光纖光纜教學(xué)課件

光纖光纜ppt課件光纖光纜ppt課件光纖光纜ppt課件光纖光纜講義武漢大學(xué)電子信息學(xué)院何對燕00-10-102武漢大學(xué)電子信息學(xué)院一、引言電子和光子的特點(diǎn)：電子具有電荷和質(zhì)量，而光子卻沒有；電子遵循費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，而光子則遵循波色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律；電子僅可通過串行方式處理，而光子則可以通過并行方式處理；運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生電磁場和波，而光子卻不能；電子可以承受電磁干擾，而光子卻不能。電子在自由空間不能自由傳輸且需要導(dǎo)線傳輸，而光子卻可以在波導(dǎo)器件和自由空間傳播00-10-103武漢大學(xué)電子信息學(xué)院光纖光纜講義武漢大學(xué)電子信息學(xué)院何對燕00-10-102武漢大學(xué)電子信息學(xué)院一、引言電子和光子的特點(diǎn)：電子具有電荷和質(zhì)量，而光子卻沒有；電子遵循費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，而光子則遵循波色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律；電子僅可通過串行方式處理，而光子則可以通過并行方式處理；運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生電磁場和波，而光子卻不能；電子可以承受電磁干擾，而光子卻不能。電子在自由空間不能自由傳輸且需要導(dǎo)線傳輸，而光子卻可以在波導(dǎo)器件和自由空間傳播00-10-103武漢大學(xué)電子信息學(xué)院一、引言固態(tài)電子學(xué)，微電子學(xué)信息技術(shù)革命計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制、電子技術(shù)等的關(guān)鍵基礎(chǔ)光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，已滲入到信息技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)方面，如超大容量信息流傳輸；多媒體寬帶綜合服務(wù)的信息交換互連網(wǎng)絡(luò)；高密度信息量存儲(chǔ)；信息的超快實(shí)時(shí)處理；信息的獲取讀出和顯示等00-10-104武漢大學(xué)電子信息學(xué)院二、超大容量信息傳輸領(lǐng)域的光電子技術(shù)以電磁波(或電子)作為信息載體的技術(shù)已走到極限，價(jià)格昂貴的同軸電纜的傳輸容量為500MHz，容量有限，難以達(dá)到Tb/s級超大容量傳輸?shù)男枰獠ǖ谋菊鲙捀哌_(dá)200THz，低損耗石英光纖在1.55um波長處的窗口帶寬也可達(dá)到25THz目前光纖通信系統(tǒng)單通道傳輸容量已達(dá)到40Gb/s00-10-105武漢大學(xué)電子信息學(xué)院二、超大容量信息傳輸領(lǐng)域的光電子技術(shù)要達(dá)到Tb/s級超大容量傳輸?shù)男枰仨殤?yīng)用光電子技術(shù)：高速率響應(yīng)（100GHz)、窄線寬(100KHz)集成化半導(dǎo)體激光器,全光中繼的半導(dǎo)體激光泵浦摻鉺光纖放大器(EDFA)，波導(dǎo)光柵陣列波分復(fù)用與解復(fù)用器等光源：DFB半導(dǎo)體激光器與量子阱EA電光調(diào)制器單片集成器件，最高調(diào)制帶寬：40GHz00-10-106武漢大學(xué)電子信息學(xué)院問題：石英光纖在波長1.55um處的色散率為2ps/nm·KM，而10Gb/s的傳輸碼率相應(yīng)的碼寬為100ps，即使激光器的線寬能做到0.01nm；當(dāng)傳輸100KM距離時(shí)的色散延遲也有2ps問題：存在光纖的非線性效應(yīng)，如四波混頻等突破50Gb/s單信道傳輸容量十分困難二、超大容量信息傳輸領(lǐng)域的光電子技術(shù)00-10-107武漢大學(xué)電子信息學(xué)院二、超大容量信息傳輸領(lǐng)域的光電子技術(shù)光孤子技術(shù)：光纖非線性（16mW）自相位調(diào)制自洽補(bǔ)償1.55um窗口波長光纖的反常色散（10ps）實(shí)現(xiàn)無延遲的光孤子傳輸DFB半導(dǎo)體激光器與量子阱EA電光調(diào)制器單片集成器件可使光孤子的傳輸碼率達(dá)到40Gb/s更高重復(fù)率（100GHz）的光孤子激發(fā)，必須利用鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)，量子阱半導(dǎo)體鎖模激光器是最可實(shí)用化的一類00-10-108武漢大學(xué)電子信息學(xué)院二、超大容量信息傳輸領(lǐng)域的光電子技術(shù)Tb/s級傳輸容量是信息化社會(huì)的標(biāo)志，復(fù)用技術(shù)是關(guān)鍵，主要有時(shí)分復(fù)用（TDM）和波分復(fù)用（WDM）TDM的問題：Tb/s級超大容量的傳輸光脈沖寬度要壓窄到100fs以下WDM技術(shù)提供了重要的擴(kuò)充傳輸容量的途徑，關(guān)鍵有波長穩(wěn)定精確可控的光源，量子阱結(jié)構(gòu)DFB或DBR長波長（1.55um）半導(dǎo)體激光器的集成化要求較高00-10-109武漢大學(xué)電子信息學(xué)院二、超大容量信息傳輸領(lǐng)域的光電子技術(shù)Tb/s級超大容量傳輸技術(shù)：輸運(yùn)能力由時(shí)間和光譜的測不準(zhǔn)原理所限定。測不準(zhǔn)原理(Δｔ×Δν>1/2)限制了同步采用高速ＴＤＭ和高密度ＷＤＭ信號處理。Δｔ和Δｖ分別代表光通信信號的時(shí)間和光譜寬度。ＴＤＭ與ＷＤＭ組合用于相對長的脈沖,不考慮光纖類型或長度,獲得的最大比特率是2.3Ｔｂ/ｓ00-10-1010武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.1光纖的優(yōu)點(diǎn)帶寬極大；直徑小、重量輕；并行光纖之間沒有串?dāng)_；不受感應(yīng)的干擾；低價(jià)傳輸信號的潛力；較大的安全性；較大的保險(xiǎn)性；更長的使用壽命；00-10-1011武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.1光纖的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）對溫度腐蝕性液體及氣體的高耐抗性；更高的可靠性及易維護(hù)性；無信號輻射泄露；系統(tǒng)易于擴(kuò)容；使用常見的天然資源；00-10-1012武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.2光纖的類型光纖的結(jié)構(gòu)00-10-1013武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.2光纖的類型（續(xù)）階躍折射率(SI)光纖：纖芯折射率恒定,芯-包層界面的折射率有階梯性躍變；漸變折射率(GI)光纖：纖芯折射率連續(xù)變化；多模(MM)光纖：多種模式傳輸，包層直徑125μm，芯徑50～100μm；單模(SM)光纖：一種模式傳輸，包層直徑125μm，芯徑8μm；00-10-1014武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.2光纖的類型（續(xù)）00-10-1015武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.2光纖的類型（續(xù)）光纖的歸一化頻率(V)：00-10-1016武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.3光傳播理論光線理論：00-10-1017武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.3光傳播理論（續(xù)）00-10-1018武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.3光傳播理論（續(xù)）子午光線的數(shù)值孔徑(NA)：NA表征光纖采集或接收光的能力，其典型值為0.1～0.2，對應(yīng)的接收角為5.7o～11.5o，00-10-1019武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.4模式理論對稱平板波導(dǎo)中幾種低階導(dǎo)模的電場分布：00-10-1020武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.4模式理論（續(xù)）用柱坐標(biāo)系分析光纖中電磁波的傳播：00-10-1021武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.4模式理論（續(xù)）低階LP模的組成：00-10-1022武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.4模式理論（續(xù)）00-10-1023武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.5光纖衰減吸收損耗：傳輸光與光纖材料相互作用，導(dǎo)致光子躍遷，這些光子躍遷到其他波長或以機(jī)械振動(dòng)（熱）的形式釋放或吸收能量，傳輸光會(huì)損失能量。主要的吸收：過度金屬雜質(zhì)(Fe++，Cr++，Co++，Cu++等)引起可見光及近紅外光吸收。OH根離子在1.4um，0.95um，0.725um波長處的光吸收。00-10-1024武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.5光纖衰減（續(xù)）散射損耗：00-10-1025武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.5光纖衰減（續(xù)）輻射損耗：00-10-1026武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散色散：由于傳輸時(shí)間的延遲導(dǎo)致脈沖展寬帶來的信號失真，被展寬的脈沖與其他相鄰脈沖發(fā)生重疊，使得信號無法分辨。(ISI)色散種類：模間色散、材料色散、波導(dǎo)色散、偏振色散。群時(shí)延差：不同速度的信號傳過同樣的距離所需的時(shí)延不同。00-10-1027武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）模間色散：信號中不同模式成分傳輸速度不同。材料色散：光纖材料折射率是光頻（波長）的函數(shù)，信號中不同頻率成分傳輸速度不同。波導(dǎo)色散：模式的傳播常數(shù)β是光頻（波長）的函數(shù)，信號中相同模式不同傳播常數(shù)β的成分傳輸速度不同。00-10-1028武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）00-10-1029武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）00-10-1030武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）00-10-1031武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）00-10-1032武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）材料色散：

00-10-1033武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.6光纖色散（續(xù)）波導(dǎo)色散：00-10-1034武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(G.652)：零色散波長在1.3μm窗口的單模光纖,系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制,在1.3μm波段的損耗較大，約為0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的損耗較小，約為0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段為3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的損耗較大，約為20ps/nm·km。這種光纖可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干線系統(tǒng)，但由于在該波段的色散較大，若傳輸10Gb/s的信號，傳輸距離超過50公里時(shí)，就要求使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊。

00-10-1035武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）色散位移光纖(DSFG.653)：00-10-1036武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）00-10-1037武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）衰減最小光纖

(G.654)：為了滿足海底纜長距離通信的需求，人們開發(fā)了一種應(yīng)用于1.55μm波長的純石英芯單模光纖，它在該波長附近上的衰減最小，僅為0.185dB/km。G.654光纖在1.3μm波長區(qū)域的色散為零，但在1.55μm波長區(qū)域色散較大，約為（17～20）ps/（nm·km）00-10-1038武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）非零色散光纖

(G.655)：實(shí)質(zhì)上是一種改進(jìn)的色散位移光纖，其零色散波長不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm處。非零色散光纖削減了色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散移位光纖都只能克服這兩種缺陷中的一種，所以非零色散光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好的傳輸特性00-10-1039武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）色散平坦光纖(DFF全波光纖

)：00-10-1040武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）00-10-1041武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）色散補(bǔ)償光纖(DCF)：光纖色散系數(shù)D為負(fù)數(shù)，纖芯攙雜比例比普通光纖高，因此光纖衰減系數(shù)增大。定義FOM為光纖色散系數(shù)與衰減系數(shù)之比00-10-1042武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.7光纖的設(shè)計(jì)與選擇（續(xù)）保偏光纖：光纖偏振狀態(tài)不變。00-10-1043武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造00-10-1044武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）光纖預(yù)制棒：00-10-1045武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法（MCVD）：00-10-1046武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）包層化學(xué)方程式：SiCL4+O2高溫氧化SiO2+2Cl22CF2Cl2+SiCL4+2O2高溫氧化SiF4+2Cl2+2CO2芯層玻璃化學(xué)方程式（GeCl4）：SiCL4+O2高溫氧化SiO2+2Cl2GeCL4+O2高溫氧化GeO2+2Cl200-10-1047武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）00-10-1048武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）管外汽相軸向沉積法（VAD）：00-10-1049武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）棒外汽相沉積法（OVPO）：00-10-1050武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）溶膠-凝膠法（Sol-Gel）：00-10-1051武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）拉絲裝置：00-10-1052武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）雙坩堝拉絲裝置：00-10-1053武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）光纖涂覆裝置：00-10-1054武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）光纖套塑裝置：00-10-1055武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.8光纖的制造（續(xù)）00-10-1056武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)00-10-1057武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1058武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1059武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1060武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1061武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1062武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1063武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1064武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-1065武漢大學(xué)電子信息學(xué)院§.9光纜的結(jié)構(gòu)（續(xù)）00-10-10