偏振模色散PPT课件

06.06.2020,.,1,第四章新型光纤和光纤的基本特性,介绍不同结构、不同材料的光纤及其传输特性,06.06.2020,.,2,4.1不同波导结构的石英光纤,渐变折射率多模光纤匹配包层和凹陷包层单模光纤色散位移单模光纤,06.06.2020,.,3,4.1.1渐变折射率多模光纤,历史：多模-渐变多模-单模渐变折射率光纤利用折射而不是全内反射传导光折射率梯度决定了孔径角的大小渐变折射率光纤中的光线也是经过不同的路径传播的，它们的速度却是不同的，因为光在光纤纤芯中的速度是随折射率变化的，光束偏离光纤轴越远，光速就越快。,06.06.2020,.,4,06.06.2020,.,5,4.1.1渐变折射率多模光纤,芯径为50或62.5微米渐变多模光纤的缺陷：不同模式间相互干扰,产生模噪声、模色散残余色散实际的折射率分布并非连续分布,06.06.2020,.,6,4.1.2单模光纤,普通阶跃单模光纤阶跃折射率分布，折射率差为0.36%纤芯直径足够小，传输模式只有一个HE11避免了模色散、模噪声缺陷：最小色散值在1310nm波长处，而最小衰减值在1550nm波长处掺铒光纤放大器，其工作波长范围是15301610nm，阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散非常大,06.06.2020,.,7,4.1.2单模光纤,匹配包层单模光纤折射率分布图,06.06.2020,.,8,4.1.2单模光纤,凹陷包层单模光纤折射率分布图,06.06.2020,.,9,4.1.3色散位移单模光纤,色散的概念：在光学中一般所说的色散是指材料色散，在光纤光学中包括材料色散和波导色散。光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。这是在通信网中必须避免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。材料色散：n=n()，光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。波导色散：入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导结构引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。,06.06.2020,.,10,4.1.3色散位移单模光纤,材料的固有色散取决于光速随波长增大还是减小，nn()，可正可负石英材料色散和波导色散在1310nm附近恰好互相抵消材料色散是石英光纤的本征特性，只有改变玻璃的组成成分，才能改变其色散值，而这样会引起衰减的增加。通过设计纤芯和包层结构调整波导色散，可以使色散最小值发生移动,06.06.2020,.,11,4.1.3零色散位移光纤,零色散位移光纤不适用于波分复用系统当光纤中存在多个光信道时，各信道对应波长的色散接近于零，因此会引发四波混频效应，影响传输信号,06.06.2020,.,12,4.1.3非零色散位移光纤,G.655标准，其色散值为,06.06.2020,.,13,4.1.3非零色散位移光纤,零色散点小于1500nm波长在C波段，光纤的色散为正值更容易补偿色散曲线为正的部分倾斜度小，因而在铒光纤波段上，色散幅度的起伏更小。,06.06.2020,.,14,4.1.3非零色散位移光纤,长波长非零色散位移光纤的零色散波长值约为1640nm负色散值可以部分补偿直接调制半导体激光器光源的正波长啁啾使相对便宜的激光发射机能达到2.5Gbit/s的数据率。,06.06.2020,.,15,4.1.3小色散斜率光纤,改变光纤的色散能使之适用于密集波分复用系统的另一种方法是减小色散曲线的斜率。但是有效面积也相应变小，单位面积的功率密度增加，非线性效应增强。,06.06.2020,.,16,4.1.3大有效面积光纤,大有效面积可以减小非线性效应模场直径大约为9.6微米，小色散斜率光纤的模场直径约为8.4微米，导致有效面积相差30%，非线性效应存在明显差异,06.06.2020,.,17,4.1.3色散补偿光纤,用于抵消或补偿标准单模光纤的色散纤芯-包层折射率差大有效面积小波导色散非常大,06.06.2020,.,18,4.2其它材料光纤,4.2.1塑料光纤4.2.2光子晶体光纤4.2.3掺稀土元素光纤4.2.4特种材料光纤,06.06.2020,.,19,4.2.1塑料光纤,优点：轻便、廉价、柔软、易于处理等缺点：损耗大、温度特性、耐久性差跟普通光纤的区别之处：适用于图像传输和照明纤芯和包层的折射率差比较大一般纤芯直径大，数值孔径大,06.06.2020,.,20,4.2.1塑料光纤,500nm附近，损耗为70dBkm,06.06.2020,.,21,4.2.1塑料光纤,氟化的塑料光纤在8001340nm的宽带内的衰减约为60dBkm，这使得它们可以工作在850nm和1300nm通信窗口。,06.06.2020,.,22,4.2.2光子晶体光纤,图4.13典型光子晶体的横截面结构,它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔,从光纤端面看,存在周期性的二维结构,如果其中1个孔遭到破坏和缺失,则会出现缺陷,光能够在缺陷内传播。材料不存在折射率差，而是通过周期性结构的变化实现纤芯和包层的功能,06.06.2020,.,23,06.06.2020,.,24,自然界中的光子晶体现象,06.06.2020,.,25,光子晶体光纤的导光机制,1、光子禁带（PBG）六边形晶格结构存在完全的二维禁带，即在一定频率范围内光无法在横向传播。2、全反射利用周期性排列的空气孔形成纤芯和包层结构，使传输光能够满足全反射条件。,06.06.2020,.,26,4.2.2光子晶体光纤的特性,无休止单模特性：所有波长上都支持单模传输条件：空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2原因：1.波长变短时,模式电场分布更加集中于纤芯,延伸入包层的部分减少,从而提高了包层的有效折射率,减少了折射率差2.波长降低到一定程度时,高阶模光从孔间泄漏出去与绝对尺寸无关,光纤放大或缩小照样可以保持单模传输(可以人为设计模场面积),06.06.2020,.,27,4.2.2光子晶体光纤的特性,色散特性：存在反常色散(波长变大时折射率值增大的现象)-短波长光孤子传输正常色散的概念可用于色散补偿,06.06.2020,.,28,4.2.2光子晶体光纤的特性,传感特性：气体、应变、温度、折射率,06.06.2020,.,29,06.06.2020,.,30,高双折射特性破坏光子晶体的圆对称性实现高双折射率弯曲特性弯曲损耗小，长短波长均存在弯曲损耗边非线性特性更容易实现四波混频、Raman散射等非线性光学效应,06.06.2020,.,31,4.2.3掺稀土元素光纤,铒、镱、铥、镨等元素掺铒光纤放大器：利用980nm和1480nm的波长的光作为泵浦光激发并放大1550nm通信波段的光光纤激光器,06.06.2020,.,32,4.2.4特种材料光纤,中红外光纤氟化物光纤能传输波长范围的光主要由四氟化锆()和二氟化钡()组成氟化物折射率高于2，因此端面反射比较严重紫外光纤传输紫外光石英玻璃在紫外波段的折射率较低，一般采用塑料材料做光纤的包层,06.06.2020,.,33,4.3光纤的传输特性,衰减色散非线性效应,06.06.2020,.,34,4.3.1光纤的损耗,06.06.2020,.,35,总衰减(或称损耗)=耦合损耗+吸收损耗+散射损耗+弯曲损耗+,错误的：,光功率在光纤中的传输随距离呈指数衰减：,06.06.2020,.,36,4.3.1光纤的损耗,06.06.2020,.,37,吸收：过渡金属杂质：可见及近红外（IR）区域OH-：较大的吸收峰出现在、和处。它们分别对应水在主吸收峰的一、二和三倍频光波长。,06.06.2020,.,38,4.3.1光纤的损耗,散射瑞利（Rayleigh）散射：是半径远小于波长的微粒对入射光的散射(小于/10)米氏散射(Miescattering)(大于/10的弹性散射),06.06.2020,.,39,短波：瑞利散射占主导,长波：Si-O吸收占主导,06.06.2020,.,40,06.06.2020,.,41,06.06.2020,.,42,4.3.1光纤的损耗,弯曲损耗光纤弯曲得太厉害，光会以较大的角度射到纤芯包层界面上而被泄漏出去，从而使光纤的损耗显著增大。宏弯、微弯微弯损耗和模斑半径密切相关，模斑半径越小，微弯损耗越小,06.06.2020,.,43,4.3.1光纤的损耗,多模光纤的宏弯损耗多模光纤的微弯损耗只能使相邻模式之间产生耦合，相邻模式之间传播常数差越大，耦合越强烈，微弯损耗越大,06.06.2020,.,44,4.3.1光纤的损耗,单模光纤的宏弯损耗单模光纤的微弯损耗,06.06.2020,.,45,常用的损耗量度dB,06.06.2020,.,46,4.3.2光纤的色散,色散是指光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性(ps/nmkm)单位长度的光纤对单位谱宽的光脉冲的展宽量。衰减特性影响信号的振幅，色散特性影响脉冲的半高宽，从而影响信息传输速率,06.06.2020,.,47,4.3.2光纤的色散,模式色散、模内色散和偏振模色散的值彼此无关，因此要用这三种色散值平方和的平方根来计算总的脉冲展宽色度色散(模内色散)=材料色散+波导色散,多模光纤,单模光纤,06.06.2020,.,48,4.3.2光纤的色散,多模色散(模式色散、模间色散)多模阶跃折射率光纤色散机制引起脉冲展宽的均方根（rms）,光线理论,06.06.2020,.,49,4.3.2光纤的色散,多模渐变折射率光纤渐变折射率光纤中，rms脉冲色散降低了/10，也就是说，若折射率差为1%，则渐变折射率光纤的脉冲色散相对于阶跃多模光纤降低1000倍。实际由于折射率分布的非连续性，色散降低约100倍。,多模阶跃光纤,06.06.2020,.,50,4.3.2光纤的色散,多模色散引起的脉冲展宽：色度色散引起的脉冲展宽：,06.06.2020,.,51,4.3.2光纤的色散,色度色散,06.06.2020,.,52,4.3.2光纤的色散,色度色散=材料色散+波导色散两者随波长变化，材料色散的正负号表明折射率波长曲线的变化趋势对于脉冲展宽而言，色散的符号没有意义教材错误：p.112,折射率高的波长要比折射率低的波长传输得快，于是脉冲被展宽v=c/n,色度色散,06.06.2020,.,53,4.3.2光纤的色散,材料色散色散正比于群延迟的斜率，或者说是折射率随波长变化曲线的二阶导数。波导色散,色度色散,06.06.2020,.,54,4.3.2光纤的色散,色散斜率光源带宽和色度色散窄带光源对高比特率数据传输非常重要,06.06.2020,.,55,4.3.2光纤的色散,色散补偿色散补偿光纤，高的负波导色散，总的色度色散为负值改错：每1.7km(应为17km)的传输光纤就需要约1km的色散补偿光纤。,06.06.2020,.,56,4.3.2光纤的色散,偏振模色散,应力双折射、成缆、外界环境变化等因素造成。,脉冲的两种偏振模式在初始时是同相位的,偏振模色散导致另一种偏振模式落后于另一种模式,色散,模式混合造成脉冲扩展,偏振模色散,06.06.2020,.,57,4.3.2光纤的色散,色散和传输速度,实际传输的脉冲有一定宽度,色散限制了最大数据率，最大数据率跟色散和传输长度有关,06.06.2020,.,58,4.3.2光纤的色散,色散和传输速度,渐变折射率和阶跃折射率多模光纤的传输容量经常用带宽表示阶跃折射率多模光纤的典型带宽为20MHz.km，渐变折射率多模光纤在850nm波段，62.5/125和50/125光纤的典型带宽值分别为200MHz.km和600MHz.km，而在1310nm波段，62.5/125和50/125光纤的典型带宽值分别为500MHz.km和1000MHz.km。,06.06.2020,.,59,4.3.3光纤中的非线性效应,光纤中的非线性效应源自材料的折射率随光功率的非线性变化或色散现象拉曼散射布里渊散射科尔效应孤子传输弹光效应,06.06.2020,.,60,4.3.3光纤中的非线性效应,拉曼散射：光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射(光频率10THz)布里渊散射：光纤材料密度变化，产生声子，光频率10GHz瑞利散射：散射光波长(频率)不变,06.06.2020,.,61,06.06.2020,.,62,4.3.3光纤中的非线性效应,科尔效应,自相位调制交叉相位调制四波混频,有错！,当色度色散