光纤通信第2章_光纤和光缆200602

2020/1/211光纤传输的原理光纤的色散和损耗光纤的测量技术光纤和光缆的制造与结构第二章、光纤和光缆2020/1/2121光纤的结构与几何光学分析1.1光纤的分类和结构分类：折射率分类：阶跃型光纤（SI）；渐变型光纤（GI）模式分类：多模光纤（MM）；单模光纤（SM）材料分类：石英；塑料；液体波长分类：短波长和长波长（0.85，1.31or1.55m）特种光纤：EDF掺铒光纤；DCF色散补偿光纤；保偏光纤重要组合（MM-GI）多模渐变和（SM-SI）单模阶跃结构：如图1，典型尺寸多模渐变（MM-GI）50/125or62.5/125m单模阶跃（SM-SI）9-10/125m2020/1/213图1、光纤的结构12[1(/)]()nraranrnra＝无穷大，阶跃折射率光纤＝2，抛物线分布折射率光纤2020/1/2141.2光纤传输的几何光学解释光波动性粒子性波粒二相性几何光学电磁场理论波动光学光线光学图2、阶跃光纤的光线传输2020/1/2151.2.1阶跃型光纤•根据几何光学折射定理：n0Sini=n1Sinr=n1Cos全反射定理：Sinc=n2/n1，c光线全反射n0Sinc=n1Cosc=(n12-n21)1/2ic光线全反射•相对折射率差：=(n1-n2)/n1•光纤数值孔径：N.A=n0Sinc=n1(2)1/2•光纤的距离带宽乘积：BLc/(n1)其中c为光速•主要特点：结构简单，容易制造传输带宽小，容量低传输损耗大2020/1/2161.2.2渐变型光纤图3、渐变型光纤的光线传输•n(r)折射率分布如图•存在最佳折射率分布，=2(1-),约为=2•光纤的距离带宽乘积：BL8c/(n12)其中c为光速•主要特点：工艺较难传输带宽大，容量大传输损耗较低2020/1/2172.2模式理论2.2.1Maxwell方程/tEB/tHD0D0B对于无空间电荷的非铁磁性介质，且各向同性，其麦克斯韦方程组为：0DEP0BHM0、0分别为真空中的介电常数和磁导率P、M为感应电极化强度和感应磁极化强度，对于光纤玻璃材料不具磁性，M＝0，在只考虑P与E的线性关系时有通常可以忽略不计2220()0EnkE光波传播行为的波动方程0/2/kc2020/1/218利用光纤的圆柱对称性，采用圆柱坐标r、、z222202222110zzzzzEEEEnkErrrrz12,,nrannraE和H的六个分量中只有两个分量是独立的，最合适的方法是选取Ez和Hz作为独立分量，而Er、E、Hr、H都可以由Ez和Hz表示出来。(,,)()()()zErzRrZz222/0dZdzz222/0ddm222220221()0dRdRmnkRdrrdrrZ＝exp(iz)形式的解，为一个重要的物理概念—传播常数＝exp(im)，但由于场随必须以2为变化周期，所以m被限定为整数著名的贝塞尔方程2.2.2波动方程求解2020/1/219解贝塞尔方程()'(),()()'(),mmmmAJrAYrraRrBKrBIrra这里A、A、B、B为常数，Jm、Ym、Km和Im为不同类型的贝塞尔函数，、的定义为：222210nk222220nk考虑到导模在r＝0时为有限值，在r＝时为零的边界条件，则对R(r)要求A＝0，B＝0，这样，方程的通解就成为：()exp()exp(),()exp()exp(),mzmAJrimizraEBKrimizra同样，可以得到Hz的表达式为()exp()exp(),()exp()exp(),mzmCJrimizraHDrimizra2020/1/211002220zzrEHiEknrr02220zzEHiEknrr202220zzrHEiHnknrr202220zzHEiHnknrr其它四个分量，可由麦克斯韦方程表示为Ez，Hz的函数讨论：1、，强度为零2、导模截止，能量辐射除去3、为实数，否则为衰减场，结论：200nkr200nk2010nknk10nk2020/1/21112.2.3本征值方程和模式模式：EHmn和HEmn，传播常数：mn，简并模:LPmn以上方程以四个常数A、B、C、D表示出了光纤的纤芯包层两个区域的电磁场分布情况，这些常数必须满足E、H在纤芯和包层的分界面上切向分量连续的边界条件，由此可得出A、B、C、D必须满足的四个齐次方程，这些方程只有当系数矩阵的行列式为零时才有平凡解，这样可导出决定传播常数的一个方程2222222110'()'()'()'()11()()()()mmmmmmmmJaKaJaKanmJaKaJanKanak2021212nknnbnnnn221/20121()(2/)2Vkannan归一化频率：归一化传播常数：模折射率（或有效折射率）n2020/1/2112•对于一组给定的参数k0、a、n1和n2，可以对本征方程进行数值求解以确定传播常数。•一般说来，它对每一个整数值m具有多解，可以用mn来表示（n＝1,2,……）。•每一个mn对应于光场的一种可能的空间分布，可由上述公式来表示，称为光纤中的一个模式。•在一般情况下，Ez、Hz都不为零（m＝0除外），可以根据Hz大于或小于Ez而用HEmn或EHmn来表示光纤的模式•当m＝0时也用TEon和TMon来表示HEon和EHon，因为此时的模式分别相当于横电场（Ez＝0）和横磁场（Hz＝0）传播模式。•在弱导光纤中，Ez和Hz都近似为零，所以也用LPmn（线性极化模）来表示模式。2020/1/2113图4、归一化传输常数b、归一化频率V及模式折射率与模式的关系2020/1/2114V模式简并模式0~2.4048HE11LP01~3.8327TE01,TM01,HE21LP11~5.1356EH11,HE31,HE12LP21,LP02~5.5201EH21,HE41LP31~6.3802TE02,TM02,HE22LP12~7.0156EH31,HE51LP41表1、光纤中的模式2020/1/2115图5、模式的分布和光强分布2020/1/21162.2.4单模光纤一、单模条件和截止波长二、光强分布和模场直径三、线偏振模和单模光纤的双折射2020/1/2117图6、模式分布的仿真图图8、归一化模场直径与V的关系以及实际分布与高斯分布的比较图7、线偏振光的传输演变2020/1/21182.3.1色散的定义和组成色散：其一，光纤中不同模式由于传输速度不同造成的时延不等，引起光脉冲展宽，称为模间色散；其二，同一模式由于光源的线宽，不同波长的传输速率不同将导致光脉冲展宽，称为模内色散，它由两部分组成波导色散和材料色散。2.3.2多模光纤的带宽2.3.3单模光纤的色散2.3.4色散位移和非零色散光纤2.3.5高阶色散和偏振模色散2.3.6色散的图解2.3光纤的带宽和色散2020/1/2119图9、单模光纤的色散，及波导色散和材料色散2020/1/2120图10、色散位移和非零色散光纤图11、偏振模色散2020/1/2121图11、图解光纤的色散2020/1/21222.4光纤的损耗2.4.1光纤损耗的定义2.4.2光纤损耗的构成•材料吸收损耗本征吸收；分子、电子共振吸收杂质吸收；过渡金属杂质吸收，氢氧根吸收•瑞利散色损耗定义：纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射•波导缺陷损耗弯曲损耗2020/1/2123图12、光纤的损耗2020/1/21242.5光纤中的非线性效应基本原理：非线性光学光纤中的非线性光学2.5.1非线性折射率，自相位调制和交叉相位调制n()；SPM；XPM2.5.2受激拉曼散射和布里渊散射2.5.3四波混频2020/1/21252.6光纤光缆的设计与制造2.6.1光纤的制造一、光纤的设计二、光纤的生产（预制棒生产和拉丝）2.6.2光缆的制造一、光缆的分类二、典型光缆2.6.3光纤光缆的物理性能一、光纤的物理性能机械性能；温度性能；寿命等二、光缆的物理性能机械性能；温度性能；寿命等2020/1/2126图13、MCVD法光纤预制棒的生产2020/1/2127图14、光纤的拉丝塔示意图2020/1/2128图15、光缆的示意图(a)层绞式(b)骨架式(c)带状光纤(d)带状光缆(e)中心束管式光缆2020/1/21292.7光纤的测量2.7.1光纤损耗的测量剪断法；插入法；光时域后向散射法（OTDR）2.7.2光纤带宽的测量脉冲展宽法；扫频法2.7.3光纤色散的测量相移法；相干法；时延法；2.7.4单模光纤截止波长和模场直径测量2.7.5多模光纤数值孔径测量2.7.6折射率分布测量折射近场法；近场法；端面反射法；干涉法2.7.7光纤几何参数的测量2.7.8小结2020/1/2130图16、剪断法测量光纤损耗图17、多波长剪断法测量光纤损耗2020/1/2131图18、测量光纤的注入条件图19、扰模的方法2020/1/2132图20、插入法测量光纤损耗2020/1/2133图21、OTDR法测量光纤2020/1/2134图22、典型OTDR测量曲线光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射；斜率为常数的区间；由于局部缺陷、连接或耦合造成的不连续；波导缺陷引起的反射；光纤尾端产生的菲涅尔反射。2020/1/2135图23、脉冲展宽测量光纤带宽损耗2020/1/2136图24、扫频法测量光纤带宽图25、相移法测量光纤色散2020/1/2137思考题一1.光纤通信研究的主要内容是什么，它以哪些显著的优势在通信领域独占熬头？2.光调制的基本方法是什么？光纤通信一般的调制方案是什么？3.光纤通信系统主要传输哪两类信号？什么是RZ码和NRZ码？4.什么是光纤？光纤的分类?单模及多模光纤的结构特点是什么？5.什么是光纤的色散？分析多模光纤和单模光纤的色散机理。6.为什么色散和损耗是光纤通信的主要限制因素？7.已知多模阶跃型光纤，纤芯折射率为n1=1.5，光纤芯经2a=50m，相对折射率差=0.01，求？A、光纤数值孔径N.A.和收光角？B、归一化频率V和导模总数NS？（=1.3m）C、如模间色散为5ns/km，光纤长为10km，最大传输速率为多少？D、当=0.001时，光纤芯经2a为多大时光纤可单模工作？8描述光纤中的模式，HE11(或LP01)模的特点是什么？9什么是G.652和G.655光纤，它们的特点分别是什么？2020/1/2138思考题一（续）10有一多模光纤，传输的距离带宽乘积（BL）为1000MHzkm，问传输4B5B编码的100M以太数据流，最大可传输多少公里？11有一单模光纤，在1550nm的色散系数为20ps/nmkm，该光纤传输100ps的光脉冲，经过10km后脉冲展宽为多少？（光源线宽为0.1nm）12单模光纤的平均损耗为0.4dB/km，1mw的光功率输入传输100km后输出的光功率为多少？（分别用线形和对数坐标计算，体会后者的好处）13利用光时域后向散射仪OTDR测量光纤，可以获取哪几方面的信息？其中测量的盲区由什么因素决定？在一测量过程中，后向散射脉冲与发射脉冲时延为50s，请确定光纤断点的位置？（n1=1.5）14了解光纤、光缆的生产过程及其特点。15了解光纤测量的主要内容和方法。掌握光纤带宽和损耗的测试原理和方法。掌握单