光纤传输原理与基本特性.ppt
《光纤传输原理与基本特性.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光纤传输原理与基本特性.ppt(47页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、关于光纤传输原理与基本特性现在学习的是第1页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性 光信号经光纤传输后要产生光信号经光纤传输后要产生损耗损耗和和畸变畸变( (失真失真) ),因而输出,因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号,不仅幅度要减小,而且信号和输入信号不同。对于脉冲信号,不仅幅度要减小,而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离,损耗限制系统的传输距离,色散则限制
2、系统的传输容量。色散则限制系统的传输容量。 现在学习的是第2页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性1.3.1 1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗 光纤的损耗在很大程度上决定了系统的光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离传输距离。 在最一般的条件下,在光纤内传输的在最一般的条件下,在光纤内传输的光功率光功率P P随随距离距离z z的变化,可以用下式的变化,可以用下式表示表示 PadzdPpaoP)exp(0LaPPp)/(343. 4)(110kmdBaPzPgLapo习惯上光纤的损耗用下式计算,用习惯上光纤的损耗用下式计
3、算,用dBdBkmkm来表示,来表示,式中,式中, 是损耗系数。设长度为是损耗系数。设长度为L(km)L(km)的光纤,输入光功率为的光纤,输入光功率为 ,根输出,根输出光功率应为光功率应为 现在学习的是第3页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.1 1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗1.1.损耗机理损耗机理 1)1)吸收损耗吸收损耗.(.(原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征吸收原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征吸收) )2322212143nnnRc临界曲率半径临界曲率半径3)3)辐射损耗辐射损耗 ( (弯曲弯曲) )2)2)散射损耗散射损耗. .(瑞利散
4、射、波导散射、非线性散射)(瑞利散射、波导散射、非线性散射)现在学习的是第4页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.1 1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗2.2.在路光纤损耗谱在路光纤损耗谱 下图是单模光纤的损耗谱,图中示出各种机理产生的损耗下图是单模光纤的损耗谱,图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系,这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。与波长的关系,这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。 0.010.050.50.11510501000.81.01.21.41.61.8瑞利散射紫外吸收波导缺陷实验红外吸收损 耗 /(dBkm 1)现在学习的是第5页,共
5、47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽 1.1.色散分类色散分类 色散色散(Dispersion)(Dispersion)是在光纤中传输的光信号,由于不同是在光纤中传输的光信号,由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。材料色散和波导色散总称为材料色散和波导色散总称为色度色散色度色散或或波长色散波长色散色散一般包括色散一般包括 模式色散模式色散、材料色散材料色散、波导色散波导色散和和偏振色散偏振色散。现在学习的是第6页,
6、共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽1.1.色散分类(色散分类(模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散)模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散)模式色散模式色散(模间色散模间色散):): 在多模光纤中,由于不同模式的时间延迟(群速度)不同而产生的,它取决于光在多模光纤中,由于不同模式的时间延迟(群速度)不同而产生的,它取决于光纤的折射率分布,并和光纤材料折射率的波长特性有关。纤的折射率分布,并和光纤材料折射率的波长特性有关。材料色散材料色散(色度色散)色度色散): 由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不
7、同波长成分的光由于光纤的折射率随波长而改变,以及模式内部不同波长成分的光( (实际光实际光源不是纯单色光源不是纯单色光) ),其时间延迟不同(群速度)而产生的。这种色散取决于光纤,其时间延迟不同(群速度)而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。现在学习的是第7页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽1.1.色散分类(色散分类(模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散)模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散)波导色散波导色散(色度色散色度色散 ):)
8、: 由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起的色散(由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起的色散( 不是常不是常数),与波导效应有关,即波导结构参数与波长有关而产生的,它取决于波导尺寸和数),与波导效应有关,即波导结构参数与波长有关而产生的,它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。纤芯与包层的相对折射率差。1gvdd偏振色散偏振色散: 实际应用的单模光纤由于存在少量的不对称性,使得两个偏振模的群时延不同而实际应用的单模光纤由于存在少量的不对称性,使得两个偏振模的群时延不同而形成的色散。形成的色散。模内色散模内色散:发生在单个模式中的色散,与波长有关的发生在单个模式中的色散,与
9、波长有关的色度色散是材料色度色散是材料 色散和波导色散之和色散和波导色散之和。现在学习的是第8页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽2 2、群时延群时延光纤光纤单位长度单位长度传播的延迟时间传播的延迟时间00220dd11ddddkcddvg ddcdkdcgg2112 ddDg)(3 3 、色散系数色散系数描述光纤色散程度描述光纤色散程度 定义为:定义为: 单位是单位是:ps/nmkm:ps/nmkm现在学习的是第9页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.
10、2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽4 4 、时延差与色散系数的关系时延差与色散系数的关系 光信号中,传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传光信号中,传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传输时延之差称为输时延之差称为时延差。时延差。时延差越大,脉冲展宽越严重,因此常用时延差表示光纤色时延差越大,脉冲展宽越严重,因此常用时延差表示光纤色散的程度。散的程度。 22222ddddcddgg 22dndcddDgmat 222dndcDmatmat时延差:时延差:材料色散系数材料色散系数:在光源谱宽在光源谱宽 范围内,范围内,D D一般为常数,则一般为常数,
11、则单位长度的时延差单位长度的时延差为为: :现在学习的是第10页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽4 4 、时延差与色散系数的关系时延差与色散系数的关系波导色散波导色散 归一化传播常数归一化传播常数 bnkbnnnk1202122212202221202220222221nnknkVwVUb dVVbdnncdkbkdnncdkdcwg2200220111 222dVVbdVcnddDwgwg在多模光纤中,波导色散比材料色散小的多,可以忽略。在多模光纤中,波导色散比材料色散小的多,可以忽略。在单模光纤中,
12、波导色散常数为:在单模光纤中,波导色散常数为:波导色散引起的单位长度的群时延为波导色散引起的单位长度的群时延为: :解出解出现在学习的是第11页,共47页max2minmaxmin11maxminmaxmodsin21) 1(sec/sin/ttncLncLtt1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽4 4 、时延差与色散系数的关系时延差与色散系数的关系 模间时延差模间时延差 (阶跃光纤)(阶跃光纤) 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性2222modcNcNeffeff22 为有效群折射率。当为有效群折射率。当 时,脉冲展宽最小。时,脉冲展宽最小。2ef
13、fN多模渐变折射率分布光纤单位长度的脉冲展宽(近似估算)多模渐变折射率分布光纤单位长度的脉冲展宽(近似估算)现在学习的是第12页,共47页1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 色散对光纤传输系统的影响,在色散对光纤传输系统的影响,在时域时域和和频域频域的表示方法不同。如果信号是模的表示方法不同。如果信号是模拟调制的,色散限制带宽拟调制的,色散限制带宽(Bandwith)(Bandwith);如果信号是数字脉冲,色散产生脉冲展宽;如果信号是数字脉冲,色散产生脉冲展宽(Pulsebroadening)(Pulsebroadeni
14、ng)。所以,色散通常用。所以,色散通常用3dB3dB光带宽光带宽 或脉冲展宽或脉冲展宽 表示。表示。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性cf2122modgwmatgwmat,mod式中式中 分别为模间色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽。分别为模间色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽。用脉冲展宽表示时,光纤色散可以写成用脉冲展宽表示时,光纤色散可以写成现在学习的是第13页,共47页dtftithfH)2exp()()(第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展
15、宽色散、带宽和脉冲展宽 光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按线性系统处理,其输入光脉冲功率线性系统处理,其输入光脉冲功率 和输出光脉冲功率和输出光脉冲功率 的一般关系为的一般关系为dttPtthtPinout)()()()()(ttPin)(t)(th)()(thtPout)(th当输入光脉冲当输入光脉冲 时,输出光脉冲时,输出光脉冲 ,式中,式中 为为 函数,函数, 称为光纤冲击响应。冲击响应称为光纤冲击响应。冲击响应 的傅里叶的傅里叶(Fourier)(Fourier)变换为变换为现在学习的是第14页,共4
16、7页21)0(/ )(3HfHdB第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽 5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 模拟信号色散限制带宽模拟信号色散限制带宽(Bandwith)(Bandwith),通常用,通常用3dB3dB光带宽表示光带宽表示 )( fH)0(/ )(HfH3)0(/ )(lg10)(33HfHfTdBdB或或一般,频率响应一般,频率响应 随频率的增加而下降,这表明输入信号的高频成分被光随频率的增加而下降,这表明输入信号的高频成分被光纤衰减了。受这种影响,光纤起了低通滤波器的作用。将归一化频
17、率响应纤衰减了。受这种影响,光纤起了低通滤波器的作用。将归一化频率响应 下降一半或减小下降一半或减小3dB3dB的频率定义为光纤的频率定义为光纤3dB3dB光带宽光带宽 ,由此得到,由此得到现在学习的是第15页,共47页)(440122ln23MHzfdB第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 一般,光纤不能按线性系统处理,但如果系统光源的频谱宽度一般,光纤不能按线性系统处理,但如果系统光源的频谱宽度 比信号频比信号频谱宽度谱宽度 大得多,光纤就可以近似为线性系统。光纤
18、传输系统通常满足这个条大得多,光纤就可以近似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。光纤实际测试表明,输出光脉冲一般为高斯波形,设件。光纤实际测试表明,输出光脉冲一般为高斯波形,设s2exp)()(2tthtPout21)2exp()0(/ )(23223dBdBfHfH355. 22ln22高斯脉冲半极大全宽度高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)(FWHM)3dB3dB光带宽为光带宽为式中,式中, 为均方根为均方根(rms)(rms)脉冲宽度。对上式进行傅里叶变换,代入公式得到脉冲宽度。对上式进行傅里叶变换,代入公式得到现在学习的是第16页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输
19、原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽3dB3dB光带宽光带宽 、均方根(、均方根(rmsrms)脉冲宽度)脉冲宽度 、脉冲半极大全宽度、脉冲半极大全宽度(FWHM) (FWHM) 定义如定义如下图下图 cf输入脉冲输出脉冲tPi(t)( t )H 1( f )= 1 ff3dB03光纤10lgH( f )/ d B11/e1/21/22tPo( t) = h( t)H 2( f )=H f ) 现在学习的是第17页,共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的
20、色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 输入脉冲一般不是输入脉冲一般不是 函数。设输入脉冲和输出脉冲为高斯函数,其均方根(函数。设输入脉冲和输出脉冲为高斯函数,其均方根(rmsrms)脉冲宽度分别为脉冲宽度分别为 和和 ,频率响应分别为,频率响应分别为 和和 ,根据傅里叶变换特性,根据傅里叶变换特性得到得到 12)(1fH)(2fH)()()(12fHfHfH2122212212由此得到,信号通过光纤后产生的脉冲展宽由此得到,信号通过光纤后产生的脉冲展宽 或或 和和 分别为输入脉冲和输出脉冲的分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHMFWHM。现在学习的是第18页
21、,共47页avyxavyxavnnnBBLavB221.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性 1.3.31.3.3光纤双折射及偏振特性光纤双折射及偏振特性 实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀,必定造成折射率分布各向异性,实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀,必定造成折射率分布各向异性,使两个偏振模具有不同的传输常数使两个偏振模具有不同的传输常数 1 1)定义归一化双折射系数:)定义归一化双折射系数: 2 2)拍长:)拍长: 3 3)偏振色散:)偏振色散: 两个正交模式在光纤中传播两个正交模式在光纤中传播单位长度单位长度的时延差为的时延差为 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输
22、原理和传输特性yx)(11yxyxpnncdkdcdd现在学习的是第19页,共47页1.3.31.3.3光纤双折射及偏振特性光纤双折射及偏振特性 产生双折射原因产生双折射原因凡使光纤介质出现光学各向异性的物理因素凡使光纤介质出现光学各向异性的物理因素 都将使光纤产生双折射。都将使光纤产生双折射。 单模光纤截面椭圆度单模光纤截面椭圆度 单模光纤应力、应变单模光纤应力、应变 单模光纤弯曲单模光纤弯曲 单模光纤扭曲单模光纤扭曲 外场引起(电光、磁光、弹光效应等)外场引起(电光、磁光、弹光效应等)保偏光纤保偏光纤 高双折射光纤:高双折射光纤: 比较大,相位不匹配,两个正交模弱耦合。比较大,相位不匹配,
23、两个正交模弱耦合。 低双折射光纤:低双折射光纤: 减小纤芯的剩余应力,降低各向异性。减小纤芯的剩余应力,降低各向异性。yx第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性现在学习的是第20页,共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 使用过程中的弯曲,以及光纤耦合损耗是主要损耗。使用过程中的弯曲,以及光纤耦合损耗是主要损耗。一、弯曲引起的损耗一、弯曲引起的损耗1 1、宏弯曲多模光纤:、宏弯曲多模光纤:临界半径临界半径第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性RwwaRT23322exp2222VweakT, 1e, 2e
24、混合模时,模时,或当TMTE2wa347. 0w23R32c现在学习的是第21页,共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗一、弯曲引起的损耗一、弯曲引起的损耗2 2、宏弯曲单模光纤:、宏弯曲单模光纤:当当 时,临界半径可用下式表示,误差小于时,临界半径可用下式表示,误差小于1010临界半径临界半径第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性URRAccexp21323c996. 0748. 220Rcn 21213221wwKUwAc22334naVnwU28 . 0c现在学习的是第22页,共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引
25、起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 3 3、多模光纤的微弯曲损耗、多模光纤的微弯曲损耗 理论分析表明,一般情况下,微弯只能使相邻模式之间产生损耗。相邻模理论分析表明,一般情况下,微弯只能使相邻模式之间产生损耗。相邻模式之间传播常数差值越大,耦合越强烈,微弯损耗也越大,而且和光纤微弯式之间传播常数差值越大,耦合越强烈,微弯损耗也越大,而且和光纤微弯形状密切相关。例如:形状密切相关。例如:微弯损耗微弯损耗 为微弯空间频率为微弯空间频率第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性 0sinzkAzfd为其它值zLz 022sin22sin4LkkLkkLkkLkkLAccc
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光纤 传输 原理 基本 特性
限制150内