光纤光缆教学课件

光纤光缆ppt课件光纤光缆ppt课件光纤光缆ppt课件光纤光缆讲义武汉大学电子信息学院何对燕00-10-102武汉大学电子信息学院一、引言电子和光子的特点：电子具有电荷和质量，而光子却没有；电子遵循费米—狄拉克统计学规律，而光子则遵循波色—爱因斯坦统计学规律；电子仅可通过串行方式处理，而光子则可以通过并行方式处理；运动的电子产生电磁场和波，而光子却不能；电子可以承受电磁干扰，而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输，而光子却可以在波导器件和自由空间传播00-10-103武汉大学电子信息学院光纤光缆讲义武汉大学电子信息学院何对燕00-10-102武汉大学电子信息学院一、引言电子和光子的特点：电子具有电荷和质量，而光子却没有；电子遵循费米—狄拉克统计学规律，而光子则遵循波色—爱因斯坦统计学规律；电子仅可通过串行方式处理，而光子则可以通过并行方式处理；运动的电子产生电磁场和波，而光子却不能；电子可以承受电磁干扰，而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输，而光子却可以在波导器件和自由空间传播00-10-103武汉大学电子信息学院一、引言固态电子学，微电子学信息技术革命计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的关键基础光电子技术的迅速发展，已渗入到信息技术领域的各个方面，如超大容量信息流传输；多媒体宽带综合服务的信息交换互连网络；高密度信息量存储；信息的超快实时处理；信息的获取读出和显示等00-10-104武汉大学电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限，价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz，容量有限，难以达到Tb/s级超大容量传输的需要光波的本征带宽高达200THz，低损耗石英光纤在1.55um波长处的窗口带宽也可达到25THz目前光纤通信系统单通道传输容量已达到40Gb/s00-10-105武汉大学电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术要达到Tb/s级超大容量传输的需要，必须应用光电子技术：高速率响应（100GHz)、窄线宽(100KHz)集成化半导体激光器,全光中继的半导体激光泵浦掺铒光纤放大器(EDFA)，波导光栅阵列波分复用与解复用器等光源：DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件，最高调制带宽：40GHz00-10-106武汉大学电子信息学院问题：石英光纤在波长1.55um处的色散率为2ps/nm·KM，而10Gb/s的传输码率相应的码宽为100ps，即使激光器的线宽能做到0.01nm；当传输100KM距离时的色散延迟也有2ps问题：存在光纤的非线性效应，如四波混频等突破50Gb/s单信道传输容量十分困难二、超大容量信息传输领域的光电子技术00-10-107武汉大学电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术光孤子技术：光纤非线性（16mW）自相位调制自洽补偿1.55um窗口波长光纤的反常色散（10ps）实现无延迟的光孤子传输DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件可使光孤子的传输码率达到40Gb/s更高重复率（100GHz）的光孤子激发，必须利用锁模技术实现，量子阱半导体锁模激光器是最可实用化的一类00-10-108武汉大学电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术Tb/s级传输容量是信息化社会的标志，复用技术是关键，主要有时分复用（TDM）和波分复用（WDM）TDM的问题：Tb/s级超大容量的传输光脉冲宽度要压窄到100fs以下WDM技术提供了重要的扩充传输容量的途径，关键有波长稳定精确可控的光源，量子阱结构DFB或DBR长波长（1.55um）半导体激光器的集成化要求较高00-10-109武汉大学电子信息学院二、超大容量信息传输领域的光电子技术Tb/s级超大容量传输技术：输运能力由时间和光谱的测不准原理所限定。测不准原理(Δｔ×Δν>1/2)限制了同步采用高速ＴＤＭ和高密度ＷＤＭ信号处理。Δｔ和Δｖ分别代表光通信信号的时间和光谱宽度。ＴＤＭ与ＷＤＭ组合用于相对长的脉冲,不考虑光纤类型或长度,获得的最大比特率是2.3Ｔｂ/ｓ00-10-1010武汉大学电子信息学院§.1光纤的优点带宽极大；直径小、重量轻；并行光纤之间没有串扰；不受感应的干扰；低价传输信号的潜力；较大的安全性；较大的保险性；更长的使用寿命；00-10-1011武汉大学电子信息学院§.1光纤的优点（续）对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性；更高的可靠性及易维护性；无信号辐射泄露；系统易于扩容；使用常见的天然资源；00-10-1012武汉大学电子信息学院§.2光纤的类型光纤的结构00-10-1013武汉大学电子信息学院§.2光纤的类型（续）阶跃折射率(SI)光纤：纤芯折射率恒定,芯-包层界面的折射率有阶梯性跃变；渐变折射率(GI)光纤：纤芯折射率连续变化；多模(MM)光纤：多种模式传输，包层直径125μm，芯径50～100μm；单模(SM)光纤：一种模式传输，包层直径125μm，芯径8μm；00-10-1014武汉大学电子信息学院§.2光纤的类型（续）00-10-1015武汉大学电子信息学院§.2光纤的类型（续）光纤的归一化频率(V)：00-10-1016武汉大学电子信息学院§.3光传播理论光线理论：00-10-1017武汉大学电子信息学院§.3光传播理论（续）00-10-1018武汉大学电子信息学院§.3光传播理论（续）子午光线的数值孔径(NA)：NA表征光纤采集或接收光的能力，其典型值为0.1～0.2，对应的接收角为5.7º～11.5º，00-10-1019武汉大学电子信息学院§.4模式理论对称平板波导中几种低阶导模的电场分布：00-10-1020武汉大学电子信息学院§.4模式理论（续）用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播：00-10-1021武汉大学电子信息学院§.4模式理论（续）低阶LP模的组成：00-10-1022武汉大学电子信息学院§.4模式理论（续）00-10-1023武汉大学电子信息学院§.5光纤衰减吸收损耗：传输光与光纤材料相互作用，导致光子跃迁，这些光子跃迁到其他波长或以机械振动（热）的形式释放或吸收能量，传输光会损失能量。主要的吸收：过度金属杂质(Fe++，Cr++，Co++，Cu++等)引起可见光及近红外光吸收。OH根离子在1.4um，0.95um，0.725um波长处的光吸收。00-10-1024武汉大学电子信息学院§.5光纤衰减（续）散射损耗：00-10-1025武汉大学电子信息学院§.5光纤衰减（续）辐射损耗：00-10-1026武汉大学电子信息学院§.6光纤色散色散：由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真，被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠，使得信号无法分辨。(ISI)色散种类：模间色散、材料色散、波导色散、偏振色散。群时延差：不同速度的信号传过同样的距离所需的时延不同。00-10-1027武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）模间色散：信号中不同模式成分传输速度不同。材料色散：光纤材料折射率是光频（波长）的函数，信号中不同频率成分传输速度不同。波导色散：模式的传播常数β是光频（波长）的函数，信号中相同模式不同传播常数β的成分传输速度不同。00-10-1028武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）00-10-1029武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）00-10-1030武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）00-10-1031武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）00-10-1032武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）材料色散：

00-10-1033武汉大学电子信息学院§.6光纤色散（续）波导色散：00-10-1034武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择标准单模光纤(G.652)：零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤,系统的传输距离只受光纤衰减所限制,在1.3μm波段的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大，约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。

00-10-1035武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）色散位移光纤(DSFG.653)：00-10-1036武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）00-10-1037武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）衰减最小光纤

(G.654)：为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55μm波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3μm波长区域的色散为零，但在1.55μm波长区域色散较大，约为（17～20）ps/（nm·km）00-10-1038武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）非零色散光纤

(G.655)：实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性00-10-1039武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）色散平坦光纤(DFF全波光纤

)：00-10-1040武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）00-10-1041武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）色散补偿光纤(DCF)：光纤色散系数D为负数，纤芯搀杂比例比普通光纤高，因此光纤衰减系数增大。定义FOM为光纤色散系数与衰减系数之比00-10-1042武汉大学电子信息学院§.7光纤的设计与选择（续）保偏光纤：光纤偏振状态不变。00-10-1043武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造00-10-1044武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）光纤预制棒：00-10-1045武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）改进的化学汽相沉积法（MCVD）：00-10-1046武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）包层化学方程式：SiCL4+O2高温氧化SiO2+2Cl22CF2Cl2+SiCL4+2O2高温氧化SiF4+2Cl2+2CO2芯层玻璃化学方程式（GeCl4）：SiCL4+O2高温氧化SiO2+2Cl2GeCL4+O2高温氧化GeO2+2Cl200-10-1047武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）00-10-1048武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）管外汽相轴向沉积法（VAD）：00-10-1049武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）棒外汽相沉积法（OVPO）：00-10-1050武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）溶胶-凝胶法（Sol-Gel）：00-10-1051武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）拉丝装置：00-10-1052武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）双坩埚拉丝装置：00-10-1053武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）光纤涂覆装置：00-10-1054武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）光纤套塑装置：00-10-1055武汉大学电子信息学院§.8光纤的制造（续）00-10-1056武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构00-10-1057武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1058武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1059武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1060武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1061武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1062武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1063武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1064武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-1065武汉大学电子信息学院§.9光缆的结构（续）00-10-10