新型光纤和光纤的基本特性课件

第第4章章 新型光纤和光纤的基本特性新型光纤和光纤的基本特性2018.04.16星期一第4章 新型光纤和光纤的基本特性2018.04.16复习：弱导光纤的模式复习：弱导光纤的模式当光纤的芯层和包层的相对折射率差1时，称这种光纤为弱导光纤弱导光纤。只能支持少数模式。弱导光纤,n1 n2,k0n1 k0n2;即k0n1 k0n2；实际的光纤就是实际的光纤就是弱导光纤弱导光纤LPlm模特点：模特点：1、场的横向分量远大于纵向分量；2、场的横向分量是线偏振的，（Hx,Ey;Ex,Hy）3、满足标量场方程，在边界处连续 4、LP模只有四个四个不为零的场分量Ex,0,Ez,0,Hy,Hz;0,Ey,Ez,Hx,0,Hz复习：弱导光纤的模式当光纤的芯层和包层的相对折射率差1LP模与传统模的标记方法的关系模与传统模的标记方法的关系 精确模单模光纤实际存在两个正交的偏振模，单模光纤实际存在两个正交的偏振模，LP01X和LP01y；LP模与传统模的标记方法的关系 精确模单模光纤实际存在两个正新型光纤和光纤的基本特性课件主要内容主要内容一、光纤的传输特性光纤的传输特性二、二、特种光纤特种光纤三、三、单模光纤色散补偿、减小色散的影响单模光纤色散补偿、减小色散的影响主要内容一、光纤的传输特性一、光纤的传输特性一、光纤的传输特性 1、光、光 纤纤 的的 损损 耗耗损耗系数 光纤的损耗限制了光纤最大无无中中继继传传输输距距离。离。损耗大小用损损耗耗系系数数()表示，单位为dB/km,即即单单位位长长度度光光纤纤的的光光功功率率损损耗耗dB（分贝）值（分贝）值。如果注入光纤的功率为 p(z=0),光纤的长度为L，经长度L的光纤传输后光功率为p(z=L)，则()为一、光纤的传输特性 1、光 纤 的 损 耗如果注入光纤 影响光纤的损耗系数较多,包包括括：1、瑞利散射；2、光纤缺陷；3、杂质吸收（如OH-根离子、红外）等式中，c1为瑞瑞利利散散射射常常数数，c2为与缺陷有关的常数，A()为杂质引起的波吸收。损耗损耗是是波长的函数波长的函数:影响光纤的损耗系数较多,式中，c1为瑞利散射常数，c2为与光纤损耗与波长的关系()与波长的关系如下图所示。从图中可看出，有三个低损耗窗口三个低损耗窗口，其中心波长分别位于0.85 m、1.30 m、1.55 m处。光纤损耗与波长的关系()与波长的关系如下图所示。从图光纤可用频谱光纤可用频谱 窗口窗口单模光纤的第一低损耗窗口位于0.85 m附近;第二低损耗窗口位于1.30m附近;第三低损耗窗口位于1.55 m附近。三个波段:S波段：波段：1475-1510nm；C波段波段：位于15281565 nm：L波段波段：15651620 nm。光纤可用频谱 窗口 三个波段:2、光纤的色散、光纤的色散色散种类（1）模式色散）模式色散（2）单模光纤的波长色散 a、材料色散 b、波导色散 C、偏振模色散偏振模色散2、光纤的色散色散种类（1）模式色散（2）单模光纤的波长色散（1）光纤的模式色散光纤的模式色散 模间时延差模间时延差 模间时延主要模间时延主要存在于存在于多模光纤中多模光纤中。由于不同的模的传播路径不同，因此到达目的地时不同的模之间存在时延差。对于多模光纤，其纤芯为50m，远大于光的波长1.3m，因而波动理论波动理论与几何光学分析几何光学分析的结论是一致的。可可以以将将一一个个模模式式看看成成是是光光线线在在光光纤纤中中一一种种可可能能的的行行进进路路径径。由于不同的路路径径其长度不同，因而对应的不同的模式其传播时延也不同。（1）光纤的模式色散 模间时延差 对于多模光纤，其纤芯为5图 模间时延差 图 模间时延差 设有一光脉冲注入长为L的阶跃型光纤中，可以用用几几何光学何光学求出其求出其最大最大的时延差的时延差。设一单单色色光波注入光纤中，其能能量量将将由由不不同同的的模模式式携携带带，速度最快的模（路径最短）与中心轴线光线相对应，速度最慢的模（路径最长）与沿全反射路径的光线相对应，可求出最大的时延差：最大的时延差：上式利用了全反射定理：sin=n2/n1，其其中中为为单单位位长度的时延长度的时延。设有一光脉冲注入长为L的阶跃型光纤中，可以用几何光学求出其模间色散的减少模间色散的减少模式色散：模式色散：由于不同的光线在光纤中传输的时间不同，因而输入一个光脉冲时，其能量在时间上相对集中能量在时间上相对集中，经光纤传输后传输后到达输出端，输出一个光脉冲，其能量在时间上相对弥散(脉冲展宽脉冲展宽)，这种现象称为模式色散模式色散。模式色散的影响。模式色散的影响。措施：措施：通过合理设计光纤，模式色散可以减小（如渐变光纤渐变光纤），甚至没有（如单模光纤）。模间色散的减少措施：通过合理设计光纤，模式色散可以减小（如多模光纤的最大比特率多模光纤的最大比特率 由于模式色散的存在，展宽的光脉冲会达到某种程度，使得前后光脉冲相互重叠，可能造成误码。造成误码。一根光纤信号传输的速率？一根光纤信号传输的速率？一个粗粗略略的的判判据据是,只要光脉冲在时间上的展宽不超过系统比特周期1/B 的1/2，即1/(2B)（B为系统的比比特特率率也就是信信息息传传输输速速率率），就可接受。因此模式色散有如下的限制:多模光纤的最大比特率一个粗略的判据是,只要光脉冲在时间上的 因而光纤通信系统由于受受模模式式色色散散的影响，其比特距离积比特距离积为：如=0.01，n1=1.5（n2），可得BL10（Mb/s）km。阶跃多模光纤阶跃多模光纤 因而光纤通信系统由于受模式色散的影响，其比特距离积为：对于折折射射率率成成抛抛物物线线分布的渐渐变变光光纤纤，在光纤L处，最快光线和最慢光线的时延差为：如假设 ,则系统的带宽距离积为 对于折射率成抛物线分布的渐变光纤，在光纤L处，最快光（2）单模光纤的波长色散）单模光纤的波长色散(色度色散色度色散)相速相速 单色光波可以描述为 E(z,t)=A cos(0t-(0)z)式中：A为光场的振幅，(=0)为传播常数，0=2f0。（2）单模光纤的波长色散(色度色散)相速 相相速速v定义为与与行波光场保持固定相位的观观察察者者前前进进的的速速度度或等等相相位位面面（t-z=常数）前进的速度:0t-(0)z=c 相速v定义为与行波光场保持固定相位的观察者前进的速度或等群速群速 实际光纤通信系统中的光波不不是是单单色色波波，为为简简化化分分析析,假设光波只包含两个分量：0+和0-，且1.27 m时有正的色散，2,若若D0,则1 2表示表示长波比短波的时延大,长波长波的速度速度小于小于短波短波的速度,这是反反常色散常色散反常色散区反常色散区正常色散区正常色散区红光，绿光？红光，绿光？正常色散、反常色散正常色散、反常色散脉冲线宽,经过单位长度的光纤后脉冲的展宽量为:设1 初始脉冲输出脉冲三、三、单模光纤色散补偿、减小色散的影响单模光纤色散补偿、减小色散的影响光纤脉冲展宽示意图脉冲展宽示意图初始脉冲输出脉冲三、单模光纤色散补偿、减小色散的影响光纤脉 单模光纤中的基模LP01可以分成相互正交的线性偏振模LP01X和LP01y。对于理想的圆柱对称光纤，这两个模具有相同的传传播播常常数数，尽管光脉冲的能量分布在这两个模上，但并没有引起光脉冲的展宽。实际上，光纤不可能保证圆柱对称性，存在双双折折射射，因而这两个模的传播常数有微小的差别，分布在这两个模式上的光能略微有分开。传播常数的差别导致了光脉冲的展宽，称这一现象为偏偏振振模色散模色散PMD偏振模偏振模及其及其色散色散 单模光纤中的基模LP01可以分成相互正交的线性偏振模Slow polarization stateFast polarization statet t =DelayInput pulset t Combined output偏振模色散偏振模色散LP01XLP01ySlow polarization stateFast po二、特种光纤二、特种光纤1、零色散波长光纤零色散波长光纤2、色散位移光纤色散位移光纤DSF3、色散平坦光纤色散平坦光纤DFF4、色散补偿光纤色散补偿光纤DCF5、非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（G.655）6、大有效面积光纤、大有效面积光纤7、光子晶体光纤光子晶体光纤8、掺稀土元素光纤、掺稀土元素光纤二、特种光纤1、零色散波长光纤2、色散位移光纤DSF3、色散1、零色散波长光纤零色散波长光纤。在某一波长范围，如1.27 m，由于材料色散材料色散与与波导色散符号波导色散符号相反相反，因而在某一波长上可以完全相互抵消。对于普通的单模光纤，波长为=1.30 m，选用工作于该波长的光纤其色散最小。常规单模光纤的色散特性示意图常规单模光纤的色散特性示意图1、零色散波长光纤。常规单模光纤的色散特性示意图2、色散位移光纤色散位移光纤DSF。减小光光纤纤的的纤纤芯芯使波导色散增加，可以把零色散波长向长波长方向移动，从而在光纤最低损耗窗口=1.55 m附近得到最小色散。将零色散波长移至=1.55m附近的光纤称为DSF光纤。3、色散平坦光纤色散平坦光纤DFF。将在=1.30 m和=1.55 m范围内，色散接近于零色散接近于零的光纤称为DFF光纤。2、色散位移光纤DSF。3、色散平坦光纤DFF。4、色散补偿光纤色散补偿光纤DCF。普通单模光纤的色散典型值为几个ps/(nmkm)，在特定波长范围内，DCF光纤的色散符号与其相反，即D为负数，这样当DCF光纤与普通单模光混合使用时,色散得到了补偿。为了得到好的补偿效果,通常DCF光纤的色散值很大，典型值为-103 ps/(kmnm)，所以只需很短的DCF光纤就能补偿很长的普通单模光纤。(色散管理色散管理)色散补偿器色散补偿器如如光纤光栅光纤光栅FBG。其原理都是让原先跑得快的波长经过补偿器时慢下来，减少不同波长由于速度不一样而导致的时延。DCFDCFDCF4、色散补偿光纤DCF。色散补偿器如光纤光栅FBG。DCFDAB啁啾光纤光栅原理：原理：不同波长的光在光栅的不同位置反射AB啁啾光纤光栅原理：不同波长的光在光栅的不同位置反射环形器啁啾光纤光栅1.补偿一阶二阶色散补偿一阶二阶色散2.动态补偿动态补偿环形器啁啾光纤光栅1.补偿一阶二阶色散5、非零色散位移光纤（、非零色散位移光纤（G.655）色散位移光纤在单信道系统中运行良好；在WDM系统中，由于有多个波长，各波长的色散接近于零，会引起四波混频。四波混频。所以研究者研制了非零色散位移光纤。色散值为色散值为0.1-6ps/(nm.km)作用：作用：可用于WDM系统中。零色散点在1500nm附近，在1525-1620nm（对应于掺铒光纤放大器的放大范围）的整个波段上，色散值为正值。5、非零色散位移光纤（G.655）色散位移光纤在单信道系统中非零色散位移光纤非零色散位移光纤折射率折射率分布分布非零色散位移光纤折射率分布几种单模光纤色散分布图几种单模光纤色散分布图几种单模光纤色散分布图6、大有效面积（、大有效面积（模场面积模场面积）光纤）光纤折射率分布图折射率分布图增大有效面积，可以减小非线性效应非线性效应6、大有效面积（模场面积）光纤折射率分布图增大有效面积，可以7、光子晶体光纤、光子晶体光纤多孔光纤，微结构光纤多孔光纤，微结构光纤折射率引导型光子晶体光纤折射率引导型光子晶体光纤(index-guiding PCF)光子带隙波导型光光子带隙波导型光子晶体光纤子晶体光纤(photonic band-gap PCF)7、光子晶体光纤多孔光纤，微结构光纤折射率引导型光子晶体光纤光子晶体光纤的制作光子晶体光纤的制作 步骤：步骤：首先设计出光子晶体光纤的基本结构设计出光子晶体光纤的基本结构，然后将预先熔融制成的预制棒研磨、钻孔后在光纤塔内拉伸成微细管；将这些微细管按照按照预先设计形状（六角形，网状等等）排列在一起，中心替中心替换成一根换成一根直径完全相同的实心微棒或者抽掉中间的实心微棒直径完全相同的实心微棒或者抽掉中间的实心微棒甚或甚或再将周围的一圈微细管也同时抽去形成空芯结构；再将周围的一圈微细管也同时抽去形成空芯结构；再经过一步或两步复拉伸形成最后所要的光子晶体光纤。对不同结构参数的光子晶体光纤应设定不同温度,以保证结构形状不变形。光子晶体光纤的制作 步骤：首先设计出光子晶体光纤的基本结构，光子晶体光纤的模场光子晶体光纤的模场分布分布光子晶体光纤的模场分布光子晶体光纤的特性光子晶体光纤的特性 a、无截止单模特性、无截止单模特性传统光纤的归一化频率V决定了模式数目，当V2.405时光纤是单模的。由于材料折射率相对于波长的变化较缓慢，因此传统光纤的V值与波长差不多成反比，如果缩短工作波长，就出现多模化。普通单模普通单模光纤的截止波长一般大于1。光子晶体光纤在337nm到1550nm波长范围内都是单模的单模的。光子晶体光纤有效归一化频率作为光子晶体光纤的单模传输条件 光子晶体光纤的特性 a、无截止单模特性光子晶体光纤在337n在较长的工作波长较长的工作波长下时，光场分布扩展到纤芯附近的气孔区域；如果工作波长较短较短，光场向包层空气孔的渗出就减小，也就是说光场更集中于纤芯位置，所以包层的有效折射层的有效折射率上升率上升，从而接近于纤芯的折射率。结果是结果是，随着波长变短，纤芯和包层的折射率差减小，V值的波长依赖性波长依赖性减弱，使得归一化频率趋于定值，从而可以在更宽的带宽范围内实现单模工作。在较长的工作波长下时，光场分布扩展到纤芯附近的气孔区域；b、灵活控制的色散特性、灵活控制的色散特性PCF的另一个重要特点是其可以灵活控制的色散特性。就光子晶体光纤的结构特征结构特征来说，它对波波导色散导色散有较高的控制性。常规光纤常规光纤是是在石英玻璃中掺杂而在截面内形成一定的折射率分布制成的，由于材料不匹配会造成光纤损耗材料不匹配会造成光纤损耗，因此纤芯和包层的折射率差不能过大。光子晶体光纤光子晶体光纤由单一材料由单一材料(纯二氧化硅纯二氧化硅)构成构成，它不存在常规光纤的材料不匹配现象。通过合理调节空气孔的尺寸和间距，可以获得较大的折射率差，从而更有效的控制波导色散。因此，通过设法改进PCF的波导结构波导结构就可以实现各种期望的色散特性。b、灵活控制的色散特性PCF的另一个重要特点是其可以灵活控制c、高双折射特性、高双折射特性 在PCF中比较容易实现高的双折射，只需将PCF横截面上的圆对称性破坏，圆对称性破坏，比如，在对称方向上减少一些空气孔或者改变空气孔的尺寸。下图图给出了两种类型的高双折射光子晶体光纤的截面图 目前报道的最高的双折射高达7.710-3 37 c、高双折射特性 在PCF中比较容易实现高的双折射，只需将P8、掺稀土元素光纤、掺稀土元素光纤掺铒光纤，掺镱光纤作用制作光纤放大器，光纤激光器特种材料光纤，见书特种材料光纤，见书P1018、掺稀土元素光纤掺铒光纤，掺镱光纤特种材料光纤，见书P10重点重点一、光纤的损耗二、光纤的色散思考题：思考题：零色散位移光纤是根据什么原理设计的？重点一、光纤的损耗思考题：零色散位移光纤是根据什么原理设计的