《光纤通信第二章》PPT课件

光纤传输原理及传输特性,光纤通信技术第二章,光纤,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无损无畸变地传输。但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特性、传输能力究竟如何？本章讨论的要点。,引言,1光纤与光缆的结构和类型2光纤的传输原理3光纤传输特性,第二章光纤传输理论及传输特性,1光纤与光缆的结构和类型,60年代，光纤损耗超过1000dB/km1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km(1m附近波长区)1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km(在1.55m处)低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。,1.1光纤的结构,光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,近四十年的努力寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现,1.2光纤型号,ITU-T规定的光纤型号：G.651多模光纤G.652常规单模光纤G.653色散位移光纤G.654波长1550nm处损耗最低光纤G.655非零色散位移光纤,1.2光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤,图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤,图2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯,特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双包层光纤色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）三角芯光纤椭圆芯光纤双折射光纤或偏振保持光纤。,主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55m色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。,突破色散限制,传输光纤的改进（1）：G.653色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),传输光纤的改进（2）：G.655非零色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),1.3光缆的制作,用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型预制棒长1m,直径2cm）使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热成缆-光缆预制棒制作技术改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）、棒外气相沉积法（OVD）和轴向气相沉积法（VAD）,制造光纤预制棒的MCVD流程示意图,光纤拉丝装置示意图,1光缆基本要求保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见图应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。,二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线,光缆结构和类型光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。,光缆的基本型式层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。带状式把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。,2.护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。根据使用条件光缆可以分为：室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。,光缆特性拉力特性压力特性弯曲特性温度特性,1.4其他光纤,聚合物(塑料)光纤(POF)：用于用户接入。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信号衰减，但韧性好，更为耐用直径大1020倍，连接时允许一定的差错，而不致牺牲耦合效率廉价的塑料注入成形技术，可用于制造光连接器、光分路器和收发设备。,2.光纤传输原理,2.1光纤的射线光学传输理论,光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,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,-数值孔径(NA),相对折射率差,n0、n1、n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，c-芯包界面全反射临界角,代表光纤接收光的本领,（示意图，比例不符）,(n1略大于n2),1.阶跃光纤,1.,以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。,模间色散,所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。,1.阶跃光纤,core,cladding,1.阶跃光纤,经历最短和最长路径的两束光线间的时差:,-传输容量限制:,B-信号比特率,（最大时延要小于比特脉冲间隔）,1.阶跃光纤,-传输容量限制:,下降，BL上升。对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)，=0.33很大，BL0.4(Mb/s).km减小值，BL能提高很多。一般0.01。当=0.002时，BL100(Mb/s).km，10Mb/s的速率传输10km，适用于一些局域网。,2.渐变光纤,渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传播最慢.通过合理设计折射率分布,使光线同时到达输出端，降低模间色散。这是光的自聚焦现象带来的好处。,MultimodeGraded-IndexOpticalFiber,2.渐变光纤,优化设计的渐变光纤，其BL积达约10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。第一代光波系统就是使用的渐变光纤。单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波和模式理论来讨论。,2.2光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论的两个出发点波动方程和电磁场表达式特征方程和传输模式光纤传输的波动理论的两个角度单模光纤的模式特性多模光纤的模式特性,求解思路,suitedfora,wavetheory,式中，E和H分别为电场和磁场在直角坐标中的任一分量，c为光速。选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为,(2.30),(2.31),(2.42),1.波动方程和电磁场表达式设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jt)，则标量波动方程为,光纤中的圆柱坐标,磁场分量Hz的方程和式(2.42)完全相同，不再列出。解方程(2.42)，求出Ez和Hz，再通过麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。把Ez(r,z)分解为Ez(r)、Ez()和Ez(z)。设光沿光纤轴向(z轴)传输，其传输常数为，则Ez(z)应为exp(-jz)。由于光纤的圆对称性，Ez()应为方位角的周期函数，设为exp(jm)，m为整数。现在Ez(r)为未知函数，利用这些表达式，电场z分量可以写成Ez(r,z)=Ez(r)ej(m-z)把上式代入式(2.42)得到,式中，k=2/=2f/c=/c，和f为光的波长和频率。这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔(Bessel)方程(2.49)。设纤芯(0ra)折射率n(r)=n1，包层(ra)折射率n(r)=n2，实际上突变型多模光纤和常规单模光纤都满足这个条件。为求解方程(2.49)，引入无量纲参数u,w和V。,(2.49),因为光能量要在纤芯(0ra)中传输，在r=0处，电磁场应为有限实数；在包层(ra)，光能量沿径向r迅速衰减，当r时，电磁场应消逝为零。根据这些特点，式(2.55a)的解应取m阶贝塞尔函数Jm(ur/a)，而式(2.55b)的解则应取m阶修正的贝塞尔函数Km(wr/a)。,式中，脚标1和2分别表示纤芯和包层的电磁场分量，A和B为待定常数，由激励条件确定。Jm(u)和Km(w)如图2.7所示，Jm(u)类似振幅衰减的正弦曲线，Km(w)类似衰减的指数曲线。式(2.56)表明，光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u、w和的值。u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数；决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为(纵向)传输常数。,图2.7（a)贝赛尔函数；（b)修正的贝赛尔函数,Jm(u),1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6,43210,246810u,m=1,v=0,m=2,(a),(b),m=1,12345w,km(w),m=0,当m=0时，电磁场可分为两类。一类只有Ez、Er和H分量，Hz=Hr=0，E=0，这类在传输方向无磁场的模式称为横磁模(波)，记为TM0。另一类只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，这类在传输方向无电场的模式称为横电模(波)，记为TE0。当m0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模(波)。混合模也有两类，一类EzHz，记为HEm，另一类Hz0。,如果w0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。其u、w和值记为uc、wc和c，此时V=Vc=uc。对于每个确定的v值，可以从特征方程(2.58)求出一系列uc值，每个uc值对应一定的模式，决定其值和电磁场分布。,当m=0时，电磁场可分为两类。一类只有Ez、Er和H分量，Hz=Hr=0，E=0，这类在传输方向无磁场的模式称为横磁模(波)，记为TM0。另一类只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，这类在传输方向无电场的模式称为横电模(波)，记为TE0。当m0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模(波)。混合模也有两类，一类EzHz，记为HEm，另一类HzEz，记为EHm。下标m和都是整数。第一个下标m是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示在纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数。第二个下标是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序数，称为径向模数，它表示从纤芯中心(r=0)到纤芯与包层交界面(r=a)电场变化的半周期数。,模式远离截止当V时，w增加很快，当w时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u。波动方程和特征方程的精确求解都非常繁杂，一般要进行简化。大多数通信光纤的纤芯与包层相对折射率差都很小(例如1)由HEm+1n和EHm-1n组成，包含4重简并。若干低阶模式和相应的u值范围列于表2.2，图2.9示出四个低阶模式的电磁场矢量结构图。,四个低阶模式的电磁场矢量结构图,3.单模光纤的模式特性单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当VVc，V大于某一模式的归一化频率Vc，则该模式便在光纤中导行；截止条件：VVc，V小于某一模式的归一化频率Vc，则该模式不在光纤中导行；临界条件：VVc,3、单模传输的条件,在各模式的截止频率中，LP01模的Vc=0，最低，称该模为“基模”，或“最低次模”；LP11模的Vc=2.405，为第二低的截止频率，称该模为“次低阶模”，或“二阶模”；其它Vc更高，称高阶模。若在光纤中选取合适的a、n0、，可使V2.405，从而抑制LP11模及所有高阶模的传输。由于Vc01=0，即基模永不截止。所以，单模传输的条件为:VVc11=2.405,不同折射率分布光纤的单模传输Vc值:对阶跃型光纤，g，Vc=2.405;对抛物型光纤，g2，Vc=3.533;对三角型光纤，g1，Vc=4.739;,例:若想在目前的多模光纤中实现单模传输，应选用怎样的光波长？,也就是说，如果有波长为14m或更长的实用光源，且光纤在此波长下损耗低，则目前通用的多模光纤就可以作为单模光纤使用。,4、单模光纤的模场直径(MFD),由于多模光纤传输的光能并不是完全集中于纤芯之中，而是有相当部分在包层中传输，所以很难用纤芯的几何参数进行描述。为了便于研究，在单模光纤中引入了模场直径这一参数来表征导光区域的大小。它是取代光纤芯径的参数，其近似计算见教材P36页（2-108）式。,3光纤传输特性,产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离色散则限制系统的传输容量,损耗定义:,POUT-出纤光功率Pin-入纤光功率,3.1光纤的损耗特性,光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。,若P0是入射光纤的功率，则传输功率PT为：,这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：,示例,对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损失50，2km后损失达75(损失了6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有可加性。,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损耗(dB/km),波长(nm),OH离子吸收峰,光纤损耗谱特性,损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗,AllWave光纤,范崇澄FS-89,光纤的损耗机理1(吸收损耗),材料吸收紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的-本征吸收损耗OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73m，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、0.95m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。减低OH离子浓度，减低这些吸收峰-全波光纤（AllWave康宁）,光纤的损耗机理2(散射损耗),瑞利散射是一种基本损耗机理。由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。大小与4成反比，RC/4（dB/km）因而主要作用在短波长区。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。在1.55m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16dB/km，是该段损耗的主要原因。,光纤的损耗机理3(辐射损耗),辐射损耗又称弯曲损耗，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。定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。,3.2光纤的色散特性,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,色散类型模式间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有，为模间色散）波导色散()：传播常数随频率变化材料色散n()：折射率随频率变化偏振模色散PMD（为模间色散）,模内色散（色度色散）,单模传输时的模内色散,由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必