第二章 通信光纤(1)

第二章通信光纤 2 1通信光纤概述 光纤结构 光纤结构 2 1通信光纤概述 光纤结构 光纤的外形 2 1通信光纤概述 光纤结构 光纤纤芯的剖面结构 2 1通信光纤概述 光纤结构 折射率 n1 纤芯 n2 包层 2 1通信光纤概述 光纤的类型 光纤的类型 光纤的分类按构成材料分类 1 以二氧化硅 SiO2 为主要成分的石英玻璃 2 多种组份的多组份纤维 3 塑料为材料的塑料光纤 按构成材料分类 1 改进的化学气相沉积法 MCVD 2 等离子体激活化学气相沉积法 PVCD 3 管外化学气相沉积法 气相轴向沉积法 VAD 管外气相沉积法 OVPD 4 多种组份玻璃制造法 按折射率分布分类 1 突变型光纤 SI StepIndex 2 渐变型光纤 GI GradientIndex 3 W型光纤按传输总模数分类 1 单模光纤 SM 2 多模光纤 MM 按工作波长分类 1 短波长 2 长波长 2 1通信光纤概述 光纤的类型 常用的光纤类型a 突变 阶跃 型多模光纤 2 1通信光纤概述 光纤的类型 b 渐变型多模光纤c 突变 阶跃 型单模光纤 2 1通信光纤概述 光纤的类型 典型的特种光纤a 双包层 W型 光纤 色散平坦光纤 掺杂光纤b 三角芯光纤 色散移位光纤c 椭圆芯光纤 保偏光纤 2 1通信光纤概述 几何光学分析法 1 突变型多模光纤 传光原理 光全反射 2 1通信光纤概述 几何光学分析法 BasicStep Index SI FiberDesign RefractiveIndex n Diameter r Cladding Primarycoating e g softplastic Core 1 480 1 460 SiO2Glass Mostcommondesigns 100 140or200 280 mPlasticopticalfiber POF 0 1 3mm core80to99 140 m 100 m 2 1通信光纤概述 几何光学方法 Snell定律n0sin n1sin 1 n1cos 1 2 1 1 1 90o 数值孔径 NA NA sin c n1cos c n1sin c n2sin90o 2 2 取n0 1 n1 n2 n1 纤芯和包层的相对折射率差 讨论 NA的物理意义NA 光纤接收和传输光的能力 是否NA宜大为好 光纤通信中 很小 例如 0 01 NumericalAperture NA Acceptance EmissionCone NA sin n2core n2cladding 2 1通信光纤概述 几何光学方法 模间色散 时间延迟 不同模式 不同 的最大时延设NA 0 2 n1 1 5 L 1km 44ns 10MHzkm的带宽2 渐变型多模光纤 折射率分布纤芯包层 2 1通信光纤概述 几何光学方法 渐变型多模光纤的传光原理 Gradient Index GI Fiber Dopingprofiledesignedtominimize race conditions outer modestravelfasterduetolowerrefractiveindex Mostcommondesigns 62 5 125or50 125 m NA 0 2BitratexDistanceproduct 1Gb s km n r 1 475 1 460 Single ModeFiber SMF Step IndextypewithverysmallcoreMostcommondesign 9 125 mor10 125 m NA 0 1BitratexDistanceproduct upto1000Gb s km limitedbyCDandPMD seenextslides 2 1通信光纤概述 波动理论分析法 光纤传的波动理论1 波动方程和电磁场表达式 麦克斯韦方程组应用于光纤中 上述公式化简为 对于电磁场 2 1通信光纤概述 波动理论分析法 波动方程 k nk0 k0 c 2 标量波动方程把矢量方程应用于某一方向 可用标量方程表示 阶跃折射率光纤中的场解 数学模型园柱坐标系中的波导场方程边界条件本征解与本征值方程本征值与模式分析 数学模型及波动方程的解 数学模型 阶跃折射率分布光纤 SIOF 是一种理想的数学模型 即认为光纤是一种无限大直园柱系统 芯区半径a 折射率为n1 包层沿径向无限延伸 折射率为n2 光纤材料为线性 无损 各向同性的电介质 2 1通信光纤概述 波动理论分析法 光纤中园柱坐标沿z轴方向的电场分量为Ez为所求在柱坐标中 z分量的波动方程为 波导场方程与解的基本形式 六个场分量 Er E Ez Hr H Hz波导场方程 解的基本形式 2 1通信光纤概述 波动理论分析法 波动方程的解法1 分离变量Ez r z Ez r Ez Ez z 2 Ez 为2 的周期函数其解为 cosv sinv 或exp jv 3 Ez z 为导波沿光纤轴向的变化规律 行波状态 贝塞尔方程及其解 纵向场分量满足 贝塞尔方程贝塞尔方程的解 第一类和第二类贝塞尔函数 Jn Nn第一类和第二类汉克尔函数 Hn 1 Hn 2 第一类和第二类变态汉克尔函数 In Kn 场解的选取 依据 导模场分布特点 在空间各点均为有限值 在芯区为振荡形式 而在包层则为衰减形式 导模场在无限远处趋于零 贝塞尔函数形式 Jn呈振荡形式 Kn则为衰减形式 本征解选取 在纤芯中选取贝赛尔函数Jn 在包层中选取变态汉克尔函数Kn 本征解的确定 纤芯 0a 本征值方程的导出 边界条件 在r a Ez Hz Ef Hf连续确定待定系数ABCD有非全零解 ABCD系数行列式为零 即可导出本征值方程 本征值方程 又称特征方程 或色散方程 其中U与W通过其定义式与 相联系 因此它实际是关于 的一个超越方程 当n1 n2 a和 0给定时 对于不同的n值 可求得相应的 值 由于贝塞尔函数及其导数具有周期振荡性质 所以本征值方程可以有多个不同的解 nm n 0 1 2 3 m 1 2 3 每一个 nm都对应于一个导模 归一化工作参数 归一化工作频率 归一化横向传播常数 归一化横向衰减常数 有效折射率 neff b k0归一化工作参数 贝塞尔函数递推公式 I 微分公式 递推公式 大宗量近似 小宗量近似 贝塞尔函数递推公式 II 微分公式 递推公式 大宗量近似 小宗量近似 本征值方程的其它形式 1 2 3 模式分类准则 n 0 Ez 0 orHz 0 对应于TE模或TM模n 0 Ez 0 andHz 0 对应于HE模或EH模分类参数k k 0 TM k TE k 1 EH k 1 HE 模式分类的物理意义 偏振特性 TE模与TM模是偏振方向相互正交的线偏振波 HE模与EH模则是椭圆偏振波 其中HE模偏振旋转方向与波行进方向一致 符合右手定则 EH模偏振旋转方向则与光波行进方向相反 场强关系 EH模电场占优势 而HE模磁场占优势 Ez Hz Et Ht 模式近似为横场分布 相位关系 EH模的Hz分量超前于Ez90 HE模的Hz分量落后于Ez90 模式本征值 模式的截止与远离截止 临近截止 W 0 场在包层中不衰减远离截止 W 场在包层中不存在截止与远离截止条件 模式临近截止远离截止TE0m TM0m J0 Uc 0J1 U 0HEnmJn 2 Uc 0Jn 1 U 0EHnmJn Uc 0Jn 1 U 0 除了HE1m模式以外 U不能为零模式本征值 Uc U U 色散曲线 色散曲线结构参数给定的光纤中 模式分布是固定的 可根据本征值方程式利用数值计算得到各导模传播常数 与光纤归一化频率V值的关系曲线 称之为色散曲线 因此 本征值方程又叫色散方程 色散曲线分析图中每一条曲线都相应于一个导模 平行于纵轴的竖线与色散曲线的交点数就是光纤中允许存在的导模数 由交点纵坐标可求出相应导模的传播常数 给定V值 V Vc 则Vc越大导模数越多 反之亦然 当Vc 2 405时 在光纤中只存在HE11模 其它导模均截止 为单模传输 模式数目 给定V值 SIOF中的导模数目近似等于V2 2 所含精确模式可根据导模截止与远离截止条件确定 单模工作条件 单模条件 Vc 2 0 a n12 n22 2 405单模光纤尺寸 ac 1 202 0 n12 n22 单模光纤截止波长 c a n12 n22 1 202单模光纤截止频率 fc 1 202c a n12 n22 仅当 c或f fc时方可在光纤中实现单模传输 这时 在光纤中传输的是HE11模 称为基模或主模 紧邻HE11模的高阶模是TE01 TM01模和HE21模 其截止值均为Vc 2 405 2 2光纤损耗特性 损耗系数 损耗的表示方法 损耗系数 PiLPo 10 L lg Pi Po dB km 损耗的机理及损耗谱 吸收损耗 本征吸收 杂质吸收SiO2的本征吸收很小 0 8 1 6um 0 1dB km1 3 1 6um 0 03dB km杂质吸收 Fe Co Cu等离子 氢氧根 OH 2 2光纤损耗特性 损耗机理和损耗谱 散射损耗 瑞利散射和结构缺陷散射 单模光纤损耗谱 AttenuationInSilicaFibers 900 1100 1300 1500 1700 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 OHAbsorption Attenuation dB km Wavelength nm OpticalWindows 2 3 1 Maincauseofattenuation Rayleighscatteringinthefibercore 2 2光纤损耗特性 损耗机理和损耗谱 常用光纤损耗谱 2 3光纤的色散特性 光纤色散 Dispersion 1 色散 带宽和脉冲展宽 何为色散 不同频率 模式的光所产生的不同时延其表现形式为光脉冲展宽 导致光信号失真 光纤中色散的类型模式色散 材料色散 波导色散 色散的频域 时域表示3dB带宽 脉冲展宽 随着脉冲在光纤中传输 脉冲的宽度被展宽 模间色散 ModeDispersion 色度色散 CromaticDispersion 偏振色散 PolarizationModeDispersion 色散对传输的限制 Material Chromatic Dispersion Thisiscausedbythefactthattherefractiveindexoftheglassweareusingvaries slightly withthewavelength Somewavelengthsthereforehavehighergroupvelocitiesandsotravelfasterthanothers Sinceeverypulseconsistsofarangeofwavelengthsitwillspreadouttosomedegreeduringitstravel GroupVelocityDispersion GVD NormalDispersionRegime thelongwavelengthstravelfasterthantheshortones Thusaftertravellingonafibrewavelengthsattheredendofthepulsespectrumwillarrivefirst Thisiscalledapositivechirp AnomalousDispersionRegime theshortwavelengths blueendofthespectrum travelfasterthanthelongwavelengths redend Aftertravelonafibretheshorterwavelengthswillarrivefirst Thisisconsideredanegativechirp PolarisationModeDispersion PMD ThereisusuallyaveryslightdifferenceinRI refractiveindex foreachpolarisation Itcanbeasourceofdispersion usuallylessthan 5ps nm km Theeffectistocauseacircularorellipticalpolarisationtoformasthesignaltravelsalongthefibre Dispersionresultingfromthebirefringentpropertiesoffibreiscalled PolarisationModeDispersion PMD WaveguideDispersion Theshape profile ofthefibrehasaverysignificanteffectonthegroupvelocity Thisisbecausetheamountthatthefieldsoverlapbetweencoreandcladdingdependsstronglyonthewavelength Thelongerthewavelengththefurtherthetheelectromagneticwaveextendsintothecladding sinceagreaterproportionofthewaveatshorterwavelengthsisconfinedwithinthecore theshorterwavelengths see ahigherRIthandolongerwavelengths Thereforeshorterwavelengthstendtotravelmoreslowlythanlongerones 传输使用的三种不同类型的单模光纤 G 652单模光纤 NDSF G 653单模光纤 DSF G 655单模光纤 NZ DSF 常规G 655大有效面积G 655 大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2 5Gb s系统色度色散受限距离约600km10Gb s系统色度色散受限距离约34kmG 652 DCF方案升级扩容成本高结论 不适用于10Gb s以上速率传输 但可应用于2 5Gb s以下速率的DWDM G 652单模光纤 NDSF 低损耗零色散小有效面积长距离 单信道超高速EDFA系统四波混频 FWM 是主要的问题 不利于DWDM技术结论 适用于10Gb s以上速率单信道传输 但不适用于DWDM应用 处于被市场淘汰的现状 G 653单模光纤 DSF 在1530 1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散 一定的色散抑制了非线性效应 四波混频 的发生 可以有正的或负的色散 海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲 负色散SPM效应展宽脉冲 为DWDM系统的应用而设计的 G 655单模光纤 NZ DSF 结论 适用于10Gb s以上速率DWDM传输 是未来大容量传输 DWDM系统用光纤的理想选择 三种光纤色散情况比较 正常色散区 反常