光纤通信(第二版)刘增基编-复习

光纤通信的优点1.容许频带很宽，传输容量很大2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小3.重量轻、4.5.泄漏小，光纤通信的缺点抗拉强度低，容易折断(比如经常被挖断)光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)光纤怕弯曲(导致损耗增加)6.节约金属材料，有利于资源合理使用光纤通信系统的基本组成光纤通信系统可以传输数字、模拟信号。以数字电话和模拟电视为例。图1.4光纤通信系统的基本组成(单向传输)信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出数字通信系统的优点：①抗干扰能力强，传输质量好。②可以用再生中继，传输距离长。③适用各种业务的传输，灵活性大。④容易实现高强度的保密通信。便于加密⑤易于集成，实现小型化，可降低成本。数字通信系统的缺点：占用频带较宽，系统的频带利用率不高。但是光纤通信的频带很宽，足够克服数字通信的缺点。1数字通信系统2模拟通信系统占用带宽较窄，电路简单、价格便宜。2.12.1.1光纤结构n1n2，相对折射率差Δ=(n1-n2)/n1，Δ～0.3%~0.6%单模光纤；1%~2%多模光纤。纤芯高纯度SiO2，有极少量的掺杂(如GeO2，P2O5)，用来提高纤芯对光的折射率n1，以传输光信号。包层：掺杂的高纯度SiO2。掺杂剂(如B2O3)用来适当降低n2。涂覆层：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。光纤种类很多，作为通信用的由高纯石英光纤主要有三种。2.1.2光纤类型•突变型多模光纤(SIF),图2.2(a)，折射率由纤芯的n1突变到包层的n2。2a=50~80m，光线以折线形状传播，特点是信号畸变大。•渐变型多模光纤(GIF),图2.2(b)，折射率由纤芯中心n1逐渐减小到包层的n2。2a=50m，光线以正弦形状传播，特点是信号畸变小。•单模光纤(SMF),图2.2(c)，折射率突变，2a=8~10m，光线直线传播。只能传输一个模式(两个偏振态简并),信号畸变很小。多模光纤的纤芯直径比单模光纤大很多，可以容纳数百个模式。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125m。图2.2(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)多模光纤：允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。图2.3(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯2a2an1n2n3(a)(b)(b)′其他光纤•双包层光纤(W型光纤),可以得到在1.3~1.6m之间色散平坦光纤(DFF)，或把零色散波长移到1.55m的色散移位光纤(DSF)。•三角芯光纤,适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用•椭圆芯光纤,使传输光保持其偏振状态，又称为双折射光纤或偏振保持光纤。存在θc对应ψc•θθc，全反射n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)•θ=θc，光线沿交界面向前传播。•θθc，光线在界面折射,随着传播迅速衰减。只有θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc1空气n02.2.11.全反射临界角ψc=sin-1(n2/n1)，只有θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播NA的影响NA大，接收光的能力强，耦合效率高，光纤抗弯曲性能高。但NA大，传输产生的信号畸也变大，限制了传输容量。221212NAnnn设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2°(Δ=(n1-n2)/n1)(2.3)数值孔径(numericalaperture,NA)NA=n0sinθc2.2)时间延迟——光线在光纤中的传播时间问题211111sec(1)2nlnLnLccc最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为(2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，得脉冲展宽Δ=44ns。入射角θ的光线传输长度为L(ox),经历的路程为l(oy)，传播时间或时间延迟为2.渐变型多模光纤n1为纤芯中心折射率，Δ=(n1-n2)/n1，g:折射率分布指数。1211[12()][1()]ggrrnnaan1[1-Δ]=n2r≥a0≤r≤an(r)=•g→∞，(r/a)→0，突变型多模光纤•g=2，抛物线折射率分布，脉冲展宽最小。(2.6)n与r有关，各点的NA不同222)()(nrnrNA22max12NAnn自聚焦效应当光线从中轴线(z=0,ri=0)入射，得00(0)sin()*cos()AnrAzAz(2.14a)(2.14b)渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，其幅度取决于入射角0，其周期Λ=2/A=2a/，与入射角0无关。即不同入射角的光线，虽然传输路径不同，但是都会聚在轴上某点上，这种现象称为自聚焦效应。2sin()cos()iiArAzAz在光纤内部(2.14*)周期Λ的数量级：a~20m,~0.01,Λ=1.111mm多模光纤信号畸变小的定性解释渐变型多模光纤中各光线的时间延迟近似相等。入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，入射角小的光线情况正好相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的光程差别小，时间延迟近似相等。222222212(/)knwbVnn•归一化传输常数(2.28)取值范围为n2k≤≤n1k，等效于0≤b≤1，•归一化频率22122aVnn2.特征方程和传输模式2.2.2光纤传输的波动理论结论(物理含义、常数)每条曲线表示一个传输模式的随V的变化，所以方程(2.26)又称为色散方程。色散曲线含义：电磁波分类所谓模式是指电磁场的不同分布形式，按照是否为横波可分为以下3类：1.横电模(TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z2.横磁模(TM)：z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z3.混合模(HEorEH)：z方向上的电场和磁场都不为0HE(EzHz)相反EH(EzHz)3.多模渐变型光纤的模式特性传输常数普遍公式2121]))((21[ggMmknM是模式总数，m(β)是传输常数大于β的模式数。22221()()222ggVMakngg2221221(2)2()()ggknknmM突变型光纤,g→∞,M=V2/2；平方律光纤，g=2，M=V2/4。(2.32b)(2.32a)(2.31)单模条件和截止波长单模光纤的模式特性对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长c，当c时，是多模传输，当c时，是单模传输。2.405cVV和c的关系从图2.8可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输221222.405aVnn光场分布和模场半径200()exp[()]rErEww0称为模场半径(MFD)：光功率为e-1E20时的光场半径宽度(E20为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。单模光纤的基模HE11的电磁场(振幅)2.3.1光纤色散1.色散、色散在光纤中传输时，不同成分的光的时间延迟不同。例如单模光纤约80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播,其有效折射率介于n1,n2之间,具体值与功率比有关。模式色散不同模式的时间延迟不同，它取决于光纤的折射率分布，以及材料的色散。材料色散光纤折射率随波长而改变，导致延迟不同。波导色散波导结构参数与波长有关，不同波长延迟不同。偏振模色散不同偏振态不同传输速度色散的影响及表示方法。•模拟调制信号:色散限制带宽；～3dB光带宽f3dB•数字脉冲信号:色散产生脉冲展宽。～脉冲展宽Δ。——脉冲展宽Δ=(Δ2n+Δ2m+Δ2w)1/2下标nmw指模式色散、3dB带宽一般|H(f)|随频率的增加而下降，光纤起了低通滤波器的作用。定义3dB光带宽f3dB，|H(f3dB)/H(0)|=1/2(2.44a)或等效的T(f)=10lg|H(f3dB)/H(0)|=-3(2.44b)3dB光带宽为32ln21187()2dBMHZf用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)Δ==2.355，代入式(2.47a)得到22ln23440()dBMHZf和Δ是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为ns。输入脉冲一般不是δ函数。设输入和输出脉冲都为高斯函数，其rms脉冲宽度分别为1和2，频率响应分别为H1(f)和H2(f)，根据傅里叶变换特性得到(2.48)由此得到，信号通过光纤后产生的脉冲展宽=或Δ=，Δ1和Δ2分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHM。光纤3dB光带宽f3dB和脉冲展宽Δ、的定义示于图2.11。2122212221()()()HfHfHf图2.11光纤带宽和脉冲展宽的定义1/21/e输入脉冲光纤1tPi(t)≈(t)H1(f)＝1ff3dB0－310lgH(f)/dBPo(t)＝h(t)H2(f)＝H(f)t2输出脉冲吸收损耗由光纤材料引起的固有吸收和杂质、缺陷吸收产生。电子跃迁～紫外(UV)区(0.4m)，分子振动～红外(IR)区(7m)损耗的机理散射损耗由材料密度不均引起的瑞利散射和结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。该损耗与波长无关。光纤损耗此外还有弯曲损耗图2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤波长/m损耗/(dB·km－1)0.802468100.61.01.21.41.6800损耗/(dB·km－1)波长/nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB/km(a)(b)1.8一般地，损耗与波长的关系为=A/4+B+CW()+IR()+UV()(2.61b)2.实用光纤的损耗谱A为瑞利散射系数,B为结构缺陷散射产生的损耗，CW()、IR()和UV()分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。由图2.16看到：•从(SIF),(GIF)到(SMF)光纤，损耗依次减小。•在0.8~1.55m波段内,除吸收峰外,损耗随波长增加迅速减小。•在1.39mOH-吸收峰两侧1.31m和1.55m存在两个损耗极小的波长“窗口”。另一方面,从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。石英单模光纤的零色散波长在1.31m，还可以把零色散波长从1.31m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的传输。正因为如此，光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85m)“窗口”发展到长波(1.31m和1.55m)“