高锟，华裔物理学家，生于中国上 海，祖籍江苏金山（今上海市金山 区），拥有英国、美国国籍并持中 国香港居民身份，目前在香港和美 国加州山景城两地居住。高锟为光 纤通讯、电机工程专家，华文媒体 誉之为“光纤之父”、普世誉之为 “光纤通讯之父”（Father of Fiber Optic Communications）， 曾任香港中文大学校长。2009年， 与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍 德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。
NA
sin
n1
2
1 2
光纤波导的数值孔径NA
5 光纤的传输特性
描述光纤传输特性的参数主要有光纤的 损耗和色散。
光纤的损耗
1966年7月，在高锟与G.A.霍克哈姆合作 的一篇论文中提出：“只要设法降低玻璃纤 维中的杂质，就能够获得能用于通信的传输 损耗较低的光导纤维。”
引起光纤的损耗的主要原因大致有光纤材 料不纯、光纤几何结构不完善及光纤材料的 本征损耗等。为此可将光纤损耗大致分为吸 收损耗、 散射损耗和其它损耗。
L
由单模光纤波长与损耗的关系曲线图可见， 在1.3 μm和 1.55μm 波长附近损耗较低, 且带 宽较宽。
光纤的色散特性
所谓光纤的色散是指光纤传播的信号波形 发生畸变的一种物理现象, 表现为使光脉冲 宽度展宽。光脉冲变宽后有可能使到达接收 端的前后两个脉冲无法分辨, 因此脉冲加宽 就会限制传送数据的速率, 从而限制了通信 容量。
§3.5 光波导
• 光波导是一个统称，光导纤维（光纤）是 目前在信息技术中应用最广泛的导波机构。
• 光波导属于介质波导，利用两种介质边界 条件导引光波的传输。
• 光纤与一般微波段使用的介质波导相比， 其工作频率要高得多（光波长为微米级）， 横截面的尺寸也小得多，所以称其为光导 纤维，简称为光纤。
一 光纤的结构型式及导光机理 二 单模光纤的标量近似分析
光纤的结构
多芯光缆
一 光纤的结构型式及导光机理
1 光纤的基本结构
• 光纤是在圆形介质波导的基础上发展起来 的导光传输系统。
• 光纤是由折射率为n1的光学玻璃拉成的纤 维作芯, 表面覆盖一层折射率为 n2(n2<n1)的玻璃或塑料作为套层所构成, 也可以在低折射率n2的玻璃细管内充以折 射率为n1(n2<n1)的介质。
• 对于传导模,也应满足一定的条件。
e jt z , g
2
相对折射率差Δ
• 光纤芯与包层相对折射率差Δ定义为下式； • Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，
但信息传输容量却越小。 • 它反映了包层与光纤芯折射率的接近程度。
当Δ～0时, 称此光纤为弱传导光纤。
n1 n2 n1
折射率分布因子g
光纤色散主要有材料色散、 波导色散和模 间色散三种色散效应。
•所谓材料色散就是由于制作光纤的材料随着 工作频率ω的改变而变化, 也即光纤材料的折 射率不是常数, 而是频率的函数(n=n(ω)), 从而 引起色散。
• 吸收损耗是指光在光纤中传播时, 被光纤材 料吸收变成热能的一种损耗, 它主要包括: 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。
• 散射损耗是指由于光纤结构的不均匀, 光波 在传播过程中变更传播方向, 使本来沿内部 传播的一部分光由于散射而跑到光纤外面 去了。散射的结果是使光波能量减少。散 射损耗有瑞利散射损耗、非线性效应散射 损耗和波导效应散射损耗等。
• 包层除使传输的光波免受外界干扰之外, 还起着控制纤芯内传输模式的作用。
光纤结构参数
几何参数：芯线的半径，包层的半径 介质参数：芯线折射率n1，包层的折射率n2
n 0
rr
r
n2 n1
光纤分类
• 光纤按组成材料可和全塑料光纤。
• 按折射率分布形状可分为阶跃型光纤 和渐变型光纤。
• 按传输模式可分为多模光纤和单模光 纤。
2 全反射与光纤导光机理
• 光波作为一种电磁波波长非常短，在 空间传播可以用直线来描述。
• 在界面上反射折射可以用光线满足反 射、折射定律来描述。
• 芯线和包层折射率满足条件，光线就 会以全反射的形式在光纤中传播。
r i n1 sini
n2
sint
sin ic
• 从几何光学的关系看, 并不是所有的入射到 光纤端面上的光都能进入光纤内部进行传播, 都能从光纤入射端进去从出射端出来, 而只 有角度小于某一个角度θ的光线, 才能在光纤 内部传播。
• 这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径。
•光纤的数值孔径NA还可以用相对折射率差Δ 来描述； •这个关系可以说明为了取得较大的数值孔径, 相对折射率差Δ应取大一些。
• 其它损耗包括由于光纤的弯曲或连接等引 起的信号损耗等。
高锟——“光纤之父”
光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。发 明光纤电缆的，就是被誉为“光纤之父” 的华人科学家高锟。
1968年英籍华人高锟首先提出了光纤 通信的概念，按照他的理论，美国康宁公 司制造了第一根用于光纤通信的光导纤维。 现在用光纤做成的光缆已遍布全球，不仅 铺设在陆地，也铺进了海洋。光纤通信彻 底改变了人类通讯模式。
• 光纤的折射率分布因子g是描述光纤折射率 分布的参数。 一般情况下, 光纤折射率随径 向变化如下式所示:
n(r)
n1[1
2(
r a
)g
],
r
a
n2, when r a
g 阶跃型光纤
抛物型光纤
g2
g const 渐变型光纤
三种常用的光纤波导
数值孔径NA
• 光纤的数值孔径NA是描述光纤收集光能力 的一个参数。
n2 n1
, n2
n1
3 描述光纤的特性参量
描述光纤的基本参数除了光纤的几何 参数和介质参数外, 还有光波波长λg、 光纤芯与包层的相对折射率差Δ、折射 率分布因子g以及数值孔径NA等为了 描述光纤特性定义的特性参数。
光波波长λg
• 同描述电磁波传播一样, 光纤传播因子为 如下式, 其中ω是传导模的工作角频率, β 为光纤的相移常数。
不管是哪种损耗，都可归纳为光在光纤传 播过程中引起的功率衰减。一般用衰减常数α 来表示；式中, P0、P1分别是入端和出端功率, L是光纤长度。当功率采用dBm表示时, 衰减常 数α可用下列公式来表示:
10lg( p1 / p0) (dB / km)
L p0(dBm ) p1(dBm ) (dB / km)