光纖通信2-光纖

1、1 光纖通信發(fā)展光纖通信發(fā)展2 光纖通信光纖通信特點特點3 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)組成組成1970以來，發(fā)展經(jīng)過了4代：1、多模光纖2、常規(guī)單模光纖3、色散位移光纖4、波分復(fù)用WDM1、損耗小，中繼距離遠2、載波頻率高，光纖色散小，容量大3 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)組成組成電信號輸入調(diào)制光源光放大器光檢測器信號恢復(fù)電信號輸出光發(fā)射機尾纖連接器光纖光纖接頭盒光耦合器其它設(shè)備光接收機光纖接頭盒連接器再生中繼器尾纖光纖光纖三大組成部分：三大組成部分： 光發(fā)送機、光纖光纜、光接收機光發(fā)送機、光纖光纜、光接收機模擬通信系統(tǒng)模擬通信系統(tǒng)與與數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)光通信系統(tǒng)分類：模擬信號與數(shù)字信號模擬信

2、號與數(shù)字信號光纖通信系統(tǒng)適合于傳輸數(shù)字信號模擬信號要經(jīng)過轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能在在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸模擬信號的取樣與編碼模擬信號的取樣與編碼PCM PCM （Pulse-code modulation）編碼的實現(xiàn)過程）編碼的實現(xiàn)過程多路信號復(fù)用多路信號復(fù)用 光波系統(tǒng)具有很寬的頻帶資源，可傳送高速大容量信息，但傳送光波系統(tǒng)具有很寬的頻帶資源，可傳送高速大容量信息，但傳送數(shù)字音頻信號僅需數(shù)字音頻信號僅需64kb/s64kb/s的速率，很不經(jīng)濟。的速率，很不經(jīng)濟。 可以通過復(fù)用的方法同時傳送多路信號。在單根光纖中可用三種可以通過復(fù)用的方法同時傳送多路信號。在單根光纖中可用三種復(fù)用方法提高通信容量：復(fù)用

3、方法提高通信容量： 時分復(fù)用時分復(fù)用(TDM)(TDM) 頻分復(fù)用頻分復(fù)用(FDM)(FDM) 波分復(fù)用波分復(fù)用(WDM(WDM） 或或 光頻分復(fù)用（光頻分復(fù)用（OFDM)OFDM) 多路信號復(fù)用光發(fā)送機多路信號解復(fù)用光接收機1n1n光發(fā)送機光接收機光纖（光纜）輸入電信號輸出電信號光通信系統(tǒng)組成第2章 光纖 -光纖導(dǎo)光原理及其特性光纖的結(jié)構(gòu)及分類光纖導(dǎo)光原理光纖的模式理論光纖的損耗特性光纖的色散光纖的非線性效應(yīng)常用光纖纖芯包層涂覆層裸光纖m125m2501、光纖的結(jié)構(gòu)2.1光纖的結(jié)構(gòu)及分類光纖的結(jié)構(gòu)及分類典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體自內(nèi)向外為纖芯、 包層和 涂覆層 纖芯、包層-裸光纖纖芯、包層+涂

4、覆層-芯線纖芯、包層-光學(xué)區(qū)涂覆層-保護區(qū)材料：SiO2纖芯n1 包層n2纖芯:SiO2 +GeO2(P2O5) 包層:SiO2 +B2O5(F)涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，起保護光纖不受水汽的侵蝕相機械的擦傷， 同時又增加光纖的柔韌性， 起著延長光纖壽命的作用。涂覆層的主要作用是為光纖提供保護2、光纖的分類1）按制造光纖所使用的材料分 2）按工作波長來分3）根據(jù)光纖中傳輸模式分4）根據(jù)折射率分布分 有石英系列、 塑料包層石英纖芯、 多組分玻璃纖維、 全塑光纖等四種。短波長光纖長波長光纖單模光纖和多模光纖有階躍型光纖 Step Index SI漸變型 (梯度型) 光纖 Graged

5、Index GI W型光纖等nnn1n1n1n2n2n2n階躍型光纖 SI Step Index漸變型 (梯度型) 光纖GI Graged IndexW型光纖aa3、光纜制造1、原材料提純?nèi)サ艄饫w原料中的雜質(zhì)，以降低雜質(zhì)吸收。2、制棒將提純后的材料合成一定折射率分布的預(yù)制棒。將預(yù)制棒拉制成原折射率分布的光纖。3、拉絲4、套塑為保證光纖的機械性能將光纖涂覆層外加一層熱塑材料。5、成纜目的：目的：去掉光纖原料中的雜質(zhì)，以降低雜質(zhì)吸收。方法方法：精餾吸附精餾精餾塔活性吸附物質(zhì)二級精餾活性吸附物質(zhì)精料槽 SiCl4 HO- Cu2+_氧化鋁或活性硅膠SiCl4材料提純材料提純?nèi)蹮捴瓢羧蹮捴瓢舴椒ǚ椒ǎ?/p>

6、MCVD法（改進的化學(xué)汽相沉積法）BELLPCVD法（等離子激活化學(xué)汽相沉積法）PHILIPSVAD法（汽相軸向沉積法）NTT OVD法（管外汽相沉積法）CORNINGAPVD法（等離子化學(xué)汽相沉積法）ALCATEL目的：目的：將提純后的材料通過物理與化學(xué)的方法 合成一定折射率分布光纖預(yù)制棒預(yù)制棒。折射率分布通過控制摻雜濃度實現(xiàn)?；瘜W(xué)反應(yīng)方程22242ClSiOOSiCl232236234ClOBOBCl22242ClOGOGeCle252236234ClOPOPOClMCVD法（改進的化學(xué)汽相沉積法）纖芯:SiO2 +GeO2(P2O5) 包層:SiO2 +B2O5拉絲拉絲目的： 將具有一定

7、的折射率分布的預(yù)制棒 拉制成折射率分布不變的光纖。123 4 67891-光纖預(yù)制棒2-高溫爐3-測溫儀4-爐溫控制5-激光測徑儀6-調(diào)速系統(tǒng)7-涂覆器8-固化爐9-收絲輪5 光纖經(jīng)過涂覆后雖然已具有了一定的抗張強度，但還是經(jīng)不起施工中的彎折、扭曲和側(cè)壓等外力作用，為了使光纖能在各種環(huán)境中使用，必須把光纖與其他元件組合起來構(gòu)成光纜，使其具有良好的傳輸性能以及抗拉、抗傳輸性能以及抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭曲等機械性能沖擊、抗彎、抗扭曲等機械性能。成纜 一、對光纜的要求1、機械性能好：保證光纖經(jīng)得起拉伸、沖擊、彎曲等影響。 2、防護性能好：使光纖防水，防潮，防雷，防腐。3、傳輸性能好：避免工程中帶來

8、的附加損耗或色散。2、光纜護套一般由塑料材料制造，保護光纜芯受到機械外力和環(huán)境的影響。 PVC（聚氯乙烯）3、防潮層光纖非常怕水，一般用密封鋁制金屬或阻水紗防潮。4、 填料 防止水氣進入。 要求：抗水性好，溫度性能好，無毒 ，不易燃。5、鎧裝 增加機械強度， 防鼠，防蟲，防人為損傷。1、加強件加強件一般由鋼絲或增強塑料嵌在光纖中，用以 承受拉伸負荷。（集中式加強件，分散式加強件）二、光纜的基本結(jié)構(gòu)按成纜光纖類型 多模光纖光纜和單模光纖光纜 按纜芯結(jié)構(gòu) 中心束管、層絞、骨架和帶狀 按加強件和護層 金屬加強件、非金屬加強、鎧裝按使用場合 長途/室外、室內(nèi)、水下/海底等 按敷設(shè)方式 架空、管道、直埋

9、和水下3、光纜的分類、光纜的分類4、光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式）層絞式 骨架式中心束管式帶狀式光纖油膏加強件護套松套管中心管式光纜中心管式光纜-套管式光纜是將數(shù)根一次涂覆的光纖放入同一根塑料管中，管中填沖油膏，光纖浮在油膏中。套管式光纜的結(jié)構(gòu)合理、重量輕、體積小、價格便宜。層絞式結(jié)構(gòu)光纜層絞式結(jié)構(gòu)光纜加強芯纖芯套塑填充料防潮層內(nèi)護套鎧裝外護套-層絞式光纜是將若干根光纖芯線以加強元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適用于芯線數(shù)較少的的光纜。骨骨架架式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)光光纜纜-溝槽式光纜是將單根或多根光纖放入溝槽中，骨架中心是加強元件。這種結(jié)構(gòu)的光纜的抗側(cè)壓性能好，單制造工藝復(fù)雜。2.2 光纖導(dǎo)光原理光纖

10、導(dǎo)光原理的分析方法：射線理論(幾何光學(xué)法) 波動理論(模式理論)折射定律一、SI光纖射線分析12sinsinnnti1n2nirt21nn itn2n1入射光纖出射1、導(dǎo)光原理ci內(nèi)全反射非子午面光線132123c1c2c31223Snell定律臨界角臨界角對應(yīng)的捕光角sinsin10nn21cos1 ncn21sin12121)(1nnn12sinsinnnti12sinnnc捕光角1n2nc內(nèi)全反射導(dǎo)光原理內(nèi)全反射的條件c2121)(1sinnnn2121max)(1sinnnn121nnn 相對折射率差2122211nnnn2121211)(nnnnnn1211)(2nnnn21n2si

11、n1maxn1212nnn3、模式及時延差傳導(dǎo)模輻射模2、數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture )maxsinNA21nNAmaxNA光源與光纖的耦合效率高光纖里有很多條光線和軸線夾角相同的一簇光線稱作一個模式模式有兩類：2sin1maxn傳導(dǎo)模輻射模模式有兩類：maxmaxcc光纖中有很多傳導(dǎo)模，路徑不同，時延不同。最大時延差模式時延12sinnncLcLLsin兩條路徑dppvLvLtt121ncvp LcllLLsincnLLnn121)(Lcn 1Lcn 1Lnn21,LL LL脈沖展寬：不引起碼間干擾的脈沖間隔：碼元速率 （帶寬）： LcnT1TB1Lcn 1不同傳導(dǎo)模

12、式的時延差使光脈沖展寬00T碼間干擾1Lnc提高帶寬的方法：1LncBB例：487. 1,275. 01nNA求光脈沖傳1公里的脈沖擴展寬度和最大比特率。解：cLnd1ns76.84SILncB11maxsMb/8 .111ncBL1）減少模式的最大時延差-采用GI光纖2）只允許一個模式傳輸-單模光纖21nNA0171. 0)(2121nNALcn 1B?,1BkmL?,100,10BkmkmL二、 GI光纖射線分析g=2 拋物線型arnararnrng;)(1 )(20n1n2nan3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a如果將漸變折射率看成分層均勻?qū)訑?shù)N, 層厚NaN光線在介質(zhì)中的傳輸軌跡

13、應(yīng)該用射線方程表示 r是軌跡上某一點的位置矢量；s為射線的傳輸軌跡；ds是沿軌跡的距離單元， n表示折射率的梯度。 將射線方程應(yīng)用到光纖的圓柱坐標(biāo)中，光纖中的近軸子午光線和光纖軸線夾角很小，可近似認(rèn)為平行于光纖軸線(z軸)的子午光線。由于光纖中的折射率僅以徑向變化，沿圓周方向和z軸方向是不變的。因此，對于近軸子午光線，射線方程可簡化為：rzrds1、射線方程 對近軸光線， ， )2cos(za)2sin(za)2sin()2cos(zaBzaAr2、射線軌跡0z, 00rdzdrr)2sin(20zaarr0,dzdrrrd0z)2cos(zarrd212cLnGILcnSI12SIGI3、漸

14、變光纖中的光線)2sin(20zaarr（1）自聚焦特性（2）最大時延差SIGI01. 0005. 0:02. 001. 0:2.3 光纖的模式理論( )EjJHHjE022EkE022HkH圓柱坐標(biāo)系zEErEzrEzr),(zHHrHzrHzr),(022zzEkE022zzHkHk)cos()(2),(0etrEtrE)cos()(2),(0mtrHtrHejeEE0mjeHH0SInc)()()(),(zZrRzrEz022zzEkE01)(1222222zzzzEkzEErrErrr01122ZRkZRZRrZRrZRZR/0122kZZrrRRRR20)(2222rkRRrRRr2

15、n0)()( 2zZzZ0)()( 2n0)()( 2zZzZ0)()( 2n0)(2222222RnrkdrdRrdrRdrzjezje)cos(n)sin(n0)(222ynxxyyxxrk22)()(xyrRn階貝塞爾方程01)(1222222zzzzEkzEErrErrr)()()(),(zZrRzrEz)cos( z)sin( ztjen為整數(shù)Bessel方程的求解函數(shù)01)(dtetxtx), 0()(xx)( nn為非負整數(shù): )(x1) 1 ()() 1(xxx)2/1 (0 x)3)(2)(1()3() 1(xxxxxx) 1() 1(xxx)2()2)(1(xxxx)3()

16、3)(2)(1(xxxxx)()3)(2)(1()() 1(nxxxxxnxx0)(222ysxxyyx0ss階貝塞爾方程貝塞爾方程的解用冪級數(shù)展開0)(nnnxaxy0)(02022nnnnnnxaxasn0)(022as0)1(122as2, 0)(222naasnnn00a00a22ss01as222)(ssnaann2n)2(2snnan)2(2snnaann12 kn012knaa)22(2222skkaaakkn)(422skkak2n)(4222skkaakk, 3 , 2 , 1k) 1(402saa1k2k)2)(1(424)2(24024ssasaa3k)3(3446saa

17、)3)(2)(1(424340sssa) 1)(2)(3( ! 32) 1(3203sssa) 1)(2)(3( ! 32) 1(3203326sssaaa) 1() 13() 3)(2)(1(sssss) 13(! 32) 1() 1(320332sasa) 1(!2) 1() 1(202kskasakkk) 1(210sas) 1(!221) 1(22kskakskk0)(nnnxaxyskkskkxkskxy220) 1(!221) 1()(kkksxskkx20)2()1(!1) 1()2(s階貝塞爾函數(shù))(xJs如果s不是整數(shù)，另一個解為skkkssxskkxxJ20)2()1(!1

18、) 1()2()(如果s是整數(shù))() 1()(xJxJnnn線性相關(guān))sin()()cos()()(sxJsxJxNsss也是貝塞爾方程的解)(limxNsns存在并與 無關(guān))(xJn)(xNn諾依曼(Neumann)函數(shù))(lim0 xNmx整數(shù)階貝塞爾函數(shù)和正弦和余弦三角函數(shù)有類似的性質(zhì)奇偶性)() 1()(xJxJnnn漸進表達式mnmmnxmnmxJ20)2() 1(!) 1()()412cos(2)(nxxxJxn)(xIn)()(jxJjxInnnxxnexxK2)(xxnexxI21)(0)(222ysxxyyx)(xKn虛宗量Bessel函數(shù)jtx 0)(222ysttyyt0

19、)()( 2zZzZ0)()( 2n0)(2222222RnrkdrdRrdrRdrzje)cos(n)sin(nn階貝塞爾方程0)(222ynxxyyxxrk22)()(xyrR)(xJn)(xNn0)(222ynxxyyx)(xKn)(xIn)()()(),(zZrRzrEzzjennrR)sin()cos()(zr1n2nazjzennrRE)sin()cos()(?)(rR)()()(xNAxAJxynn022k022k)()()(xIBxBKxynnraurkx22rawrkx22222)(auk)()()(rauNArauAJrRnn222)(awk)()()(rauIBrauBK

20、rRnn0)(2222222RnrkdrdRrdrRdr022120nk022220nk2010nknkzjmzjmzemmrawKAemmrauAJE)sin()cos()()sin()cos()(arararar222120)(aunk222220)(awnk在纖芯中在包層中zjmzjmzemmrawKBemmrauBJH)sin()cos()()sin()cos()(zjke1zjke2zje)(rauJn)(rauKn21nn zr1n2na101nkk 202nkk )(rauNn)(rauIn2121,zzttEEEEar2121,zzttHHHHarzjmmzjmmzemmwKr

21、awKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(ararzjmmzjmmzemmwKrawKBemmuJrauJBH)sin()cos()()()sin()cos()()(arartn )(uJAAm)(wKAAmzEErEzrEzr),(zHHrHzrHzr),(EjHHjEzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(zjmmzjmmzemmwKrawKBemmuJrauJBH)sin()cos()()()sin()cos()()(ararjzzjeEjHrzEjHjHr1EjHjr

22、HrzzrEjHrrHrr1)(1HjErzHjEjEr1HjEjrErzzrHjErrErr1)(1rzEjHjHr1EjHjrHrzzrEjHrrHrr1)(1rzHjEjEr1HjEjrErzzrHjErrErr1)(1zzHE ,HHEErr,zjmmmmzjmmmmemmwKrawKawBmmwKrawKrmAawjemmuJrauJauBmmuJrauJrmAaujE)sin()cos()()()cos()sin()()()()sin()cos()()()cos()sin()()()(22ararzjmmmmzjmmmmemmwKrawKrmBmmwKrawKawAawjemmuJ

23、rauJrmBmmuJrauJauAaujH)cos()sin()()()sin()cos()()()()cos()sin()()()sin()cos()()()(22ararzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(求u、w、的值先推導(dǎo)u、w、滿足的方程222120)(aunk222202)(awnk2221202120)()(awaunknk)(222120222nnkawu21202222nkawu210nakV222211ancfan歸一化頻率V222Vwu下面由邊界條件得到u和w的另一關(guān)系2121,EEEEar

24、tt2121HHHHtt)sin()cos()()()cos()sin()()()(1)sin()cos()()()cos()sin()()()(122mmwKrawKawBmmwKrawKamAawmmuJrauJauBmmuJrauJamAaummmmmmmmar ar 2V01211BA02221BA0det1111)()()()()()()()(2222212222221wunnwumwwKwKnnuuJuJwwKwKuuJuJmmmmmmmm222Vwu21nn 弱導(dǎo)近似11)()()()(22wumwwKwKuuJuJmmmm給定V值，代入求u、w分3種情況求解聯(lián)立的超越方程：1）

25、0m2）0m3）0m0nu0nw, 3 , 2 , 1nmnumnw, 3 ,2, 1nmnumnw, 3 , 2 , 1n222120)(aunkmn, 3 , 2 , 1 , 0m01211BA02221BA, 3 , 2 , 1n0; 0, 0mmmzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(1）0m2）0m3）0m0nu0nw, 3 , 2 , 1nmnumnw, 3 ,2, 1nmnumnw, 3 , 2 , 1n光纖中的模式：nTE0nTM0nmHE,nmEH,混合模zzHE zzEH 0, 0zzEorHmn

26、zjmmzjmmzemmwKrawKBemmuJrauJBH)sin()cos()()()sin()cos()()(mnmnmnmnmnwu, 3 , 2 , 1 , 0m, 3 , 2 , 1n例如：1, 1nm)1(1)1(1)1(1,wu11HE1, 2nm)2(1)2(1)2(1,wu21EHzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(0)(222220awnkar ar 0)(222120aunk傳導(dǎo)模和輻射模滿足以上條件的模式是傳導(dǎo)模當(dāng)不滿足0)(222220awnk即0)(222220awnk包層中的波和纖芯

27、中的類似就是輻射波02w02w傳導(dǎo)模輻射摸)(2Vw0)(2cVwcVV 0)(2Vw截止歸一化頻率cV每個模式都有一個對應(yīng)的截止規(guī)一化頻率cV222Vwu11)()()()(22wumwwKwKuuJuJmmmm0w22Vu ccuV 11)()()()(lim220wumwwKwKuuJuJmmmmw求ccuV 02w計算歸一化截止頻率cV11)()()()(lim220wumwwKwKuuJuJmmmmw求ccuV 0m0)()()()(lim00000wwKwKuuJuJw0)(0uJ2.4048, 5.5201, 8.6537, cu)(0101TETM4048. 2cV)(0202

28、TETM5201. 5cV4048. 2V)(0101TETM傳導(dǎo)模（1） 模和 模 令 ，可得到 模和 模有相同特征方程,為當(dāng)模式截止時， ， ， 由第二類變型的貝塞爾函數(shù)的遞推關(guān)系及漸進公式，可以得到 所以截止?fàn)顟B(tài)下的特征方程為 的根有 2.4048, 5.5201, 8.6537, ,它們分別對應(yīng)著 ， ， ， 模的截止頻率。就是說，若歸一化頻率 2.4048,則 模就能在光纖中存在；反之，若歸一化頻率 2.4048， 模就不是導(dǎo)模。對其他模式可以次類推。 （2） 模 令 ，可得到 模特征方程,為 由貝塞爾函數(shù)的遞推公式 當(dāng)模式截止時， ，可得到所以截止?fàn)顟B(tài)下 的特征方程為 當(dāng) 1時，得

29、到一族 模，其 = =3.8317,7.0156,10.1745, （3） 模 令 ，可得到 模特征方程,為 由貝塞爾函數(shù)的遞推公式 當(dāng) 時，截止?fàn)顟B(tài)下 的特征方程為 所以 的根有 0,3.8317 ,7.0160 ,10.1735, ,它們分別對應(yīng)著 , , , 模式的截止頻率。在所有的導(dǎo)模中，只有 模式截止頻率為零，亦即截止波長為無窮大。 模式是任何光纖中都能存在、永不截止的模式，成為主?；蚧＃菃文９饫w的工作模。當(dāng) 時，截止?fàn)顟B(tài)下 的特征方程整理后為 當(dāng) 2時， 的根有 2.4048, 5.5201, 8.6537, ,它們分別對應(yīng)著, , ， 模， 模在截止時與 、 簡并。 模式模式

30、VcHE110TE01、TM01、HE212.4048HE12、HE31、EH113.832HE41、EH215.1356HE135.5200202,TETM圖圖2.12 最低階模式的傳播常數(shù)作為最低階模式的傳播常數(shù)作為V的函數(shù)的曲線的函數(shù)的曲線HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456歸一化頻率歸一化頻率V0/k1n2n)(VVzjepv光纖中的場和模式zjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(nTE0nTM0nmHE,mnEH歸一化截止頻率VccVV 傳導(dǎo)模不同的模式

31、（2）場分布不同（3）傳輸特性也不同（1）截止頻率不同最低階模式最低階模式HE11TE01TM01HE21第一高階模式組第一高階模式組幾個模式的場圖線偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11Linearly Polarized(LP)modesrLP01LP11LP通過變換得到直角坐標(biāo)系中的橫向場分量為 在多模階躍光纖中，多個導(dǎo)模同時傳輸，光纖的歸一化頻率V愈大，導(dǎo)模數(shù)愈多，導(dǎo)模數(shù)M可按下式計算 在多模漸變光纖中, 導(dǎo)模總數(shù)為 例：已知mamn602 ,1,01. 0, 5 . 11求導(dǎo)模數(shù)解：221anV40SI800模功率分布 導(dǎo)模在光纖中傳輸時，功率集中在纖芯和包層中。對于

32、不同模式，光功率在纖芯和包層的分配比例不同，包層中的光功率易受各種因素的影響而失掉。在弱導(dǎo)近似下，LP模的橫向場只有Ey和Hz分量，所以導(dǎo)模攜帶的光功率在纖芯和包層中分別為 將LPmn模的場分布代入，可得 單模光纖單模光纖 單模光纖應(yīng)滿足單模條件單模光纖應(yīng)滿足單模條件 截止波長405. 2221anV2405. 221ancc單模光纖應(yīng)滿足單模條件單模光纖應(yīng)滿足單模條件工程上截止波長由測量得到。光纖只傳播基模光纖只傳播基模HE11模模 HE11TE01H E21TM01HE31HE12E H21H E41TE02TM02123456歸一化頻率歸一化頻率V01LP單模光纖的單模光纖的截止波長單模

33、光纖工作模式單模光纖工作模式HE11的電場分布為零階的電場分布為零階Bassel函數(shù)，函數(shù)，可近似為指數(shù)分布，可近似為指數(shù)分布，主模主模LP01(HE11)的模場分布的模場分布2200( )exp(/)E rErW單模光纖中工作波長超過截止波長單模光纖中工作波長超過截止波長時的光功率分布時的光功率分布1/232002202( )22( )r Er drWr Er dr模場直徑（模場直徑（Mode-field diameter MFD）單模光纖的模場直徑單模光纖的模場直徑(MFD)定義為電場下降為定義為電場下降為1/e時的半徑的時的半徑的2倍倍;模場直徑還有其它定義模場直徑還有其它定義.多多模光

34、纖的模場直徑與纖芯幾乎相等，但單模模光纖的模場直徑與纖芯幾乎相等，但單模光纖的模場直徑一般不等于模場直徑。光纖的模場直徑一般不等于模場直徑。zjzjyewKawKeuJrauJEE)()()()(110110110110002W62/3879. 21619. 169. 0VVaw4 . 22 . 1V誤差小于1%2)(21watatalcoreePP75. 0, 2tatalcorePPV20. 0, 1tatalcorePPV一般取4 . 22V2.4光纖的損耗特性 (衰減特性Attenuation）引起光的損耗的機理是光纖對光的損耗吸收損耗1.本征吸收2.雜質(zhì)吸收3.原子缺陷吸收散射損耗1

35、、線性散射瑞利散射2、非線性散射 瑞利散射 布里淵散射彎曲損耗1.光纖彎曲2.光纖微彎一、光纖損耗的系數(shù)一、光纖損耗的系數(shù)1( )(0)1(0)ln)( )pzpp zpePkmzP z其中：（當(dāng)光信號在光纖中傳播時，其功率隨著距離的增加以指數(shù)形式衰減。當(dāng)光信號在光纖中傳播時，其功率隨著距離的增加以指數(shù)形式衰減。如果在起始處（如果在起始處（z0）的信號功率為）的信號功率為P(0)，則在光纖中經(jīng)過距離，則在光纖中經(jīng)過距離z的傳播后，的傳播后，其功率值為：其功率值為： p為衰減指數(shù)。為衰減指數(shù)。損耗系數(shù)損耗系數(shù)定義為：定義為：110(0)(/)log4.343()( )pPdB kmkmzP z單

36、位單位 dB/km,通常光纖損耗用單位長度的分貝通常光纖損耗用單位長度的分貝(dB)(dB)數(shù)表示，定義為數(shù)表示，定義為 10lg(/)outinpdB kmLp 二、 吸收損耗：吸收損耗是由于光纖本身和光纖中的雜質(zhì)對光的吸收損耗。1、 本征吸收：光纖材料本身對光的吸收（sio2）。( 1)紅外吸收帶（2）紫外吸收帶當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時，物質(zhì)內(nèi)部吸收了一部分光的能量，從而造成光功率的損失。吸收損耗有三個原因，一是本征吸收， 二是雜質(zhì)吸收， 三是原子缺陷吸收。光纖材料的固有吸收叫做本征吸收，它與電子及分子的諧振有關(guān)。對于石英(SiO2)材料，固有吸收區(qū)在紅外區(qū)域和紫外區(qū)域，其中，（1） 紅外吸收機

37、理：由于材料本身的原子之間的化學(xué)鍵形成形成晶格， 當(dāng)光纖中的光的波長與晶格 相鍵長相當(dāng)時，光的能量向晶格傳遞， 引起損耗。吸收帶：1.5um， 向紅外延伸波長 um 損耗 dB/km0.81.01. 21.41. 61.8影響： 對長波光通信影響較大紅外區(qū)的中心波長在 8m12m 范圍內(nèi)， 對光纖通信波段影響不大。對于短波長不引起損耗，對于長波長光纖引起的損耗小于1dB/km。（2）紫外吸收機理：光纖中的光子流將光纖材料中的電子激發(fā)到 高能級， 從而使得光子的能量發(fā)生轉(zhuǎn)移。吸收帶： 9 95 5% %波波長長 色色散散位位移移光光纖纖（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3）非

38、非零零色色散散位位移移光光纖纖（N NZ ZD DS SF F, ,G G. .6 65 55 5）180D DW WD DM M波波長長范范圍圍正常色散區(qū)正常色散區(qū)反常色散區(qū)反常色散區(qū) in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km : Dispersion = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 ps At 1 Gbps a pulse is 1 ns long. So the system would not wor

39、k. (20% is a good guideline for the acceptable limit.) But it would probably work quite well at a data rate of 155 Mbps (a pulse length of 6.5 ns). A narrow spectral width laser might produce only one line with a linewidth of 300 MHz. Modulating it at 1 Gbps will add 2 GHz. 2,300 MHz is just less th

40、an .02 nm (at 1500 nm). So now: Dispersion = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = 3.4 ps In this case, dispersion just ceased to be a problem. 控制光源線寬 色散位移光纖 色散補償光纖 中途譜反轉(zhuǎn) 啁啾光纖光柵 Simple FP laser: over 5 nm; External cavity DBR laser: .01 nm Modulation adds to the bandwidth of the signal, by twice the highest fre

41、quency present in the modulating signal (1 Gbps, .04 nm)! Using more complex signal coding rather than simple OOK. Using WDM(a 2.5 Gbps signal has 1/4 of the problem with dispersion as a 10 Gbps signal). dispersion shifted fibre is designed with a dispersion zero point at around 1550 nm. However, it

42、 is not always possible or indeed desirable： In many cases we cant have DSF because the fibre we must use is already installed. four-wave mixing effectively prohibit the use of DSF.DCF存在的問題存在的問題 高損耗(0.5dB/km) 小截面積(DCF: 20m2 G-652: 80m2 ), 比標(biāo)準(zhǔn)光纖的非線性系數(shù)高 2-4個數(shù)量級 非線性閾值低3-6dB 較大的色散斜率(DCF:-15 -20 ps/nm2/km;G-65