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1、作业,一、试根据介质波导（圆柱形）电场方程，推导特征方程为：,二、试比较介质波导中的模与金属波导中的模有何不同？,第11讲光纤波导一.光纤之父高锟简介二.光纤通信基础知识三.介质波导四.光纤,光纤之父华人科学家高锟高锟与太太,一.光纤之父简介,瑞典皇家科学院2009年10月6日宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家。高锟获奖，是因为他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”做出了突破性成就。高锟1933年出生于上海，住在法租界。高教授的父亲是律师。1944年，随父移居香港，入读圣约瑟书院，之后考入香港大学，但由于当时港大还未有电机工程系，他只好远赴英国伦敦
2、大学进修。大学毕业后，他进入英国国际电话电报公司(ITT)做工程师，后被聘为研究实验室研究员，同时在英国伦敦大学攻读博士学位，1965年毕业。从1963年开始，高锟就著手对玻璃纤维进行理论和实用方面的研究工作，并设想利用一种玻璃纤维传送激光脉冲以代替用金属电缆输出电脉冲的通讯方法。,光纤之父简介,光纤之父简介,高锟教授在一九六六年发表“光通讯”基础理论，提出以一条比头发丝还要细的光纤代替体积庞大的千百万条铜线，用以传送容量几近无限的信息传送，当时被外界笑称为“痴人说梦”，但高锟教授的理论于九十年代被广泛利用，造就了今天互联网的大发展，被誉为“光纤之父”。当高锟从事纤维光学行业的时候，光脉冲只能
3、在玻璃纤维中行进20米左右。为此，有研究人员认为是光纤上有裂缝或者微小的缺陷，导致光线散射。,光纤之父简介,高锟则认为，光纤之所以不能将信号传送得更远，不是光纤的过失，而是玻璃的成分不够纯正。为此，他致力于在全世界寻找“没有杂质的玻璃”，为此他不得不忍受一些人的嘲笑。直到1970年，他的设想终于成为现实，第一根千米长的纯净光纤出现了。高锟也因此被尊为“光纤之父”。高锟的设想逐步变成现实：利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛，多股光纤制成的光缆已经铺遍全球，成为互联网、全球通信网络等的基石。同样一对线路，光纤的信息传输容量是金属线路的成千上万倍。,频带宽,通信容量大理论上讲一根单模光纤可利用的带
4、宽达20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带损耗低,中继距离长铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度(或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗达0.2dB/km,优点,二.光纤通信基础知识,具有抗电磁干扰能力光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆无串话,保密性好通信质量高线径细,重量轻,柔软可制成大芯数高密度光缆单芯光缆可安装在飞机,火
5、箭,潜艇及航天飞机上节约有色金属,原材料资源丰富可节约大量铜金属,缺点,质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤,光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题,光通信发展简史,2000多年前烽火台灯光、旗语1880年光电话无线光通信1970年光纤通信,传输网,有线传输网_光纤通信:波长：0.8m-1.6m,频率:1014-1015Hz_电缆通信：大同轴、中同轴、小同轴无线传输网数字微波卫星通信,传输网,ISDN,7号信令,传输网,传输网,ISDN,7号信令,综合业务数字网（IntegratedServicesDigitalNetwork，I
6、SDN）,DDN的英文全称是：DigitalDataNetwork.DDN的全称是数字数据网,集团电话7号信令（七号信令）系统是一种国际性的标准化的通用公共信令系统,光纤通信发展史,1880年A.G.贝尔利用可见光做光电话机，证实光波可以携带信息1960年发明了新光源激光器后，极大的促进了光波通信的研究激光器特性：单色性、强方向性、高亮度发展过程：60年固体红宝石激光器61年氦-氖气体激光器70年半导体激光器（体积小、耗电少、调制速度高、使用方便）,1966年华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料中去除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。1970年美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出衰
7、减为20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到突破。1973年美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km的低损耗光纤1976年日本电报电话公司（NTT）制造出0.5dB/km的低损耗光纤1976年在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶段,频率（Hz）,102,104,106,108,1012,1014,1016,1018,1020,1022,106,104,102,1,1010,10-2,10-4,10-6,10-8,10-10,10-12,10-14,波长,名称,长波,中波,短波,超短波,微波,毫米波,红外线,可见光,紫外线,X射线,
8、红外线,可见光,紫外线,光,电磁波谱,光的基本知识,光是一种电磁波可见光350nm750nm光纤通信所用的波长8001600nm光的反射、折射全反射,光的基本知识,n1,n2,n1n2,1,2,3,入射,折射,反射,视觉位置,实际位置,空气,水,光的基本知识,光纤中光波的传输原理-全反射“之”字线传输,n2,n1,n2,空气,A,B,MAX,当n1n21c时发生全反射c：临界角,只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输,光缆干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光缆)96芯以下局内光缆芯数少，比光线缆柔软用户缆根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤,光纤的结构,光
9、纤的结构,纤芯core：折射率较高，用来传送光；包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。,常见光纤名词,数值孔径（NumericAperture）NA=SIN,常见光纤名词,外径一般为125um(一根头发平均100um)内径：单模9um多模50/62.5um,光纤的尺寸,光纤的分类,按材料分类：玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距离的图像传输。,按
10、照光纤的模式分类单模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）按折射率分类阶越光纤渐变折射率光纤,光纤的分类,常见光纤名词,衰减：光在光纤中传输时的能量损耗单模光纤1310nm:0.350.5dB/Km1550nm:0.20.3dB/Km850nm:2.33.4dB/Km光纤熔接点损耗：0.2dB/点光纤熔接点1点/2km塑料多模光纤300dB/km,损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗:第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小,色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进一段距离后造
11、成的频宽变粗。它是限制传输速率的主要因素。模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的路径传输。材料色散：不同波长的光行进速度不同。波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。,常见光纤名词,光纤类型,G.652光纤即常规单模光纤，在1310nm波长工作时，理论色散值为零；在1550nm波长工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。单通路速率达到STM-64时，需要采取色散调节手段。G.653光纤在1550nm波长工作时性能最佳，又称为色散移位光纤。零色散点从1310nm移至1550nm波长区。G.6
12、54光纤截止波长移位的单模光纤，它的设计重点是降低1550nm波长处的衷减。主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。G.655光纤又称之为非零色散移位单模光纤，零色散点移至1570nm或15101520nm附近，使1550nm处具有一定的色散值。色散受限距离达数百公里。可以有效的减少波分复用系统的四波混频的影响。,常见光纤名词,散射由于光线的基本结构不完美，引起的光能量损失，此时光的传输不再具有很好的方向性。,光纤系统基础知识,一、基本光纤系统的构架及其功能介绍：1.发送单元：把电信号转换成光信号；2.传输单元：载送光信号的介质；3.接收单元：接收光信号并转换成电信号；4.连接器件：连接光
13、纤到光源、光检测以及其它光纤。,光纤系统基础知识,二、基本光纤系统方框图：,常用连接器类型,常用连接器类型,FCType,SCType,SC2Type,FDDType,常用连接器类型,BICONICType,D4Type,SMA905Type,SMA906Type,MINIBNCType,连接头端面类型,无源器件,耦合器（coupler）主要功能再分配光信号重要应用在光纤网络尤其是应用在局域网在波分复用器件上应用,无源器件,耦合器以图形表示,无源器件,波分复用器WDMWavelengthDivisionMultiplexer在一条光纤中传输多个光信号，这些光信号频率不同，颜色不同。波分复用器就
14、是要把多个光信号耦合进同一根光纤中；解波分复用器就是从一根光纤中把多个光信号区分出来。,无源器件,波分复用器（图例）,发送单元,接收单元,光放大器,0,1输入（信号弱）,1输出（信号强）,光放大器,波分复用器,耦合器,1,光源,监测,1.振幅：脉冲的高度在光纤系统中表示光功率能量。2.上升时间：脉冲从最大振幅的10%上升到90%所需要的时间。3.下降时间：脉冲从振幅的90%下降到10%所需要的时间。4.脉冲宽度：脉冲在50%振幅位置的宽度，用时间表示。5.周期：脉冲特定的时间，就是完成一个循环所需要的工作时间。6.消光比：1信号光功率与0信号光功率的比值。,光纤数字通信,光纤通信中常用单位的定
15、义：1.dB=10log10(Pout/Pin)Pout:输出功率;Pin:输入功率2.dBm=10log10(P/1mw)是通信工程中广泛使用的单位；通常表示以1毫瓦为参考的光功率；example:10dBm表示光功率等于100uw。P=0.1mw3.dBu=10log10(P/1uw),光纤数字通信,射频知识功率/电平（dBm）：放大器的输出能力，一般单位为W、mW、dBm。dBm是取1mw作基准值，以分贝表示的绝对功率电平。换算公式：电平（dBm）=10lgmW5W10lg5000=37dBm10W10lg10000=40dBm20W10lg20000=43dBm1W10lg?=?dBm
16、2W10lg?=?dBm,功率单位mw和dbm的换算表,功率单位mw和dbm的换算表,1、dBdB是一个表征相对值的值，纯粹的比值，只表示两个量的相对大小关系，没有单位，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：10log（甲功率/乙功率），如果采用两者的电压比计算，要用20log（甲电压/乙电压）。例甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB。反之，如果甲的功率是乙的功率的一半，则甲的功率比乙的功率小3dB。,2、dBi和dBddBi和dBd是表示天线功率增益的量，两者都是一个相对值，但参考基准不一样。dBi的参考基准为全方向性天线，dBd的参考基准为偶极子，所以两者略有不同。一般认为，表示同一个增益，用dBi表示出来比用dBd表示出来要大2.15。例对于一
