光纤技术基础(单模光纤).ppt

1、2020/7/10,1,4.8 单模光纤,1. 阶跃折射率单模光纤,2. 无界抛物型折射率分布弱导光纤,3. 单模光纤的高斯拟合和模场直径,4. 单模光纤的主要类型,5. 近似方法,6. 单模光纤的偏振特性,2020/7/10,2,三层均匀一维平面光波导,知识回顾,2020/7/10,3,全反射条件,相干加强条件,特征方程,几何光学：,波动光学：,场分布,边界条件,特征方程,知识回顾,2020/7/10,4,知识回顾,满足全反射条件时，只有某些以特定角度入射的光线才能在波导内传导，每一种可以传导的电磁波称为波导的一种模式。,2020/7/10,5,阶跃折射率光纤,Step index,知识回顾

2、,2020/7/10,6,单模条件：,知识回顾,2020/7/10,7,光波导中模式的普遍性质,完备性,正交性,2的稳定性,横向非均匀性光波导,微扰法,纵向非均匀性光波导,模式耦合,知识回顾,2020/7/10,8,一.阶跃折射率单模光纤, 单模光纤与多模光纤 单模工作条件与单模截止波长 阶跃折射率单模光纤中的场分布与功率限制因子 阶跃折射率单模光纤的特征方程及其近似表述,2020/7/10,9,结构,折射率剖面形状,阶跃型step,n1,n2,a,b,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,10,阶跃折射率单模光纤,阶跃折射率光纤中的传导模的数量由光纤归一化频率决定。,归一化频率,基模： H

3、E11,2020/7/10,11,bV曲线,bV曲线,只有LP01模传输基模,b：归一化传输常数,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,12,单模传输条件,光纤模式理论,阶跃折射率光纤,最低阶高次模（LP11, TE01, TM01，（HE21 弱导）的归一化截止频率,单模条件,只传输基模(HE11, LP01),基模的归一化截止频率：,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,13,单模工作波长范围,只有当光纤的工作波长大于截止波长时，光纤才处于单模工作状态。,单模工作波长范围c,2020/7/10,14,多模光纤和单模光纤,单模光纤：,多模光纤：,设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模

4、数量,同时支持多个导模传输的光纤,只支持基模传输的光纤,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,15,单模光纤与多模光纤区别,结构,性能,单模光纤,多模光纤,510m,较大，50m,芯径,较小,剖面,多样性设计折射率分布和包层结构 SMF，DSF，DFF，DCF，NZDF，PMF等，,便于光源耦合，芯径不能太小,模式色散,模式色散较大，传输带宽受限制用于短距离，低速率系统，芯径大，便于耦合,在传感系统中应用,没有模式色散，传输带宽大 用于长距离大容量光纤通信系统,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,16,弱导光纤的场分布,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,17,单模光纤的场分布,单模

5、光纤中沿y方向偏振的基模场 m = 0,LP01,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,18,功率限制因子,m = 0,单模光纤中,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,19,特征方程,LP模特征方程,m = 0,基模特征方程,近似表述,阶跃折射率单模光纤,2020/7/10,20,二、无界抛物型折射率分布弱导光纤, 抛物型光纤与无界抛物型光纤 无界抛物型光纤的标量近似解（LPmn模） 无界抛物型光纤中的基模场分布与光强分布 模场直径的概念,2020/7/10,21,结构,折射率剖面形状,渐变型grading,n1,n2,a,b,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,22,折射

6、率分布,无界抛物型折射率分布,实际的抛物线型折射率分布,包层：对光纤中的导模施加了截止条件,近似,解析解,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,23,无界抛物型光纤中的场模式,弱导近似,光纤中的场Ex或Ey满足柱坐标下的标量波动方程,分离变量法,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,24,无界抛物型折射率分布,本征函数解,与m, n有关的常数,N-1阶Laguerre多项式,传输常数本征值,本征解,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,25,基模场分布,LP01模 m = 0，n = 1,基模的功率分布,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,26

7、,说明,1.抛物型折射率分布单模光纤中的场分布和光功率分布均为高斯型,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,27,说明,模场直径： 单模光纤内场强衰减到其最大值的1/e的宽度。 模斑直径： 单模光纤内光功率衰减到其最大值的1/e的宽度。,抛物型折射率分布单模光纤,耦合、接续、弯曲损耗、色散,无界抛物型折射率分布弱导光纤,2020/7/10,28,三、单模光纤的高斯拟合和模场直径,单模光纤的模场直径 对基模场分布的高斯拟合近似 模场直径的近场二阶矩定义(PetermannI) 模场直径的远场二阶矩定义(PetermannII) 模场直径的高斯拟合定义,2020/7/10,29,模场直

8、径,定义：单模光纤内光功率衰减到其最大值的1/e的宽度。 定义：单模光纤内场强衰减到其最大值的1/e的宽度。 CCITT建议： 普通单模光纤在1310nm处的模场直径标称值为910微米。 色散位移光纤在1550nm处的模场直径标称值为78.3微米，容差范围均为10%。,d,耦合、接续、弯曲损耗、色散,2020/7/10,30,模场直径,耦合、接续,耦合和接续时选择模场直径一致的光纤，否则会造成光功率的损失。研究表明，对于两根模场直径分别为w1和w2的单模光纤，其接头损耗为：,W1=W2，即两根光纤的模场直径完全匹配时， 表明两根光纤之间由于模场直径的容差所引入的接头损耗为零。 2W1=8um,

9、 2W2=10um时，,2020/7/10,31,耦合、接续,模场直径,模场直径的容差范围必须根据工程的要求来选择。 如果要求所有接头损耗小于0.05dB，则模场直径 的容差范围不能超过0.5um 在中继距离较短或者光功率富裕量大的场合，对 接头损耗的要求可以降低一些，这样可以放宽对光 纤要求的模场直径的容差范围。,2020/7/10,32,弯曲损耗,模场直径,模场直径小的光纤，能量在芯子中集中的 程度好，光纤弯曲造成的损耗较小。 模场直径大的光纤，能量在芯子中集中的 程度较差，包层中存在较多的光能量，光纤 弯曲造成的损耗较大。（选择截止波长）,2020/7/10,33,思考题,信号光工作波长

10、1550nm， 现有阶跃折射率分布的圆光纤1、2 两种，其中1 光纤：截止波长标称值 700nm， 2：截止波长标称值1400nm。 1，为减小弯曲损耗，欲挑选束光能力强的单模光纤，我们应当选用那个光纤？写出理论依据和推理过程。 2，若需要该光纤在980nm单模工作，我们应选哪个光纤？,2020/7/10,34,模场直径,色散,不同模场直径的光纤感受到的芯子和包层的有效折射率不同，因此所对应的波导色散的大小不同。,2020/7/10,35,单模光纤的高斯拟合和模场直径,拟合的目的,1.简化计算 2.可以直接导出以光功率衰减到其最大值1/e的宽度定义的模斑直径 3.可以直接导出以场强衰减到其最大

11、值1/e的宽度定义的模场直径,2020/7/10,36,阶跃折射率单模光纤,横向电磁场径向分布函数：J0(x),抛物型单模光纤,横向电磁场分布 函数：Gaussian : exp(-x2),任意折射率剖面光纤,基模场分布函数：近似高斯函数,用高斯函数拟合实际光纤的基模场分布，用拟合得到的高斯函数近似表示实际单模光纤中的场分布。,拟合的依据,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,37,高斯拟合,假定基模场分布为实函数，实际的场分布用高斯函数表示。,重叠积分最大,近似精度最高,待定参数,w的最优值,实际场分布,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,38,拟合结果,折射率分布

12、,阶跃型,抛物型,三角型,误差 0.02 !,?,单模光纤的高斯拟合和模场直径,导波光学范崇澄， 理工大学出版社， 1988,w？,2020/7/10,39,光纤的等效归一化频率,阶跃折射率光纤：T = V,高斯型场分布的1/e 全宽度：2w2,模场直径,模场直径,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,40,阶跃型,抛物型,三角型,场分布向芯区集中,耦合、接续、弯曲损耗,模场直径与光纤芯径,T,w/a,V,阶跃折射率光纤：T = V,2020/7/10,41,模场直径的标准定义,近似方法存在误差,实际场分布可能与高斯型分布差异较大，高斯拟合误差较大,制定模场直径标准定义的原因：,制

13、定模场直径标准定义的目的：,对各种实际单模光纤的模场直径作出统一和标准化的定义。,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,42,近场：,光纤中或紧靠光纤截面的场分布,远场：,远离光纤截面的场分布,光纤中近场与远场的概念,2020/7/10,43,模场直径的标准定义,第一种定义,Petermann I 单模光纤中实际场分布（近场）的二阶矩来定义，可以用远场 分布来表示。,远场分布函数的表示,模场直径的近场定义,单模光纤的高斯拟合和模场直径,M. Artiglia, “Mode field Diameter measurements in single-mode optical fibe

14、rs,” J. Lightwave Tech. Vol. 7, no. 8, pp. 1139-1152, 1989.,2020/7/10,44,二阶矩,2020/7/10,45,模场直径的标准定义,第二种定义,Petermann II 实际测量的往往是光纤的远场分布函数，因此给出基于光纤远场分布函数的模场直径定义。 单模光纤中实际场分布（远场）的二阶矩来定义，可以用近场分布来表示。,近场分布函数的表示,模场直径的远场定义,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,46,模场直径的标准定义,第三种定义,高斯拟合定义 光纤中的场分布与高斯函数 十分接近时， 欲与Petermann一致，对

15、模场直径的定义。,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,47,模场直径定义的说明,1.一般地，场分布不是严格的高斯型，dn df dg,2.场分布恰好是高斯型,则：,单模光纤的高斯拟合和模场直径,2020/7/10,48,四、单模光纤的主要类型,2020/7/10,49,单模光纤的主要类型,单模光纤的性能对长距离、大容量光通信系统的影响,在单模光纤通信系统中，影响光纤传输距离和传输容量的因素,损耗 色散 非线性,损耗、色散和非线性对光信号传输的影响,衰减,输入信号,输出信号,时间,频率,新频率,时间,脉冲展宽,2020/7/10,50,损耗谱,单模光纤的主要类型,2020/7/10

16、,51,损耗与放大,单模光纤的主要类型,2020/7/10,52,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),色散与损耗,单模光纤的主要类型,2020/7/10,53,光纤的种类：,G.651光纤：多模光纤 G.652光纤：普通单模光纤(SMF) G.653光纤：色散位移光纤(DSF) G.654光纤：低损耗光纤（截止波长位移光纤） G.655光纤：非零色散位移光纤(NZ-DSF) G.656光纤：宽带传输用非零色散位移光纤 G.657光纤：耐弯曲单模光纤,2020/7/10,54,I

17、TU-T关于单模光纤的技术规范,单模光纤的主要类型,2020/7/10,55,G.652光纤,又称为普通单模光纤。 在1310nm和1550nm处均具有低损耗。 1550nm处的损耗最低，色散典型值为17ps/nm/km。 传输窗口主要可以选择1310nm或1550nm窗口。 色散值最大，对抑制非线性的作用也最大 结构简单、性能稳定、生产效率高、成本低廉。 可用带宽远远大于其他光纤。 如果能将色散问题用其他办法解决，则G.652光纤是较佳的选择，全波光纤是更为理想的光纤,2020/7/10,56,G.652光纤,为了符合通信系统对传输性能的要求，ITU-T将G.652光纤细分为G.652A、G

18、.652B、G.652C和G.652D四个子类。 G.652A和G.652B光纤也称常规单模光纤，是目前应用最广泛的光纤。其最佳工作波长是1310nm区域，也可使用1550nm区域，但由于该区域色散很大，传输距离被限制在70-80km左右，如果需要在1550nm区域进行10Gbit/s以上速率的长距离传输时，需要进行色散补偿。G.652A和G.652B光纤的区别是：G.652A光纤支持2.5Gbit/s的单通道SDH传输系统及10Gbit/s以太网系统；G.652B光纤则可应用于10的单通道SDH传输系统及40Gbit/s以太网系统，另外，G.652B光纤的偏振模色散系数规定要比G.652A光

19、纤的严格许多，更加适合长距离的传输。,2020/7/10,57,G.652C和G.652D光纤,G.652C和G.652D光纤是分别在G.652A、B的基础上，通过改进工艺，消除了1383nm处的水吸收峰，使得1350-1450nm区域的衰减大大降低，将工作波长扩展为1280-1625nm，全部可用波段比常规单模光纤增加了一半以上。所以G.652C、D光纤称为波长段扩展单模光纤，也称全波光纤或低水峰光纤。该光纤完全能够满足城域网大容量、高密集波分复用技术发展的需求。除了扩展了工作波长区域以外，G.652C的其他属性与G.652A光纤基本相同，而G.652D光纤的其他属性也与G.652B光纤基本

20、相同，G.652D光纤的偏振模色散系数也比G.652C光纤严格很多，更加适合长距离的传输。目前在我国通信系统中最常使用的是G.652B和G.652D光纤，有些专业光纤生产厂家也已经将G.652A、B、C光纤淘汰，只生产G.652D光纤。,2020/7/10,58,G.653光纤,又称为色散位移光纤。 在1550nm处同时具有最小的色散和最低的损耗。 传输窗口主要在1550nm附近。 G.653光纤(DSF) 在1550nm为零色散，由于非线性效应，阻碍了WDM的应用.,2020/7/10,59,G.654光纤,截止波长位移到1530nm 在1550nm窗口的损耗进一步降低。 -0.15dB/k

21、m 零色散点位于1310nm窗口。 芯子：纯SiO2 包层：SiO2掺F 光纤的包层折射率略低于芯区。 主要适用于需要很长中继距离的环境。,掺杂对折射率的影响 掺Ge, P 折射率升高 掺Be, F 折射率降低,2020/7/10,60,G.655光纤,又称非零色散位移光纤。 在1550nm窗口期望应用的全部波长范围内，光纤色散的绝对值不为零并处于某一范围内。 主要适用于1550nm窗口的波分复用系统。 其非零色散值可以有效抑制非线性效应对DWDM系统的影响。,2020/7/10,61,色散一方面使得传输脉冲展宽，产生码间干扰，限制光纤向高速系统的发展；另一方面可有效抑制包括四波混频在内的非线

22、性效应。 于是人们想出了一个兼顾色散和非线性两种要素的折中解决方案，即将零色散点从1.55m移至1.51m附近，使之在C 波段30nm 范围内色散值保持在26Ps/km.nm。这样既可有效地抑制四波混频效应，又降低了1.55m低损耗窗口的色散，且提高了光纤的传输速率。这种光纤就是非零色散位移光纤，系指在1.55m处不是零色散的光纤，即G.655光纤。,G.655光纤,2020/7/10,62,G.655A、G.655B 和 G.655C,ITU-T根据对光纤1625nm波段的要求和PMD值的要求，将G.655光纤划分为G.655A、G.655B和G.655C三个子类。G.655A光纤只规定了C

23、波段的特性，而G.655B和G.655C规定了1625nm处的衰减，同时增加了L波段的色散要求，增加了最大值同最小值间的差值，因此G.655A主要用于C波段而其它两种可用于L波段。G.655B和G.655C光纤的基本要求均相同，但G.655C光纤对光缆的PMD链路设计值要求更严格，所以G.655C光纤具有更长的传输距离。,2020/7/10,63,G.655光纤,康宁公司曾推出了零色散点位于1580nm附近的光纤，但由于这种光纤在1580nm以下波长的色散量均为负值，因而大大降低了可用波长资源。 朗讯公司推出了零色散点在1531nm左右的True wave光纤，其在C波段的色散值为2.66ps

24、。 康宁公司改进了制作技术，很快推出了零色散点在1510nm左右的LEAF光纤，其在C波段的色散值小于10ps，略高于True wave光纤。 True wave光纤和LEAF光纤被统称为G.655A光纤。,2020/7/10,64,G.655光纤,经研究发现在1420nm处光纤的传输损耗也不过只有0.25dB/km，完全可以利用。因此继C波段和L波段光通信系统开通之后，波长位于1430nm1530nm之间的S波段将近100nm带宽的通信窗口开始受到关注。而G.655A光纤却使这一波段的波长资源被浪费。 为进一步利用S波段，2000年法国阿尔卡特公司和日本住友公司分别研究出了零色散点在1430

25、nm左右的Teralight光纤和PureGuide光纤，即G.655B光纤。其零色散点越来越靠近G.652光纤的1310nm零色散波长。这样，光纤通信的可利用波长资源与G.655A光纤相比大大增加。,2020/7/10,65,色散谱,G.655B光纤,G.655A光纤,单模光纤的主要类型,2020/7/10,66,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),损耗与色散谱,2020/7/10,67,C波段（15301565nm）和L波段（15651625nm） NZ-DSF光纤的衰减和

26、色散特性,在工作波长范围内，具有非零但较小色散，具有很低损耗,利用色散补偿技术，补偿信号经历光纤传输后的总色散利用光纤放大技术，补偿光传输后的幅度衰减,单模光纤的主要类型,2020/7/10,68,价格比 G.652光纤高出3倍 G.655光纤并未消除色散，在长距离的高速通信系统中仍需进行色散补偿，而且很难实现通道间距为 50GHz 的 WDM 系统。靠移动零色散的位置是不能彻底解决光纤色散问题的。 波长资源被浪费,G.655光纤：,2020/7/10,69,G.656光纤,宽带传输用非零色散位移单模光纤为在1460-1625nm波长区进行多信道传输而优化的光纤。其非零色散波长区域在1460-1625nm，光缆截止波长不大于1450nm，可在更宽的传输波段上(S、L和L共3个波段)应用DWDM和CWDM传输技术。 宽带传输用非零色散位移单模光纤(G.656光纤)G.656光纤是近几年新研制的用于DWDM和CWDM系统的更大带宽的非零色散位移单模光纤。与G.655光纤相比，具有更宽的工作波长(1460-1625nm)和更优化的色散值，是一种更适合于未来光通信网络发展需要的光纤，但目前还未进入商用阶段。,2020/7/10,70,G.657光纤,G.657建议书推荐两种光纤类型：A和B。A类型与