现代通信技术概论第4章

第4章光纤通信系统4.1光纤通信概述 4.2光纤与光缆4.3光纤通信系统4.4光纤通信新技术现代通信技术概论第4章4.1光纤通信概述光纤是光导纤维的简称。它是以石英为原材料经特殊工艺提纯、拉丝而制成的，直径从几微米到上百微米之间的玻璃纤维。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。现代通信技术概论第4章光纤通信的历史虽然不长，但发展速度和规模却十分惊人。光纤通信以其宽带、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，成为当代干线通信的主要传输手段。现代通信技术概论第4章4.1.1光纤通信发展简史光纤通信的起源

烽火台—最早的光通信系统，“二进制，有中继”

手旗、灯光现代通信技术概论第4章1880年，贝尔发明了第一个光电话其原理是：将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束。这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。以日光为光源，大气为媒质，硒晶体作为光接收器，振动调制213米传输距离，最早的无线光通信！现代通信技术概论第4章光电话原理图用弧光灯或者太阳光作为光源，光束通过透镜聚焦在话筒的震动片上。当人对着话筒讲话时，震动片随着话音震动而使反射光的强弱随着话音的强弱作相应的变化，从而使话音信息“承载”在光波上（这个过程叫调制）。光源ABMNL送话器反射镜震动片光敏电池接收镜在接收端，装有一个抛物面接收镜，它把经过大气传送过来的载有话音信息的光波反射到硅光电池上硅光电池将光能转换成电流（这个过程叫解调）。电流送到听筒，就可以听到从发送端送过来的声音了。现代通信技术概论第4章光电话实用的制约因素信道：贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。因此自然对光信号的干扰很大。且光在传输过程中损耗也非常大。光源：Bell的光电话利用自然光作为载波，这种光的频率和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信现代通信技术概论第4章没有合适的光源普通光源（太阳光、灯光）方向性和相干性极差，近于噪声，无法适应长距离传输的需要没有合适的传输媒质光的波长极短，穿越障碍的能力很差以空气作为传输媒质时，光信号受环境影响太大必须通过一个低损耗的介质器件进行引导（波导）没有合适的检测器件进一步发展的困难在哪里？现代通信技术概论第4章光纤通信对光源的要求：

1）光源发射的峰值波长应在光纤低损耗窗口之内：中心波长应在0.85μm，1.31μm或1.55μm附近

2）光谱单色性要好：谱线宽度要窄，以减少光纤色散以带宽的限制3）电/光转换率要高在驱动功率低时，有足够大而稳定的输出光功率，且线性良好。现代通信技术概论第4章光纤通信对光源的要求（续）：

4）发射光束的方向性要好：

以利于提高光源与光纤之间的耦合效率5）调制速率要高或响应速度要快：以利于高速率、大容量数字信号的传输；6）应能在常温下以连续波方式工作温度稳定性好，可靠性高，寿命长；

7）体积小，重量轻，安装使用方便，价格便宜。现代通信技术概论第4章光源问题的解决——激光器的发明激光器Vs.传统电信系统中的信号源激光——LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation通过受激辐射的光放大与自然光，灯光有本质区别频率稳定，方向性、相干性都好,适合远距离传现代通信技术概论第4章

1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。

1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象：当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”，受激辐射可以得到一种单色性很好、亮度又很高的新型光源。

光源问题的解决——激光器的发明现代通信技术概论第4章1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光。

1961年，美国贝尔实验室氦-氢气体激光器

1965年，第一台可产生大功率激光的器件--二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。

1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。

之后大量不同类型的激光器层出不穷。

——光源问题得到解决！现代通信技术概论第4章相关的半导体技术：激光器，检测器，.......相继问世。激光器的发明使人们认识到一个以光波为基础的新的通信时代已经到来。接下来所面临的最重要的问题就是需要寻找适当的光传输介质，实现光信号的低损耗远距离传输。现代通信技术概论第4章大气和自由空间是天然的光学信道。在无障碍情况下，光信号可以通过大气进行传输，构成所谓空间光通信系统。空间光通信系统所面临的困难：稳定性问题：尘埃、雨雪、大雾可致通信中断背景噪声问题：太阳、月亮、星系、民用光源等激光光束的发散问题光源与探测器之间的对准问题建筑物与地球弧形表面对光的直线传播的影响现代通信技术概论第4章波导传光原理的第一次实验演示1870年，JohnTyndall证明光线可以在传导媒质的边界上经全反射，而沿着媒质形状弯曲的前进传输媒质问题的解决——关于光纤的早期发现与发明现代通信技术概论第4章全反射：当光从光密媒质进入光疏媒质时,折射角大于入射角当入射角增大到某一角度时,折射角等于90度,此时,折射光完全消失，入射光全部反回原来的媒质中——光纤传光的基本原理临界角c光密媒质光疏媒质icic现代通信技术概论第4章在1920-1950期间,纤细的有柔韧性的玻璃和塑料光纤可以用于导光;这个时期的光纤称为“裸”光纤,因为光纤表面直接暴露在空气中.后发现使用包层能够改善光纤的特性现代通信技术概论第4章纯SiO2是已知的对光损耗最小的材料！

——对导光材料的研究集中在石英玻璃纤维上！芯子通常为掺锗石英（SiO2:Ge）包层通常为纯石英（SiO2）涂覆层为树脂材料于1954年由荷兰人vanHeel提出的光纤结构现代通信技术概论第4章光纤损耗分贝表示：

LkmPinPout衰减为1000dB/km,远远达不到实用的水平,如何降低衰减,从而达到实用的水平?20dB的衰减表示输出功率仅剩1％，1000dB/km的损耗意味着这种光纤根本无法用于信号传输!!!现代通信技术概论第4章光纤在20世纪50年代进入实用主要用于医疗，如胃镜，只能短距离成像，损耗很大到20世纪60年代中期，光纤损耗仍在400dB/km以上很多人对光纤通信丧失了信心现代通信技术概论第4章光纤的转折点1966年，英籍华人高锟（CharlesKao,1933年生于上海)发表堪称光纤通信开山之作的论文(Proc.IEE)《用于光频的光纤表面波导》在其发表的研究论文中指出，光纤的高损耗来自石英中的杂质，通过对原材料的提纯可以制作出适合长距离通信的低损耗光纤,预见玻璃可制成衰耗20dB/km以下的光导纤维，即光纤。现代通信技术概论第4章光纤的转折点文章从理论角度指出：玻璃损耗太高主要由其中的杂质离子导致；利用带有包层的石英玻璃纤维，可望将损耗降低到20dB/km(达到电缆水平)；通过进一步降低杂质浓度，可以获得远远低于20dB/km的损耗值！高锟(C.K.Kao)上述发现的重要意义在于指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃，以及光纤通信产业的迅速兴起。现代通信技术概论第4章1998年高锟在英国接受IEE授予的奖章光纤之父——高锟2009年高锟在瑞典接受瑞典国王颁发的诺贝尔奖章现代通信技术概论第4章光纤通信发展的实质性突破

1970年,康宁玻璃公司首先研制出衰耗20dB/km的光纤。光纤通信正式开始！据说康宁公司花费3000万美元，得到30米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。

现代通信技术概论第4章•1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长0.850μm)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。里程碑

•1973年，半导体激光器寿命达到7000小时。

•1976年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展现代通信技术概论第4章

•1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时的半导体激光器。真正实用

•1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激光器的技术进步，使1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1970年，光纤通信用光源取得了实质性的进展现代通信技术概论第4章在以后的10年中，波长为1.55μm的光纤损耗：1979年是0.20dB/km1984年是0.157dB/km1986年是0.154dB/km，接近了光纤最低损耗的理论极限现代通信技术概论第4章1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。•

1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。•

1974年降低到1.1dB/km。至此制约光纤通信的两个关键问题，光源和传输媒介问题完全得到解决。现代通信技术概论第4章光纤通信的普及和推广获得了高速发展的基本条件。

1977年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s的商用光纤通信系统。现代通信技术概论第4章自20世纪70年代，各种各样的光纤通信系统大体经过了这样几个阶段：1、第一代光纤通信系统在20世纪70年代末大量投入运营。由0.85微米的光源和多模光纤构成。光纤损耗大，多模光纤的传输带宽有限。应用在低速率、短距离条件。现代通信技术概论第4章2、20世纪80年代初，采用1.3微米的半导体发光二极管或激光二极管作为光源，再加上多模光纤构成了早期的第二代光纤传输系统。无中继距离20公里。传输速率140Mbit/s。20世纪80年中期，投入运营的第二代光纤通信系统由1.3微米的半导体激光器和单模光纤构成。传输损耗低，色散小。现代通信技术概论第4章3、第三代光纤通信系统采用了1.55微米作为工作波长，以色散位移光纤作为传输媒介。适宜于超高速、长距离无中继传输。典型传输速率为565Mbit/s、622bit/s、2.488GMbit/s。中继距离超过100公里。自80年代后期已经大量投入商用。现代通信技术概论第4章4、第四代光纤通信系统采用波分复用（WDM）技术在同一根光纤中传输多个光载波，获得了更高的传输速率同时采用光纤放大器（EDFA）直接放大光信号以代替传统的光-电-光中继方式。90年代中期投入商用。160*10Gbit/s。现代通信技术概论第4章5、第五代，即下一代它主要具有以下特征：超宽带——单根光纤传输容量达到Tbit/s。超长距离——光放大传输距离达到1000~10000Km。光交换——克服电交换的瓶颈。智能化——智能光网络技术。现代通信技术概论第4章1977年美国在芝加哥两个电话局之间开通世界上第一个使用多模光纤的商用光纤通信系统(距离7km，波长850nm，速率45Mb/s)(我国第一个商用光纤通信系统开通于1982年)1983年日本敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。1988年由美、日、英、法发起的第一条横跨大西洋海底光缆通信系统建成。1989年第一条横跨太平洋的海底光缆通信系统建成。……全球海底光缆分布情况现代通信技术概论第4章中国光纤发展史摘要1991年，我国停止对建长途电缆通信系统的建设，做出大力发展光纤通信系统的决定。1993年，我国第一条国际光缆——中日海底光缆建成投产，从上海南汇至日本宫崎，全长1252公里，可供15120对人同时通电话，或开通其他非话音业务。1996年，全长2100余公里，穿越14个国家的亚欧光缆投入运营。现代通信技术概论第4章1997年，中美海底光缆开工，北线于1999年12月初全部建成，并于2000年1月19日正式投入使用，是亚洲各国连通美国的主要电信线路。至1999年，8纵8横光纤骨干网建成，覆盖了除台湾外所有省会城市和75％地市，全国长途光缆达到20万公里，建成并开通了中日、中韩、亚欧等多条国际陆地、海底光缆。现代通信技术概论第4章“八横八纵”大容量光纤通信网八纵是：

（⒈）哈尔滨－沈阳－大连－上海－广州；

（⒉）齐齐哈尔－北京－郑州－广州－海口－三亚；

（⒊）北京－上海；

（⒋）北京－广州；

（⒌）呼和浩特－广西北海；工程总长4000公里，投资8亿多元，98年3月全线贯通

（⒍）呼和浩特－昆明；

（⒎）西宁－拉萨；

工程总长2454公里，投资6亿多元，98年7月全线贯通

（⒏）成都－南宁。现代通信技术概论第4章“八横八纵”大容量光纤通信网八横是：

（⒈）北京－兰州；

工程总长2052公里，投资４亿多元，96年全线贯通

（⒉）青岛－银川；

(⒊)上海－西安；

(⒋)连云港－新疆伊宁；

(⒌)上海－重庆；

(⒍)杭州－成都；

(⒎)广州－南宁－昆明；

(⒏)广州－北海－昆明。现代通信技术概论第4章FLAG－FiberOpticLink aroundtheGlobe架空光缆直埋光缆北京上海至欧洲至日本FLAG至韩国至朝鲜至俄罗斯至东南亚我国光缆骨干网分布图现代通信技术概论第4章2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通。到2007年底，光缆线路总长度达577.7万公里，其中长途光缆线路长度达到79.2万公里，接入网光缆线路长度159.6万公里。2008年9月，中、韩、美的六家公司合建的横跨太平洋高速直达光缆建成投产，速率1.28-5.12Tb/s，可同时供1920万人通话或传输16万路高清电视，光缆全长2.6万公里。现代通信技术概论第4章赵梓森，1932年生，毕业于上海交大，1973年建议开展光纤通信技术研究，并提出正确的技术路线，为我国光纤通信发展起到决定性作用。上世纪70年代末，组织研制生产出我国的首批实用化的光纤光缆和设备。现代通信技术概论第4章1979年，他和同事们拉制出了我国第一条实用光纤；

1982年1月1日，武汉三镇开通了我国第一条实用化的光纤通信工程。“当时的两条光纤只能通120路电话，现在能通数千万路电话！”目前，世界上最长的京-汉-广140兆毕/秒架空通信工程，也是由他率领一批科技人员共同完成的，它全部采用我国独立研制的光电设备。现代通信技术概论第4章4.1.2光纤通信的特点1、传输损耗小，中继距离长

1.55μm波长附近约0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。例如，单模光纤的中继距离可达几十至上百千米。如果采用同轴电缆传输则第2-3千米就要一次中继。现代通信技术概论第4章在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多。若传输1.31um的光，每公里损耗在0.35dB以下；若传输1.55um的光，每公里损耗可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。现代通信技术概论第4章此外，光纤传输损耗还有两个特点:一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。现代通信技术概论第4章2、传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在带宽可达几十太赫兹（1012Hz）为了扩大通信容量，有线通信从明线发展到电缆，无线通信从短波发展到微波和毫米波，它们都是通过提高载波频率来扩容的。光纤通信所使用的频率要比以上使用的频率高得多，可使用的带宽巨大。现代通信技术概论第4章10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF自由空间波长(m)频率(Hz)电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电通信波段划分及相应传输媒介频段划分传输介质现代通信技术概论第4章通信中，信道的带宽和信道的容量遵循所谓的香农公式：B是信道频带宽度（简称带宽）；S是信号功率谱密度；N是信道噪声功率谱密度；C是信道容量由于任何信道都无法避免地会有各种噪声，而信号的功率也不可能太高，所以信道的容量不可能达到无穷。现代通信技术概论第4章典型的语音、视频和数据业务的信息速率高清电视、电影20Mb/s业务类型数据速率视频点播/交互式TV1.5～6Mb/s视频游戏1~2Mb/s远程教育1.5~3Mb/s电子购物1.5~6Mb/s数据传送或远程支付1~3Mb/s视频会议0.384~2Mb/s语言（单信道）64Kb/s现代通信技术概论第4章理论上光纤通信可容纳：电话：7.5亿路电视：30万路目前，在全波光纤上传输，传输速率可达50Tb/s现代通信技术概论第4章3、抗电磁干扰，保密效果好1）光纤是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰；2）光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。现代通信技术概论第4章4、体积小、重量轻、便于运输和敷设因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um～10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多。加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。现代通信技术概论第4章5、原材料丰富、节约有色金属、有利于环保6、工作性能可靠一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高。加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。现代通信技术概论第4章不足：光纤质地脆弱易断、机械强度低;敷设时的弯曲半径不宜太小；需要比较好的切割及连接技术；分路、耦合比较麻烦。现代通信技术概论第4章4.2光纤与光缆光纤的结构与分类光纤的导光原理光纤的传输特性光缆现代通信技术概论第4章4.2.1

光纤的结构与分类中文名称：光纤英文名称：opticalfiber其他名称：光导纤维

光纤简介现代通信技术概论第4章光纤的定义

光纤，是光导纤维（OF：OpticalFiber）的简写。光通信系统中常常将OpticalFiber简化为Fiber，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

现代通信技术概论第4章光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、包层、涂覆层；

光纤的核心部分是纤芯和包层，称为裸纤。包层外面涂覆一层硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯(30－150μm)，然后增加保护套加以保护。

纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，使光波的传输局限于纤芯内。一、光纤的结构现代通信技术概论第4章光纤(opticalfiber)是高度透明的玻璃丝，具有三层结构:纤芯：SiO2(99.9999%),少量掺GeO2包层：纯SiO2，或少量掺Be硼，折射率略低于纤芯涂覆层：环氧树脂、硅橡胶等高分子材料,保护作用纤芯包层涂覆层现代通信技术概论第4章纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。现代通信技术概论第4章包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。现代通信技术概论第4章涂覆层：光纤的最外层为涂覆层包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。

一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；

缓冲层一般为性能良好的填充油膏；

二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。现代通信技术概论第4章光纤的分类方法很多光纤截面折射率分布按照光纤中传输模式数的多少光纤使用的材料传输的工作波长二、光纤的分类现代通信技术概论第4章按光纤制作材料划分石英系列光纤（以SiO2为主要材料）多组分光纤（材料由多组成分组成）液芯光纤（纤芯呈液态）塑料光纤（以塑料为材料）现代通信技术概论第4章按传输模式划分多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)单模光纤(SingleModeFiber，SMF)现代通信技术概论第4章高次模基模低次模 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。现代通信技术概论第4章多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输现代通信技术概论第4章单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。现代通信技术概论第4章一根光纤是不是单模传输，与(1)光纤自身的结构参数

(2)光纤中传输的光波长有关。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长(1550nm)，单模光纤芯径为8～12mm，而多模光纤芯径>50mm。现代通信技术概论第4章2.按折射率分布分类 阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)

渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)现代通信技术概论第4章

按光纤的工作波长分类短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。现代通信技术概论第4章G.651光纤:渐变多模光纤，工作波长为1.31μm和1.55μm，在1.31μm处光纤有最小色散，而在1.55μm处光纤有最小损耗，主要用于计算机局域网或接入网。G.652光纤：常规单模光纤，也称为非色散位移光纤，其零色散波长为1.31μm，在1.55μm处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。G.653光纤：色散位移光纤，在1.55μm处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55μm处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55μm处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55μm～1.65μm处色散值为0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。按ITU-T建议分类现代通信技术概论第4章4.2.2

光纤的导光原理1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。现代通信技术概论第4章人们发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。现代通信技术概论第4章后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。现代通信技术概论第4章1.光的反射与折射定律

θ入=θ反当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。现代通信技术概论第4章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：现代通信技术概论第4章光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播现代通信技术概论第4章相对折射率差Δ对于阶跃型光纤，假设纤芯折射率n1,包层折射率n2，且n1＞n2

n1和n2的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。n2n1包层纤芯光线现代通信技术概论第4章对于通信系统中，n1≈n2n2n1包层纤芯光线现代通信技术概论第4章数值孔径NA为表示光纤的集光能力大小

定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA）现代通信技术概论第4章对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为：现代通信技术概论第4章4.2.3光纤的传输特性

光纤的传输特性描述的是光纤的传输损耗色散非线性效应。现代通信技术概论第4章1.传输损耗

光纤传输损耗表现为随着传输距离的增加光功率逐渐下降，主要原因是吸收和散射造成再加光纤结构不完善导致。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.现代通信技术概论第4章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。

具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重叠，难以分辨。现代通信技术概论第4章有三个参数来描述光纤色散的程度:色散系数最大时延差△τ光纤带宽系数现代通信技术概论第4章光纤色散的类型模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。材料色散：由光纤材料自身特性造成的。波导色散：由光纤中的光波导结构引起的。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。现代通信技术概论第4章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。现代通信技术概论第4章4.2.4

光缆通常光纤与光缆两个名词会被混淆多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害，如水，火，电击等。现代通信技术概论第4章光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维.护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。现代通信技术概论第4章分类方法

光缆种类按用途长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合光缆按敷设方式直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆按传输模式单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）按结构层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式

按外护套结构

无铠装、钢带铠装、钢丝铠装

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

光缆的分类现代通信技术概论第4章几种光缆的结构现代通信技术概论第4章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。现代通信技术概论第4章1.电发送端机把信源消息转换成电数字信号。现代通信技术概论第4章

光发射机的主要作用是将电信号转换成光信号耦合进光纤。

光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源。

目前主要采用半导体激光器（LD）

或半导体发光二极管（LED）。2.光发送端机现代通信技术概论第4章光源的调制有直接调制或外调制两种方式：现代通信技术概论第4章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。适用于低速的半导体发光二极管（LED）。直接调制（强-直调制）：现代通信技术概论第4章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。外腔调制（相干光调制）现代通信技术概论第4章一种直接调制的共发射极驱动电路现代通信技术概论第4章4.光中继器直接对光信号进行放大，如掺铒光纤放大器（EDFA），可以放大1.55μm波长附近的光信号，适用于长途越洋光通信系统。中继器起到放大信号功率、延长通信距离的作用。光-电-光中继方式正在被光放大器取代现代通信技术概论第4章5.光接收端机将光纤传输过来的微弱光信号，经光检测器转变为电信号，然后再经放大电路放大到足够的电平，送到电接收端机去。电信号现代通信技术概论第4章

光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器

主要采用光电二极管（PIN）

和雪崩光电二极管（APD）现代通信技术概论第4章6.电接收端机电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，并还原为信宿可接收的形式。现代通信技术概论第4章

光纤技术的具体应用一、通信应用二、光纤通信技术在电力通信中的应用三、医学应用四、光纤通信技术在有线电视网络中的应用五、传感器应用现代通信技术概论第4章一、通信应用利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。国际通信（越洋光缆）、长途通信、城域通信、本地通信都是由光纤通信系统组成，中间的传输介质都是光纤，并且现在逐步在实现光纤到小区、光纤到楼甚至光纤到户。不是在通信中有哪些应用光纤，而是通信都在应用光纤，离不开光纤。现代通信技术概论第4章

光纤通信是以光纤为传输媒质,以光信号为信息载体的通信方式.现代通信技术概论第4章

FTTH(FiberToTheHome)，顾名思义就是一根光纤直接到家庭。具体说，FTTH是指将光网络单元(ONU)安装在住家用户或企业用户处，是光接入系列中除FTTD(光纤到桌面)外最靠近用户的光接入网应用类型。

FTTH的显著技术特点是不但提供更大的带宽，而且增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性，放宽了对环境条件和供电等要求，简化了维护和安装。现代通信技术概论第4章光纤通信的应用

1）光纤在公用电信网间作为传输线。

2）局域网中的应用。

3）光纤宽带综合业务数字网及光纤用户线。

4）作为危险环境下的通信线。诸如发电厂、化工厂、石油库等场所。

5）满足不同网络层面的应用。核心网层面、城域网层面、局域网层面等。

6）应用于专网。光纤通信主要应用于电力、公路、铁路、矿山等通信专网。现代通信技术概论第4章二、光纤通信技术在电力通信中的应用在谈到“光纤”的时候大家首先想到的可能会是光纤在通信领域的应用——光纤通信。的确，光纤给通信领域带来了许多技术上的突破，如传输频带宽，传输容量大；传输损耗小；抗干扰能力强等等。现代通信技术概论第4章由于光纤重量轻，体积小，直径一般只有几微米到几十微米，因此应当考虑光纤除了用于传输信息外的其他方面的用途，如电力。现在使用的电缆体积大重量大，而且传输过程中的损耗也非常大，所以用光纤来传输电力是一种极其重要的技术——电力光纤。现代通信技术概论第4章电力光纤和普通光纤没什么区别，主要用于电力通讯、继电保护、自动化传输等。电力光纤在目前来讲，是指用于电网通信及调度、保护的信息通道，主要形式有：

OPGW（光纤复合架空地线）

ADSS（自承式光缆）

OPLC（光纤复合低压电缆）现代通信技术概论第4章三、医学应用光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。现代通信技术概论第4章PLDD（经皮激光椎间盘汽化减压术）是目前世界上治疗椎间盘突出的最新方法该方法是通过一根纤细的光导纤维发出脉冲激光，将突出的椎间盘汽化，从而去除对神经的压迫，达到治疗的目地。目前已在美国、英国、德国、日本等发达国家广泛应用，国内仅北京、上海少数三甲级医院开展。现代通信技术概论第4章四、光纤通信技术在有线电视网络中的应用

20世纪90年代以来，我国光通信产业发展极其迅速，特别是广播电视网、电力通信网、电信干线传输网等的急速扩展，促使光纤光缆用量剧增。现代通信技术概论第4章五、传感器应用光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性，则可以做成各种传感器，测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。现代通信技术概论第4章对于电视节目的广播，采用的宽带传输系统可以将主站到地方站的所