20dB/km (1m附近波长区) 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在
1.55 m处) －－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的 革命，开创了光纤通信的时代。
光纤的基本知识（n1 n2）
n n 阶跃折射率光纤:
n 渐变折射率光纤:
1 为是常光数纤，半折径射r的率函仅数在，即1从、中2心分到界r＝面a上折发射生率突是变渐，
传输态。
光纤的结构参数
(5)折射率分布n(r)
纤芯折射率分布通式为：
1
nr
n01
2
r
2
a
n0 为纤芯中心折射率，r取值范围为0≤r≤a，α为折射率分布系数。α取值不
同，折射率分布不同：
α ＝∞时，折射率为阶跃型分布。 α＝2时，折射率为平方律分布(渐变型分布的一种)。 α＝1时，折射率为三角型分布。
n 变的
1
单模光纤: 芯径约10微米, 光在其中几乎沿轴向传输，传输带宽10GHz
多模渐变型光纤: 芯径约50微米，光的传输轨迹近似为正弦型，传输带 宽从数百MHz 到数GHz；
多模阶跃型光纤: 芯径约62.5微米，光传输轨迹为“之”字形，传输带 宽10MHz到50MHz。
石英光纤: 损耗小、性能好，常用于通信
和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 ？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输
特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
第四章 光波导技术基础
4.1 光纤概述 4.2 光纤的损耗特性 4.3 光纤的色散特性及色散限制
4.1 光纤概述
60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约
T
1 B
BL
n2 n12
c 1Leabharlann 阶跃光纤-传输容量限制:
BL
n2 n12
c
对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)， =0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km
减小值，BL能提高很多。一般<0.01。
当=0.002时，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率 传输10km，适用于一些局域网。
塑料光纤损耗大、易于耦合、制作容易，用于短距离能量传导等, 未来 希望向光纤入户与局域网方向发展。
考虑到目前情况，本章主要介绍石英光纤。
光纤的结构参数
(1)直径: 纤芯直径2a、包层直径2b
细要求：1 成本，光纤直径应尽量小，
2 机械强度和柔韧性，石英光纤很脆，粗则易断；
粗要求：对接、耦合、损耗
第四章
光波导技术基础
光纤
驱动电路
光源
调制器
光纤
中继器
光纤
光电二 极管
放大器 判决器
第四章 光波导技术基础
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗
大?
n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角
1. 阶跃光纤
High-order Mode (Longer path)
core cladding
Axial Mode (shortest path) Low-order Mode (shorter path)
所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内。
2. 渐变光纤
渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值 逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。
入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变 化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传 播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端， 降低模间色散。
平衡要求：总粗小于150μｍ。
典型单模光纤芯径约10μｍ（多取9μｍ），包层直径
125μｍ
多模阶跃光纤芯径62.5μｍ，包层直径125μｍ
多模渐变型光纤芯径约50μｍ，包层直径125μｍ
光纤的结构参数
(2)数值孔径: N.A.
光纤可能接受外来入射光的最大受光角( max )的正弦与入射区折射率的乘积。
N.A. n12 n22 n1n1 n2 n1 2
(4)归一化频率(V)
表示在光纤中传播模式多少的参数，定义为
V
2a 0
N.A.
k0a
n12 n22
它与平板波导中的归一化频率定义一致。a和 N.A.越小，V越小，在光纤中的传播
模式越少。一般地，当 V 2.4时，只有基模能传播；而当V 2.4 时，为多模
全反射要求：
1
c
sin 1
n2 n1
n0 sin n1 sin 90 c n1 cosc n1
1
n2 n1
2
n12 n22
于是得 N.A. n0 sin max n12 n22
N.A.代表光纤接收入射光的能力，只有 max 的光锥内的光才可能在光纤中发
生全反射而向前传播。
对于波长 1.55 μm 处典型值 n1 1.46，n2 1.455，可算得 N.A. 0.12 。
光纤界面光传输情况
光纤的结构参数
(3)相对折射率Δ
相对折射率Δ定义为纤芯折射率同包层折射率的差与纤芯折射率之比：
n1 n2 n1
一般n1只略大于n2：单模光纤 0.3% ，多模光纤 1% ，于是
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的 途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速 度传播，但到达光纤输出端的时间却不同， 出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
模间色散
1. 阶跃光纤
c
i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
T
n1 c
s
L
in
c
L
L c
n12 n2
-传输容量限制:
B--信号比特率
4.1.1 光纤的结构
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。
光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层
Clad)＋涂覆层
包层
树脂被覆层
芯
n n 特点： core> clad 光在芯和包层之间的界面上反复
进行全反射，并在光纤中传递下去。
根据芯区折射率径向分布的不同，可分为： 不同的折射率分布，传输特性完全不同
1. 阶跃光纤
-数值孔径(NA)
代表光纤接收光的本领
（示意图，比例不符）
c
i
n0
n1 n2
n0 sini n1 cosc n1 sinc n2 sin 900 n2 cosc
1 n2 n1 2
NA
n0
sini
相对折射率差
n12 n22 2n12
n1 n2 n1
n12 n22
NA n1212