Fiber23光纤的传输特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Fiber23光纤的传输特性,教学回忆,光纤的构造：纤芯n1、包层n2,光纤的类型：折射率n分布：阶跃型折射率 渐变型折射率,传输模式：单模光纤 多模光纤,导光的条件：全反射 临界角c=sin-1n2/n1 相长干预,主要参数：,相对折射率差：=(n1-n2/n1,数值孔径：NA=(n12-n22)=sin max n1(2)1/2,最大接收角：max=sin-1(n12-n22)1/2,接收角：=2max,2.3 光纤的传输特性,一、分析方法说明,1、几何光学(射线光学),光在光纤中传输的条件：,入射角,i,大于临界角,c,的光线，才能在纤芯与包层的反射面处形成全反射;,且经过不同路径的光波在光纤内只有相长干预，才能在光纤中传输。否那么由于折射泄漏或相消干预，随着传输路程的增长，光功率很快减弱，在光纤中不可能传输太远的距离。,2、注意,根据纤芯直径d与所传输光波的波长之比d/的大小，光纤的传输原理可用几何光学理论和波导理论进展分析。,(1)对于多模光纤，d/远大于波长(d=50-100m，=0.83m)，可用几何光学的光线传输理论来分析光纤的导光原理和传输特性-简单直观。,(2)对于单模光纤，d/与波长在同一个数量级，d=8.3m，=1.55m，就必须用波导理论来分析导光原理和传输特性-麦克斯韦方程，贝赛尔函数(P56-58,二、光的波动理论,P58,光是一种电磁波,在光纤中传输规律遵循麦克斯韦方程,E:电场强度,D=E:电感强度,H:磁场强度,B=H:磁感应强度,由麦克斯韦方程可得到光纤的模式特性、场构造、,传输常数和截止条件。,n:介质的折射率,K,0,:自由空间的波数,K,0,=2,0,Z,0,=(,0,/,0,),1/2,=377 波阻抗,：电磁波的相位常数,三、光在光纤中,传输,模式,对于特定的光纤构造，只有满足一定条件的光(电磁波)才可以在光纤中进展有效的传输，这些特定的电磁波称光纤模式。,当光纤的构造尺寸和径向折射率一定时，在该光纤中传播光的模式是一定的。,在光纤中可传输的模式数量与具体构造尺寸和折射率的径向分布有关。,只支持一种模式的光纤称单模光纤，支持多个传导模式的光纤称多模光纤。,1、归一化变量,P59,引入两个常数U和W。,U=K02 n 12-21/2a,-导波的半径方向归一化相位常数P59,W=2-K02 n 221/2 a,-导波的半径方向归一化衰减系数,K0 -自由空间的波数；,n 1、n 2-纤芯、包层的折射率；-相位常数；,a-纤芯半径,由U和W可以得出两个比较重要的根本参量：归一化传播常数b和归一化频率V。(P59),2、光纤的V参数归一化频率 P59,对于阶跃型折射率光纤，可以用V参数来反映其根本特性，V参数也称归一化频率，其表达式为：,V=2a(n12-n22)1/2/,=2a n1(2)1/2/,=2a NA/,V参数,与光纤的几何尺寸2a、光纤的折射率n,1,和n,2,有关，所以V参数也是描述光纤特性的重要参数。,当V2.405时，假设光源的波长足够小，高阶模也将在光纤内传输，所以光纤变成了多模光纤。,c是单模传输的最小波长，称为,截止波长,，所以单模光纤的截止波长c由,V=2a(n,1,2,-n,2,2,),1/2,/c,c=2a(n,1,2,-n,2,2,),1/2,4、标量模,标量模又称线性偏振模(Linearly Polarized mode)，他是矢量模的线性叠加，即简并模。可以用LPmn来表示(m=0,1,2,n=1,2,3 )。,不同的m和n值，场分布和传输特性不同，表示相应模式的光纤截面的分布规律。,m表示沿圆周方向光场出现最大值的,对数,；,n表示沿半径方向光场出现最大值的,个数,，见图3-5-1。,光纤中只传输一种标量模LP01的光纤为单模光纤，传输两种以上标量模的光纤为多模光纤。,5、阶跃光纤的传输 P62图3-6-1,当V2.405时，只有一种模式可通过光纤芯传输，当减少纤芯直径使V参数进一步减小时，光纤内仍能支持这一种模式，但是该模式进入包层的场强增加了。因此该模式的一些光功率被损失掉了。,2.40483 V10(7),说明：,当V2.405时，只有基模LP01传输。基模LP01对所有的V参数都存在，是永不截止的模式，因此称LP01为基模或主模。,当光纤的V参数为2.405V7时，再按NV2/2计算。,V=2a(n,1,2,-n,2,2,),1/2,/=2a NA/2a n,1,(2),1/2,/,根本计算,例2-3,某阶跃型多模光纤的纤芯直径d=2a=100m，,纤芯的折射率,n1=1.468，,包层的折射率n2=1.447，,设光源所发出的光波长=850nm，,计算在该阶跃型多模光纤内所允许传输的模式数量N为多少？,解：将a=d/2=50m，=850nm及n1=1.468，n2=1.447带入V参数的计算式得：,V=2a(n,1,2,-n,2,2,),1/222,),1/2,由，,所以在该光纤内所允许传输的模式数量,NV,22,/2=4140,例2-4 某阶跃折射率光纤的纤芯折射率n1=1.468，包层的折射率n2=1.447，设光源所发出的光波长=1550nm，计算在该阶跃型光纤内单模传输时的纤芯直径？,解：当V2.405时，可实现单模传输，那么有,V=2a(n12-n22)1/222)1/2,可得a2.473m，即当纤芯半径a2.473m时，在该阶跃型光纤内可单模传输。,例2-5 某阶跃光纤的纤芯折射率n1=1.468，纤芯半经a=25m，相对折射率差=0.005，设光源所发出的光波长=1300nm，计算在该光纤内所允许传输的模式数量N为多少？,解：该光纤的V参数为,V2a n1(2)1/2/=(2a/1.3)20.0051/21.468=18,由于V=182.405，所以NV2/2=182/2=162,例2-6 某阶跃型多模光纤的纤芯折射率n1=1.480，包层的折射率n2=1.460，该光纤的纤芯直径d=2a=100m，设光源所发出的光波长=850nm，计算从空气n0=1射入该光纤内时，该光纤的数值孔经NA、最大可接收角和模式数量N为多少？,解：该光纤的数值孔经NA=(n,1,2,-n,2,2,),1/2,22,),1/2,sinmax=NA/n,0,=0.2425/1=0.2425，可得max=14,0,，所以=2max=28,0,V=2a NA/,=23.14500.2425/0.85=89.6，由于V=89.62.405，所以模式数量N为,NV,22,/2=4012,四、模场分布 P60,1、单模光纤场分布,模场直径：MFD=2a+2,MFD2a(V+1)/V,2、模场图,五、衰减损耗系数L(P64)1、衰减系数L,光信号在光纤中传输时，随Z方向的距离衰减程度，用损耗来衡量。,假设该损耗是在长度为Lkm的光纤上传输，且损耗是均匀的，那么单位长度的损耗系数L为：,图3-11 光纤的传输衰减示意图,=10lg(P,in,/P,out,)(dB),L=/L=10lg(Pin/Pout)/L dB/km,例2-7：,光源注入到传输光纤的输入光功率P,in,=,1mw,，光纤输出端的光功率，即光电探测器所要求的光功率P,out,=,10nw,，光源所发出的光波长=1.3m，在1.3m波段，光纤的衰减系数,=0.4dB/km，请计算该段光纤的无中继器距离L为多少？,解：由dB=-1/L10lg(Pout/Pin)可得,L=-1/10lg(Pout/Pin)=-1/(0.4dB/km)10lg(10-8/10-3)=125km,2、光纤的损耗原因 P65,1吸收损耗：由杂质OH-引起的损耗，对波长约为1.4m处的光衰减较为厉害；,2散射损耗：由于光纤外表的随机畸变或粗糙所产生的波导散射损耗；,3辐射损耗：辐射损耗是由于光纤弯曲所产生的损耗，光纤在成缆绞线或架设光缆时都有可能根据需要发生弯曲。为了减少光纤的弯曲辐射，应尽量增大光纤的拐弯半径，以便减少光纤的辐射损耗。,4外套损耗：光信号在光纤中传输时，包层内的光能并没有完全消失，为了防止光信号的辐射而造成串音干扰，光纤的外保护套必须将包层内剩余的光能量全部吸收掉，这个过程也形成一定的功率损耗，它也是整个光功率损耗的一个组成局部。,3、光纤通信的低损耗窗口,第一低损耗窗口短波长0.85m附近；,0.85m时约为2.5dB/km。,第二低损耗窗口长波长1.31m附近；,1.31m时约为0.4dB/km。,第三低损耗窗口长波长1.55m附近；,在1.55m时仅为0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为0.15dB/km)。,六、,光纤的色散特性 P67,光纤色散原因,光信号在光纤中传输是由不同的频率波长成份和不同模式成份组成。这些不同的频率成份和模式有不同的传播速度，从而引起色散。,传输距离越长色散越厉害,1、什么是光纤色散,当光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。,2、色散的程度描述,时延差可以表示光纤的色散程度：=DL,D为色散系数,单位为ps/(nmkm);,为光源谱宽，(nm),L为传输的距离，(km),时延差(ps)越大，色散越严重,3、光纤色散的种类,1色散后果：,光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量BL。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。,2色散种类：,1材料色散 P68,由于材料折射率n随光波长非线性变化引起的色散DM,P683-9-7,在0，时延差最小，称为材料的零色散波长。,2波导色散,对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于某模式的电磁波而言，传播常数可以由U、V和W推出，在不同的频率下，相位常数不同，使得群速不同而引起色散，这种色散称为波导色散DW。,D=Dm+DW 0 零色散,D=Dm+DW 0非零色散,3模式色散P69,模式色散是指不同模式的电磁波在光纤中传播，群速不同而引起的色散。可以用光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示。,1阶跃型光纤的最大时延差,max=max-0,=Ln1/c,P69式3-9-13,2渐变型光纤的最大时延差,n11-2(r/a)1/2n11-(r/a)ra,n(r)=,n2 arb,N2/2C =2最小,max=,N(-2)/c(+2)2,=2为最正确指数分布 N材料的群指数 P70,例2-8,光源的波长,=1550nm，谱宽,1/2,=2nm。材料,色散D,m,=+10 ps/nmkm，光纤,的半径a=4m,波导,色散Dw,=-6ps/nmkm，请计,算该光纤每公里的,色散时间。,解：D=|Dw+Dm|,=|+10ps/nmkm-6ps/nmkm|,=4ps/nmkm。,所以该光纤传输光信号时，每公里的色散时间=|D|,1/2,1km,=|4ps/nmkm|2nm1km=8ps,习 题 2,2.1 分别计算波长为820nm、1310nm、1550nm的光子能量，试比较波长与光子的能量关系？2.410-19J 1.4910-19J 1.2810-19J,2.2 假设0.82m波长的光波以10W的光功率入射到光探测器上，那么探测器5秒钟内接收的光子数为多少？2.061014,2.3 假设0.82m波长的高斯光束，光源直径20为1m，其扩散角2为多少?该光源传输到距离光源1km处的光斑直径为多少？,2.4 光线从空气n1=1进入玻璃n2=1.5，当入射角i=300时，折射角t为多少？当入射角i=00时法线入射，折射角t又为多少？2.5 自由空间波长为1330nm的光波在石英光纤n2=1.460中传输时，当该光线从石英光纤中传输入射到石英与空气界面时，计算发生全反射的临界角C。,2.6 设,C,是光纤的临界角，证明cos,C,=(n,