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光纤通信与光纤网络 第一章光纤通信的传输媒质 光纤 闫娟娟新主楼F1014 Tel 82317220Email yanjuanjuan 光纤通信与光纤网络 本章内容 概述光纤的传输理论光纤的色散光纤的非线性光纤制造及光缆 光纤通信与光纤网络 本章内容 概述光纤的传输理论光纤的色散光纤的非线性光纤制造及光缆 光纤通信与光纤网络 概述 光纤 Opticalfiber 的基本结构光纤的光学特性光纤的分类光纤的基本传输特性 光纤通信与光纤网络 概述 光纤的基本结构 基本结构 纤芯 材料为玻璃 SiO2 折射率为n1 直径为2a包层 材料为玻璃或塑料 折射率为n2 n2 n1 直径为2b涂覆层 又称护套 材料为塑料或树酯 起保护作用 光纤通信与光纤网络 光纤折射率分布 类型 条件 n1 n2 光密 光疏媒质 阶跃型 SI Stepindex 梯度型 渐变型 GI GradedIndex 概述 光纤的光学特性 1 1 当 10时 趋近阶跃型当 1时 三角型 色散位移 当 2时 平方律分布 相对折射率差 光纤通信与光纤网络 光纤的模式 指能够独立存在的电磁场的场结构形式 许多模式的线性组合构成了光波导中总的场分布 一个模式 实际上是光波导的光场沿横截面分布的一种场图 从几何光学角度看 多模光纤的每一个模式是与光纤轴成一定角度传输的光束相联系的 不同的模式对应不同的角度 概述 光纤的光学特性 2 光纤通信与光纤网络 按照光纤传输模式的多少分 单模光纤 多模光纤按照光纤截面折射率分布分 阶跃型光纤 梯度型光纤 双包层 W型 三角分布 色散位移光纤 DSFG 653 非零色散位移光纤 NZ DSFG 655 概述 光纤的分类 1 光纤通信与光纤网络 ITU T标准光纤 G 652 普通单模光纤 SSMF G 653 色散位移光纤 DSF G 655 非零色散位移光纤 NZ DSF 产品 康宁LEAF 长飞 大保实特种光纤 保偏光纤 PMF 色散补偿光纤 DCF 掺铒光纤 EDF 等 概述 光纤的分类 2 光纤通信与光纤网络 损耗 光波损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一 色散 不同频率的光波在光纤中具有不同的传播速度 色散引起传输脉冲展宽 产生码间干扰 从而限制了通信容量和通信距离 非线性效应 由光强引起折射率变化而产生的 也可以引起传输信号的畸变 与色散的共同作用是限制高速WDM系统性能的主要因素 概述 光纤的基本传输特性 光纤通信与光纤网络 光纤的损耗 定义 概述 光纤的基本传输特性 损耗 损耗类型与损耗谱 L 光纤长度 Pout 出纤光功率 Pin 入纤光功率 引起光纤损耗的主要机理 光能量的吸收损耗 散射损耗 辐射损耗 Pin Pout以W或mW为单位 光纤通信与光纤网络 概述 光纤的基本传输特性 损耗 光纤的损耗 损耗类型 吸收损耗散射损耗辐射损耗 红外和紫外吸收损耗OH离子吸收损耗金属离子吸收损耗 瑞利散射损耗波导散射损耗非线性散射损耗 光纤通信与光纤网络 光纤材料的吸收损耗包括 材料本身所固有的紫外 红外吸收 本征吸收损耗 OH离子 金属离子等 非本征吸收损耗 紫外吸收 低能级电子吸收光能量跃迁至高能级 吸收峰在0 16 m 尾巴延伸至光纤通信波段 在短波长区达1dB km 长波长区约0 05dB km 红外吸收 Si O键振动吸收 谐振吸收峰在9 1 12 5 21 m 尾巴延伸至1 5 1 7 m 造成光纤工作波长的上限 OH离子吸收 O H键的基本谐振波长为2 73 m 与Si O键的谐振波长相互影响 在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰 影响较大的是在1 39 1 24 0 95 m 峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口 减小OH离子浓度 降低这些吸收峰 全波光纤 康宁 金属离子吸收 金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰 0 5 1 1 m 目前杂质含量低于10 9 其影响已可忽略 概述 光纤的基本传输特性 损耗 光纤通信与光纤网络 概述 光纤的基本传输特性 损耗 光纤的散射损耗 瑞利散射损耗 光纤在加热制造过程中的热骚动 造成材料密度不均匀 比光波长小的尺度上的随机变化 进而造成折射率的不均匀 引起光的散射 瑞利散射 大小与 4成反比 波导散射损耗 光纤芯径沿轴向不均匀 大于光波长尺度 造成导模和辐射模间的能量耦合 使能量从导模转移到辐射模 造成波导散射损耗 又称米氏散射 目前的光纤制造水平 可将芯径的变动控制到 1 相应的散射损耗 0 03dB km 可以忽略 非线性散射损耗 受激喇曼散射和受激布里渊散射使部分光能转移到新的频率 造成损耗 光纤通信与光纤网络 辐射损耗 又称弯曲损耗 光纤的弯曲包括两类 一是弯曲半径远大于光纤直径 二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯 概述 光纤的基本传输特性 损耗 弯曲半径远大于光纤直径 现象 起初随着弯曲半径的减小 损耗按指数增大 当弯曲达到某一临界值时 损耗突然急剧增大 甚至导致传输中断 光纤成缆时轴向产生的随机性微弯 引起导模与辐射模的反复耦合 造成损耗 光纤通信与光纤网络 概述 光纤的基本传输特性 损耗 光纤损耗谱特性 OH离子吸收峰 光纤通信与光纤网络 本章内容 概述光纤的传输理论光纤的色散光纤的非线性光纤制造及光缆 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 建立在几何光学基础上的射线分析法 简单 直观 可提供清晰直观的多模光传输的物理图象 将每一模式描述为与光纤轴成一定角度传输的光射线 而不同模式对应不同的角度 光线理论 建立在波动光学基础上的模式分析法 复杂 但可提供特别是单模光纤传输状况的更精细描述 基本方法为用麦克斯韦方程组求解单模光波导 波导理论 光纤传输特性的分析方法 光纤通信与光纤网络 成立条件 光纤的几何尺寸远大于光波长适用光纤 多模光纤 a在25 100 m 0 85 m 光纤的传输理论 光线理论 光纤通信与光纤网络 光纤中的射线 光纤的传输理论 光线理论 子午光线 传播路径与光纤轴线相交 斜射光线 传播路径不与光纤轴相交 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 光线理论 数值孔径 NA 光纤通信与光纤网络 模间色散 L 光纤长度 c 真空中的光速 最大时间延迟 传输容量限制 B 信号比特率 光纤的传输理论 光线理论 光纤通信与光纤网络 梯度折射率光纤的光线理论 光线类型 子午光线 斜射光线光线传输轨迹 曲线 折射率分布 1 当 10时 趋近阶跃型当 1时 三角型 色散位移 当 2时 平方律分布 相对折射率差 光纤的传输理论 光线理论 光纤通信与光纤网络 梯度折射率光纤的数值孔径NA r 光纤的传输理论 光线理论 中心轴上的数值孔径 光纤通信与光纤网络 多模阶跃型光纤导光原理 多模渐变型光纤导光原理 单模光纤导光原理 光纤的传输理论 光线理论 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 波动理论 条件 在线性 各向同性的电介质中 无电流和自由电荷 对第一式两边取旋度 并利用其它几式和条件得 波动方程 麦克斯韦方程组导出光纤的波动方程 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 波动理论 光纤中的模式 波动方程的一个特定解 求解波动方程 以光纤中心轴为z轴的圆柱坐标系 r z 传播常数k 2 在z方向的分量 Ez 0称为横电模或TE模 Hz 0称为横磁波或TM模 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 波动理论 对于阶跃光纤 利用分离变量法可求解波动方程有 Jv ur 为v阶第一类贝塞耳函数 u2 k12 2 k1 2 n1 Kv wr 为第二类贝塞耳函数 w2 2 k22 k2 2 n2 分析 当 时 对于导模当 时 必为零 所以对导模必有 导模截止条件 达到该条件 模式将不再约束于纤芯内 在纤芯中u必须是实数 否则场将衰减 因此必有 因此对导模 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 波动理论 利用芯包界面场切向分量连续的条件 边界两侧电场E的切向分量E 和Ez在分界面r a处取值相同 磁场H的切向分量也同样满足此条件 得出四个关于A B C D的齐次方程组 方程组有非零解的条件是方程组的系数行列式等于零 由此可得出决定传播常数 的方程 本征方程 光纤通信与光纤网络 光纤的传输理论 波动理论 对应与每一组vm 波动方程包含两组解 两组解的Ez和Hz的相对值不同 对于Hz Ez的解 称为HEvm模对于Hz Ez的解 称为EHvm模 特别地 通常将HE0m称为TE0m模 EH0m称为TM0m模 模式分析 光纤通信与光纤网络 归一化频率 也称V数或V参数 无量纲参数 决定了光纤可以支持的模式 模式截止条件 归一化传播常数 光纤的传输理论 波动理论 模式截止条件 传输模数 阶跃光纤 梯度光纤 光纤通信与光纤网络 单模光纤中存在两个独立的简并传播模 它们的偏振面相互正交 二者线性的叠加为光纤中传播的光波的电场 在理想的轴对称的光纤中 两个模式具有完全相同的传播常数 kx ky 如果光纤不具有理想的圆对称性 两个正交模以不同的相速率传播 因而两模式具有不同的折射率 这就是光纤中的双折射 光纤的传输理论 波动理论 单模光纤的条件 当取a n1 n2使将截止除HE11模之外的所有模式 单模光纤中的两个正交模在传播中会产生相位差 相位差的变化以2 为周期 因此 光纤中光波的偏振态会发生周期变化 发生一个周期变化的光纤长度 称为拍长 光纤通信与光纤网络 单模光纤的模场直径MFD 在单模光纤中 单一模式的光并不完全由纤芯承载并局限在纤芯内传播 而有相当部分的能量 约20 在包层中传输 所以芯径 2a 已不能反映传输和耦合问题 而是用模场直径作为描述单模光纤光能量传输集中程度的参量 高斯型电场分布 MFD宽度2W0定义为场强降至中心处的e 1时对应半径的2倍 光纤的传输理论 波动理论 光纤通信与光纤网络 本章内容 概述光纤的传输理论光纤的色散光纤的非线性光纤制造及光缆 光纤通信与光纤网络 相速度 光载波 群速度 群时延 光脉冲展宽 L 传输距离 光纤的色散 基本概念 光纤中某一特定模式的能量传播速率 光谱宽 光纤通信与光纤网络 同一频率点上不同模式具有不同的群时延 色散类型模间色散 仅多模光纤有 波导色散 材料色散n 偏振模色散 光纤的色散 分类 光纤通信与光纤网络 材料色散 纤芯中材料的折射率随波长变化而导致的色散 不考虑波导色散 无限大电介质传播常数 材料色散 n 介质折射率 波导色散 光纤的传播常数随a 变化而产生的色散 是单模光纤色散的主要原因 多模光纤可以忽略 不考虑材料色散 有 光纤的色散 分类 光纤通信与光纤网络 单模光纤的色散 方法1 通过减小芯径a 减小W 但损耗增大方法2 保持较大的W 增大dW d 如 三角形折射率分布 DSF光纤 多包层 W型 折射率分布 DFF色散平坦光纤 高阶色散 光纤的色散 特性 近似为材料色散与波导色散的相加零色散波长正色散区 2 0 D0 蓝快红慢色散位移 利用模场半径W与V的关系 可导出 作业 简述色散位移光纤的设计思想 光纤通信与光纤网络 在理想的单模光纤中 基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成 如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度 出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽 从而形成偏振模色散 偏振模色散 PMD PMD产生原因 光纤不同偏振态的双折射 光纤几何形状不规则或内部应力不均匀 外界因素如弯曲 扭曲和挤压或温度的变化等 光纤的色散 分类 光纤通信与光纤网络 按照国际标准技术规范小组的观点 为保证PMD导致的系统功率代价在1dB以下 偏振模色散的平均值必须小于一比特周期的十分之一 10psfora10Gb ssystem 当大于这一规定值时 需对系统偏振模色散进行补偿 我国信息产业部对已铺设光纤传输线路的测试结果表明 线路偏振模色散大于20ps 不能直接在线路上进行10Gb s高速信号的传输 DPMD 微分群时延 典型值在0 1到1 0之间 光纤的色散 分类 光纤通信与光纤网络 本章内容 概述光纤的传输理论光纤的色散光纤的非线性光纤制造及光缆 光纤通信与光纤网络 用于光纤的玻璃材料的非线性很弱 但由于纤芯小 纤芯内场强非常高 且作用距离长 使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度 导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制 反之 可以利用非线性现象产生有用的效应 光纤中的非线性效应可分为两类 非线性折射率 光纤折射率与光强的相关性 产生的效应 克尔效应 包括 自相位调制 SPM 互相位调制 XPM 和四波混频 FWM 受激非弹性散射 光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应 包括 受激布里渊散射 SBS 和受激喇曼散射 SRS 光纤的非线性 光纤通信与光纤网络 光纤的非线性 克尔效应 在电场的作用下 光纤介质的极化强度p可表示为 其中 0为真空中的介电常数 i 为i阶电极化率 1 为线性极化率 主要影响介质的折射率和衰减 对于SiO2材料制成的光纤 具有对称分子结构 所以 2 0 掺杂后的光纤 2 0 光纤的非线性主要起源于 3 3 与电场相互作用产生非线性折射率或克尔系数 由此引起导模传播常数发生变化 P为光纤中传输的功率 为非线性系数 Aeff光纤有效截面积 光纤通信与光纤网络 光纤的非线性 自相位调制 SPM 非线性折射率的存在引入了传播常数的非线性分量 导致模场相位随距离线性增加 由模场自身产生的克尔效应而引起的非线性相移称为自相位调制 SPM 考虑光纤衰减时有 Leff为考虑光纤衰减时的有效传播长度 为光纤的衰减系数 以N 奈培 km为单位 SPM会导致光脉冲的频谱展宽或频率啁啾 影响系统性能 但在光纤的负色散区 SPM与色散相互作用能支持超短光孤子脉冲传播 实现光孤子通信 作业 推导以N 奈培 km和dB km为单位的衰减系数之间的关系 光纤通信与光纤网络 光纤的非线性 交叉相位调制 XPM 当使用不同载波的两个或两个以上信号在光纤中同时传播时 折射率与光强的相关性会导致交叉相位调制 XPM 也就是一个特定信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的场强或功率 也取决于其它信道信号的功率 第j信道的相移可写为 其中 N为信道数 Pi为信道功率 XPM所导致的非线性相移与所有信道的总功率有关 并根据相邻信道比特图形而变化 在各信道功率相等且所有信道同时承载比特 1 时产生的影响最坏 光纤通信与光纤网络 光纤的非线性 四波混频 FWM FWM是当多个波长信号在光纤中共同传输时 由于 3 的作用 产生新的频率成分的非线性效应 这些新生的频率分量能对系统性能造成影响的主要是 对于等间隔的WDM系统 由FWM产生的频率分量将与信号频率重叠 形成信道之间的串扰 同频串扰 严重影响系统的性能 在n信道的WDM系统中 可能的组合有 种 相位匹配条件 光纤通信与光纤网络 光纤的非线性 受激非弹性散射 一个高能量光子被散射成一个低能量的光子 斯托克斯光 同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子受激布里渊散射 SBS 参与的能量子为声学声子 只有后向散射受激拉曼散射 SRS 参与的能量子为光学声子 以前向散射为主 但也有后向散射阈值功率 在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率 散射光一般会对信号光产生串扰 选择合适波长的泵浦 可以将其能量传递给信号光 使信号光得到放大 制成布里渊放大器