ch4-光纤的基本结构、色散与非线性----传输线的原理与性能

第四章光纤的基本结构、色散与非线性(传输线的原理与性能)几句话•不管是数据信号、还是模拟信号，上变频到光频后就成为光信号。•光信号的信道：波导；空气等。•光纤是一种波导，为光信号提供长距离的、优质信道。•对光纤信道的认识是与时俱进的：•70年代中前期，32Mbps，工作波段0.85um，多模光纤；•70年度中后期，144Mbps，工作波段1.3um，单模光纤；•80年代末、90年代初：2.5Gbps，工作波段1.55um，单模光纤；•90年代—本世纪初，10Gbps，2.5Gbps，工作波段1.55um，单模光纤；•本世纪初-今，经历10Gbps（大规模应用）,40Gbps(小规模应用)，到100Gbps（试用），工作波段1.55um，单模光纤；•目前研究的热点：1~200Tbps传输@工作波段1.55um，单模光纤；Pbps传输@工作波段1.55um，新型光纤；•光纤信道到底具有哪些特性，它们是如何限制传输容量的？主要内容•光纤的基本结构•单模光纤的基本特性•传输特性•单模特性•损耗•色散•非线性光纤的基本结构与特性•光纤的基本结构•单模光纤的基本特性•传输特性•单模特性•损耗•色散•非线性光纤的基本结构光纤的基本原理简单明了：在变折射率场合下，光波具有在高折射率材料中传输的趋势。光纤的基本结构简单：圆柱体、两层结构；折射率高的，芯层；折射率低的，包层。阶跃型光纤渐变型/梯度型光纤芯径(mm)光纤的种类9~10单模光纤50多模光纤62.5多模光纤芯径(mm)光纤的种类100（芯）/140（包）多模光纤光纤的基本结构：阶跃型多模光纤的特点几何光学的角度：不同入射角度的光进入光纤后，以不同的反射角在光纤中折射传输。这是一种多模传输的形式。若从光源发射的光经空气以后耦合到光纤中，那么满足光纤中全内反射条件的光的最大入射角θmax满足：Sinθmax=n1Sin(90o-qc)=2221nn定义光纤的数值孔径为：NA=2221nn物理意义：数值孔径表示光纤的集光能力。数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力越强。n1n2光纤的基本结构：阶跃型多模光纤的特点n1n2cLn11sincdLLTcnq221nnn＝记121nnn最大群时延差：光纤中走的最快的光线与走的最慢的光线在时间上的差别。单位长度光纤的最大时延差：1dnTc入射角不同的光纤传输路径是不同的，它们到达光纤输出端的时间也不同。---------脉冲光信号在多模光纤中展宽的主要原因。多模光纤长距离传输容量受限的根本原因。相对折射率差NA越大，最大延时越大。色散越严重。光纤的基本结构：梯度型多模光纤的特点•为改善多模光纤的色散特性，提升光纤的容量，提出梯度型多模光纤。梯度光纤具有一种被称为“自聚焦”的特性：不同入射角的光线，在光纤中会重新聚焦于一点。最大入射角的光线和最小入射角的光线，它们的路径差异要明显小于阶梯型光纤的。因此，脉冲光信号在该光纤中的展开现象要弱于阶梯型光纤中的脉冲。光纤的基本结构：单模光纤•要解决光纤色散对容量的限制，最有效的途径：单模光纤。•这时，光纤中只传输圆柱波导中的基模（可以理解为只有入射角为0的光线才能在光纤中传输）。•不存在不同入射角的光在光纤中传输延迟差的现象。光纤的基本结构：总结光纤的基本结构与特性•光纤的基本结构•单模光纤的基本特性•光纤模式•传输特性•单模特性•损耗•色散•非线性光纤模式•光纤的模式数由“归一化频率”这个参数决定。221202()()aVnn光纤的归一化频率Va:纤芯半径光纤中传输的最低价模为HE11模。V=2.405，第二个低价模TE01模将不能在光纤中传输。称TE01模式截止，V为截止频率Vc，对应的波长为截止波长c。2.405HE11模在V=0的时候，照样存在。因此，截止波长无穷大。22122()()ccannV光纤模式：HE/EH模解释•光纤中，不在子午面的光线被称为斜光线。它们和光纤的中心轴线既不平行，也不相交，光路轨迹是空间螺旋折线。可以是左旋，也可以是右旋，但是和光纤中心轴线是等距的。•非子午面光线不具有纯横电场或纯横磁场的特性，是电场分量和磁场分量混合在一起的杂化模。用EH模和HE模表示。•EH表示在电磁场传播方向上EzHz；•HE表示在电磁场传播方向上HzEz。最低阶模HE11模注意：传输延时只和q有关。子午光线和非子午光线，只要q相同，则同时到达输出端。光纤模式：弱导近似实际光纤的纤芯层、包层折射率差很小Δ=𝑛1−𝑛2𝑛1≪1图中，画圈的每个模式簇，有相同的传输常数。这些具有相同传输常数模式簇，组成所谓的简并模，称之为LP模(用LPjm表示)。LP：线偏振模（线性极化模）的LinearPolarization英文简写。弱导情况下，LP几乎无纵向分量。LPjmj：该模式的场分量沿光纤圆周方向的最大值有几对m：该模式的场分量沿光纤直径方向的最大值有几对单模光纤1222.405cnLP11模的Vc=2.405光波长大于此截止波长时，光在光纤中才能是单模传输。此时的光纤被称为单模光纤。由于在单模光纤中只能传输一种模式，从时域观点看，不存在模式间的时延差，因此信号在传输过程中展宽较少；对应的频域观点来看，即带宽要比多模光纤宽得多，有利于高码速，长距离的传输，单模光纤的带宽一般在几十GHZ以上。单模光纤的特征参数截止波长模场半径衰减系数色散与非线性系数。模场半径•对于阶跃型单模光纤，基模场强在光纤横截面近似为高斯分布。•通常将纤芯中场分布曲线最大值的1/e处，所对应的宽度定义为模场直径，用2W表示。模场直径E0E0/e2aE(r)623879.21619.169.0++VVaW模场半径基模半径和光纤的结构参数有关。衰减系数衰减系数α，单位dB/km0lg10PPLiL：以公里为单位表示的光纤长度；Pi：输入光纤的光功率；P0：光纤输出的光功率；它是线路上决定中继距离长短的主要因素。衰减系数：标准单模光纤（SSMF）G.652•光纤的本征损耗主要来源于：•吸收损耗、散射损耗衰减系数：新型单模光纤-全波光纤160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)0.10.20.30.40.50.6ConventionalFiber（1440－1625nm）AllWaveFiber（1335－1625nm）5thAllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeakAllWaveoffers50%morechannels!3rd4th5thAllWavevs.ConventionalFiberMoreUsableOpticalSpectrum1550nm附近，0.1nm~12.5GHzSSMF：可以的带宽185nm~23THz全波光纤：290nm~36THz这些带宽的全部利用，技术上已可行。衰减系数：模场半径的关系Loss模场直径小Loss模场直径大Loss低阶模Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环衰减系数：使用时损耗的增加•光纤柔软、易弯曲。•宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲•微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲•弯曲光纤会增加光纤的损耗。宏弯情况衰减系数：微弯损耗•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：•造成能量辐射损耗衰减系数：弯曲总损耗NAannaV222/12221增加，V减少，W越大长波长处附加损耗显著623879.21619.169.0++VVaW光纤色散•色散：一般指某个物理量和频率（波长）之间的关系。•光纤的色散：光纤中模式的传输常数和光波频率（波长）的关系。•典型地，有两个参数描述光纤的色散。•群速度参数（GVD参数）：•色散系数D：光纤色散：参数的定义•群速度参数（GVD参数）：•频率间隔为w的两个光波，在长度为L的单模光纤中传输，光纤色散导致的延时差T有GVD系数•色散系数D：•波长间隔为的两个光波，在长度为L的单模光纤中传输，光纤色散导致的延时差T有TLD色散系数，ps/(km·nm)222)(cD光纤色散：正色散、负色散和零色散222)(cD1.色散系数D为正：负色散20V高频光V低频光2.色散系数D为负：正色散20V高频光V低频光3.色散系数D为零：零色散光纤工作在正常色散区光纤工作在反常色散区色散•光纤的色散在数学上，用泰勒级数展开其传输常数：2010201()()()()2ncwwwwwww+++0mmmddwww111[]ggndnncdcvww+2222222221[2]22dndndndnDcddcdcdcw+色散参量1221ggdvddvdww＝一般称为群速度色散参量(GVD)wddvg光纤色散•单模光纤也存在色散。单模光纤和多模光纤的色散不同的是：•多模光纤的色散最主要是模间色散（不同入射角的光线延时不同）•学术的表述为：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。•单模光纤的色散来源于•材料的色散----------光频率不同，折射率不同；•波导色散--------------光频率改变，即使材料的折射率不变，波导的传播常数也改变。•材料色散：在非吸收区，频率越高，折射率越大•如何理解波导色散？光纤色散：波导色散---用平板波导为例加以说明1012k2022k1212iiqq为了满足横向谐振条件，横向传输常数u（波导内）和w（包层）应保持不变。当平板波导尺寸确定以后，对于一个确定的模式，由于波长变化，其传播常数k0也变化。在材料折射率n不变的情况下，这是只有改变入射角度才能实现这个要求。由于不同波长的光，其入射角不同，这样它们的纵向传播常数也不一样。纵向传播速度小的光线，其传输时间就长，因而造成不同频率成分的分散。此即为波导色散产生的机理。一级近似条件下：单模光纤的色散=材料色散＋波导色散标准单模光纤色散曲线光纤色散：对通信的影响—定性色散使信号在接收端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难。光纤色散：对通信的影响—定量•色散受限带宽-----带宽距离积•一般取脉冲展宽量达脉冲宽度1/4时的光谱宽度作为光纤的最大带宽。LDTB4/14/1SMF例：考虑一个工作在1550nm的系统，光源谱宽为0.15nm，使用标准单模光纤D=17ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：BL100(Gb/s)·kmSMFbit4/141BTTkmGb/s4/1SMFDLB带宽和距离乘积：光纤色散：对通信的影响—定量不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系0nm：光源线宽非常小结论：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对于高速光链路(40Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一偏振模色散•引起脉冲展宽的另外一个因素是偏振模色散LP01模是偏振方向正交的简并模。双折射效应使得光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同，导致偏振模色散偏振模色散：特点•双折射受外部因素影响：环境变化如振动、温度、应力等•特点：具有很强的不稳定性和突发性•因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法是研究的热点偏振模色散：对数据信号的影响PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著光纤色散：色散影响的消除（1）•G.653色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550nm。光纤色散：色散影响的消除（2）•色散平坦光纤：•在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统光纤色散：色散影响的消除（3）•色散补偿器件：正负色散率搭配使系统累积色散为零光纤色散：色散影响的消除（4）•高速率信号传输系统中，光纤的色散容限小。光纤色散随温度的漂移足够让系统的误码升高。•光纤色散的影响流行采用：色散补