现代光纤通信技术光纤.pptx

第二章 光纤;光纤通信系统的根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。;;光纤的构造;§2.1 光纤概述;三种主要类型光纤的比较;光纤的分类;光纤光缆的制作;制造光纤预制棒 的MCVD流程示意图;几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析 ;;光在阶跃光纤中的传播轨迹;NA表示光纤接收和传输光的能力。 NA〔或θa〕越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越高。 NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。 NA太大时，那么进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须适中选择NA。 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。 ;;;;(1);;;;对于阶跃折射率分布光纤，它的芯层和包层都是均匀介质，式〔18〕是适用的，但是对于渐变折射率分布光纤，由于芯层的折射率是随位置变化的，?ε不等于零，但光纤的ε在一个光波波长距离内变化很小，所以此式对渐变折射率光纤仍是适用的。 ;;采用柱坐标使 轴和光纤轴线一致，就得到电场 的波动方程： ;;除去 接近无限的函数，由式〔25〕得到：;对称平面波导的TE波;Ez=0对应的模叫做横电模〔TE模〕； Hz=0对应的模叫做横磁模〔TM模〕； 假设Ez和Hz都不为零，那么称为混合模。混合模依据横向场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模; 光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构, HE-EH模成对出现,且它们的传播常数根本相等，称为简并模; 具有相同传播常数的简并模，可用线偏振模〔LP模〕表示;LP模;;贝塞尔函数图形;;经计算HE11 ，归一化截止频率V=0 HE21 ,TE01 ,TM01 ，归一化截止频率V=2.405 所以要实现SMF，0V 2.405 通过选材、尺寸可以控制V值。因为工作波长小，而a过小会给耦合连接带来困难，所以一般选用弱导光纤〔相对折射率指数差小〕;模场直径MFD;色散 损耗 光纤非线性效应;光纤带宽的定义是频率响应H(f)和零频率响应H(0)的比值下降一半(3dB)的频率，即： H(f3dB)/ H(f) =1/2 其中H(f)=F{Pout(t)} 可得： 光纤的带宽取决于均方根脉冲宽度? ;色散的根本概念 色散的种类及其产生原因;; 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 ：折射率随频率变化 偏振模色散PMD;模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。 只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。 ;波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光波长下，相位常数〔传播常数β〕不同，群速度不同而引起的色散。 波导色散取决于波导的结构参数和波长。 波导色散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〔非零色散位移光纤〕。 ;材料色散DM是由于光纤的折射率随波长而改变，实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光，其时间延迟不同而产生的。 这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。 合理设计成将零色散波长移到1550nm的色散移位光纤，使1300nm和1550nm处色散皆为零的色散平坦光纤，或1550nm处具有负色散值的色散补偿光纤 ;单模光纤材料色散和波导色散随波长的变化关系;在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散(PMD) 。 PMD是一个统计量，它对传输有线电视(CATV)的模拟系统和长距离、高速率的数字系统，例如海底光缆系统的影响是不可无视的。当数据传输速率小于10Gbit/s时，根本上不必考虑它的影响。 ;在多模光纤中模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。 单模光纤波导色散的作用不能忽略，它与材料色散有同样的数量级。 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如纤心半径a，芯－包层折射率差。由此可改变光纤的色散系数。 G.652?G.653 ?G.655;;例如;;光纤的损耗机理(1);光纤的损耗机理(1);光纤的损耗机理(2);光纤的损耗机理(3);光纤的非线性效应 ;受激光散射 ;