光纤通信与系统设计-第3章-课堂记录版

P.0继续教育学院光纤通信与系统设计推荐使用教材《光纤通信(第三版)》GerdKeiser著，李玉权译，电子工业出版社《光纤通信(第五版)》（美）JosephC.Palais著，王江平等译，电子工业出版社P.1继续教育学院课程内容1.概论2.光纤的结构和导波原理和制造3.光纤中的信号损伤4.光源5.光功率发射和耦合6.光检测器7.光接收机8.数字光纤通信系统9.模拟光纤通信系统10.WDM概念和器件11.光放大器12.光纤通信网络13.光纤通信测量P.2继续教育学院复习：第二章：光纤结构、波导原理和制造P.3继续教育学院回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容P.4继续教育学院复习：第二章的几个考点介绍P.5继续教育学院光速c=3108m/s波长：=c/v当光在媒介中传播时，速度cn=c/n常见物质的折射率：空气1.00027；水1.33；玻璃(SiO2)1.47；钻石2.42；硅3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同基本的光学定律和定义P.6继续教育学院n1sinfc=n2sin90°[fc=sin-1(n2/n1),n1n2]光的全反射例:n玻璃=1.50n空气=1.00fc≥42°→全反射fc光密媒质光疏媒质P.7继续教育学院按传输的模式数目分•单模光纤•多模光纤按折射率的变化分•阶跃光纤•梯度光纤ITU-T官方定义•G.651光纤(渐变型多模光纤)•G.652光纤(常规单模光纤)•G.653光纤(色散位移光纤)•G.654光纤(衰减最小光纤)•G.655光纤(非零色散位移光纤)光纤的分类P.8继续教育学院NAannaV222/12221归一化频率(重要参数)最低阶模V值由芯径尺寸a，入射波长，波导折射率分布共同决定。V是判断光波导可支持的模式总数的标准。当V≤2.405时，光纤只支持一个模式，即单模。给定和NA，减小V的途径是减小光纤半径a。故单模光纤半径比多模光纤小P.9继续教育学院222122/122212VnnaM多模光纤的模式总数当V2.405时，光纤可支持多个模式。若用M表示多模光纤的模式总数，当M比较大的时候，M与V之间存在近似关系：P.10继续教育学院MPPclad34功率分布如前所示，导波模的部分能量会进入包层：(1)光纤的V值接近某个模式的截止值时，这个模式大部分功率进入包层；(2)若大量模式存在，包层中的光功率所占比例近似为：最低阶模：包层20%；纤芯80%P.11继续教育学院模场直径(MFD)：光功率为e-1E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。模场直径62/321020230879.2619.165.02222VVadrrrEdrrErW习题2.242020/expWrErE电场分布一般为高斯分布：P.12继续教育学院偏振态根据电场矢量在xy平面上的运动轨迹，光可分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光OyxzeeP.13继续教育学院光纤拍长当两个简并模相位差为2整数倍时，则光的偏振态与入射点相同，此时称该点处出现“拍”，两个拍之间的间隔称为拍长：LB=2/b。单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光。d=0d/2d=/2d/2d=2P.14继续教育学院第三章光纤中的信号损伤P.15继续教育学院主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化P.16继续教育学院3.1光纤的损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：1.吸收损耗2.散射损耗3.弯曲损耗损耗P.17继续教育学院吸收损耗原子缺陷吸收：光纤材料原子结构的不完整造成非本征吸收：过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗本征吸收：材料本身(如SiO2)的特性决定，即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收P.18继续教育学院本征吸收(1)紫外吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围晶格(2)红外吸收光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗P.19继续教育学院本征吸收曲线P.20继续教育学院非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH－吸收峰~2dB解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)P.21继续教育学院原子缺陷吸收1rad(Si)=0.01J/kg光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造→材料受到热激励→结构不完善强粒子辐射→材料共价键断裂→原子缺陷吸收光能，引起损耗P.22继续教育学院散射损耗光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象1.瑞利散射2.波导散射P.23继续教育学院瑞利散射波导在小于光波长尺度上的不均匀：-分子密度分布不均匀-掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值P.24继续教育学院波导散射导致的原因是波导缺陷-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射P.25继续教育学院标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/kmAllWavefiberAllWave：逼近本征损耗单模：本征损耗+OH¯吸收损耗常温且未暴露在强辐射下P.26继续教育学院商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：-多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径(本征散射大)-纤芯-包层边界的微扰易使多模光纤中的高阶模式产生损耗多模光纤单模光纤P.27继续教育学院弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场cRCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加P.28继续教育学院弯曲损耗与模场直径的关系P包层1P包层2Loss模场直径小Loss模场直径大Loss低阶模Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环P.29继续教育学院微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生微弯损耗P.30继续教育学院宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯损耗基本损耗NAannaV222/12221增加，V减少，W0越大62/30879.2619.165.022VVaW长波长处附加损耗显著P.31继续教育学院宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减P.32继续教育学院新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮助Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装日本NTT也完成了这种光纤的研制P.33继续教育学院柔性光纤的优点对光的约束增强任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强P.34继续教育学院光纤损耗的度量LinoutePP光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。dB/kmlog10outinPPLP.35继续教育学院损耗的补偿办法：放大电放大光电光2.5×0.6×0.6m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05×0.3×0.2m3掺铒光纤放大器P.36继续教育学院主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化P.37继续教育学院3.2色散引起的信号失真光信号包含不同的频率、模式、偏振分量f光源输出有一定谱宽：100KHz~10MHz信号具有不同的频谱分量P.38继续教育学院色散的定义分类：1.模内色散-材料色散-波导色散2.模间色散3.偏振模色散色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难P.39继续教育学院123123模内色散：材料色散光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同P.40继续教育学院单模光纤中传播模80%能量在纤芯20%能量在包层模内色散：波导色散信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度P.41继续教育学院模内色散-群速度色散(GVD)bddLvLTg群速率的定义：信号在传输了距离L后，频率分量经历的延时为：对于一个谱宽为D的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：bbDDDDD222LddLvLddddTTgGVD参数1bbddddvgP.42继续教育学院群速度色散(波长域表示)DD222ccbbDDDDDLcLLT2222根据和之间的关系：代入DT中，那么可以得到：其中D()称为色散系数：ps/(km·nm)标准单模光纤在1550nm处色散系数为~17ps/km·nm222)(bcDP.43继续教育学院正色散、负色散和零色散222)(bcD1.色散系数D为正：负色散b20v高频光v低频光2.色散系数D为负：正色散b20v高频光v低频光3.色散系数D为零：零色散P.44继续教育学院材料色散bbddnncLcLvLTng2)(22)(22mmDLdndcLddTTDDDD光纤的折射率是波长的函数n()，不同的波长的传播函数b不同：可以得到传播了L后由D所带来的群延时差为：Dm为材料色散系数。减小材料色散：选择谱宽窄的光源22)(dndcDmP.45继续教育学院波导色散)1(2DbknbDdVVbdnncLdkdcTw)(122b假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于：可以得到传播了L后波长所经历的群延时为：其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：DDDDD222)()(dVVbdVcnLDLddTTD222)()(dVVbdVcnDw其中P.46继续教育学院标准单模光纤总的模内色散1320wmDDD-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm||Dw|-波导色散系数通常为负值总色散系数D≈Dm+DwP.47继续教育学院模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源LDTBDD4/14/1SMFD比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在1550nm的系统，光源谱宽为15nm，使用标准单模光纤D=17ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：BL1Gb/s·kmkmGb/s4/1SMFDDLB带宽距离积：P.48继续教育学院P.49继续教育学院模内色散对传输带宽的影响结论：1)光源线宽越宽色散越严重2)零色散光纤对提高系统性能作用明显高速光链路(40Gb/s)中色散是首要考虑的