《光纤的基本性质》PPT课件.ppt

第1章 光纤的传输理论,2,光纤中光传输的两种理论 射线光学（几何光学）：忽略波长的光学，用光射线代表光能量传输路线；（多模光纤） 波动光学：光场（电磁场） 利用麦氏方程组及全部边界条件求解方程,3,主要内容,1.1 光纤的基本性质 1.2 介质平板波导 1.3 阶跃折射率光纤的模式理论 1.4 渐变折射率光纤的近似分析 1.5 单模光纤,4,1.1 光纤的基本性质,光纤的结构、分类和光的传输 光纤的传输性质 光纤类型的发展演变,5,1、光纤的结构、分类和光的传输,光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷层,纤芯,6,光缆,六纤光缆,外护套,弹性加强件,缓冲加强件,纸/塑料包扎带,基本光纤结构单元,隔离铜导体,聚亚胺酯/PVC铠装,7,缆芯结构,层绞式,大束管式,骨架式,带式,8,(2)分类 按原材料分：石英光纤；多组成分玻璃光纤；塑料包层光纤；全塑光纤,玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高； 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低； 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。,9,按光纤横截面折射率分布： 阶跃折射率光纤（Step-Index Fiber） 渐变折射率光纤（ Graded-Index Fiber）,按传输模式数量分： 多模光纤 单模光纤,10,小结： 石英光纤分类： 多模阶跃折射率光纤 多模渐变折射率光纤 单模阶跃折射率光纤,11,光纤的结构、分类和光的传输,D = 0.002 0.01,D = 0.01 0.03,12,（3）光的传输 多模阶跃折射率光纤中光的传输 回顾 几何光学中全反射条件(斯涅耳折射定律),13,用全反射原理分析多模阶跃折射率光纤中光的传输,临界角,存在问题：脉冲展宽,14,子午光线和斜射线,15,多模阶跃折射率光纤的最大群时延差,16,多模渐变折射率光纤中的光传输,折射率分布 射线方程,近轴子午光线(和光纤轴线夹角很小),17,对抛物线分布 得 对近轴光线， ，有,18,自聚焦光纤中的光射线：子午线,上式可近似为抛物线分布,结论： 当折射率分布取双曲正割函数时，所有子午光线具有完善的自聚焦性质,19,自聚焦光纤中的光射线：偏射线,不在一个平面内的空间曲线，不与光纤轴线相交； 在两个焦散面之间振荡； 若两个焦散面重合，偏射线为螺旋线； 螺旋线不产生自聚焦，仍有群时延差。,20,若要得到螺旋线，折射率分布应为,若要子午线聚焦，折射率分布应为 该形式中偏射线不能自聚焦,总结,21,2. 光纤的传输性质 (1) 损耗（Attenuation） (2) 色散（Dispersion） (3) 非线性效应（Non-Linear Effects in Fiber）,22,23,损耗计算（ dB/km） Pin ：输入光功率 Pout ：输出光功率 L ：光纤长度 低损耗窗口 0.85 mm ( 2.5dB/km) 1.3 mm ( 0.4dB/km) 1.55mm ( 0.2dB/km),(1)光纤的损耗,Corning SMF-28 光纤的损耗,24,产生损耗的因素 纤芯和包层物质的吸收损耗 纤芯和包层物质的散射损耗 光纤表面的随机畸变或粗糙产生的波导散射损耗 光纤弯曲面所产生的辐射损耗,25,石英光纤的固有损耗 本征吸收: SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 本征散射：瑞利散射 分子热骚动 折射率在微观上的随机起伏 光散射 1/4,非固有损耗 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； 波导色散损耗；附加损耗；外套损耗等,26,光纤的损耗谱,27,（2）色散（Dispersion) 模式色散 (intermodal dispersion) 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因而形成模式色散。,解决方法：选择光纤折射率分布形式g取最佳值，减小模式色散,28,模内色散 （intramodal dispersion） 材料色散（Dm）：石英的折射率随波长变化 波导色散（Dw）：某个模式在不同频率下，由于群速度不同引起的色散 偏振模色散：对于单模光纤，两个偏振模式因光纤的不完善而出现传输系数的差异，产生的色散被称为偏振模色散.,29,单模光纤的色散谱,色散参数 D =（d/d）/ L （ps/nmkm） t 是群时延,30,总结 多模光纤：模式色散占主流，且光源越接近单色，模式色散愈占主导； 单模光纤：材料色散、波导色散、偏振模色散。,31,3、光纤类型的发展演变,多模光纤 常规单模光纤 (SMF), G.652 零色散点在 1310nm 在1.55 um波段D(l) = 17 ps/nm-km ，若传输速率在 10 Gbps 或更高，需要色散补偿 色散位移光纤 (DSF), G.653 零色散点移动到1.55 um，适合在损耗最低窗口传输高速率信号 但由于四波混频（FWM）造成复用信道的串扰，不适合 DWDM 系统 非零色散位移光纤(NZDF), G.655 在1.55um窗口 D(l) = 1 4 p