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第四章 光波导技术基础 第四章 光波导技术基础 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。 第四章 光波导技术基础 4.1 光纤概述 4.2 光纤的损耗特性 4.3 光纤的色散特性及色散限制 4.1 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 (1?m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。 光纤的基本知识（ ） 阶跃折射率光纤: 为常数，折射率仅在 、 分界面上发生突变， 渐变折射率光纤: 是光纤半径r的函数，即从中心到r＝a折射率是渐变的 单模光纤: 芯径约10微米, 光在其中几乎沿轴向传输，传输带宽10GHz 多模渐变型光纤: 芯径约50微米，光的传输轨迹近似为正弦型，传输带宽从数百MHz 到数GHz； 多模阶跃型光纤: 芯径约62.5微米，光传输轨迹为“之”字形，传输带宽10MHz到50MHz。 石英光纤: 损耗小、性能好，常用于通信 塑料光纤损耗大、易于耦合、制作容易，用于短距离能量传导等, 未来希望向光纤入户与局域网方向发展。 考虑到目前情况，本章主要介绍石英光纤。 光纤的结构参数 (1)直径: 纤芯直径2a、包层直径2b 细要求：1 成本，光纤直径应尽量小， 2 机械强度和柔韧性，石英光纤很脆，粗则易断； 粗要求：对接、耦合、损耗 平衡要求：总粗小于150μｍ。 典型单模光纤芯径约10μｍ（多取9μｍ），包层直径125μｍ 多模阶跃光纤芯径62.5μｍ，包层直径125μｍ 多模渐变型光纤芯径约50μｍ，包层直径125μｍ 光纤的结构参数 4.1.1 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。 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。 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。 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=4~10 ?m 模场直径MFD 4.1.3 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） 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10~20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。 第四章光波导技术基础 4.1 光纤概述 4.2 光纤的损耗特性 4.3 光纤的色散特性及色散限制 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。 光纤的损耗机理(1) 材料吸收 紫外