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1、光纤传输理论,陈新桥,中国传媒大学,20世纪 曾经是电网络的时代 21世纪 将会是光网络的时代,光纤传输理论 光纤传输特性 光纤测量 光调制方式 光发射机和光接收机,第二部分 光纤传输理论基础,提 纲,DWDM系统 SDH系统 光传送网技术 光缆线路工程 系统指标与测试,第二部分 光纤通信系统,提 纲,为何要有线传输（光纤）？带宽与速率 为何要光载波？ 带宽达THz 为何采用红外波长？ 光纤低损耗窗口 光纤为何用石英玻璃材料制备？ 损耗 光纤为何为纤维结构？ 模式色散,绪 论,电通信 电波作为载体而传送信息的所有通信方式. 有线电通信和无线电通信。 光通信 光波作为载体而传送信息的所有通信方式
2、。 无线光通信和有线光通信。,绪 论,传输： 无线传输：移动通信、无线通信、卫星通信等 有线传输：光纤传输为主,光纤传输：以光纤为介质，以光波为载波的传输系统,绪 论,三网融合的基础光纤 信息高速公路光纤 骨干网、城域网光纤 接入网光纤（FTTX）,光纤越来越逼近用户！铜退光进！,绪 论,光纤传输发展的精髓提高光纤通信系统容量,绪 论,2.5Gb/s 10Gb/s 40Gb/s,10Gb/s 40Gb/s,20Gb/s 80Gb/s,80Gb/s 320Gb/s,32 16 8,4,1,WDM 波长数,每波长比特率(TDM),40Gb/s,网络容量演进战略,绪 论,1960年，第一台相干振荡光
3、源红宝石激光器问世。 1970年，康宁公司拉制出损耗仅为20 dB/km的光纤 1985年，南安普敦大学制成掺铒光纤放大器(EDFA） 90年代，光纤光栅、全光纤光子器件、平面波导器件及其集成的出现,四大里程碑,绪 论,光纤传输是目前世界上发展最快的领域，平均每9个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超过了计算机芯片性能每18个月翻一番的摩尔定律的一倍。,爆炸性发展,在短短的30多年时间里已经经历了五代通信系统的使用。,绪 论,五代光纤传输系统,绪 论,五代光纤传输系统,绪 论,传输容量大。 传输损耗小，中继距离长 抗干扰性好，保密性强 材料资源丰富，可节约金属材料 重量轻，可挠性好，敷设方便
4、,光纤传输技术特点,缺点: 组件昂贵，光纤质地脆、机械强度低，连接比较困难，分路、耦合不方便，弯曲半径不宜太小等。,绪 论,超大容量光纤通信系统 光集成器件和光电集成器件的研究 新类型光纤的研究 解决全网瓶颈的手段光接入网,未来技术角色,绪 论,光纤通信,一根光纤中可同时传输一百 多路信号，采用特殊技术 甚至可以同时传输1022路,单路速率不断提升， 已达到10、20、40Gb/s 采用OTDM技术甚至 可达640Gb/s,各种通信技术的快速 发展使上千甚至上万公 里的长距离传输成为可能,全光网成为目前光通信 领域最热门的话题之一,绪 论,光纤通信最具代表性技术 波分复用WDM和光纤放大器ED
5、FA,绪 论,（一）光纤结构 （二）光纤传输机理 （三）光纤的分类,一、 光纤传输理论,光纤: 纤芯;包层;涂敷层,（一）光纤结构,一、 光纤传输理论,纤 芯：光能量主要在纤芯内传输。 包 层：提供反射面和光隔离，保护。 涂覆层：保护不受水汽的侵蚀和擦伤。,（一）光纤结构,一、 光纤传输理论,全反射条件：,传输机理：全反射,（二）光纤传输机理,一、 光纤传输理论,子午面：过光轴的平面,（二）光纤传输机理,一、 光纤传输理论,与内光线入射角的临界角c相对应，光纤入射光的入射角i有一个最大值 max 。max 称为光纤端面入射临界角（入射临界角）。,入射临界角:,（二）光纤传输机理,一、 光纤传输
6、理论,接收角:,（二）光纤传输机理,一、 光纤传输理论,数值孔径：,NA越大，能力越强，耦合效率越高。,NA表示光纤聚光的能力,（二）光纤传输机理,一、 光纤传输理论,相对折射率差,弱导光纤,?,（二）光纤传输机理,一、 光纤传输理论,模式色散与成正比 模式色散制约光纤的带宽！,石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤。,（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,按材料分类：,按折射率分布分类,突变型多模光纤,渐变型多模光纤,单模光纤,（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。 只传输一个模式，信号畸变很小。,单模光纤（SMF）,纤芯直径只有8
7、10 m。,（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,单模光纤原因？色散 单模光纤的直径？工作波长（低损耗）,梯度型多模光纤 工作波长：1.31m和1.55m 处于多模工作状态 在1.31m处有最小的色散值，在1.55m处有最小的衰减系数 数据通信局域网(LAN)用,G.651光纤,（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,最早实用化的光纤，零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。 缺点：工作波长为1550nm时色散系数高达17ps/(nmkm)阻碍了高速率、远距离通信的发展。,G.652 常规单模光纤(SMF),（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,DSF(G.653光纤) 通
8、过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm。 光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能 优点：在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均很小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。 弱点：工作区内的零色散点导致非线性四波混频效应,G.653 色散位移单模光纤(DSF),（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,NZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。使得其能
9、用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。 优点：在1550nm处有一低的色散，保证抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。 缺点：模场直径小，容易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积NZ-DSF光纤,G.655 非零色散位移单模光纤(NZ-DSF),（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,掺杂，折射率高于石英，纤芯。 掺杂，折射率低于石英，包层。,光纤的主要成分,石英光纤，石英玻璃，二氧化硅( SiO2 ) 。,折射率：纤芯包层,全反射条件,（一）
10、光纤结构,一、 光纤传输理论,常用适配器续,FC/PC SC/PC ST/PC LC/PC 光纤活动连接器的端面接触方式有多种方式，即PC(平面)、UPC(低损耗)、APC(8度微球面)等方式,（三）光纤类型,一、 光纤传输理论,二、 光纤传输特性,（一）光纤的损耗 （二）光纤的色散 （三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,传输：距离，容量,损耗：距离：光纤；光放大器 色散：脉冲展宽（不同成分速度不同）脉冲重叠误码：色散补偿，低色散光纤等 非线性：WDM，光放大，长距离，单模光纤的横截面小等纤芯光高强度非线性串扰等：光孤子、大芯径等,光随着距离的增加光功率逐渐下降。,损耗决定了系统的传输距离。
11、 最重要的传输特性之一。,1、损耗,（一）光纤损耗,二、 光纤传输特性,以前，光纤（医疗、工业），传输距离短，损耗1000dB/km 67高锟：论文，光纤可以做成低损耗 70康宁：低损耗光纤，0.2dB/km,（一）光纤损耗,二、 光纤传输特性,若长度为L (km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率为表示Po，光纤的损耗系数定义为：,（dB/km）,损耗系数:,（一）光纤损耗,二、 光纤传输特性,吸收损耗：与光纤材料有关 散射损耗：与光纤材料及结构缺陷有关 辐射损耗：与光纤的弯曲有关。,1.31m0.5dB/km以下， 1.55m0.2dB/km以下，接近了理论极限。,（一）光纤损耗,二、
12、光纤传输特性,寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km (99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km (99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现,单模光纤损耗谱,单模光纤的6个传输波段,（一）光纤损耗,二、 光纤传输特性,6个传输波段,（一）光纤损耗,二、 光纤传输特性,6个传输波段,1450 1490 1530 1570 1610 1650,S+ S C L L+,波 长 (nm),光信号是由很多不同的频率成分或各模式成分组成。各成分传播速度不同。 经光纤传输一段距离后，不同成分之间出现时延差，引起波形失真，脉冲展宽，这种现象称为光纤色散。,2、光纤色
13、散,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,1,1,0,1,1,1,长矩,模式色散 模式色散（模间光纤） 偏振色散（极化光纤） 色度色散 材料色散 波导色散,模式色散 材料色散 波导色散 极化色散,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,不同模式的时间延迟不同而产生的。,模间色散,模式色散,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,模式色散（PMD）,模式色散,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,T,色度色散,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,光纤色散效应对传输的影响,1 0 1 0 1 0 1 1 0 1,1 0 1 0 1 0 1 1 0 1,Input,Outpu
14、t,Time,Time,脉冲畸变和展宽码间干扰。,（二）光纤色散,二、 光纤传输特性,光功率增到一定值时，光纤呈现非线性。,常规光纤中，光纤呈线性。,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,随着传输速率的提高， 传输距离的延长， DWDM通路的增加 以及光纤放大器的使用，,非线性成为最终限制光纤传输系统性能的因素，是系统设计考虑的重要方面。,光功率的增大,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,受激拉曼散射 （SRS） 受激布里渊散射（SBS） 自相位调制（SPM） 交叉相位调制（XPM） 四波混频（FWM）,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,短波
15、长泵浦长波长,对系统的影响： 引起信道功率失衡 引起信道间的拉曼串扰,输入,输出,受激拉曼散射 （SRS）,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,当达到门限功率时，产生向信号相反方向传播的受激发射的非线性现象 增益比SRS大两个数量级，当光源谱功率（亮度）大时，SBS占主导地位,对系统的影响： 大于一定值时引起强烈背向散射，叠加强度噪声。,受激布里渊散射（SBS）,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,相位随光强而变化，转化为波形畸变。,自相位调制（SPM）,交叉相位调制（XPM）,相位受到其它其它信道的调制，引起强度噪声,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,信道间相互作用产生新的频率，,四波混频（FWM）,（三）光纤的非线性,二、 光纤传输特性,（一）光纤测量仪器 （二）光纤损耗测量 （三）光纤带宽测量 （四）光纤色散测量,三、 光纤测量,光源、光衰
