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当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 现代光纤通信技术2-光纤
1第二章光纤2光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散,当信号强度较高时还存在非线性。?在实际系统中,光信号到底如何传输?其传输特性、传输能力究竟如何?——本章讨论的要点。第二章光纤3§2.1光纤概述§2.2光纤传输原理§2.3光纤的传输特性§2.4几种常用于光纤通信系统的光纤本章内容4光纤的构造纤芯:高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等,2a:9~50μm包层:高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3,2b:125μm涂覆层:环氧树脂、硅橡胶和尼龙纤芯和包层都用石英作为基本材料,折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P折射率包层掺入B折射率§2.1光纤概述5§2.1光纤概述根据芯区折射率径向分布的不同,可分为:不同的折射率分布,传输特性完全不同6三种主要类型光纤的比较7光纤的分类工作波长:紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤(0.85μm、1.3μm和1.55μm)等折射率:阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型(如三角型、W型、凹陷型)等。传输模式:单模(SM)光纤(偏振保持光纤、非偏振保持光纤)和多模(MM)光纤两种。原材料:石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料(如塑料包层、液体纤芯等)、红外材料,晶体光纤等。按被覆材料还可分为无机材料(碳等)、金属材料(铜、镍等)和塑料等。制造方法:有外汽相沉积法(OVD)、汽相轴向沉积法(VAD)、改进汽相沉积法(MCVD)和等离子体化学汽相沉积工艺(PCVD)等。8光纤光缆的制作用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒(典型预制棒长1m,直径2cm)使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热成缆--光缆预制棒制作技术-改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体化学气相沉积法(PCVD)、棒外气相沉积法(OVD)和轴向气相沉积法(VAD)9制造光纤预制棒的MCVD流程示意图光纤拉丝装置示意图光纤光缆的制作10几何光学方法更简单直观,但用波动理论可以对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析§2.2光纤的传输原理光线理论(几何光学方法)把光看作射线,并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象波动理论(波动光学方法)把光波当作电磁波,把光纤看作光波导,用电磁场分布的模式来解释光在光纤中的传播现象11折射光反射光入射光θ2包层纤芯θ12n1n'1光的反射与折射2n1n折射光入射光θ2=90oθc光的全反射现象121sin(/)cnn2211sinsinnn光线理论12光在阶跃光纤中的传播轨迹0111sinsincosannn1c21sin/cnn22210sinnnna22222120121121sin222annNAnnnnnn光学参数222121()/2nnn数值孔径折射率差光线理论单模光纤中光线传播路径13NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或θa)越大,表示光纤接收光的能力越强,光源与光纤之间的耦合效率越高。NA越大,纤芯对入射光能量的束缚越强,光纤抗弯曲特性越好。NA太大时,则进入光纤中的光线越多,将会产生更大的模色散,因而限制了信息传输容量,所以必须适当选择NA。单模光纤的NA在0.12附近,多模光纤的NA约为0.21。数值孔径14n2n15n14n13n12n11n1光在渐变光纤中传播的定性解释11112132nnnnn将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:光线理论15光在渐变光纤以不同角度入射的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播,且近似成聚焦状()12sinzAZa理论上,光在渐变光纤的传播轨迹:2n1n光线理论16光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传输的物理图像,但由于忽略了光的波动性质,不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤其是对单模光纤,由于芯径尺寸小,光线理论就不能正确处理单模光纤的问题。在光波导理论中,更普遍地采用波动光学的方法,即把光作为电磁波来处理,研究电磁波在光纤中的传输规律,得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及裁止条件。波动理论17(1)(2)(3)(4)磁场强度电场强度磁感应强度电感应强度麦克斯韦(Maxwell‘sEquations)方程组波动理论18考虑无源情况,即ρ=0,J=0。如果介质是均匀的,即可得到平面波导波动方程:(2.8)022EkE采用柱坐标(r,,z),使z轴和光纤轴线一致,即可得到电场z分量Ez的波动方程:2222222211(/)0zzzzzEEEEncErrrrz(2.9)波动理论同理可得到磁场z分量Hz的波动方程26对称平面波导的TE波xzy0HETE波xyzn2n1n2对称平面波导平面波导的TE波是由垂直偏振的平面波再平面边界反射而成yx对称平面波导中几种低阶导模中的电场分布模的阶数等于穿过波导的零值点的个数27Ez=0对应的模叫做横电模(TE模);Hz=0对应的模叫做横磁模(TM模);若Ez和Hz都不为零,则称为混合模。混合模依据横向场中Ez和Hz的分量哪个更强,分为HE模和EH模;光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构,HE-EH模成对出现,且它们的传播常数基本相等,称为简并模;具有相同传播常数的简并模,可用线偏振模(LP模)表示讨论:波动理论28LP模传统模式LP01HE11LP11HE21,TE01,TM01LP21HE31,EH11LP02HE12LP31HE41,EH21LP12HE22,TE02,TM02LP1mHE2m,TE0m,TM0mLPlm(l≠0或1)HEl+1,m,EHl-1,m表2.1低阶LP模的组成属于同一个LP模的模式的横向场强(Ex或Ey)相等波动理论29由(2.9)得到:(,)()cos,()(,)()cos,()zllmzllmErJurlraErKwrlra纤芯包层(2.9)其中:Jl(x):第一类l阶贝塞尔函数;Kl(x):第一类l阶改进的贝塞尔函数;光波在光纤中成为导波的条件是n2kβlmn1k,其中βlm是光波的传播常数。用数值法求解确定βlm,可以得到许多电磁场模式:TElm、TMlm、HElm和EHlm。波动理论30贝塞尔函数图形贝塞尔函数前三个根(不包括零根)2.404833.831715.135625.520087.015598.417248.6537310.1734711.61984贝塞尔函数根J0(u)J1(u)J2(u)波动理论31几个低阶模的归一化传播常数随V的变化22212121nannaV归一化频率V确定传输模式的参数。可由波动方程导出。a为纤芯半径,为光波波长,为折射率差。参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果V2.405,则它只容纳单模——单模光纤。模式:每一个传输常数对应着一种可能的光场分布。一个模式是由它的传播常数唯一确定的。32经计算HE11,归一化截止频率V=0HE21,TE01,TM01,归一化截止频率V=2.405所以要实现SMF,0V2.405通过选材、尺寸可以控制V值。因为工作波长小,而a过小会给耦合连接带来困难,所以一般选用弱导光纤(相对折射率指数差小)SMF的条件33模场直径MFD对单模光纤,2a与处于同一量级,由于衍射效应,模场强度有相当一部分处于包层中,不易精确测出2a的精确值,因而只有结构设计上的意义,在应用中并无实际意义,实际应用中常用模场直径2w,即光斑尺寸表示,近似为:623879216191690V.V..aW2a2w电场强度降到峰值的1/eE0/ee=2.7182834色散损耗光纤非线性效应§2.3光纤的的传输特性35光纤带宽的定义是频率响应H(f)和零频率响应H(0)的比值下降一半(3dB)的频率,即:H(f3dB)/H(f)=1/2其中H(f)=F{Pout(t)}可得:光纤的带宽取决于均方根脉冲宽度187122ln23dBf光纤的带宽36色散的基本概念色散的种类及其产生原因光纤的色散37z=0z=L色散光纤的色散是在光纤中传输的光信号,随传输距离增加,由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响通信距离和容量。色散的大小常用时延差表示,时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。单位:ps/nm.km色散的基本概念38色散类型•模间色散:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速度不同和脉冲展宽(仅多模光纤有)•波导色散:传播常数随频率变化•材料色散:折射率随频率变化•偏振模色散PMD波长色散色散的种类及其产生原因39模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同,使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散,它主要取决于光纤的折射率分布。模式色散40波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光波长下,相位常数(传播常数β)不同,群速度不同而引起的色散。波导色散取决于波导的结构参数和波长。波导色散的影响依赖于光纤设计参数,如纤芯半径和芯-包层折射率差。根据光纤的这种特性,可改变光纤的色散情况,进行色散位移(非零色散位移光纤)。波导色散41材料色散DM是由于光纤的折射率随波长而改变,实际光源不是纯单色光,模内不同波长成分的光,其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。合理设计成将零色散波长移到1550nm的色散移位光纤,使1300nm和1550nm处色散皆为零的色散平坦光纤,或1550nm处具有负色散值的色散补偿光纤材料色散42单模光纤材料色散和波导色散随波长的变化关系零色散波长17ps/nm.km@1550nmD=DM+DW43在理想的单模光纤中,基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度,出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽,从而形成偏振模色散(PMD)。PMD是一个统计量,它对传输有线电视(CATV)的模拟系统和长距离、高速率的数字系统,例如海底光缆系统的影响是不可忽视的。当数据传输速率小于10Gbit/s时,基本上不必考虑它的影响。偏振模色散44在多模光纤中模式色散是主要的,材料色散相对较小,波导色散一般可以忽略。单模光纤波导色散的作用不能忽略,它与材料色散有同样的数量级。波导色散的影响依赖于光纤设计参数,如纤心半径a,芯-包层折射率差。由此可改变光纤的色散系数。G.652G.653G.655色散的种类及其产生原因45•损耗定义:光纤的损耗特性光纤损耗是通信距离的固有限制,在很大程度上决定着传输系统的中继距离,损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。若Pin是入纤的功率,则出纤功率Pout为:)exp(LPPinout这里代表光纤损耗,L是光纤长度,习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示:inoutPPLkmdB10log10)/(46示例对于理想的光纤,不会有任何的损耗,对应的损耗系数为0dB/km,但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km,这表示传输1km后信号光功率将损失50%,2km后损失达75%(损失了6dB)。之所以可以这样进行运算,是因为用分贝表示的损耗具有可加性。47第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰光纤损耗谱特性损耗主要机理:材料吸收、瑞利散射和辐射损耗
本文标题:现代光纤通信技术2-光纤
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