光纤传输原理及特性.ppt

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1、第第2章章光纤传输原理及传输特性光纤传输原理及传输特性 本章内容提要本章内容提要：n光纤和光缆的结构与类型n光纤的传输原理分析 n光纤的结构参数(光学和几何特性)n光纤传输特性 n光纤的非线性效应 n光纤的机械与温度特性 2.1 光纤和光缆的结构及类型光纤与光缆的结构光纤？光缆？光纤？光缆？所谓“光光纤纤”就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。所谓“光缆光缆”就是由多根光纤和加强构件以及外护层构成。光纤结构及类型光纤结构及类型 1.光纤结构光纤结构图2-1 光纤结构2.光纤分类光纤分类按模式来分1)多模光纤（Step-Index Fiber/Graded-Ind

2、ex Fiber）2)单模光纤：双包层光纤三角芯光纤 图2-3 典型特种单模光纤SiO2+GeO2SiO2+FSiO2椭圆芯光纤：保偏单模光纤。熊猫光纤：保偏状态；蝴蝶光纤：保偏状态 光纤的用途？n有：多模光纤G.651（MMF）、单模光纤G.652（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（低损耗光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）和G.656光纤。还有其他相关的单模光纤，如色散平坦光纤（DFF）和色散补偿光纤（DCF）。各种光纤的适用范围及特性见表2.1和表2.2 3)按ITU-T已提出的规范建议，光纤类别光纤类型适 用 范 围G.651光纤工作在850 nm的

3、短波长窗口，对于四次群以下的光纤通信系统较为实用。常用于局域网和数据链路G.652光纤在1 310 nm波长性能最佳，是目前应用最广泛光纤。主要应用在1 310 nm波长区开通长距离622 Mbit/s及其以下系统，在1 550 nm波长区开通2.5 Gbit/s，10 Gbit/s和n2.5 Gbit/s波分复用系统G.653光纤在1 550 nm工作波长衰减系数和色散系数均最小。主要用于长距离、高速率，如10 Gbit/s以上系统，其缺点是易受非线性影响，并产生较严重的四波混频效应（FWM），它不支持波分复用系统G.654光纤在1 550 nm波长衰减系数最小，抗弯曲性能好。主要用于长距离

4、海底系统G.655光纤在1 550 nm处有低色散保证，有抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和DWDM系统，传输速率在10 Gbit/s以上G.656光纤进一步扩大可利用的波长范围以增加波道数，在G.655基础上人们想到了利用S+C+L三个波段光纤。2002年由日本NTT公司和CLPAJ公司提出G.656光纤的基本规范。与G.655不同是在1 5401 625 nm波段，色散系数为214 ps/（nm.km）DFF光纤优点是在1 3101 550 nm波段内为低色散。可与G.652光纤配合使用，降低光纤总色散DCF光纤优点是在1 550 nm内有很大的负色散，主要用于与G.652光纤

5、配合使用由1 310 nm扩容升级至1 550 nm时进行色散补偿表2.1 各种光纤适用范围3).以纤芯折射率以纤芯折射率n1(r):阶跃型光纤阶跃型光纤;渐变型光渐变型光纤纤几种典型的光纤折射率分布图O2O2O2O2O2O2石英光纤的主要原料为：纤芯和包层本体材料：SiCL4纤芯和包层掺杂用剂：GeO2、P2O5、GeCL4、B2O3、POCL3和F等纤芯材料：SiO2或SiO2+GeO2包层材料：SiO2+B2O3或SiO2+F。光缆结构分类按缆芯结构不同光缆可分为以下4种 1层绞式光缆 图2-6 层绞式光缆 2.骨架式光缆 图2-7 骨架式光缆 3.中心束管式光缆 图2-8 中心束管式光

6、缆图4.带状式光缆 图2-9 带状结构光缆图2.2光纤传输原理分析 n光纤属于介质圆波导,分析导光原理很复杂,可用两种理论进行即射线理论和波动理论.n首先采用射线理论分析导光原理n然后用波动理论讨论导光原理2.2.1用射线理论分析光纤的传输原理用射线理论分析光纤的传输原理1.基本光学定律基本光学定律 光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传播的.其传播的速度为：v=c/n (2.1)式中，C=3108m/s，是光在真空中的传播速度，n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1，玻璃的折射率为1.45左右)独立传输定律在线性介质中(光纤为线性介质),来自不同方向的光线即使在空中相

7、交也能互不影响,按各自原有方向继续前进.反射定律和折射定律(1)反射定律1=1(2)折射定律112n 2=1 n 1=1.451=c 2=900 若n1n2,则入射角1c，入射光出现全反射，光被限制在n1介质里传播。若光从n2向n1入射，光线是否能出现全反射？2.光纤中光的传播 当一束光线从光纤端面耦合进光纤时，光纤中有两种运行的光线：一种是光线始终在一个包含光纤中心轴的平面内传播，并且一个传播周期与中心轴相交两次，这种光线常称为子午线，含光纤中心轴的固定平面就称为子午面，如图2-11（a）所示。另一种是光线在传播过程中，其传播时的轨迹不在同一个平面内，并不与光纤中心轴相交，这种光线就称为斜射

8、光线，如图2-11（b）所示。（a）子午射线；（b）斜射线。图2-11 光纤中的射线1.子午线在阶跃（均匀）光纤中的传播_射线理论分析导光原理n什么样的子午线能限制在光纤纤芯中传输?它必须能在纤芯的界面上产生全反射.(1)光纤的接收角(如图2-12所示)端面接收角为最大接收角.时,所对应的光纤n为什么是最大接收角?(2)数值孔径NA(Numerical Aperture)NA的定义?NA=sin物理意义:NA大小反映了光纤捕捉线的能力.NA=sin=?图2.12 光线在阶跃光纤中传播n0sin=n1sin(900-c)=n1cosc,NA的表达示因为:2.渐变型光纤中子午射线的传播 n光纤接收

9、角?n数值孔径NA(r)?一个渐变型光纤的子午面上分层如图2-13所示.图2-13 渐变折射率光纤中的子午曲线n各层之间的折射率满足以下关系：n(r0)n(r1)n(r2)n(r3)由于光都是由光密介质向光疏介质传播n其入射角将会逐渐增大，即有1 2345(1)光纤接收角分析N层的渐变型光纤的导光条件即光纤端面的入射角必须满足条件是什么？光线最迟也必须在N层与包层界面上发生全反射。根据光线的折射和全反射定律有：n(r0)sin1=n(r1)sin2=n(r)sin (4.6)同理得出：n(r0)sin(900-z0)=n(r1)sin(900-z1)=n(r)sin(900-z)即n(r0)c

10、osz0=n(r1)cosz1=n(r)cosz 射线上任一点符合下列关系：n(r0)cosz0=n(r)cosz 在转析点A处，射线与光纤轴平行，则cosz=1，n(r)=n2，n2为包层的折射率 n(r0)cosZ0=n2,cosz0=n2/n(r0)(2)数值孔径NA(r)?设z0所对应为最大入射角 sin=n(r0)sinz0=(2.7)光纤的本地数值孔径在渐变折射率光纤中，相对折射指数差定义为其中n(0),n2分别是r=0处和芯子界面上的折射率 光纤端面所能收集到的光功率将依赖本地数值孔径。设纤芯处和离轴线为r处的功率密度各为P（0）、P（r），则有中心点垂直入射(r0=0）的数值孔

11、径NA（0）为最大数值孔径：波动理论又称为模式理论用来严格分析光纤的导光原理.运用波动理论的目的:求出光场的表达示,再用电磁场理论找出哪些模式光可以在光纤里传输.2.2.2用波动理论分析光纤的传输原理用波动理论分析光纤的传输原理2.2.2 2.2.2 用波动理论分析光纤的导光原理用波动理论分析光纤的导光原理n先设法解出光波导中场的纵向分量Ez、Hz,再解出各个横向场分量Er、E、Hr、H。n式中，Ez 为电场在z轴的分量。选用圆柱坐标系(r、z),使z轴与光纤中心轴线一致，将（4.1）式在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为：n1标量解法 （1）将Ey写成三个变量乘积形式，即设试探

12、函数为 设试探函数为 导波沿光纤轴向变化规律 导波沿圆周方向的变化规律 为导波沿r方向的变化规律（2）根据物理概念，写出()和Z(z)的形式（3）求出R(r)的形式 考虑纤芯和包层中的折射率分别为n1和n2，在纤芯中应为振荡解，故其解取贝塞尔函数；在包层中部应是衰减解，故其解取第二类修正修正的贝塞尔函数解。于是R(r)可写为：式中，Jm为m阶贝塞尔函数；Km为m阶第二类(修正)贝塞尔函数。这两种函数的曲线如图4-9所示。U/aw/a整理变为：利用光纤的边界条件可确定式中的常数。首先根据边界条件找出A1,A2之 间 的 关 系。在r=a处，因，可 得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代人

13、（2.16）式中，得：得 (2.16)（4）Ey的标量解 2标量解的特征方程标量解的特征方程，可由边界条件得出。在r=a处，令Ez1=Ez2，忽略n1和n2之间的微小差别，即令n1=n2，可得3标量模及其特性(1)大V值（远离截止）情况下U 值n光纤中的U和W值与V值有关,光纤的V值越大,传输的模式量越多,越不容易截止.n在极限情况下，V表示场完全集中在纤芯中，在包层中的场为零。因V=2n1(2)1/2a/0,所以有（a/0）。此时光波相当于在折射率为n1的无限大空间中传播，其相位常数k0n1于是有:将其代入(2.20-a)可得相应情况下的特征方程(W 条件下)UJm+1(U)/Jm(U)=W

14、K m+1(W)/Km(W)可简化 Jm(U)=0 P.73图3-10(a)从此式即可确定远离截止情况时的U值U=mn式中,mn代表m阶贝塞尔函数的第n个根 n m 01212.4053.8325.13625.5207.0168.41738.65410.173 11.619表2.4 大V值情况下的导行LPmn模的U值 对于一对m、n值，就有一确定的U值，从而就有确定的W及值。对应着一确定的场分布和传输特性。这个独立的场分布就叫做光纤中的一个模式。称这种模为标量模，记作LPmn模。LP是线偏振的意思。LP01 U01=2.405 W,;LP11 U11=3.832 W,;LP21 U21=5.1

15、36 W,;在模LPmn模表示中，m、n值有明确的物理意义，它们表示对应模式的场在横截面上的分布规律。如其圆周及半径方向的分布规律各为：电场(光场)在圆周方向按余弦规律变化：当m=0时，圆周上电场无变化当m=1时 在 在0-2沿圆周出现1对最大值。m=2?-依次类推。LP0nLP1n电场沿半径方向，按贝塞尔函数规律变化：以m=0的LP0n模为例，其场沿r 方向变化为：LP01模，U=01=2.405,在r=0处,R(r)=1而在r=a 处,沿变化如图4-12LP02模，U=02=5.5201,在r=0处,R(r)=1,而在r=a 处,在r=0.4357a处,沿r的变化如图4-10（b）所示。图

16、图2-15LP0n模的场沿半径的变化模的场沿半径的变化（2）LPmn模的截止条件Vc和单模传输条件 n截止的概念:当光纤中导波变为辐射模时,认为导波截止.当W 时,导波的场在纤芯外衰减的.当W0时,导波截止(相当于射线理论中1c)导波辐射.截止临界状态:Wc=W=0,由于V2=U2+W2 Vc2=Uc2+Wc2=Uc2 若求得UcVc称为归一化的截止频率.Uc=Vc?截止条件下的特征方程Wc=0Uc Jm-1(Uc)/Jm(Uc)=Wc Km-1(W)/Km(W)=0Uc=0 或 Jm-1(Uc)=0n在LPmn模的归一化的截止频率Vcmn=Ucmn截止特征方程:Jm-1(Uc=cmn)=0n

17、当m=0时，LP0n模的特征方程:J-1(Uc)=J1(Uc)=0，可解出Uc=0n=Vc(0n)=0，3.83171，7.01559，10.17347 图2-16 m0,1模式的U值变化范围11J1=J-1m=0m=1LP04HE04即表示LP01模的uc01=0。意味着该模式无截止波长、无截止情况.当m=1时，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0-J0(Uc)=0当m0时，也可求出相应的根表4.3 表2.5 截止情况下LPmn模的Uc=Vcn m 012102.4053.83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通过Jm-1(cmn)=0方程,求解而

18、得.如图4.11所示.从表2.5截止情况下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，说明这种模式没有截止现象是光纤中的最低模，也称基模。LP11模，称为二阶模，其Vc=Uc=2.405截止波长c与归一化截止频率Vc关系对某一光纤的每一个模式，都对应有一个截止波长c(Vc).当工作波长0 c时,该模式可以传输当工作波长0c时，该模式就截止了 当光纤的VVc时,该模式就截止了 当光纤的VVc时,该模式可以传输.因为:V=2n1(2)1/2a/0,则:Vc=2n1(2)1/2a/c c=2n1(2)1/2a/Vc单模传输条件单模传输条件 Vc01=0 V Vc11=2.405c11=2n

19、1(2)1/2a/2.405 0c01=0 C23 C12 C21 C11 LP01LP11LP21LP12LP230 VC11 VC21 V C12 VLP01LP11LP21LP12图2-12 m=0,1模式的U值变化范围 HE04LP042.3光纤的结构参数光纤的结构参数n光纤的结构参数主要有光纤的几何参数、折射率分布、数值孔径（NA）、模场直径和截止波长等。这些参数与光纤横截面径向r有关，与光纤的长度及传输状态无关。1几何参数几何特性有芯径、包层的尺寸和对芯包层同心度、不圆度等。1）纤芯直径纤芯直径对多模光纤而言ITU-T规定多模光纤的芯直径为503m 2）外径外径多/单模光纤3）芯包

20、层同心度和不圆度芯包层同心度和不圆度 nITU规定：光纤同心度误差6;（包括单模）芯不圆度6,包层不圆度cccce2.4 光纤的传输特性24 41损耗损耗特性特性一、损耗定义一、损耗定义 p（0）为输入光纤的光功率，即在Z=0处注入的光功率；p（Z）为传输距离L处的光功率；二、损耗系数二、损耗系数(当当Z=L时时)在光纤上两个相距在光纤上两个相距L的截面之间的波长的截面之间的波长上的总衰减：上的总衰减：A（）（）L （dB）三、光纤产生损耗的原因三、光纤产生损耗的原因光纤产生损耗的原因很多，其类型有吸收损耗，散射损耗和附加损耗。光纤的传输性质光纤的传输性质 (1)损耗（Attenuation）

21、(2)色散（Dispersion）(3)非线性效应 （Non-Linear Effects in Fiber）产生损耗的因素产生损耗的因素l 材料的吸收损耗材料的吸收损耗 (Material absorptionMaterial absorption)a.a.本征吸收本征吸收:SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 b.b.非固有吸收非固有吸收(杂质吸收)Fe,Cu,Ni,Cr.OH 离子在 1.39um,1.24um 和 0.95um形成吸收峰l 散射损耗散射损耗 (scatteringscattering)a.a.瑞利散射（瑞利散射（Rayleigh SilicaRayleigh Sili

22、ca）分子热骚动 折射率在微观上的随机起伏 光散射 1/4 b.b.波导散射（波导散射（WavequideWavequide Scattering Scattering）l 微弯损耗微弯损耗1.吸收损耗本征吸收:红外吸收,紫外吸收杂质吸收:铁、铜等过渡金属离子和OH离子(非本征)。公式估算红外吸收的损耗系数：其中是工作波长，单位为m，当=1.55 m时ir0.02 dB/km，其影响较小。但当=1.70 m时，ir0.32 dB/km。可见红外吸收影响了工作波长向更长波长方向发展。公式估算紫外吸收的损耗系数：其中，B是掺锗的重量百分比，当=1.31 m，B=3.5%时，uv1.75102 dB

23、/km。但当=0.60 m时，uv1.00dB/km。可见紫外吸收随减少和掺锗浓度增加而增加.2.线性散射n 瑞利散射瑞利散射比光波长小得多小得多的粒子引起的散射(本征)n 米氏散射米氏散射与光波同样大小同样大小的粒子引起的散射(本征)n引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有与短波长的14成正比的性质，即：R=A4。对掺锗的光纤而言，A0.63dBm4km。对于=0.85、1.31、1.55m时,则R1.3、0.3、0.1dBkm。n非线性散射(将在第5节介绍)n 受激布里渊散射：受激布里渊散射：存在于光能密度超过某一高值(本征)n 受激拉曼散射：受激拉曼散射：(本征)n4.附加损耗：

24、张力、侧压、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯(非本征)。3.附加损耗：张力、侧压、弯由、挤压造成的宏弯和微弯图2-18 光纤的宏弯损耗（a）射线法解释；（b）波动理论解释。*弯曲损耗 光纤的弯曲损耗有两类：宏弯损耗和微弯损耗 1光纤的宏弯损耗 理论分析和实验研究均表明：光纤弯曲（宏弯）时，当曲率半径R大于一个临界值RC（RRC）时，因弯曲而引起的附加损耗很小，以致可以忽略不计；当RRC，附加损耗按指数规律迅速增加。因此确定临界值RC，对于光纤的研究、设计和应用都很重要。*单模光纤弯曲损耗的估算公式为式中,R为光纤弯曲半径、C1、C2与R无关常数。临界弯曲半径估算RC为：表2-6 光纤的传输损耗 色散

25、特性和带宽色散特性和带宽色色散散产产生生：由于光纤中的光信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输群速度不同，从而引起色散。随 着 掺 铒 光 纤 放 大 器 EDFA（Erbium Doped Optical Fiber Amplifier）、波 分 复 用WDM（WaVelength Division MultiPlexing）技术在光纤通信系统中的商用化后，光纤色散便成为最热门的研究课题之一。在具体弄清色散的致因、种类及相互作用的前提下，设法设计和制造出优质的、小色散的光纤，以满足光纤通信系统的高速率、大容和远距离传输的需求。光纤色散主要有光

26、纤色散主要有：模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散等。在光纤数字通信系统中，由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同，从而引起色散。多模光纤：模式色散、材料色散、波导色散等。单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散、波导色散和偏振色散组成。这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤的色散单位：ps/km光纤的色散系数单位 D（）：ps/nm.km1.模式色散模式色散n常用时延差表示色散程度。n时延差越大，色散就越严重。模式色散模式色散 n 在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播

27、的光线和以临界角c入射的光线，如图4-18所示。因此，在阶跃型多模光纤中最大色散是光线所用时间max和光线所用时间nmin到达终端的时间差max：max=maxminn根据几何光学，设在长为L的光纤中，光线和沿轴方向传播的速度分别为c/n1和c/n1sinc。因此光纤的模式色散为：n 2.材料色散材料色散由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。设光源谱宽为，单位长度光纤的时延差用表示:则由上式所示，时延差与光源的相对带宽成正比。因此采用窄谱宽激光器做光源有利减少色散。的单位是ps/km。*=D;:光源谱宽,D:色散系数3.波导

28、色散波导色散=DwL（psnmkm）在不同的波长下，其相位常数不同，从而群速度不同，引起色散。4偏振色散PMD 单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散、波导色散和偏振模色散组成。这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤中的光传输可描述完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，如图2-12所示。每个轴代表一个偏振“模”。两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD（Polanzation Mode Dispertion）。PMD的度量单位为微微秒(ps)。光纤的PMD系数表示的单位为ps/km。5.光纤的带宽光纤的带宽 D：光纤色散系数（ps/

29、nm.km）；：光源谱宽（nm）；B0：光纤的带宽（MHz）；常数：=0.115（多纵模激光器）,=0.306（单纵模激光器）单模光纤的双折射及偏振特性 n基本概念n1）理想的单模光纤：传输模式是线极化波LP01，即用LP01x和LP01y，两模式有相同的相位常数x=y，它们是相互简n2）光纤的双折射：光纤的不完善，将使两模式之间的简并被破坏xy。这种现象叫作模式双折射。3）光纤双折射危害 由于双折射，两种模式的群速度不同，因而引起偏振（极化）色散。4）双折射的利用保偏光纤即是利用光纤的双折射特性制成的。1线双折射的参数线双折射的参数 （1）线双折射率L：它定义为两正交线偏振模的相位常数之差。

30、Lx-y*归一化双折射率B：它是线双折射率L与真空中的波数k0之比。B=L/k0=（x-y）/k0=nx-ny=neff式中：nx，ny是LP01x，LP01y模的等效折射指数；neff是等效折射指数差。一般单模光纤的B值为10-510-6之间:当B10-5时为高双折射光纤(HB).（2）拍长LB：拍长LB即偏振态完成一个周期变化的光纤长度，叫作拍长。如图2-22所示。在一个拍长上，两正交偏振光的相位差变化2，因而有 LLB2。LB2/L0/B图2-22 光纤双折射的偏振态在一个拍长上的演化（3）消光比和功率耦合系数 如在光纤输入端激发x方向的线偏振模，其功率为Px，由于耦合，在光纤的输出端出

31、现了y方向的线偏振模，其功率为Py。用消光比和功率耦合系数h来表示这一对正交线偏振模的耦合作用=10lg tan（hL）=10lg(Px/Py)越大说明光纤的保偏能力强。式中：L是光纤长度。这两参数说明光纤的保偏能力，、h越大保偏能力越强。2线双折射的成因 线双折射归为两类:几何双折射 应力双折射（1）几何双折射 其截面如图2-21所示，长轴2a，在x方向；短轴2b在y方向。椭圆度e=1-（ba）2。当椭圆度e0蓝移;Wi 0红移.n最终效果随信号在光纤中传输,脉冲将加宽.3）四波混频FWM(Four Wave Mixing)FWM是指由两个或三个波长的光波混合后产生的新光波，其原理如图2-26所示。在系统中，某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频产生原理图