光纤通信第2章_光纤和光缆200602.ppt

光纤传输的原理光纤的色散和损耗光纤的测量技术光纤和光缆的制造与结构第二章、光纤和光缆第二章、光纤和光缆1/4/202311 光纤的结构与几何光学分析光纤的结构与几何光学分析1.1 1.1 光纤的分类和结构光纤的分类和结构分类：分类：折射率分类：阶折射率分类：阶跃型光纤（跃型光纤（SI）；渐变型光纤（）；渐变型光纤（GI）模式分类：多模光纤（模式分类：多模光纤（MM）；单模光纤（）；单模光纤（SM）材料分类：石英；塑料；液体材料分类：石英；塑料；液体 波长分类：短波长和长波长波长分类：短波长和长波长（0.85，1.31or1.55 m）特种光纤：特种光纤：EDFEDF掺铒光纤；掺铒光纤；DCFDCF色散补偿光纤；保偏光纤色散补偿光纤；保偏光纤重要组合（重要组合（MM-GI）多模渐变和（）多模渐变和（SM-SI）单模阶跃）单模阶跃结构：如图结构：如图1，典型尺寸，典型尺寸多模渐变（多模渐变（MM-GI）50/125 or 62.5/125 m单模阶跃（单模阶跃（SM-SI）9-10/125 m1/4/20232图图1 1、光纤的结构、光纤的结构 无穷大，阶跃折射率光纤无穷大，阶跃折射率光纤 2 2，抛物线分布折射率光纤，抛物线分布折射率光纤1/4/202331.2 1.2 光纤传输的几何光学解释光纤传输的几何光学解释光光波动性波动性粒子性粒子性波粒二相性波粒二相性几何光学几何光学电磁场理论电磁场理论波动光学波动光学光线光学光线光学图图2 2、阶跃光纤的光线传输、阶跃光纤的光线传输1/4/202341.2.1 1.2.1 阶跃型光纤阶跃型光纤 根据几何光学折射定理：根据几何光学折射定理：n0Sin i =n1Sin r=n1Cos 全反射定理：全反射定理：Sin c=n2/n1，c 光线全反射光线全反射 n0Sin c=n1Cos c=(n12-n21)1/2 i c光线全光线全反射反射 相对折射率差：相对折射率差：=(n1-n2)/n1 光纤数值孔径：光纤数值孔径：N.A=n0Sin c=n1(2)1/2 光纤的距离带宽乘积：光纤的距离带宽乘积：BLc/(n1)其中其中c为光速为光速 主要特点：主要特点：结构简单，容易制造结构简单，容易制造 传输带宽小，容量低传输带宽小，容量低 传输损耗大传输损耗大1/4/202351.2.2 1.2.2 渐变型光纤渐变型光纤图图3 3、渐变型光纤的光线传输、渐变型光纤的光线传输 n(r)折射率分布如图折射率分布如图 存在最佳折射率分布，存在最佳折射率分布，=2(1-),约约为为=2 光纤的距离带宽乘积：光纤的距离带宽乘积：BL8c/(n1 2)其中其中c为光速为光速 主要特点：主要特点：工艺较难工艺较难 传输带宽大，容量大传输带宽大，容量大 传输损耗较低传输损耗较低1/4/202362.2 2.2 模式理论模式理论2.2.1 Maxwell2.2.1 Maxwell方程方程对于无空间电荷的非铁磁性介质，且各向同性，其麦克斯韦方程组为：对于无空间电荷的非铁磁性介质，且各向同性，其麦克斯韦方程组为：0 0、0 0分别为真空中的介电常数和磁导率分别为真空中的介电常数和磁导率P P、M M为为感应电极化强度和感应磁极化强度，对于光纤感应电极化强度和感应磁极化强度，对于光纤玻璃材料不具磁性，玻璃材料不具磁性，M M0 0，在只考虑，在只考虑P P与与E E的线的线性关系时有通常可以忽略不计性关系时有通常可以忽略不计 光波传播行为的波动方程光波传播行为的波动方程 1/4/20237利用光纤的圆柱对称性，采用圆柱坐标利用光纤的圆柱对称性，采用圆柱坐标r r、z z E和和H的六个分量中只有两个分量是独立的，最合适的方法是选取的六个分量中只有两个分量是独立的，最合适的方法是选取Ez和和Hz作为独立分量，而作为独立分量，而Er、E、Hr、H 都可以由都可以由Ez和和Hz表示出来。表示出来。Zexp(iz)形式的解，为一个重要的物理概念传播常数 exp(im)，但由于场随必须以2为变化周期，所以m被限定为整数 著名的贝塞尔方程 2.2.2 2.2.2 波动方程求解波动方程求解1/4/20238解贝塞尔方程 这里A、A、B、B为常数，Jm、Ym、Km和Im为不同类型的贝塞尔函数，、的定义为：考虑到导模在r0时为有限值，在r时为零的边界条件，则对R(r)要求A0，B0，这样，方程的通解就成为：同样，可以得到Hz Hz 的表达式为1/4/20239其它四个分量，可由麦克斯韦方程表示为Ez，Hz的函数 讨论：1、，强度为零 2、导模截止，能量辐射除去 3、为实数，否则为衰减场，结论：1/4/2023102.2.3 2.2.3 本征值方程和模式本征值方程和模式模式：模式：EHmn和和HEmn，传播常数：传播常数：mn，简并模简并模:LPmn 以上方程以四个常数A、B、C、D表示出了光纤的纤芯包层两个区域的电磁场分布情况，这些常数必须满足E、H在纤芯和包层的分界面上切向分量连续的边界条件，由此可得出A、B、C、D必须满足的四个齐次方程，这些方程只有当系数矩阵的行列式为零时才有平凡解，这样可导出决定传播常数的一个方程 归一化频率：归一化传播常数：模折射率（或有效折射率）1/4/202311 对于一组给定的参数k0、a、n1和n2，可以对本征方程进行数值求解以确定传播常数。一般说来，它对每一个整数值m具有多解，可以用mn来表示（n1,2,）。每一个mn对应于光场的一种可能的空间分布，可由上述公式来表示，称为光纤中的一个模式。在一般情况下，Ez、Hz都不为零（m0除外），可以根据Hz大于或小于Ez而用HEmn或EHmn来表示光纤的模式 当m0时也用TEon和TMon来表示HEon和EHon，因为此时的模式分别相当于横电场（Ez0）和横磁场（Hz0）传播模式。在弱导光纤中，Ez和Hz都近似为零，所以也用LPmn（线性极化模）来表示模式。1/4/202312图图4 4、归一化传输常数、归一化传输常数b b、归一化频率、归一化频率V V及模式折射率与模式的关系及模式折射率与模式的关系1/4/202313V模式模式简并模式简并模式02.4048HE11LP013.8327TE01,TM01,HE21LP115.1356EH11,HE31,HE12LP21 ,LP025.5201EH21,HE41LP316.3802TE02,TM02,HE22LP127.0156EH31,HE51LP41表表1 1、光纤中的模式、光纤中的模式1/4/202314图图5 5、模式的分布和光强分布、模式的分布和光强分布1/4/2023152.2.4 2.2.4 单模光纤单模光纤一、单模条件和截止波长一、单模条件和截止波长 二、光强分布和模场直径二、光强分布和模场直径三、线偏振模和单模光纤的双折射三、线偏振模和单模光纤的双折射1/4/202316图图6 6、模式分布的仿真图、模式分布的仿真图图图8 8、归一化模场直径与、归一化模场直径与V V的关系的关系以及实际分布与高斯分布的比较以及实际分布与高斯分布的比较图图7 7、线偏振光的传输演变、线偏振光的传输演变1/4/2023172.3.1 色散的定义和组成色散的定义和组成色散：其一，光纤中不同模式由于传输速度不同造成的色散：其一，光纤中不同模式由于传输速度不同造成的时延不等，引起光脉冲展宽，称为模间色散；其二，时延不等，引起光脉冲展宽，称为模间色散；其二，同一模式由于光源的线宽，不同波长的传输速率不同同一模式由于光源的线宽，不同波长的传输速率不同将导致光脉冲展宽，称为模内色散，它由两部分组成将导致光脉冲展宽，称为模内色散，它由两部分组成波导色散和材料色散。波导色散和材料色散。2.3.2 多模光纤的带宽多模光纤的带宽2.3.3 单模光纤的色散单模光纤的色散2.3.4 色散位移和非零色散光纤色散位移和非零色散光纤2.3.5 高阶色散和偏振模色散高阶色散和偏振模色散2.3.6 色散的图解色散的图解2.3 2.3 光纤的带宽和色散光纤的带宽和色散1/4/202318图图9 9、单模光纤的色散，及波导色散和材料色散、单模光纤的色散，及波导色散和材料色散1/4/202319图图1010、色散位移和非零色散光纤、色散位移和非零色散光纤图图1111、偏振模色散、偏振模色散1/4/202320图图1111、图解光纤的色散、图解光纤的色散1/4/2023212.4 2.4 光纤的损耗光纤的损耗2.4.1 2.4.1 光纤损耗的定义光纤损耗的定义2.4.2 2.4.2 光纤损耗的构成光纤损耗的构成 材料吸收损耗材料吸收损耗本征吸收；分子、电子共振吸收本征吸收；分子、电子共振吸收杂质吸收；过渡金属杂质吸收，氢氧根吸收杂质吸收；过渡金属杂质吸收，氢氧根吸收 瑞利散色损耗瑞利散色损耗定义：纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射定义：纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射 波导缺陷损耗波导缺陷损耗弯曲损耗弯曲损耗1/4/202322图图1212、光纤的损耗、光纤的损耗1/4/2023232.5 2.5 光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应基本原理：非线性光学基本原理：非线性光学 光纤中的非线性光学光纤中的非线性光学2.5.1 2.5.1 非线性折射率，自相位调制和交叉相位调制非线性折射率，自相位调制和交叉相位调制n(n()；SPMSPM；XPMXPM2.5.2 2.5.2 受激拉曼散射和布里渊散射受激拉曼散射和布里渊散射2.5.3 2.5.3 四波混频四波混频1/4/2023242.6 2.6 光纤光缆的设计与制造光纤光缆的设计与制造2.6.1 2.6.1 光纤的制造光纤的制造一、光纤的设计一、光纤的设计二、光纤的生产（预制棒生产和拉丝）二、光纤的生产（预制棒生产和拉丝）2.6.2 2.6.2 光缆的制造光缆的制造一、光缆的分类一、光缆的分类二、典型光缆二、典型光缆2.6.3 2.6.3 光纤光缆的物理性能光纤光缆的物理性能一、光纤的物理性能一、光纤的物理性能 机械性能；温度性能；寿命等机械性能；温度性能；寿命等二、光缆的物理性能二、光缆的物理性能 机械性能；温度性能；寿命等机械性能；温度性能；寿命等1/4/202325图图1313、MCVDMCVD法光纤预制棒的生产法光纤预制棒的生产1/4/202326图图1414、光纤的拉丝塔示意图、光纤的拉丝塔示意图1/4/202327图图1515、光缆的示意图、光缆的示意图(a)(a)层绞式层绞式(b)(b)骨架式骨架式(c)(c)带状光纤带状光纤(d)(d)带状光缆带状光缆(e)(e)中心束管式光缆中心束管式光缆1/4/2023282.7 2.7 光纤的测量光纤的测量2.7.1 2.7.1 光纤损耗的测量光纤损耗的测量剪断法；插入法；光时域后向散射法（剪断法；插入法；光时域后向散射法（OTDROTDR）2.7.2 2.7.2 光纤带宽的测量光纤带宽的测量脉冲展宽法；扫频法脉冲展宽法；扫频法2.7.3 2.7.3 光纤色散的测量光纤色散的测量相移法；相干法；时延法；相移法；相干法；时延法；2.7.4 2.7.4 单模光纤截止波长和模场直径测量单模光纤截止波长和模场直径测量2.7.5 2.7.5 多模光纤数值孔径测量多模光纤数值孔径测量2.7.6 2.7.6 折射率分布测量折射率分布测量 折射近场法；近场法；端面反射法；干涉法折射近场法；近场法；端面反射法；干涉法2.7.7 2.7.7 光纤几何参数的测量光纤几何参数的测量2.7.8 2.7.8 小结小结 1/4/202329图图1616、剪断法测量光纤损耗、剪断法测量光纤损耗图图1717、多波长剪断法测量光纤损耗、多波长剪断法测量光纤损耗1/4/202330图图1818、测量光纤的注入条件、测量光纤的注入条件图图1919、扰模的方法、扰模的方法1/4/202331图图2020、插入法测量光纤损耗、插入法测量光纤损耗1/4/202332图图2121、OTDROTDR法测量光纤法测量光纤1/4/202333图图2222、典型、典型OTDROTDR测量曲线测量曲线 光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射；光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射；斜率为常数的区间；斜率为常数的区间；由于局部缺陷、连接或耦合造成的不连续；由于局部缺陷、连接或耦合造成的不连续；波导缺陷引起的反射；波导缺陷引起的反射；光纤尾端产生的菲涅尔反射。光纤尾端产生的菲涅尔反射。1/4/202334图图2323、脉冲展宽测量光纤带宽损耗、脉冲展宽测量光纤带宽损耗1/4/202335图图2424、扫频法测量光纤带宽、扫频法测量光纤带宽图图2525、相移法测量光纤色散、相移法测量光纤色散1/4/202336思考题一1.光光纤纤通通信信研研究究的的主主要要内内容容是是什什么么，它它以以哪哪些些显显著著的的优优势势在在通通信信领领域独占熬头？域独占熬头？2.光调制的基本方法是什么？光纤通信一般的调制方案是什么？光调制的基本方法是什么？光纤通信一般的调制方案是什么？3.光纤通信系统主要传输哪两类信号？什么是光纤通信系统主要传输哪两类信号？什么是RZ码和码和NRZ码？码？4.什么是光纤？光纤的分类什么是光纤？光纤的分类?单模及多模光纤的结构特点是什么？单模及多模光纤的结构特点是什么？5.什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。6.为什么色散和损耗是光纤通信的主要限制因素？为什么色散和损耗是光纤通信的主要限制因素？7.已已知知多多模模阶阶跃跃型型光光纤纤，纤纤芯芯折折射射率率为为n1=1.5，光光纤纤芯芯经经2a=50 m，相对折射率差相对折射率差=0.01，求？，求？A、光纤数值孔径光纤数值孔径N.A.和收光角？和收光角？B、归一化频率归一化频率V和导模总数和导模总数NS？（？（=1.3 m）C、如模间色散为如模间色散为5ns/km，光纤长为光纤长为10km，最大传输速率为多少最大传输速率为多少？D、当当=0.001时，光纤芯经时，光纤芯经2a为多大时光纤可单模工作？为多大时光纤可单模工作？8描述光纤中的模式，描述光纤中的模式，HE11(或或LP01)模的特点是什么？模的特点是什么？9什么是什么是G.652和和G.655光纤，它们的特点分别是什么？光纤，它们的特点分别是什么？1/4/202337思考题一（续）10有一多模光纤，传输的距离带宽乘积（有一多模光纤，传输的距离带宽乘积（BL）为）为1000MHz km，问传输，问传输4B5B编码的编码的100M以太数据流，最大可传输多少公里以太数据流，最大可传输多少公里？11有一单模光纤，在有一单模光纤，在1550nm的色散系数为的色散系数为20ps/nm km，该光纤，该光纤传输传输100 ps的光脉冲，经过的光脉冲，经过10km后脉冲展宽为多少？（光源线后脉冲展宽为多少？（光源线宽为宽为0.1nm）12单模光纤的平均损耗为单模光纤的平均损耗为0.4dB/km，1mw的光功率输入传输的光功率输入传输100km后输出的光功率为多少？（分别用线形和对数坐标计算，后输出的光功率为多少？（分别用线形和对数坐标计算，体会后者的好处）体会后者的好处）13利用光时域后向散射仪利用光时域后向散射仪OTDR测量光纤，可以获取哪几方面的测量光纤，可以获取哪几方面的信息？其中测量的盲区由什么因素决定？在一测量过程中，后信息？其中测量的盲区由什么因素决定？在一测量过程中，后向散射脉冲与发射脉冲时延为向散射脉冲与发射脉冲时延为50 s，请确定光纤断点的位置？，请确定光纤断点的位置？（n1=1.5）14了解光纤、光缆的生产过程及其特点。了解光纤、光缆的生产过程及其特点。15了解光纤测量的主要内容和方法。掌握光纤带宽和损耗的测试了解光纤测量的主要内容和方法。掌握光纤带宽和损耗的测试原理和方法。掌握单模光纤的测试原理和方法。原理和方法。掌握单模光纤的测试原理和方法。1/4/202338