() 10 log( Po ) dB/km
L Pi
式中λ是光波波长，L是光纤长度（km），Po与 Pi分别是光纤输出和输入端的光功率.
36
4.2 光纤与光缆
2.色散
理想光源应是频率单一的单色光，但现实光 源信号不纯，含有不同的波长成分，在折射率为 n1的光纤介质中传输速度不同，从而导致光信号 分量产生不同延迟，这种现象称为光纤的色散。
1974年，美国贝尔实验室制造出1dB/km损耗的低损耗 光纤。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
我们今天所说的光通信已不再是用可见光进行的 视觉通信，而是采用光波作为载波来传递信息的 通信方式。
两个关键问题：
一是必须有稳定的、低损耗的传输媒质；
二是必须要找到高强度的、可靠的光源。
数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不 发光）
光纤通信的优点
光纤通信的优点
引言
一个半世纪以来人类通信能力增长示意图
公 里 Ｘ 每 秒 比 特
21
4.1 光纤通信概述
4.1.2 光纤通信的特点 不足：光纤质地脆弱
易断，敷设时的弯曲 半径不宜太小
22
4.2 光纤与光缆
✓光纤与光缆的结构 ✓光纤的导光原理
Bell的光电话没能得到普及使用
2
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
Bell光电话的弱点：光信号是在大气中直接传递 的，敏感、易受干扰、传输距离近（几百米）
光纤通信的瓶颈：光波在大气中被吸收、反射、 折射、干扰，严重限制了传输距离
解决方法：
挖地下管道来传输 地下通道在几何上必须严格，且要放置许多反射
传播速度由折射率决定，折射率越大，速度越低。 靠近中心的地方，传输速度较慢，让纤芯折射率较大
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤按照折射率分布，又分为：阶跃型和渐变型
纤芯 纤芯 纤芯 纤芯
n(r)
n1 n1
n2
n2
包层
包层
r
2a
2b
(a) 阶跃型光纤折射率分布图
n(r)
n1
n2
n2
包层
反射角=入射角，折射角>入射角 当入射角较大时，在交界面上，全部入射光都被反
射回水中，这就是全反射。
光纤的诞生
可以制造透明的光导体，使得入射的光波信号在其中 不断地全反向，最终传到接收端。
这种导体叫做——光导纤维
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1950年研制出了用玻璃制成的光纤，然而损耗较大， 信号每传输10米，能量损耗达90%
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
多模光纤中的模间色散：
不同模式的光信号走过的距离不同，入射角越小，传 播路径越长，而在纤芯中传输速度又是一样的，所以 到达接收端的时间不同，这使得不同模式的信号出现 了时间上的差距，称为模间色散。
解决方法：改变各种光的传播速度，让距离远的光， 速度加快，距离近的光，速度放慢。
9
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
对光源的要求
波长与低损耗“窗口”一致：0.85微米，1.31 微米或1.55微米左右
光谱单色性要好，减少色散对带宽的限制 电/光转换效率要高 发射光束的稳定性要好 调制速率高，响应速度快 温度稳定性好，可靠性高，寿命长 体积小、重量轻，安装方便，价格便宜
多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考 虑材料色散和波导色散。
38
单模光纤中的色散系数与波长关系
色散系数ps/(nm.km)
40
Dm和Dw分别代表材料和波导色散
30
Dm
2a=11μm
20
Dm+Dw
10
B
2a=4.5μm
-10
A
2a=11μm Dw
-20
2a=4.5μm
λ(μm)
-30
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
4.2 光纤与光缆
3.非线性效应
非线性效应在波分复用信道间产生串话和功 率降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传 输距离，影响系统的设计参数。
光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和 弹性过程。
40
4.2.4 光缆
分类方法 按用途 按敷设方式 按传输模式 按结构 按外护套结构
光缆的分类
光缆种类 长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆 直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型） 层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装
4.2 光纤与光缆
2. 光纤的分类
按模式分：多模光纤，单模光纤 模式——电磁场分布
从几何学角度看，每根以不同角度入射到光纤中的光射 线都有不同于其它光射线的模式。
当光纤纤芯的几何尺寸大于光波波长时，光可以以多种 模式传输，形成多模光纤，纤芯直径约50-70μm
单模光纤纤芯直径只有5-10 μm
按光缆中有无金属 有金属光缆、无金属光缆
按维护方式
充油光缆、充气光缆
41
几种光缆的结构
裸光纤 涂敷层 紧套被覆层 芳纶纱加强元件 外护套
(a)室内单芯软光缆
被覆光纤 中心加强芯
薄膜绕包防水层
外护层
裸光纤 套管填充 缆芯填充
聚乙烯内护套 阻水材料 涂塑钢带
聚 多芯地下直埋光缆
包层 r
2a
2b
(b) 渐变型光纤折射率分布图
4.2 光纤与光缆
4.2.2 光纤的导光原理
在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于 光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一 条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播 特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分 析光在阶跃型光纤中的导光原理。
31
4.2 光纤与光缆
1.光的反射与折射定律
θ入=θ反
sin入 n2 sin折 n1
当θ折>900时，折射光线会反射回到纤 芯进行传播，这种现象称为全反射
包层 n2
θ折
折射光
纤芯 n1
入射光
θ入 θ反
反射光
32
4.2 光纤与光缆
2.光纤中的全反射传输
调整入射角θ，使得θ折2>90度而发生全反射：
✓ 直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光 波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号 直接控制光源的发光强度。适用于光源为低速的 半导体发光二极管（LED）的情况。
✓ 外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波 的频率或相位。
48
4.3光纤通信系统
例子：一种直接调制的共发射极驱动电路
+ Vc LED
光功率 P
输出光信号脉冲
C1
R2
O
Ui
Uo
R1
R3
电流 I
输入电信号脉冲
( a ) 共发射机驱动电路 ( b )
电脉冲信号直接调制效果图
镜或透镜
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
相比之下，由于金属中的电子可以自由移动，所 以电通信中的电缆不需要精密的几何结构
光波也是电磁波，是否能找到一种光导线，能够 方便高效地传输光波呢？
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
光的全反射：光从水（或玻璃）中射到空气中时， 在两者的交界面上，一部分光线发生反射，另一部 分发生折射。
LD
控制电 路
(b) 外腔调制
46
思考：
为什么不直接把原始信号变成光信号，并在 光纤中传输？
尽管电信号从远距离传输的效果上不如光纤 中的光信号，但就整个领域来看，电信号依 然是信息时代的主力。对于电信号的存储、 处理、分析、转换已经形成了相当完善的一 套机制。
4.3光纤通信系统
3. 光端机的调制方式
光缆
中继器
中继器
光缆
光 检 测
光接收端 机
电接收端 信宿 机
44
4.3光纤通信系统
1. 电发送端机
把信源消息转换成电数字信号。
45
4.3光纤通信系统
2. 光发送端机
光源的调制有直接调制或外调制两种方式：
电信号 线路编 驱动电 码路
光信号 LED
电信号 线路编 驱动电 外腔调制 光信号 码路 器
控制电路 (a) 直接调制
光纤通信是以光波作为 载体，以光导纤维作为传 输媒介的一种通信技术。
载波：波长0.8-2微米的 近红外光波
特点：宽带、大容量、低 损耗、长中继、抗电磁干 扰、体积小、重量轻、便 于敷设等优点，成为当代
长途通信最主要的手段。
16
光纤通信系统框图
如何让光波携带信息？
数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉 冲
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
激光——物质（红宝石、砷化镓等）受激跃 迁辐射所发出的一种特殊光。
具有良好的相干性、单色性、方向性和极高
的亮度。
4.1 光纤通信概述
4.1.1 光纤通信发展简史
1960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石 激光器
1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器 1970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器
光缆缆芯 钢丝铠甲抗拉件 耐压层 外护层
(c) 中心强度结构无金属光缆
(d) 深海专用光缆
4.2 光纤与光缆
43
4.3光纤通信系统
光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主 要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。