现代光纤通信技术2-光纤

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,70,第二章 光纤,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。,第二章 光纤,2.1 光纤概述,2.2 光纤传输原理,2.3 光纤的传输特性,2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤,本,章内容,光纤的构造,纤芯：高纯度SiO,2,+掺杂剂如GeO,2,等，2a：950,m,包层：高纯度SiO,2,+掺杂剂如B,2,O,3,，2b：125,m,涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙,纤芯,和,包层,都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。,纤芯掺入,Ge,和,P,折射率,包层掺入,B,折射率,2.1 光纤概述,2.1 光纤概述,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,三种主要类型光纤的比较,光纤的分类,工作波长,：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤（0.85m、1.3 m和1.55 m ）等,折射率,：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、W型、凹陷型）等。,传输模式,：单模（ SM）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持光纤）和多模（MM）光纤两种。,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，晶体光纤等。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。,制造方法,：有外汽相沉积法（OVD）、汽相轴向沉积法（VAD）、改进汽相沉积法（MCVD）和等离子体化学汽相沉积工艺（PCVD）等 。,光纤光缆的制作,用气相沉积法制作具有所需折射率分布的,预制棒,（典型预制棒长1m,直径2cm）,使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中,加热,成缆-光缆,预制棒制作技术,改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）、棒外气相沉积法（OVD）和轴向气相沉积法（VAD）,制造光纤预制棒,的MCVD流程示意图,光纤拉丝装置示意图,光纤光缆的制作,几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析,2.2 光纤的传输原理,光线理论（几何光学方法）,把光看作,射线,，并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象,波动理论 （波动光学方法）,把光波当作,电磁波,，把光纤看作光波导，用电磁场分布的模式来解释光在光纤中的传播现象,光的反射与折射,光的全反射现象,光线理论,光在阶跃光纤中的传播轨迹,光学参数,数值孔径,折射率差,光线理论,单模光纤中光线传播路径,NA表示光纤接收和传输光的能力。,NA（或,a,）越大，表示光纤,接收光的能力,越强，光源与光纤之间的,耦合效率,越高。,NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤,抗弯曲特性,越好。,NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的,模色散,，因而限制了信息传输容量，所以必须适当选择NA。,单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。,数值孔径,光在渐变光纤中传播的定性解释,将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:,光线理论,光在渐变光纤以不同角度入射的光线族皆以,正弦曲线,轨迹在光纤中传播，且,近似成聚焦状,理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：,2,n,1,n,光线理论,光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，,不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性,。尤其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正确处理单模光纤的问题。,在,光波导理论,中，更普遍地采用波动光学的方法，即把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的,传播模式、场结构、传输常数及裁止条件,。,波动理论,(1),(2),(3),(4),磁场强度,电场强度,磁感应强度,电感应强度,麦克斯韦（Maxwells Equations）方程组,波动理论,考虑无源情况，即,=0，,J,=0。,如果介质是均匀的，即可得到平面波导波动方程：,（2.8）,采用柱坐标(,r,z,)，使,z,轴和光纤轴线一致，即可得到,电场,z,分量,E,z,的波动方程：,（2.9）,波动理论,同理可得到,磁场,z,分量,H,z,的波动方程,考虑无源情况，即,=0，j=0，对式（2）,两边取旋度,将式（1）代入,考虑到有如下矢量恒等式,（11）,（12）,（13）,（14）,将式（13）代入式（12）,波动理论,由式（4）得,则,将式（16）代入式（14）得,如果介质是均匀的，即,，即可得到熟悉的波动方程,（15）,（16）,（17）,（18）,波动理论,对于阶跃折射率分布光纤，它的芯层和包层都是均匀介质，式（18）是适用的，但是对于渐变折射率分布光纤，由于芯层的折射率是随位置变化的，,不等于零，但光纤的,在一个光波波长距离内变化很小，所以此式对渐变折射率光纤仍是适用的。,经同样步骤，可以得到磁场强度,的波动方程,（19）,波动理论,假定,则可得,（20）,（21）,波动理论,采用柱坐标使,轴和光纤轴线一致，就得到电场 的波动方程：,（22）,找出,和 的解，就可以得到场的其他分量 ， ， 和 。,波动理论,假设,（23）,代入式（22）,（24）,令 ，则,（25）,波动理论,除去,接近无限的函数，由式（25）得到：,波动理论,对称平面波导的TE波,x,z,y,0,H,E,TE波,x,y,z,n,2,n,1,n,2,对称平面波导,平面波导的,TE波,是由垂直偏振的平面波再平面边界反射而成,y,x,对称平面波导中几种低阶导模中的电场分布,模的阶数等于穿过波导的零值点的个数,E,z,=0对应的模叫做横电模（,TE模,）；,H,z,=0对应的模叫做横磁模（,TM模,）；,若,E,z,和,H,z,都不为零，则称为混合模。混合模依据横向场中,E,z,和,H,z,的分量哪个更强，分为,HE模,和,EH模,;,光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构, HE-EH模成对出现,且它们的传播常数基本相等，称为,简并模,;,具有相同传播常数的简并模，可用线偏振模（,LP模,）表示,讨论：,波动理论,LP模,传统模式,LP,01,HE,11,LP,11,HE,21,TE,01,TM,01,LP,21,HE,31,EH,11,LP,02,HE,12,LP,31,HE,41,EH,21,LP,12,HE,22,TE,02,TM,02,LP,1m,HE,2m,TE,0m,TM,0m,LP,lm,(,l,0或1),HE,l+1,m,EH,l-1,m,表2.1 低阶LP模的组成,属于同一个LP模的模式的横向场强（,E,x,或,E,y,）相等,波动理论,由（2.9）得到：,（2.9）,其中：,J,l,(x),：第一类,l,阶贝塞尔函数；,K,l,(x),：第一类,l,阶改进的贝塞尔函数；,光波在光纤中,成为导波的条件,是,n,2,k,lm,n,1,k,，其中,lm,是光波的传播常数。,用数值法求解确定,lm,，可以得到许多,电磁场模式,： TE,lm,、TM,lm,、HE,lm,和EH,lm,。,波动理论,贝塞尔函数图形,贝塞尔函数,前三个根,（不包括零根）,2.40483,3.83171,5.13562,5.52008,7.01559,8.41724,8.65373,10.17347,11.61984,贝塞尔函数根,J,0,（,u,）,J,1,（,u,）,J,2,（,u,）,波动理论,几个低阶模的归一化传播常数随,V,的变化,归一化频率V,确定传输模式的参数。可由波动方程导出。,a,为纤芯半径，,为光波波长，为折射率差。,参量,V,决定了光纤中能容纳的模式数量。如果V2.405，则它只容纳单模,单模光纤,。,模式,: 每一个传输常数对应着一种可能的光场分布。一个模式是由它的传播常数唯一确定的。,经计算HE11 ，归一化截止频率V=0,HE,21,TE,01,TM,01,，归一化截止频率V=2.405,所以要实现SMF，,0V1ps),光场幅度的有效值或均方根,线性折射率,非线性折射率或Kerr系数,折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。,一、自相位调制SPM,折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项：,光纤有效截面积,由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为,自相位调制,，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。,线性传输时的传播常数,非线性系数,光纤中传输的功率,非线性相移,非线性相移与信号功率成比例增大，,输入信号功率越大，非线性效应越强。,SPM不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现,频率啁啾，,引起光脉冲的频谱展宽,。,二、互相位调制XPM,在多波长系统中（WDM），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。,XPM是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。,特点：,信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第,j,信道的相移可写为：,M：信道总数；P,j,：信道功率（j1M）；因子2表明在同样功率下XPM的影响是SPM的两倍，这样总相移就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图形而变化。,交叉相位调制在多信道系统中是主要的功率限制因素,三、 四波混频FWM,FWM：,光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。,对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。,G.652 普通单模光纤(SMF),性能,模场直径,(m),零色散波长,(nm),工作波长,(nm),最大衰减系数,(dB/km),最大色散系数,ps/(nm,km),要求值,1310nm,8.69.5,0.7,1310,1310或1550,1310nm0.40,1550nm0.25,1310nm 0,1550nm 17,2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤,最早实用化的光纤，零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。,缺点：工作波长为1550nm时色散系数高达17ps/(nmkm)阻碍了高速率、远距离通信的发展。,几种光纤的色散特性,波导色散影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。,DSF(G.653光纤) 通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使,零色散波长,从1310nm移到1550nm。,光纤在1550nm窗口,损耗更低,，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以,实现零色散和最低损耗传输的性能,优点：在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均很小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。,弱点：工作区内的零色散点导致非线性四波混频效应,G.653 色散位移单模光纤(DSF),2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤,性能,模场直径,(m),零色散波长,(nm),工作波长,(nm),最大衰减系数,(dB/km),最大色散系数,ps/(nm,km),要求值,1310nm:8.3,1550,1550,1550nm0.25,15251575nm：,3.5,NZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。使得其能用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。,优点：在1550nm处有一低的色散，保证抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。,缺点：模场直径小，容易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积NZ-DSF光纤,G.655 非零色散位移单模光纤(NZ-DSF),2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤,1550nm:0.25,1625nm:0.30,15301565,15301565,1550nm：,8110.7,要求值,最大色散系数,ps/(nmkm),最大衰减系数,(dB/km),工作波长,(nm),零色散波长,(nm),模场直径,(m),性能,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,第二章 光纤。但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。本章讨论的要点。不同的折射率分布，传输特性完全不同。用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型预制棒长1m,直径2cm）。Hz=0对应的模叫做横磁模（TM模）。混合模依据横向场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模。光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构, HE-EH模成对出现,且它们的传播常数基本相等，称为简并模。具有相同传播常数的简并模，可用线偏振模（LP模）表示。如果V2.405，则它只容纳单模单模光纤。所以要实现SMF，0V 2.405。波导色散取决于波导的结构参数和波长。G.652G.653 G.655。对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。这部分附加功率（以分贝为单位）就是相应非线性效应的功率代价。非线性效应随光纤中光强的增大而增大,