现代光纤通信技术2-光纤24950.pptx

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1、1第二章第二章 光纤光纤2n光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真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，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任何信号均能以相同速度无损无畸变无损无畸变地传输。地传输。n但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗损耗和色散和色散，当信号强度较高时还存在，当信号强度较高时还存在非线性非线性。n？在实际系统中，在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输光信号到底如何传输？其传输

2、特性、传输能力究竟如何？特性、传输能力究竟如何？本章讨论的要点。本章讨论的要点。第二章第二章 光纤光纤32.1 光纤概述光纤概述2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤几种常用于光纤通信系统的光纤本本章内容章内容4光纤的构造光纤的构造纤芯：高纯度纤芯：高纯度SiOSiO2 2+掺杂剂如掺杂剂如GeOGeO2 2等，等，2a2a：950950mm包层：高纯度包层：高纯度SiOSiO2 2+掺杂剂如掺杂剂如B B2 2O O3 3，2b2b：125 125 mm 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙纤芯纤芯和和

3、包层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。掺杂来实现。n纤芯掺入纤芯掺入GeGe和和P P 折射率折射率 n包层掺入包层掺入B B 折射率折射率 2.1 光纤概述光纤概述52.1 光纤概述光纤概述根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：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，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同6三种主要类型光纤的比较三

4、种主要类型光纤的比较7光纤的分类光纤的分类n n工作波长工作波长工作波长工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤（0.85m0.85m、1.3 m1.3 m和和和和1.55 m 1.55 m）等）等）等）等 n n折射率折射率折射率折射率：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、WW型、凹陷型）等。型、凹陷型）等

5、。型、凹陷型）等。型、凹陷型）等。n n传输模式传输模式传输模式传输模式：单模（：单模（：单模（：单模（SM SM）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持光纤）和多模（光纤）和多模（光纤）和多模（光纤）和多模（MMMM）光纤两种。）光纤两种。）光纤两种。）光纤两种。n n原材料原材料原材料原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料：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

6、体光纤等。按被覆材料包层、液体纤芯等）、红外材料，晶体光纤等。按被覆材料包层、液体纤芯等）、红外材料，晶体光纤等。按被覆材料包层、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）和塑料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。等。等。等。n n制造方法制造方法制造方法制造方法：有外汽相沉积法（：有外汽相沉积法（：有外汽相沉积法（：有外汽相沉积法（OVDOVD）、汽相轴向沉积法）、汽相轴向沉积法）、汽相轴向沉积法）、汽相轴向沉积法（VA

7、DVAD）、改进汽相沉积法（）、改进汽相沉积法（）、改进汽相沉积法（）、改进汽相沉积法（MCVDMCVD）和等离子体化学汽）和等离子体化学汽）和等离子体化学汽）和等离子体化学汽相沉积工艺（相沉积工艺（相沉积工艺（相沉积工艺（PCVDPCVD）等）等）等）等 。8光纤光缆的制作光纤光缆的制作n n用气相沉积法制作具有所需折射率分布的用气相沉积法制作具有所需折射率分布的用气相沉积法制作具有所需折射率分布的用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒预制棒预制棒预制棒（典型预制棒长（典型预制棒长（典型预制棒长（典型预制棒长1m,1m,直径直径直径直径2cm2cm）n n使用精密馈送机构将预制棒以合适的

8、速度送入炉使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中中中中加热加热加热加热n n成缆成缆成缆成缆-光缆光缆光缆光缆n n预制棒制作技术预制棒制作技术预制棒制作技术预制棒制作技术 改进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（MCVDMCVD）、等离子体化学气）、等离子体化学气）、等离子体化学气）、等离子体化学气相沉积法（相沉积法（相沉积法（相沉积法（PCVDPCVD）、棒外气相沉积法（）、棒外气相沉积法（）、棒外气相沉积法（）、棒外气相沉积法（OVDOVD）和轴向气）

9、和轴向气）和轴向气）和轴向气相沉积法（相沉积法（相沉积法（相沉积法（VADVAD）9制造光纤预制棒制造光纤预制棒的的MCVDMCVD流程示意图流程示意图光纤拉丝装置示意图光纤拉丝装置示意图光纤光缆的制作光纤光缆的制作10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 光纤的传输原理光纤的传输原理光线理论（几何光学方法）光线理论（几何光学方法）把光看作把光看作射线射线，并引用几何光学中反射与折射原理解，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释光在光纤中传播的物理现象波动理论波动理论（波动光学方法）（波动光学方法）把光波当作把光波当作电

10、磁波电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分，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布的模式来解释光在光纤中的传播现象11光的反射与折射光的全反射现象光线理论光线理论12光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光学参数光学参数数值孔径折射率差光线理论光线理论单模光纤中光线传播路径单模光纤中光线传播路径13NA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

11、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。数值孔径数值孔径14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:光线理论光线理论15光在渐变光纤光在渐变光纤光在渐变光纤光在渐变光纤以不同角度入以不同角度入以不同角度入以不同角度入射的光线族皆射的光线族皆射的光线族皆射的光线族皆以以以以正弦曲线正弦曲线正弦曲线正弦曲线轨轨轨轨迹在光纤中传迹在光纤中传迹在光纤中传迹在光纤中传播，且播，且播，且播，且近似成近似成近似成近似成聚焦状聚焦状聚焦状聚焦状理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：2n1n光线理论光线理论

12、16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。波动理论波动理论17(1)(2)(3)(4)磁场强度磁场强度电场强度电场强度磁感应强度磁感应强度电感应强度电感应强度麦克斯韦（麦克斯韦（Maxwells EquationsMaxwells Equations）方程组）方程组波动理论波

13、动理论18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Ez的波动方程：（2.9）波动理论波动理论同理可得到磁场z分量Hz的波动方程26对称平面波导的对称平面波导的TE波波xzy0HETE波波xyzn2n1n2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yx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27Ez=0对应的模叫做横电模（TE模）；Hz=0对应的模叫做横磁模（TM模）；若Ez和Hz都不为零，则称为混合模。混合模依据横向场中Ez和Hz的分

14、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：讨论：波动理论波动理论28LPLP模模模模传统传统传统传统模式模式模式模式LPLP0101HEHE1111LPLP1111HEHE2121,TE,TE0101,TM,TM0101 LPLP2121HEHE3131,EH,EH1111 LPLP0202HEHE1212LPLP3131HEHE4141,EH,EH2121LPLP1212HEHE2222,TE,TE0202,TM,TM0202LPLP1m1mHEHE

15、2m2m,TE,TE0m0m,TM,TM0m0mLPLPlmlm(l l00或或或或1)1)HEHEl+1,ml+1,m,EH,EHl-1,ml-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 Ex x或E Ey y）相等波动理论波动理论29由（2.9）得到：（2.9）其中：Jl(x)：第一类l阶贝塞尔函数；Kl(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n2klmn1k，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：TElm、TMlm、HElm和EHlm。波动理论波动理论30贝塞尔函数图形贝塞尔函数图形贝塞尔函数图形贝塞尔函

16、数图形贝塞尔函数前三个根（不包括零根）2.404833.831715.135625.520087.015598.417248.6537310.1734711.61984贝塞尔函数根J0（u）J1（u）J2（u）波动理论波动理论31几个低阶模的归一化传播常数随几个低阶模的归一化传播常数随几个低阶模的归一化传播常数随几个低阶模的归一化传播常数随V V V V的变化的变化的变化的变化归一化频率归一化频率V确定传输模式的参数。确定传输模式的参数。确定传输模式的参数。确定传输模式的参数。可由波动方程导出。可由波动方程导出。可由波动方程导出。可由波动方程导出。na a为纤芯半径，为纤芯半径，为光波波长，为

17、光波波长，为折射率差。为折射率差。n参量参量V V决定了光纤中能容纳的模决定了光纤中能容纳的模式数量。如果式数量。如果V2.405V2.405，则它只，则它只容纳单模容纳单模单模光纤单模光纤。n模式模式:每一个传输常数对应着每一个传输常数对应着一种可能的光场分布。一个模一种可能的光场分布。一个模式是由它的传播常数式是由它的传播常数 唯一确定唯一确定的。的。32n n经计算经计算经计算经计算HE11 HE11 HE11 HE11，归一化截止频率，归一化截止频率，归一化截止频率，归一化截止频率V=0V=0V=0V=0 HE HE HE HE21212121,TE,TE,TE,TE01010101,

18、TM,TM,TM,TM01010101 ，归一化截止频率，归一化截止频率，归一化截止频率，归一化截止频率V=2.405V=2.405V=2.405V=2.405 所以要实现所以要实现所以要实现所以要实现SMFSMFSMFSMF，0V 2.4050V 2.4050V 2.4050V1ps)光场幅度光场幅度的有效值的有效值或均方根或均方根线性折线性折射率射率非线性折射率非线性折射率或或Kerr系数系数折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部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。分非线性效应都起源于非线性折射率。62一、自相位调制一、自相位调制SPMn n折射率非

19、线性分量的出现将引起导模传播常数的变折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变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：化，使传播常数增加了一附加项：化，使传播常数增加了一附加项：化，使传播常数增加了一附加项：光纤有效光纤有效截面积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由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为称为自相位调制自相位调制，信号光强的瞬间变化引起其自身，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。的相位调制。线性传输时线性传输时的传播常数的传播常数非线性非线性系数系数光纤中传光纤中传输的功率

20、输的功率63 非线性相移非线性相移非线性相移与信号功率成比例增大，非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越输入信号功率越大，非线性效应越强。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，即出现频率啁啾，频率啁啾，引起光脉冲的频谱展宽引起光脉冲的频谱展宽。64二、互相位调制二、互相位调制XPMn n在多波长系统中（在多波长系统中（在多波长系统中（在多波长系统中（WDMWDM），光强的变化引起相位的变化，），光强的变化引起相

21、位的变化，），光强的变化引起相位的变化，），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。由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。XPMXPM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。的非线性相移。的非线性相移。的非线性相移。n n特点：特点：特点：特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的信道光信号产

22、生的非线性相移不仅取决于其自身的信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的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，因而第强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第j j信道的信道的信道的信道的相移可写为：相移可写为：相移可写为：相移可写为：M：信道总数；Pj：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。n交叉相位调制在多信道系统中是主要的功率限制因素65三、三、四波混频四波

23、混频FWMn nFWMFWM：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。所谓混频产物或边带的新光波的现象。所谓混频产物或边带的新光波的现象。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。66 G.652 G.652 普通单模光纤普通单模光纤(SMF)(SMF)性能性能性能性能模场直径模场直径模场直径模场直径(m)(m)(m)

24、(m)零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长(nm)(nm)(nm)(nm)工作波长工作波长工作波长工作波长(nm)(nm)(nm)(nm)最大衰减系数最大衰减系数最大衰减系数最大衰减系数(dB/km)(dB/km)(dB/km)(dB/km)最大色散系数最大色散系数最大色散系数最大色散系数ps/(nmkm)ps/(nmkm)ps/(nmkm)ps/(nmkm)要求值要求值要求值要求值1310nm1310nm1310nm1310nm8.68.68.68.69.50.79.50.79.50.79.50.713101310131013101310131013101310或或或或155015501

25、55015501310nm1310nm1310nm1310nm0.400.400.400.401550nm1550nm1550nm1550nm0.250.250.250.251310nm 1310nm 1310nm 1310nm 0 0 0 01550nm 1550nm 1550nm 1550nm 17 17 17 172.4 几种常用于光纤通信系统的光纤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。67几种光纤的色散特性几种光纤的

26、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。68DSF(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 G.653 色散位移单模光纤色散位移单模光纤(D

27、SF)(DSF)2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤几种常用于光纤通信系统的光纤性能性能性能性能模场直径模场直径模场直径模场直径(m)(m)(m)(m)零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长(nm)(nm)(nm)(nm)工作波长工作波长工作波长工作波长(nm)(nm)(nm)(nm)最大衰减系数最大衰减系数最大衰减系数最大衰减系数(dB/km)(dB/km)(dB/km)(dB/km)最大色散系数最大色散系数最大色散系数最大色散系数ps/(nmkm)ps/(nmkm)ps/(nmkm)ps/(nmkm)要求值要求值要求值要求值 1310nm:8.31310nm:8.31310nm:8.31

28、310nm:8.3155015501550155015501550155015501550nm0.251550nm0.251550nm0.251550nm0.2515251525152515251575nm1575nm1575nm1575nm：3.5 3.5 3.5 3.569NZ-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

29、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 G.655 非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤(NZ-DSF)(NZ-DSF)2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤几种常用于光纤通信系统的光纤1550nm:0.251550nm:0.251550nm:0.251550nm:0.251625nm:0.301625nm:0.301625nm:0.301625nm:0.301530153015301530156515651565156515301530153015301565156

30、5156515651550nm1550nm1550nm1550nm：8 8 8 8110.7110.7110.7110.7要求值要求值要求值要求值最大色散系数最大色散系数最大色散系数最大色散系数ps/(nmkm)ps/(nmkm)ps/(nmkm)ps/(nmkm)最大衰减系数最大衰减系数最大衰减系数最大衰减系数(dB/km)(dB/km)(dB/km)(dB/km)工作波长工作波长工作波长工作波长(nm)(nm)(nm)(nm)零色散波长零色散波长零色散波长零色散波长(nm)(nm)(nm)(nm)模场直径模场直径模场直径模场直径(m)(m)(m)(m)性能性能性能性能70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