chapter2-光纖

1、1 2 n光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真 地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸?shù)貜陌l(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸 媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性，媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性， 任何信號均能以相同速度任何信號均能以相同速度無損無畸變無損無畸變地傳輸。地傳輸。 n但實際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在但實際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗損耗 和色散和色散，當(dāng)信號強(qiáng)度較高時還存在，當(dāng)信號強(qiáng)度較高時還存在非線性非線性。 n？在實際系統(tǒng)中，在實際系統(tǒng)中，光信號到底如何傳輸？其傳輸光信號到底如何傳輸？其傳輸 特性

2、、傳輸能力究竟如何？特性、傳輸能力究竟如何？本章討論的要點。本章討論的要點。 第二章第二章 光纖光纖 3 2.1 2.1 光纖概述光纖概述 2.2 2.2 光纖傳輸原理光纖傳輸原理 2.3 2.3 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性 2.4 2.4 幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖 章內(nèi)容章內(nèi)容 4 光纖的構(gòu)造光纖的構(gòu)造 纖芯：高純度纖芯：高純度SiOSiO2 2+ +摻雜劑如摻雜劑如GeOGeO2 2等，等，2a2a：950950mm 包層：高純度包層：高純度SiOSiO2 2+ +摻雜劑如摻雜劑如B B2 2O O3 3，2b2b：125 125 mm 涂覆層：環(huán)氧樹脂、

3、硅橡膠和尼龍涂覆層：環(huán)氧樹脂、硅橡膠和尼龍 纖芯纖芯和和包層包層都用石英作為基本材料，折射率差通過在纖芯和包層進(jìn)行不同的都用石英作為基本材料，折射率差通過在纖芯和包層進(jìn)行不同的 摻雜來實現(xiàn)。摻雜來實現(xiàn)。 n纖芯摻入纖芯摻入GeGe和和P P 折射率折射率 n包層摻入包層摻入B B 折射率折射率 2.1 光纖概述光纖概述 5 2.1 光纖概述光纖概述 6 三種主要類型光纖的比較三種主要類型光纖的比較 7 光纖的分類光纖的分類 8 9 制造光纖預(yù)制棒制造光纖預(yù)制棒 的的MCVDMCVD流程示意圖流程示意圖 光纖拉絲裝置示意圖光纖拉絲裝置示意圖 光纖光纜的制作光纖光纜的制作 10 幾何光學(xué)方法更簡單

4、直觀，但用波動理論可以對光纖 的傳輸特性和傳輸原理有更精確的分析 2.2 光纖的傳輸原理光纖的傳輸原理 光線理論（幾何光學(xué)方法）光線理論（幾何光學(xué)方法） 把光看作把光看作射線射線，并引用幾何光學(xué)中反射與折射原理解，并引用幾何光學(xué)中反射與折射原理解 釋光在光纖中傳播的物理現(xiàn)象釋光在光纖中傳播的物理現(xiàn)象 波動理論波動理論 （波動光學(xué)方法）（波動光學(xué)方法） 把光波當(dāng)作把光波當(dāng)作電磁波電磁波，把光纖看作光波導(dǎo)，用電磁場分，把光纖看作光波導(dǎo)，用電磁場分 布的模式來解釋光在光纖中的傳播現(xiàn)象布的模式來解釋光在光纖中的傳播現(xiàn)象 11 光的反射與折射 光的全反射現(xiàn)象 1 21 sin (/) c nn 2211

5、 sinsinnn 光線理論光線理論 12 0111 sinsincos a nnn 1c 21 sin/ c nn 2 2 2 10 sinnnn a 22 222 12 01211 2 1 sin22 2 a nn NAnnnnn n 光學(xué)參數(shù)光學(xué)參數(shù) 222 121 ()/2nnn 數(shù)值孔徑 折射率差 光線理論光線理論 單模光纖中光線傳播路徑單模光纖中光線傳播路徑 13 NA表示光纖接收和傳輸光的能力。 NA（或a）越大，表示光纖接收光的能力越強(qiáng)，光 源與光纖之間的耦合效率越高。 NA越大，纖芯對入射光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎 曲特性越好。 NA太大時，則進(jìn)入光纖中的光線越多，將會產(chǎn)生更

6、 大的模色散，因而限制了信息傳輸容量，所以必須 適當(dāng)選擇NA。 單模光纖的NA在0.12附近，多模光纖的NA約為0.21。 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 14 n2 n15 n14 n13 n12 n11 n1 光在漸變光纖中傳播的定性解釋 11112132 nnnnn 將徑向r方向連續(xù)變化的折射率分為不連續(xù)變化的若干層表示: 光線理論光線理論 15 ( ) 1 2 sin z AZ a 理論上，光在漸變光纖的傳播軌跡： 2 n 1 n 光線理論光線理論 16 光線理論分析法雖然可簡單直觀地得到光線在光纖中傳 輸?shù)奈锢韴D像，但由于忽略了光的波動性質(zhì)，不能了解 光場在纖芯、包層中的結(jié)構(gòu)分布以及其他許多特性。

7、尤 其是對單模光纖，由于芯徑尺寸小，光線理論就不能正 確處理單模光纖的問題。 在光波導(dǎo)理論中，更普遍地采用波動光學(xué)的方法，即把 光作為電磁波來處理，研究電磁波在光纖中的傳輸規(guī)律， 得到光纖中的傳播模式、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)及裁止條件。 波動理論波動理論 17 (1) (2) (3) (4) 磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度 電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度 電感應(yīng)強(qiáng)度電感應(yīng)強(qiáng)度 麥克斯韋（麥克斯韋（Maxwells EquationsMaxwells Equations）方程組）方程組 波動理論波動理論 18 考慮無源情況，即=0，J=0。 如果介質(zhì)是均勻的，即可得到平面波導(dǎo)波動方程： （2.8） 0 22

8、 EkE 采用柱坐標(biāo)(r,z)，使z軸和光纖軸線一致，即可得到 電場z分量Ez的波動方程： 222 2 2222 11 (/ )0 zzzz z EEEE ncE rrrrz （2.9） 波動理論波動理論 同理可得到磁場z分量Hz的波動方程 19 )( 0 H t E 2 2 0 t E E 考慮無源情況，即=0，j=0，對式（2）兩邊取旋度 將式（1）代入 考慮到有如下矢量恒等式 EEE 2 )( )( 2 2 0 2 E t E E （11） （12） （13） （14） 將式（13）代入式（12） 波動理論波動理論 20 0)(EEED 由式（4）得 EE 則 將式（16）代入式（14）

9、得 )( 2 2 0 2 E t E E 如果介質(zhì)是均勻的，即0，即可得到熟悉的波動方程 （15） （16） （17） （18） 0 22 EkE 波動理論波動理論 21 對于階躍折射率分布光纖，它的芯層和包層都是均 勻介質(zhì)，式（18）是適用的，但是對于漸變折射率 分布光纖，由于芯層的折射率是隨位置變化的， 不等于零，但光纖的在一個光波波長距離內(nèi)變化很 小，所以此式對漸變折射率光纖仍是適用的。 經(jīng)同樣步驟，可以得到磁場強(qiáng)度H 的波動方程 （19） 0 22 HkH 波動理論波動理論 22 2 2 0 n EE c )(exp),( 0 ztjyxEE )(exp),( 0 ztjyxHH 假定

10、 則可得 （20） （21） 波動理論波動理論 23 222 2 2222 11 (/ )0 zzzz z EEEE ncE rrrrz 采用柱坐標(biāo)使 軸和光纖軸線一致，就得到電場 的波動方程： z z E （22） 找出 和 的解，就可以得到場的其他分量 ， ， 和 。 z E z HE r EH r H 波動理論波動理論 24 ( , , )( )exp()exp() zz E rzE rjlj z 0, 1, 2l 2222 2 222 ( )( )1 ( )0 zz z d E rdE rnl E r drrdrcr 22 2 22 22 2 22 ( )( )1 ( )0() ( )

11、( )1 ( )0() zz lmz zz lmz d E rdE rl uE rra drrdrr d E rdE rl wE rra drrdrr 假設(shè) （23） 代入式（22） （24） 22222222 12 , lmlmlmlm un kwn k令 ，則 （25） 波動理論波動理論 25 ( , )()cos,() ( , )()cos,() zllm zllm E rJ u rlra E rK w rlra 纖芯 包層 除去 接近無限的函數(shù)，由式（25）得到：0r 波動理論波動理論 26 對稱平面波導(dǎo)的對稱平面波導(dǎo)的TE波波 x z y 0 H E TE波波 x y z n2 n1

12、 n2 對稱平面波導(dǎo) 平面波導(dǎo)的TE波是由垂直偏振 的平面波再平面邊界反射而成 y x 對稱平面波導(dǎo)中幾種低階導(dǎo)模中的電場分布 模的階數(shù)等于穿過波導(dǎo)的零值點的個數(shù) 27 Ez=0對應(yīng)的模叫做橫電模（TE模）； Hz=0對應(yīng)的模叫做橫磁模（TM模）； 若Ez和Hz都不為零，則稱為混合模?；旌夏Ｒ罁?jù)橫向 場中Ez和Hz的分量哪個更強(qiáng)，分為HE模和EH模; 光纖可以被看作是一個弱柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu), HE-EH模成 對出現(xiàn),且它們的傳播常數(shù)基本相等，稱為簡并模; 具有相同傳播常數(shù)的簡并模，可用線偏振模（LP模） 表示 討論：討論： 波動理論波動理論 28 表2.1 低階LP模的組成 屬于同一個LP模的模式

13、的橫向場強(qiáng)（E Ex x或E Ey y）相等 波動理論波動理論 29 由（2.9）得到： ( , )()cos,() ( , )()cos,() zllm zllm E rJ u rlra E rK w rlra 纖芯 包層 （2.9） 其中： Jl (x)：第一類l階貝塞爾函數(shù)； Kl (x)：第一類l階改進(jìn)的貝塞爾函數(shù)； 光波在光纖中成為導(dǎo)波的條件是n2klmn1k，其中 lm是光波的傳播常數(shù)。 用數(shù)值法求解確定lm ，可以得到許多電磁場模式： TElm 、TMlm 、HElm和EHlm。 波動理論波動理論 30 貝塞爾函數(shù) 前三個根 （不包括零根） 2.404833.831715.135

14、62 5.520087.015598.41724 8.6537310.1734711.61984 貝塞爾函數(shù)根 J0（u）J1（u）J2（u） 波動理論波動理論 31 2 22 1 2 1 2 1 n a nn a V 歸一化頻率歸一化頻率V na a為纖芯半徑，為纖芯半徑， 為光波波長，為光波波長， 為折射率差。為折射率差。 n參量參量V V決定了光纖中能容納的模決定了光纖中能容納的模 式數(shù)量。如果式數(shù)量。如果V2.405V1ps)1ps) 2 2 2 ),(EnnEn 光場幅度光場幅度 的有效值的有效值 或均方根或均方根 線性折線性折 射率射率 非線性折射率非線性折射率 或或KerrKer

15、r系數(shù)系數(shù) 折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大 部分非線性效應(yīng)都起源于非線性折射率。部分非線性效應(yīng)都起源于非線性折射率。 62 eff A n 2 2 光纖有效光纖有效 截面積截面積 由模場自己產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移由模場自己產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移 稱為稱為自相位調(diào)制自相位調(diào)制，信號光強(qiáng)的瞬間變化引起其自身，信號光強(qiáng)的瞬間變化引起其自身 的相位調(diào)制。的相位調(diào)制。 P 線性傳輸時線性傳輸時 的傳播常數(shù)的傳播常數(shù) 非線性非線性 系數(shù)系數(shù) 光纖中傳光纖中傳 輸?shù)墓β瘦數(shù)墓β?63 ineffeffeffin L NL PALnLPdZ

16、ZP)/2()( 2 0 非線性相移與信號功率成比例增大，非線性相移與信號功率成比例增大，輸入信號功率越輸入信號功率越 大，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。大，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。 SPMSPM不僅隨光強(qiáng)而變，而且隨時間變化，這種瞬時不僅隨光強(qiáng)而變，而且隨時間變化，這種瞬時 變化相移導(dǎo)致在光脈沖的中心兩側(cè)出現(xiàn)不同的瞬時光變化相移導(dǎo)致在光脈沖的中心兩側(cè)出現(xiàn)不同的瞬時光 頻率，即出現(xiàn)頻率，即出現(xiàn)頻率啁啾，頻率啁啾，引起光脈沖的頻譜展寬引起光脈沖的頻譜展寬 。 64 M jm mjeff NL j P2PL M：信道總數(shù)；Pj：信道功率（j1M）；因子2表明在同樣功率 下XPM的影響是SPM的兩倍，這樣總相移就與所有信

17、道功率和有關(guān)， 并根據(jù)相鄰信道比特圖形而變化。 n交叉相位調(diào)制在多信道系統(tǒng)中是主要的功率限制因素 65 對于等間隔的WDM系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號頻率重疊， 形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。 66 G.652 G.652 普通單模光纖普通單模光纖(SMF)(SMF) 2.4 幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖 最早實用化的光纖，零色散波長在1310nm，曾大量敷設(shè)，在光纖通 信中扮演者重要的角色。 缺點：工作波長為1550nm時色散系數(shù)高達(dá)17ps/(nmkm)阻礙了高 速率、遠(yuǎn)距離通信的發(fā)展。 67 波導(dǎo)色散影響依賴于光纖設(shè)計參數(shù)，如纖芯半徑和芯包 層折射率差

18、。根據(jù)光纖的這種特性，可改變光纖的色散情 況，進(jìn)行色散位移。 68 DSF(G.653光纖) 通過結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來加大波導(dǎo)色散， 使零色散波長從1310nm移到1550nm。 光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km，幾乎接近光 纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實現(xiàn)零色 散和最低損耗傳輸?shù)男阅?優(yōu)點：在1550nm工作波長衰減系數(shù)和色散系數(shù)均很小。它最適 用于單信道幾千公里海底系統(tǒng)和長距離陸地通信干線。 弱點：工作區(qū)內(nèi)的零色散點導(dǎo)致非線性四波混頻效應(yīng) G.653 G.653 色散位移單模光纖色散位移單模光纖(DSF)(DSF) 2.4 幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖 69 NZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波長)區(qū)具有小的但非零的色散，既 適應(yīng)高速系統(tǒng)的需