光纤传输理论课件

第三章第三章 光纤传输理论光纤传输理论第三章 光纤传输理论1当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，称为单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）。纤芯直径较大的光纤可传输多个模式，称为多模光纤（Multimode Fiber,MMF）。单模光纤与多模光纤的外径（包层直径）均为125m，多模光纤芯径50m或62.5m，单模光纤芯径810m。当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，2关键的名词和概念可传播的模式数可传播的模式数阶跃折射率光纤中的传输模式数M取决于光纤纤芯半径a、纤芯折射率n1、包层折射率n2和光波长。关键的名词和概念可传播的模式数阶跃折射率光纤中的传输模式数M3单模传输条件单模传输条件单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤的基模。基模不会截止。单模传输条件单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤4单模条件单模条件截止波长：截止波长：光纤纤芯半径：光纤纤芯半径：单模条件截止波长：光纤纤芯半径：5阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.4801.480和和和和1.4601.460，纤芯半，纤芯半，纤芯半，纤芯半径径径径5050mm，光源波，光源波，光源波，光源波长长长长0.85 m 0.85 m。请计请计请计请计算光从空气射入光算光从空气射入光算光从空气射入光算光从空气射入光纤纤纤纤的的的的数数数数值值值值孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。1 12 23 3归一化频率：归一化频率：归一化频率：归一化频率：模式数量：模式数量：模式数量：模式数量：阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯6典型典型典型典型单单模光模光模光模光纤纤的的的的纤纤芯直径是芯直径是芯直径是芯直径是8 8 m m，折射率是，折射率是，折射率是，折射率是1.461.46。其相。其相。其相。其相对对对对折射率差是折射率差是折射率差是折射率差是0.30.3，包，包，包，包层层层层直径是直径是直径是直径是125 m 125 m，光源波，光源波，光源波，光源波长为长为长为长为0.85 0.85 m m。请计请计请计请计算光算光算光算光纤纤纤纤的数的数的数的数值值值值孔径、最大可接收角和截止波孔径、最大可接收角和截止波孔径、最大可接收角和截止波孔径、最大可接收角和截止波长长长长。1 12 23 3单模传输条件：单模传输条件：单模传输条件：单模传输条件：对应截止波长：对应截止波长：对应截止波长：对应截止波长：典型单模光纤的纤芯直径是8 m，折射率是1.46。其相对70.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章 光纤特性0.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章 光纤8注入注入注入注入单单模光模光模光模光纤纤的的的的LDLD功率功率功率功率为为1mW1mW，在光，在光，在光，在光纤输纤输出端光出端光出端光出端光电电探探探探测测器器器器要求的最小光功率是要求的最小光功率是要求的最小光功率是要求的最小光功率是10nW10nW，在，在，在，在1.3 1.3 mm波段工作，光波段工作，光波段工作，光波段工作，光纤纤纤纤衰减衰减衰减衰减系数系数系数系数0.4dB/km0.4dB/km，请问请问请问请问无无无无须须须须中中中中继继继继器的最大光器的最大光器的最大光器的最大光纤长纤长纤长纤长度是多少？度是多少？度是多少？度是多少？衰减：衰减：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的9一一一一阶跃阶跃折射率光折射率光折射率光折射率光纤纤，纤纤芯半径芯半径芯半径芯半径a=25 a=25 m m，n1=1.5n1=1.5，相，相，相，相对对对对折折折折射率差射率差射率差射率差 1 1，长长长长度度度度 L L1km1km。求。求。求。求 （1 1）子午光）子午光）子午光）子午光线线线线的最大的最大的最大的最大时时时时延差；延差；延差；延差；（2 2）若将光）若将光）若将光）若将光纤纤纤纤的包的包的包的包层层层层和表面涂和表面涂和表面涂和表面涂层层层层去掉，求裸光去掉，求裸光去掉，求裸光去掉，求裸光纤纤纤纤的数的数的数的数值值值值孔孔孔孔径和最大径和最大径和最大径和最大时时时时延差。延差。延差。延差。最大时延差：最大时延差：一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25 m，n1=1.5，相10多模光纤 阶跃多模光纤的多模色散阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)多模光纤 阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)11单模光纤 单模光纤 12色度色散色度色散(模内色散模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法多模渐变折射率光纤多模渐变折射率光纤色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法13光纤传输理论课件14 Raman scattering:inelastic scattering of a photon.拉曼散射源自光纤中光与二氧化硅硅分子振拉曼散射源自光纤中光与二氧化硅硅分子振动之间的相互作用，使得一部分光子能量转化为动之间的相互作用，使得一部分光子能量转化为分子自身的机械能，同时发出频率低于入射光的分子自身的机械能，同时发出频率低于入射光的光子光子(Stoke波波)，原因是部分能量已经损失掉。，原因是部分能量已经损失掉。若分子已处于激发态，则可能产生频率高于入射若分子已处于激发态，则可能产生频率高于入射光的光子光的光子(反反Stoke波波)Brillouin scattering：inelastic scattering of a photon.是一种由材料密度变化引起的非弹性散射。是一种由材料密度变化引起的非弹性散射。材料密度变化可由声波或温度梯度引起。材料密度变化可由声波或温度梯度引起。Raman scattering:inelasti15相似之处：相似之处：都是非弹性散射，都引起光波频移都是非弹性散射，都引起光波频移不同之处不同之处:原理不同原理不同阈值不同：要求的功率阈值对受激拉曼散射为阈值不同：要求的功率阈值对受激拉曼散射为100mW200mW，对受激布里渊散射为，对受激布里渊散射为10mW。频移量不同，频移量不同，Raman大约大约10THz，Brillouin大大约约1-10GHz相似之处：16一个一个一个一个2222融融融融锥锥光光光光纤纤耦合器的性能指耦合器的性能指耦合器的性能指耦合器的性能指标标：分光比：分光比：分光比：分光比40/6040/60，6060的的的的信道的插入信道的插入信道的插入信道的插入损损耗耗耗耗为为2.7dB,2.7dB,而而而而4040的信道的插入的信道的插入的信道的插入的信道的插入损损耗耗耗耗为为4.7dB4.7dB。1 1，若，若，若，若输输入功率是入功率是入功率是入功率是1mw1mw，求两端口的，求两端口的，求两端口的，求两端口的输输出功率；出功率；出功率；出功率；2 2，求耦合器，求耦合器，求耦合器，求耦合器的的的的额额外外外外损损耗。耗。耗。耗。第五章 无源器件一个22融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60175.35.3、考、考、考、考虑虑如如如如图图所示的融所示的融所示的融所示的融锥锥光光光光纤纤耦合器中，耦合比耦合器中，耦合比耦合器中，耦合比耦合器中，耦合比为为拉伸拉伸拉伸拉伸长长度度度度的函数。工作于的函数。工作于的函数。工作于的函数。工作于13101310和和和和15401540时时的性能已的性能已的性能已的性能已经给经给出，如果拉伸出，如果拉伸出，如果拉伸出，如果拉伸长长度分度分度分度分别别在一下位置：在一下位置：在一下位置：在一下位置：A A，B B，C C，D D，E E和和和和F F，试讨论试讨论各个波各个波各个波各个波长长耦合器的性能。耦合器的性能。耦合器的性能。耦合器的性能。5.3、考虑如图所示的融锥光纤耦合器中，耦合比为拉伸长度的函18一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB/km，接头损耗0.5dB,若从一端注入功率为200 的光信号，求另一端输出功率。总损耗：总损耗：0.8dB/km*30km+0.5dB*2=25dB25dB=-10lg(Pout/200uW)光源光源光纤光纤探测端探测端一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB195.5、请简要说明光环形器的原理，同时、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤采用光纤Bragg光栅和光环形器组成一光栅和光环形器组成一个个四四波长的波长的WDM合波器。合波器。5.5、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤Bragg光栅20光栅周期：=uv/2sin(/2)Bragg波长：波长：光栅周期：=uv/2sin(/2)21一光通信系一光通信系一光通信系一光通信系统统的通道的通道的通道的通道间间隔是隔是隔是隔是200GHz200GHz，求通道，求通道，求通道，求通道间间的波的波的波的波长间长间隔隔隔隔是多少是多少是多少是多少(波波波波长长1550nm)1550nm)？请问请问在在在在1525nm1525nm1565nm1565nm波段可以波段可以波段可以波段可以容容容容纳纳多少个通道？多少个通道？多少个通道？多少个通道？一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔是多22输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：第六章 有源器件输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极23噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值 NF反比于光频率，980nm噪声系数小噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值 NF反比于光频率，924入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生光生载流子。截止波长 入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生25响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比 量子效率 1.015 A/W1.124 A/W响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比 量子效率 126能带差E和发出光的振荡频率v之间有Ehv的关系。这里h是普朗克常数，等于6.62510-34焦耳秒。半导体发射波长由=c/v的关系式得出E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特(eV)，需转换单位 1.43 869nm0.96 1294nm能带差E和发出光的振荡频率v之间有Ehv的关系。这里h27光电二极管的倍增因子 量子效率 42.5光电二极管的倍增因子 量子效率 42.528光纤传输理论课件2981GHz0.195nm81GHz0.195nm30光纤的历史 1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输 1960-电射及光纤之发明 1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 2000-到屋边光纤=到桌边光纤 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭 光纤的历史 1880-AlexandraGrahamBell31光纤的分类（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。（2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。光纤的分类（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、32光纤的衰减 造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8m），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。光纤的衰减 造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质33光纤传输优点 1、频带宽2损耗低3重量轻4抗干扰能力强5保真度高6工作性能可靠7成本不断下降光纤传输优点 1、频带宽34