第2章：光纤概要

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1、光信号的传输特性,光纤通信技术第二章,张方正 zhangfangzheng 雷达成像与微波光子教育部重点实验室 南京航空航天大学电子信息工程学院,光 纤,第二章 光信号的传输特性,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。,2.1 光纤概述 2.2 光纤的损耗特性 2.3 光纤的色散特性及色散限制 2.4 光纤

2、中的非线性光学效应,第二章 光信号的传输特性,2.1 光纤概述,60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km (1m附近波长区) 1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1.55 m处) 低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。,2.1.1 光纤的结构,光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。 光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层 特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：,不同的折射率

3、分布，传输特性完全不同,-数值孔径(NA),相对折射率差,n0、n1、n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，c-芯包界面全反射临界角,1. 阶跃光纤,代表光纤接收光的本领,（示意图，比例不符）, 大 ?,以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。,模间色散,所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。,1. 阶跃光纤,core,cladding,1. 阶跃光纤,经历最短和最长路径的两束光线间的时差:,-传输容量限制:,B-信号比特率,1. 阶跃光纤,-传输容量限制:,对于无包层的特殊光纤，n

4、1=1.5，n2=1.0(空气)，=0.33很大，BL0.4(Mb/s).km 减小值，BL能提高很多。一般0.01。 当=0.002时，BL100(Mb/s).km，10Mb/s的速率传输10km，适用于一些局域网。,2. 渐变光纤,渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。 入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端，降低模间色散。,2. 渐变光纤,优化设计的渐变光纤，其BL积达约10(Gb/s).km，比阶

5、跃光纤提高了3个数量级。 第一代光波系统就是使用的渐变光纤。 单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波和模式理论来讨论。,确定传输模式的参数。可由波动方程导出。,归一化频率V：,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。,模折射率（有效折射率）：,单模光纤的截止波长： 使得V=2.405时的光波长.,模式,一个模式是由它的传播常数唯一确定的.由可引入一个很有用的量.,按照光纤传输模式的多少分： 单模光纤 多模光纤 按照光纤截面折射率分布分： 阶跃型光纤 梯度型光纤(多模光纤) 双包层（W型） 三角分布-色散位移光纤

6、(DSF G.653),非零色散位移光纤(NZ-DSF G.655),2.1.2 光纤的分类(1),ITU-T标准光纤 G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移光纤(DSF) G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF),产品：康宁LEAF；长飞：大保实 特种光纤: 保偏光纤（PMF） 色散补偿光纤（DCF） 掺铒光纤（EDF）等,2.1.2 光纤的分类(2),光纤的种类,光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的数量不同 多模光纤 2a=50 m 单模光纤 2a=410 m,外径：2b=125m,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

7、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：,2a,2w,电场强度降到峰值的1/e,E0/e,e=2.71828,三种主要类型光纤的比较,2.1.3 光纤的结构设计与制造,各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。 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,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

8、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）,制造光纤预制棒 的MCVD流程示意图,光纤拉丝装置示意图,塑料光纤,聚合物(塑料)光纤(POF)：用于用户接入。 尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信号衰减，但 韧性好，更为耐用 直径大1020倍，连接时允许一定的差错，而不致牺牲耦合效率 廉价的塑料注入成形技术，可用于制造光连接器、光分路器和收发设备。,光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道. 传输特性 损耗(dB/km)，直接影响中继距离； 色散(

9、ps/nm.km)，将引起光脉冲展宽和码间串扰 ，最终影响通信距离和容量； 非线性效应,光纤的传输性能,为维持误码率不变，需提高接收功率，所需增加相应的功率称为功率代价。（Power Penalty）,2.1 光纤概述 2.2 光纤的损耗特性 2.3 光纤的色散特性及色散限制 2.4 光纤中的非线性光学效应,第二章 光信号的传输特性,损耗定义:,POUT-出纤光功率 Pin-入纤光功率,2.2 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P0是入射光纤的功率，则传输功率PT为：,这里代表光纤损耗，L是光纤

10、长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：,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。,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,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,AllWave 光纤,范崇澄 FS-89,光纤的损耗机理(1),材料吸

11、收 紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的-本征吸收损耗 OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 减低OH离子浓度，减低这些吸收峰-全波光纤（AllWave 康宁）,光纤的损耗机理(2),瑞利散射是一种基本损耗机理。 由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。 大小与4成反比， RC/ 4（dB/km）因而主要作用在短波长区。 瑞利散射损耗对光纤来说是其本身

12、固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。 在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 dB/km ，是该段损耗的主要原因。,光纤的损耗机理(3),辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。 定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。,2.1 光纤概述 2.2 光纤的损耗特性 2.3 光纤的色散特性及色散限制 2.

13、4 光纤中的非线性光学效应,第二章 光信号的传输特性,2.3.1 光纤的色散特性,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。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 n()：折射率随频率变化 偏振模色散PMD,波长色散,群速色散(GVD),由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速色散（GVD）、模内色散或简言之光

14、纤色散。包括材料色散和波导色散。,Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to travel at different speeds in fiber, resulting in pulse spreading,群速度,沿z方向传输的单色波： 是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）。 群速度：表征光信号包络的传输速度,群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。 这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度。,群时

15、延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。,群时延,光脉冲展宽(1),光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。,为群速色散（GVD）,脉冲展宽同2、光纤长度L和信号谱宽成正比,2决定了脉冲在光纤中的展宽程度,光脉冲展宽(2),以色散参数Dps/(nm. km)表达脉冲展宽 D的定义为：,D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延,脉冲展宽：,以波长单位表达的光信号谱宽,单模光纤的色散,材料色散DM，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。 波

16、导色散DW ，由于单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播常数是a/的函数(a纤芯半径， a/是光纤相当于波长的尺度).,单模光纤的色散,零色散波长,17ps/nm.km1550nm,D=DM+DW,Dispersion of “Standard” Single-Mode Fiber,0, D0 红快兰慢 光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得慢, D 反常色散区 20兰快红慢 光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快,D,波导色散DW对D(2)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。,色散位移,G.653色散位移光纤,