光纤通信与系统设计-第三章-课堂记录版

光纤通信与系统设计-第三章-课堂记录版课程内容

概论光纤的结构和导波原理和制造光纤中的信号损伤光源光功率发射和耦合光检测器光接收机数字光纤通信系统模拟光纤通信系统WDM概念和器件光放大器光纤通信网络光纤通信测量复习：

第二章：光纤结构、波导原理和制造

回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容复习：

第二章的几个考点介绍光速c=3108m/s波长：=c/v当光在媒介中传播时，速度cn=c/n常见物质的折射率：空气1.00027； 水1.33； 玻璃(SiO2)1.47； 钻石2.42； 硅3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同基本的光学定律和定义n1sinfc=n2sin90°[

fc

=sin-1(n2/n1),n1>n2]光的全反射例:n玻璃

=1.50n空气

=1.00fc≥42°→全反射fc光密媒质光疏媒质按传输的模式数目分单模光纤多模光纤按折射率的变化分阶跃光纤梯度光纤ITU-T官方定义G.651光纤(渐变型多模光纤)G.652光纤(常规单模光纤)G.653光纤(色散位移光纤)G.654光纤(衰减最小光纤)G.655光纤(非零色散位移光纤)光纤的分类归一化频率(重要参数)最低阶模V值由芯径尺寸a，入射波长l，波导折射率分布共同决定。V是判断光波导可支持的模式总数的标准。当V≤2.405时，光纤只支持一个模式，即单模。给定l和NA，减小V的途径是减小光纤半径a。故单模光纤半径比多模光纤小多模光纤的模式总数当V>2.405时，光纤可支持多个模式。若用M表示多模光纤的模式总数，当M比较大的时候，M与V之间存在近似关系：功率分布如前所示，导波模的部分能量会进入包层：(1)光纤的V值接近某个模式的截止值时，这个模式大部分功率进入包层；(2)若大量模式存在，包层中的光功率所占比例近似为：最低阶模：包层20%；纤芯80%模场直径(MFD)：光功率为e-1E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。模场直径习题2.24电场分布一般为高斯分布：偏振态根据电场矢量在xy平面上的运动轨迹，光可分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光Oyxzee光纤拍长当两个简并模相位差为2p整数倍时，则光的偏振态与入射点相同，此时称该点处出现“拍”，两个拍之间的间隔称为拍长：LB=2p/b。单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光。d=0d<p/2d=p/2d>p/2d=2pLB第三章光纤中的信号损伤主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化3.1光纤的损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗

光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：1.吸收损耗2.散射损耗3.弯曲损耗损耗吸收损耗原子缺陷吸收：光纤材料原子结构的不完整造成非本征吸收：过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等

杂质对光的吸收而产生的损耗本征吸收：

材料本身(如SiO2)的特性决定，即便波

导结构非常完美而且材料不含任何杂质

也会存在本征吸收 本征吸收(1)紫外吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围晶格(2)红外吸收光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗本征吸收曲线非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH－吸收峰~2dB解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)原子缺陷吸收1rad(Si)=0.01J/kg光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造→材料受到热激励→结构不完善强粒子辐射→材料共价键断裂→原子缺陷吸收光能，引起损耗散射损耗光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象1.瑞利散射2.波导散射瑞利散射波导在小于光波长尺度上的不均匀：-分子密度分布不均匀-掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值波导散射导致的原因是波导缺陷-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等

目前的制造工艺基本可以克服波导散射标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/kmAllWavefiberAllWave：逼近本征损耗单模：本征损耗+OH¯吸收损耗常温且未暴露在强辐射下商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：-多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径(本征散射大)-纤芯-包层边界的微扰易使多模光纤中的高阶模式产生损耗多模光纤单模光纤弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q¢

<qqq

>qcq¢RqqCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加弯曲损耗与模场直径的关系P包层1<P包层2Loss模场直径小<Loss模场直径大Loss低阶模<Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：

光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均

使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果： 造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生微弯损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯

损耗基本损耗l增加，V减少，W0越大长波长处附加损耗显著宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮助Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装日本NTT也完成了这种光纤的研制柔性光纤的优点对光的约束增强任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强光纤损耗的度量光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。损耗的补偿办法：放大电放大

光电光2.5×0.6×0.6m3全光放大 EDFA

拉曼放大器0.05×0.3×0.2m3掺铒光纤放大器主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化3.2色散引起的信号失真光信号包含不同的频率、模式、偏振分量f光源输出有一定谱宽：100KHz~10MHz信号具有不同的频谱分量色散的定义分类：1.模内色散-材料色散-波导色散2.模间色散3.偏振模色散色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难l1l2l3l1l2l3模内色散：材料色散光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层模内色散：波导色散信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度模内色散-群速度色散(GVD)群速率的定义：信号在传输了距离L后，频率分量w经历的延时为：对于一个谱宽为Dw的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：GVD参数群速度色散(波长域表示)根据w和l之间的关系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数： ps/(km·nm)标准单模光纤在1550nm处色散系数为~17ps/km·nm正色散、负色散和零色散1.色散系数D为正：负色散b2<0v高频光

>v低频光2.色散系数D为负：正色散b2>0v高频光

<v低频光3.色散系数D为零：零色散材料色散光纤的折射率是波长的函数n(l)，不同的波长的传播函数b不同：可以得到传播了L后由Dl所带来的群延时差为：Dm为材料色散系数。减小材料色散：选择谱宽窄的光源波导色散假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于：可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为：其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：其中标准单模光纤总的模内色散1320-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm|>|Dw|-波导色散系数通常为负值总色散系数D≈Dm+Dw模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源Dl比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在1550nm的系统，光源谱宽为15nm，使用标准单模光纤D=17ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：BL<1Gb/s·km带宽距离积：模内色散对传输带宽的影响结论：1)光源线宽越宽色散越

严重2)零色散光纤对提高系

统性能作用明显高速光链路(>40Gb/s)中色散是首要考虑的因素之一不同线宽下的B

vs.L模间色散多模光纤中不同模式具有不同的传播路径对于子午光线，经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为：DL为两种模式的光程差偏振模色散(PMD)双折射效应导致了偏振模色散光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同PMD的外部因素及其特点外部因素：环境变化如振动、温度、应力等特点：具有很强的不稳定性和突发性PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论PMD对传输的影响PMD对>40-Gb/s传输系统的影响将更加显著主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化3.5单模光纤的色散优化设计1550nm13101550nmG.653色散位移光纤：损耗和色散最低点都在1550nm办法：材料色散不变，通过改

变折射率剖面形状来增大

波导色散，使零色散点往

长波长方向移动普通商用光纤色散位移光纤G.656色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/km·nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零测试题2传输光纤（普通商用单模光纤）：色散系数是20ps/km/nm损耗：0.2dB/km假设每传输100km就需要设立一个中继站。中继站的目的：为了弥补光传输损耗，在该位置处需要设立光放大。使得光恢复到原来的功率；为了修正光传播链路上的色散，需要使用色散补偿光纤。已知色散补偿光纤的色散系数为：-100ps/km/nm；它的传输损耗为：1dB/km.请问