长的光学（波长 趋近于0），用射线代表光能量传输路线的方法。 波动方程法：把光作为经典电磁场来处理，研究电磁 波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、长 结构等。。。
a0=a 折线变为螺旋线 a0=0 斜射线变为子午线
6.时间延迟（时延）
时间延迟 入射角为θ的光线在长度为L(AC)的光纤
中传输，所经历的路程为 LAB LBC
;
Lmin L；
Lmax LAB
LBC
n1 n2
L；
多模阶跃光纤最大时延差 max
Tmax Tmin
Lmax v
Lmin v
n1 n2 n1 n2 0.002
n1
1.500
（2）数值孔径NA：
NA n1 2 1.500 2 0.01 0.21
（3）入射临界角 max
max sin 1(NA) sin 1(0.21) 12.12o
5.斜射线在光纤中的传输
图A 光纤端面投影图 图B 光线传输的路径
斜射线在光纤中传输为一条空间折线。 焦散面：传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面 相切，该元柱面称为焦散面，半径为a0
商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器
1966 高锟 论文预言 1970 康宁、损耗20dB/km 波长1310、1550 nm低损耗窗口
SMF MMF to SMF DSF色散位移光纤
NZDSF 商用：大有效面积NZDSF
三.光纤通信系统的发展
第一阶段：70s 波长：850nm 光纤：多模光纤 MMF 速率：10-100Mb/s 距离：10km
1.多模阶跃光纤（Step Index Fiber, SIF）， 一般2a=50μm，特点是信号畸变大。
作用：相应的带宽只有10-20 MHz·km，只能用 于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。
2.多模渐变光纤（Graded Index Fiber, GIF），2a为50μm，特点是信号 畸变小。
作用：带宽可达1-2 GHz·km，适用于中等 容量（34-140 Mb/s）中等距离（10-20 km）系 统。
3.单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），2a=410 μm，其信号畸变很小。
作用：大容量（565 Mb/s－2.5 Gb/s）长距离(30 km以上)系统要用单模光纤
➢绪论 ➢光纤 ➢光发射机 ➢光接收机 ➢光纤通信系统设计
光纤通信
教材：
光纤通信（第二版） 顾婉仪 人民邮电出版社
参考书：
1.光纤通信及网络技术 徐宝强 北京航空航天大学出版社 2.光纤通信（第四版 ） Gerd Keiser 电子工业出版社