通信系统第8章.ppt

1、第8章 通信光纤,8.1 概述 8.2 光纤的传输特性,8.1 概 述,1. 光纤导光原理 光纤又称光导纤维，是一种导引光波的波导，它由纤芯和包层两部分组成，外面再加涂覆层以保护光纤。纤芯和包层是两种折射率不同的玻璃，设纤芯折射率为n1，包层折射率为n2， n1n2。按照几何光学全反射原理，射线在纤芯和包层的交界面产生全反射，并形成把光闭锁在光纤芯内部向前传播的必要条件， 即使经过弯曲的路由光线也不射出光纤之外，如图8.1所示。,图 8.1 光纤导光原理,2. 光纤的种类 1) 按光纤的材料分类 按制造光纤的材料来分类，如表8.1所示。 石英光纤一般由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成, 通常用化学

2、气相沉积法制成。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散，有阶跃折射率和渐变折射率两种, 适用于长距离、大容量传输。全塑光纤价格便宜，使用方便，适用于近距离，如几百米。但由于石英光纤也不是很贵，因此即使短距离、小容量， 也逐渐趋向于采用石英光纤。,表 8.1 光纤材料及其衰减,2) 按光纤折射率剖面分类 按光纤折射率剖面一般可分为阶跃光纤、 渐变光纤和其它型光纤， 如图8.2所示。 (1) 阶跃光纤。其纤芯和包层折射率呈台阶型突变。目前， 单模光纤多属此类，最早的多模光纤也属此类。 (2) 渐变光纤。纤芯的折射率分布近似为抛物线型，又称梯度光纤。目前，多模光纤均为此类。 (3) 其它型光纤。其它型

3、光纤包括有纤芯呈三角型的三角光纤， 还有双包层型、四包层型光纤(其包层折射率各层不同)。 上述几种类型均为新型单模光纤，但现已不强调其折射率剖面， 只强调其性能。,图 8.2 光纤折射率剖面分类示意图,3) 按传输模式分类 按传输模式和折射率剖面综合分类， 如表8.2所示。,表 8.2 光 纤 分 类 表,4) 按ITU-T建议文号分类 按ITU-T建议文号，有G.651 , G.652 , G.653、 G.654 , G.655 , G.65x及正在标准化的色散平坦光纤。它们的纤芯和包层剖面中折射率分布特性及特点见表8.3。,表8.3 光纤类型及其折射率分布特性,表8.3 光纤类型及其折射

4、率分布特性,表8.3 光纤类型及其折射率分布特性,8.2 光纤的传输特性,8.2.1 光纤的衰减特性 光在光纤中传播时，其强度或功率要发生衰减，称此为光纤损耗， 它是用衰减(损耗)系数来衡量的，即,(8.1),式中，L为被测光纤的长度；Pi为输入光纤的光功率；Po为输出光纤的光功率。光纤的衰减系数是度量光能在光纤中传输损失的重要参数。,光纤通信工程中，长度为Li，衰减系数为i的N段光纤相连接，则全长L为,(8.2),总衰减为,(8.3),式中，S为平均每连接点的损耗，y为连接点数。,图8.3 光纤损耗的分类,1. 光纤的吸收损耗 吸收损耗可分为材料固有吸收和杂质吸收两类，都是材料中的粒子吸收光

5、能产生振动发热所导致的。 固有吸收有紫外吸收和红外吸收两类，是材料本征特性所固有的。紫外吸收的波长范围在0.39 m以下，而红外吸收的波长在1.5 m以上，都接近目前光纤传递的光的波段范围， 尤其是红外吸收。,杂质吸收也可分为过渡金属杂质离子和氢氧根离子两类。 过渡金属如Fe、 Co、Ni、 Mn、Cu、Pt等。氢氧根的来源是卤化物和氧化物材料中含有微量水份和含氢化合物，它们最后以OH-的形式残留在光纤中。 各种过渡金属杂质离子和氢氧根各自都有吸收波段或吸收峰。 其中， 氢氧根的吸收峰基波在0.72 m附近， 吸收峰二次谐波在1.38 m附近。 此二次谐波吸收峰对长波长光纤的能量损耗最大，影响

6、最严重。光纤中只要有10-6数量级的上述杂质离子就会引起很大的损耗。一般制造光纤均采用10-9级的超纯化学原材料， 最好能使OH-降到110-9以下。,2. 光纤的散射损耗 散射损失以光能形式辐射能量，其中最主要的是瑞利散射， 它与波长的四次方成反比。光纤的结构不完善，如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力，也能使光纤产生散射损耗。 吸收损耗和散射损耗均与传输光能的波长有关。图8.4示出了光纤损耗波长曲线。曲线中有几个衰减小的“传输窗口”： =0.80.9 m，为短波长窗口；=1.3 m或1.55m，为长波长窗口。瑞利散射损失曲线和材料固有吸收损失曲线相交形成=1.55 m处的最低损失窗口， 衰

7、减可达0.15 dB/km以下。,图 8.4 光纤损耗波长曲线,8.2.2 光纤的数值孔径NA 数值孔径NA(Numerical Aperture)是衡量一根光纤当光线从其端面射入时，它接收光能大小的一个重要参量，如图8.5所示。 从几何光学角度看，并不是所有从空气射向光纤端面的光都能在光纤中满足全反射条件而传播。只有位于入射光线与光纤轴线夹角为a的圆锥体之内的那些光线，才能在光纤内满足全反射条件被光纤捕捉而形成传导模。 位于这个圆锥体之外的光线， 尽管也能入射到光纤中，但不能在光纤中形成全反射而传播， 只能折射到光纤的包层形成辐射模， 射入到空气中。,图 8.5 光纤的数值孔径,为了表征光纤

8、对光线的接收角， 通常用数值孔径来表示。 其定义为,式中，=(n1-n2)/n1表示光纤波导的芯和包层相对折射率差。通常，通信用光纤为弱导光纤，折射率差很小，即n1与n2相差很小。一般通信用多模光纤的值约为1%。如果入射光线所在介质为空气(n0=1)，则NA值恒小于1。例如，n1=1.5,=0.01,则NA=0.2。,式中，n0为空气折射率，a为临界接收角(孔径角)。当a很小时，又n0 =1，则NA接收角n0 。 根据上式并利用光学中的折射定理， 就可导出阶跃光纤的数值孔径， 即,NA=n0sina (8.4),渐变光纤的折射率分布一般可表示为,(8.6),式中，a是纤芯半径，是折射率指数，一

9、般2。 由于渐变光纤的折射率不是常数，因此在纤芯的各点上的接收角不一样， 中心上接收角最大。ITU-T建议采用这个最大点的数值孔径作为光纤的参数。,定义渐变光纤的最大理论数值孔径,(8.7),式中，n1是光纤中心上的折射率。 最大理论数值孔径在工程实用上测量很不方便，一般习惯采用强度有效数值孔径。,强度有效数值孔径的定义是：在光纤测试的远场辐射图上， 强度下降到最大值的10%处张角的一半(如图8.6所示)，即,NAe=sin e,(8.8),最大理论数值孔径NAtmax与强度有效数值孔径NAe的关系为,NAtmax(1.051.07)NAe,(8.9),应该指出，把光的传输当光线行进只是一种近

10、似处理，其优点是直观的。但光波实质上是电磁波，它在光纤波导中的传输特性， 只有从光的电磁理论才能给以本质的说明。,图8.6 强度有效数值孔径NA,光波在光纤中传播， 就是交变的电场和磁场在光纤中的传播。前已指出，电磁场的各种不同分布形式叫做“模式”。根据传输理论，可引入一个特征参数V， 称为光纤的归一化频率参数， 其表达式为,(8.10),式中，a为纤芯半径(m)； 为波长(m)； n1, n2分别为纤芯和包层折射率。若V2.405，则只存在单一的传播模式，满足此条件的光纤称为单模光纤；当V2.405时，为多模光纤。,理论分析表明：若2.405，阶跃折射率分布的多模光纤中， 传播的模式总数为,

11、(8.11),渐变折射率分布的多模光纤中，传播的模式总数为,(8.12),8.2.3 光纤的色散特性 光脉冲信号经过光纤传输之后会发生脉冲畸变，它表现为脉冲展宽现象，如图8.7所示。一个冲激光脉冲在光纤中的脉冲展宽称为光纤的脉冲色散或脉冲分散。色散的危害很大，尤其对码速较高的数字传输有严重的影响，引起码间串扰，使传输的信号带宽减小，即传输带宽能力降低。色散、脉冲展宽和频带宽度均反映光纤的同一传输特性。因此，色散特性是光纤的第二个重要特性。,图 8.7 光纤传输中脉冲信号的畸变,表8.4 光纤的色散种类和特点,1. 模式色散 1) 阶跃光纤的模色散 阶跃型多模光纤模色散产生的脉冲展宽决定于最大时

12、延差M。在光纤中不是所有模式的光线均能在光纤内传播，因为光纤是利用全反射原理来导引光线的，所以只有小于光纤的全反射截止角(又称传输角)范围内的模式光线，才能在光纤内继续传播。 把它们称为光纤的传输模。如图8.8所示，光线是平行光纤轴直线传播的低次模(基模)，光线是折线传播的最高阶模。 由于光在光纤中的传播速度为v=c/n，其中n为介质折射率，c为光速，故可求得光线和光线通过长度为L的光纤后的最大时延差M为,(8.13),式中，t1, t2分别为光线和光线经过长度为L的光纤到达终端的时间；v2为光线对光纤轴向的传播速度；v1为光线的传播速度；=(n1-n2)/ n1 。,图 8.8 光线在光纤中

13、的传播,2) 渐变光纤的模色散 渐变光纤轴上折射率n1最大，光在轴上的传播速率v1=c/n1最小，而在离开光纤轴距离为r处的折射率n(r)小于n1，因此作曲线传播的光线的线速度v(r)=c/n(r)必然大于v1。所以适当控制折射率分布指数, 有可能使作曲线传播的光线与直线传播的光线同时到达光纤终点。一般2时，渐变光纤的脉冲展宽模色散最小，此时光线在光纤中呈周期性会聚和发散传播， 所以渐变光纤又叫自聚焦光纤。这种光纤的时延表达式推导过程比较复杂，其结果为,(8.14),设纤芯折射率n1=1.5, =0.01，=2。对于L=1km的阶跃光纤和渐变光纤，分别用式(8.13)和式(8.14)求得M分别

14、为50 ns和0.25 ns。而当=2.22时可求出渐变光纤的M(1 km)=2.6 ns。 可见，渐变光纤的模色散远小于阶跃光纤，而且当=2时，其模色散最小。因此，渐变光纤的是一个重要的指标。 需要指出，一般并不利用式(8.13)和式(8.14)来计算脉冲展宽。因为折射率测量并不方便，再则光纤的工艺不很均匀，所以计算不可能得到很精确的结果。工程上通常直接测量光纤的脉冲展宽，并以此作为系统设计的依据。光纤产品一般给出光纤色散脉冲展宽值，而不给出折射率差。,2. 材料色散 光源辐射的光载波，严格讲不是单一频率，其总是占据一定的频谱宽度，而光纤材料折射率随频率而变化，因此，信号不同频率分量具有不同

15、的传播速度，即经过不同的时延到达接收点，从而引起光纤的脉冲展宽，称为光纤的材料色散。材料色散引起的脉冲展宽可用下式表示为 m=DL() (8.15) 式中，L为光纤长度，为光源半幅值谱线宽度，D为光纤材料色散系数。典型的石英光纤材料色散系数D=85 ps/(nmkm)(0.85 m)。典型激光器的谱线宽度=2nm左右。 典型发光管的谱线宽度=50 nm左右，它们在1km光纤的材料色散m分别为0.17ns和4.25 ns。,3. 波导色散 假设一根没有材料色散的光纤仍可发现光脉冲的谱线宽度对于光纤的脉冲展宽有影响。这是因为在特定结构的光纤中， 传输模的个数以及它们的传播常数与光波长有关。这种色散

16、称为光纤的波导色散W。由于波导色散是由光纤几何结构决定的，故也称为结构色散。一般波导色散很小，在多模光纤中可以忽略。 在单模光纤中，由于光在纤芯内传播时，还会有部分光功率进入包层， 而包层中的光速比芯中的快，这样也会出现时延差。这种色散在芯径和数值孔径很小的单模光纤中才明显地呈现出来。 但它并不是单模光纤中色散的主要部分。,4. 偏振模色散 偏振是与光的振动方向有关的光性能。光纤中的光信号传输可描述为完全是沿X轴上的振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，如图8.9所示。每个轴代表一个偏振“模”。两个偏振模到达的时延差称为偏振模色散(PMD)， PMD的度量单位为ps。光纤的PMD

17、系数表示的单位为,图 8.9 光纤偏振模色散,8.2.4 光纤的带宽,1. 光纤带宽与色散的换算公式 光纤带宽与色散的换算公式有两个：第一个为采用时域法测量光纤带宽时所采用的计算式；第二个为计算光纤通信系统所要求的计算式。 如图8.10(a)右图所示，光脉冲波因色散而展宽后仍为高斯形，图中为高斯形脉冲波的半高全宽，即g(t)/g(0)=1/2时的全宽，亦即光功率降低一半时的色散。经过高斯形函数傅里叶变换， 可得光纤带宽的第一个计算式为,(8.17),图8.10 光纤带宽 （a）光纤带宽时域响应；（b）光纤带宽频域响应,【例 8.1】设已知单模光纤色散系数为6 ps/(nmkm)，而光源谱线宽为

18、nm，求光纤带宽。 解,=6310-12=1810-12ps/km,令为高斯形脉冲波在g(t)/g(0)=1/e时的全宽，由高斯形脉冲波的表达式可得 ，式中为高斯波形的宽度参数， 称为脉冲均方根(rms)宽度，在系统设计时用此参数以表征光纤色散，经推证可得光纤带宽的第二个计算式为,(8.18),2. 带宽与长度的关系 如上所述，光纤带宽以km为单位，但当光纤长度为L km时， 其全长总带宽并不一定与长度L成反比。 设光纤每千米带宽为B，而在L km全长的总带宽为B，则,(8.19),式中，E称为带宽长度系数。对多模光纤，E为0.50.9；对单模光纤，E为1。这是因为光脉冲在光纤中传播时会产生模式变换， 因而模间色散得以减轻，故其有效长度要减小。对单模光纤而言， 因无模间色散，故E为1。,【例 8.2】设多模光纤中继段长为23km， 测得其全长总带宽为134 MHz，求光纤每千米带宽。 解 设E取0.7，则由式(8.19)得 B=BLE=134230.7=1200 MHzkm,8.2.5 光纤的非线性效应 在光纤通信系统中，大输出功率的激光器和超低损耗单模光纤的使用，使得光纤中的非线性效应愈来愈显著。这是因为单模光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯内， 场强非常高，低损耗又使得高场强可以维持很长的距离。人们多年来对光纤中非线