光技术与光纤通信经典教材.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,光技术与光纤通信,第二章 光纤与光缆,光纤通信,光技术与光纤通信,第一章 概述,第二章光纤与光缆,第三章 通信用光器件,第四章 光纤通信系统,第五章 光纤通信中的高新技术,第二章 光纤与光缆,2.1,光纤的构造与分类,2.2,光纤传光原理,2.3,光纤的特性（性能）,2.4,光缆,2.5,光纤特性的测量方法,2.1,光纤的构造与分类,一、光纤的构造,二、光纤的分类,三、常用光纤,四、光纤型号的命名方法,五、光纤制作方法简介,六、光纤的选用原则和推荐方案,一、,光纤的构造,1、纤芯，光信号的传输,2、,包层，限制光信号溢出,3、一次涂敷层（预涂层），,保护光纤增加韧性,4、,缓冲层，减少对光纤的压,力,5、二次涂敷层（套塑层），,加强光纤的机械强度,1,、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的,SiO,2,纯度可达,99.99999%,，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如,P,2,O,5,和,GeO,2,，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为,2a,3,100,m,2,、包层：含有少量掺杂剂的高纯度,SiO,2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径,2b,125,140,m,3,、一次涂层：厚度,5,40,m,，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受,7kg,拉力,4,、缓冲层：厚度,100,m,5,、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯,1,层,2,层光纤,3,4,5,层护层,5,层大约,0.9mm,左右,二、,光纤的分类1,1、从原材料分：,石英系光纤,多组份玻璃光纤,氟化物光纤,塑料光纤,液芯光纤,掺杂光纤，如掺铒光纤,由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。,材料对性能的影响,按原材料划分,所用原材料举例,可制成光纤按其它方法归类,特点,衰减,强度,可靠性,价格,石英光纤,SiO,2,和掺杂剂,阶跃单模,(SM),阶跃多模,(SI),梯度多模,(GI),低,高,高,高,多成份玻璃光纤,纳钙玻璃,硼硅酸盐玻璃,阶跃多模,(SI),梯度多模,(GI),较低,较低,存在问题,较低,塑包石英光纤,纤芯：,SiO,2,包层：塑料,阶跃多模,(SI),较低,较高,存在问题,较低,全塑光纤,纤芯：聚甲基丙烯酸甲酯,包层：氟代丙烯酸树酯,SI,高,低,有问题,低,光纤分类2,2、按照光纤横截面上折射率分布特征,n(r),分：,阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用,SI,表示,Step Index fibber）,纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。,渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤,（,常用,GI,表示,Graded Index fibber,）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。,W,型光纤 等,b,a,0,a,b,b,a,0,a,b,n(r),n(r),n,1,n,1,n,2,n,2,阶跃型光纤,渐变型光纤,n,1,r,a n,1,1-2,(r/a),g,1/2,r,a,n,2,a r b n,2,1-2,1/2,a,2,m,短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等,三、常用光纤,1、阶跃多模光纤（,SIF）,2、梯度多模光纤（,GIF）,3、单模光纤（,SMF）,目前常用单模光纤有：,G.652、G.653、G.654、G.655,按照零色散波长将单模光纤分为,6,种,非色散位移光纤：,G.652,色散位移光纤：,G.653,截止波长位移光纤：,G.654,非零色散位移光纤：,G.655,色散平坦光纤,色散补偿光纤,G.651,，多模渐变型（,GIF,）光纤,（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统；,G.652,常规单模光纤,，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长,1310nm,色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但,1310nm,处损耗不是最小值（,0.4dB/km,）。光纤工作在,1550nm,窗口衰减小，且具有,EDFA,供选用，但其在,1550nm,窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。,G.653,色散移位光纤,，是第二代单模光纤，其特点是在波长,1550nm,色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。,G.654,截止波长位移光纤,，,1550nm,损耗最小单模光纤，其特点是在波长,1310nm,处色散为零，在,1550nm,处色散为,17,20ps/(nm.km),，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达,0.2dB/km,以下。它主要是一种用于,1550nm,改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离,G.655,非零色散位移光纤,，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（,WDM,）系统中，当使用波长,1550nm,色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。,如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。,G.655,光纤的特点,是有效面积大，零色散波长不在,1550nm,，而在,1525nm,或,1585nm,。在,1550nm,有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到,10Gb/s,以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在,1550nm,窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。,康宁,(Corning),公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤,(Long Haul System Fiber),；,AT&T(,美国电报电话,),公司开发的这种光纤称为真波光纤,(True Wave Fiber),色散补偿光纤,，其特点是在波长,1550nm,具有大的负色散，这种光纤是针对波长为,1310nm,的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（,EDFA,）以增加传输距离时，必须把工作波长从,1310nm,移到,1550nm,，。用色散补偿光纤在波长为,1550nm,的负色散和常规单模光纤在,1550nm,的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。,色散平坦光纤,，其特点是色散值在一定范围内为常数，,四、光纤型号的命名方法,根据我国国家标准,GB11819-89,规定，光纤型号应包括光纤的类型代号和规格代号。,1、多模光纤型号的命名方法,现以通信用多模渐变型、工作波长850,nm,的,A,1,-50/125(20)12008C,2,光纤为例，说明多模光纤型号的命名方法。,A,1,-50/125 (20)1 20 08 C,2,多模渐变型,芯径/包层径,数值孔径0.20,工作波长0.85,m,环境温度,带宽长度积800,MHz,km,衰减常数2.0,dB/km,1、多模光纤型号的命名方法,带宽长度积：用千位和百位来表示（,MHz,km）,衰减常数：用个位和小数点后一位来表示,多模光纤类型：,A,1,通信用多模渐变型,A,2,阶跃型,A,3,大数值孔径型,标称工作波长代号,1850,nm；2,1310,nm；,31550,nm；1/2,850/1310,nm；,环境温度代号,C,1,-40+60,C,；C,2,-30+60,C,；,C,3,-20+60,C,；C,4,-5+60,C,；,B,1,-9/125 2 08 C,2,常规单模,模场直径/包层径,工作波长1.31,m,环境温度,衰减常数0.8,dB/km,2、单模光纤型号的命名方法,单模光纤类型：,B,1,常规单模光纤，在1310,nm,附近有零色散波长，最佳工作波长为1310,nm，,其截止波长应小于1310,nm；,B,2,在1310,nm,附近有零色散波长，最佳工作波长为1550,nm，,而,1310 nm,C,G.655 G.653 G.652,推荐方案：陆地干线光网的光纤优选方案,工作波长(,nm),工作方式,传输速率(,Gb/s),G.652,G.653,G.655,1310,单信道,2.5,直接开通,1550,单信道,2.5,G.652+DCF+EDFA,1550,10,直接开通,1550,WDM,10,G.652+DCF+EDFA,1550,单信道,10,直接开通,WDM,G.655+DCF+DWDM+EDFA,DWDM,2.2,光纤的传光原理,分析光纤的传输原理有两种方法：,几何光学法,：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论,应用条件,：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤,波动光学法,：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤,本节主要内容,一、几何光学法射线理论,基础知识,阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径,渐变光纤中的光线轨迹和数值孔径,光线模式的分立性,二、光纤传输的波动理论,模式的概念与线偏振模,归一化频率,模截止频率与导模的传输条件,单模传输的条件,单模光纤,基础知识,1、光谱、光速和媒质的折射率,光在真空中的速度,C=2.997910,8,m/s，,空气中为,C,0,=2.99710,8,m/s，,在其它媒质中的速度,=c/n,n,为折射率,如,n,水,=1.33,n,玻璃,=1.5,n,大为光密媒质，,n,小为光疏媒质，且,n,还与光的波长有关，或者说，不同波长的光在同一媒质中传输速度有差异。如玻璃对红光（波长较大）的折射率比对紫光（波长较小）的折射率小。,2、光的反射、折射和全反射,光波属于电磁波范畴，在均匀介质中传播时，其轨迹是一条直线，可称为光射线。当光射线射到两介质（媒质）交界面时，将发生反射和折射。,i,r,t,n,1,n,2,设入射角为,i,，,反射角为,r,，,折射角为,t,则,i,r,（,反射定理）,n,1,Sin,i,=,n,2,Sin,t,（,折射定理，即斯涅尔,Snell,定理）,当光从光密媒质向光疏媒质入射，,则,t,i,当光从光疏媒质向光密媒质入射，,则,t,n,2,，,则此时介质中折射线将离开法线而折射，,r,t,。,当入射角增加到某一值时，可使得折射角,t,=90,o,这时折射线将沿界面传输，此时的入射角称为临界角，用,c,表示。,根据折射定理,n,1,Sin,i,=,n,2,Sin,t,当,i,c,时，折射角,t,必大于90,o,，,光射线不再进入介质，而由界面全部反射回介质，这种现象称为全反射。此时反向系数的模值等于1。,全反射并不是从入射处发生的，而是好像透入到第二媒质中一定深度，与其表层结构互相作用，才使得入射光改变方向，发生全反射。此现象称为古斯汉欣相移（,GH,相移）。,GH,相移,1、阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径,（1）光线轨迹,光线 1 以,角入射，折射角为,1,，,若在包层纤芯边界满足：,90,o,1,c,（,全反射临界角,),，则光线 1 以之字形折线在纤芯中传播，直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出。,始终被束缚在芯区中的光线被称为“传导模”，或简称“导模”光线,根据斯奈尔(,Snell),定律,有,n,0,Sin,n,1,Sin,1,n,1,Cos,1,光线 2 以,c,角入射，折射线在包芯边界恰好满足全反射（折射角为90,o,），相应光线将以为,c,入射到交界面，并沿交界面向前传播。,光线 3 的初始入射角较大，致使到达芯包层界面时不满足该处全反射条件，此光线折射进入包层。这种光线的能量经过不长光纤的传输（约几百米）便损失掉了。,这种光线被称为“包层模”或“辐射模”光线，它对光纤通信无效。,（2）数值孔径,由上述三种光线轨迹可知，只有在半锥角为,c,的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角,c,的正弦为数值孔径（,Numerical Aperture,NA)。,根据定义和斯奈尔定律,NA=n,0,Sin,c,=n,1,Cos,c,，,n,1,Sin,c,n,2,Sin,90,o,解之有：,式中，,(n,1,-n,2,)/n,1,相对折射率差,如,0.01，n,1,=1.5，,则,NA=0.21,或,12.2,o,数值孔径,NA,是光纤接受和传输光的能力，它取决于折射率,n,NA(,或),c,越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在,c,内的入射光都能在光纤中传输。,NA,越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。,但,NA,越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。,ITUT(CCITU),规定：,NA0.150.24,0.002,我国规定：,NA0.2,0.02,（3）子午光线、斜光线和螺旋光线,子午光线：光线始终在经过轴线的某个平面内，该面为子午面。若入射光线原来就在子午面内，则射入光纤后仍为子午光线。,斜光线：光纤入射方向与子午面有一夹角，则射入光纤后，将形成一条条空间折线，此折线在圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等长弦。,一般它们不一定形成正多变形，而绕轴足够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充满以纤芯边界为外圆的环行区，环的内圆半径等于等长弦的弦心距。,实际上，光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆形管壁中曲折前进的。,螺旋光线：当内圆柱面半径加大，最后与纤芯边界重合，此时的光线轨迹相当于沿着芯包边界的圆柱面螺旋前进，因而被称为螺旋光线。,光纤端面上接受斜光线入射角的最大角,s,与,NA,有：,Sin,s,Cos=NA,，,相邻两段等长弦的夹角之半,由此可以看出，在满足芯包边界全反射的条件下，对斜光线的端面入射角度比对子午光线有所放松。那些在“放松”角度范围内入射的斜光线，有时被称为“隧道模”光线。它们虽然能在芯区正常传输，但因不易定量分析，常被暂时忽略，只在其影响正确测量时，才设法避免或修正。,2、梯度光纤中的光线轨迹和局部数值孔径,其光线轨迹可用射线方程来描述,深入分析表明，抛物光纤中的光纤轨迹近似正弦线。,自聚焦效应：,渐变多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应当光线会聚焦在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。,这是因为光线传播速度,v(r)=c/n(r)，,入射角大的光线经历代路程较长，但大部分路程远离中心轴线，,n(r),较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢，所以这些光线的时间延迟相等。,二、光纤传输的波动理论,电磁波在光纤中传播的基本方程,直角坐标系下的麦克斯韦方程组,柱坐标系下的波动方程,阶跃光纤中的光场,阶跃光纤的本征值方程与模式,单模光纤,a,、贝塞尔函数,b,、修正的贝塞尔函数,a,、贝塞尔函数,b,、修正的贝塞尔函数,零阶和一阶贝塞尔函数的根值表,J,0,(u,c,),2.405,5.20,8.654,11.620,J,1,(u,c,),0,3.832,7.016,10.173,光纤传输的波动理论的主要概念和结论,模式的概念与线偏振模,归一化频率,模截止频率与导模的传输条件,单模传输的条件,单模光纤,1、模式的概念与线偏振模,波动方程的一个“特解”，表示电磁场的一种稳定存在形式，用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种特定图案。这种电磁场分布的特定图案或称“场型”，被称为“模式”,在均匀介质传播的光波可以认为是平面波，其电场和磁场的方向与光的传播方向垂直，而且是正交的两个分量，即横电磁波(,TEM)。,当光在由几种媒介组成的非均匀介质中传播时，据传播方向有无电磁场分量可分为：,横电磁波（,TEM）,传播方向上无电场,和磁场分量,横电波(,TE),传播方向上无电场，有磁场分量,横磁波(,TM),传播方向上有电场，无磁场分量,混合波(,EH、HE),传播方向上既有电场也有磁场分量,在这些电磁波中，有一部分的场型和传播速度是相同的，通常，我们把这些场型分布相同的模式称为简并模,计算表明，能在光纤中存在的导模有,TE,on,、TM,on、,HE,mn,、EH,mn,四种。,(m,表示在圆周方向上有,m,对最大；,n,表示在半径方向上有,n,个最大,),下面是几个低阶模的场分布,几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，,g=2,/,）,(a)HE,11,模的场结构,(b)HE,11,模的简化图,(a)TE,01,模的场结构,(b)TE,01,模的简化图,几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，,g=2,/,）,(a)TM,01,模的场结构,(b)TM,01,模的简化图,几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，,g=2,/,）,线偏振模,LP,DoGloge,提出把这些简并模集中在一起，称为线偏振模，用,LP,表示。这就是说，不管,TE、TM、HE、EH,的区别,只考虑它们的相位常数，把相位常数相等的模式都给予一个相同的称呼，即,LP,mn,模。（,Linearly Polarized mode）,m、n,表示不同,LP,模的特征,m,沿圆周方向光场强度出现零点（或极点）的对数,n,沿径向出现的零点个数,低次,LP,模与,TE、TM、HE、EH,模的对应关系,简并模,混合模,简并度,LP,01,HE,11,2,2,LP,11,TE,01,、TM,01,、HE,21,2,4,LP,21,EH,11,2、HE,31,2,4,LP,02,HE,12,2,2,LP,31,EH,21,2、HE,41,2,4,LP,41,EH,31,2、HE,51,2,4,LP,22,EH,12,2、HE,32,2,4,下图表示了几种,LP,模的电场分布与,x,方向的场强分布,LP,01,HE,11,LP,11,HE,21,LP,21,EH,11,LP,21,HE,31,LP,11,TM,01,LP,11,TE,01,2、归一化频率,V,和导模数计算,在分析光纤中光的传播模式时，要经常用到一个主要参数,教材上给出了其定义为：,归一化频率不仅包含了光纤的主要参数,a、n、,，,而且还考虑了所传输光的波长,所以，它是一种具体光纤中光的具体传输状态度综合反映。由于,V,具有频率的量纲，故称之为归一化频率,归一化传播常数,b,为：,导模数计算公式,一般，导模数,M,为：,g,折射率分布指数,V,归一化频率,当,g,时，为阶跃光纤，导模数,M=V,2,/2；,当,g2,时，为抛物光纤，导模数,M=V,2,/4；,当,g1,时，为三角光纤，导模数,M=V,2,/6；,3、模截止频率与导模的传输条件,光纤中可能存在各种模，若考虑它们能否稳定存在，先要确定某个模式能否存在的“门限”参数，这个参数的量纲和,V,相同，用,V,cmn,表示，代表,mn,序号的某模式(如,LP,mn,),的截止频率。,当客观条件小于此值时，这种模式便不存在,称截止。实际上是这种场型的电磁波不能在芯区形成驻波振荡，而向包层辐射出去了。,各种模式截止的门限值与光纤的折射率有关，而与,a、n,0,、,等具体参数没有直接关系。,几种低阶模式的截止频率值,模式,LP,01,LP,11,LP,21,LP,02,LP,12,LP,22,LP,13,LP,23,V,c,0,2.405,3.832,5.136,5.520,7.016,8.654,10.173,对应的电磁场,HE,11,HE,21,TM,01,TE,01,EH,11,HE,12,HE,31,EH,21,HE,41,TE,02,TM,02,HE,22,EH,51,HE,51,HE,13,EH,12,HE,32,EH,41,HE,61,TE,03,TM,03,EH,22,EH,23,HE,33,理论计算对于阶跃光纤得出的部分模式的模截止频率如下表：,关于其它折射率分布形式的光纤，各模式,V,c,值可用下列公式进行估算,g,折射率分布指数,如,g2，,梯度光纤，,V,cg,=1.47V,c,导行条件,：,V V,c,，V,大于某一模式的归一化频率,V,c,，,则该模式便在光纤中导行；,截止条件,：,V V,c,，V,小于某一模式的归一化频率,V,c,，,则该模式不在光纤中导行；,临界条件,：,V V,c,LP,mn,模截止值和远离截止值,方位角模数,0,本征方程,本征方程,截止值,u,c,远离截止值,u,V=0,J,1,(u,c,)=0,J,0,(u,)=0,u,c,0,3.832 7.016 10.173,u,2.405,5.520 8.654 11.792,LP,0n,LP,01,LP,02,LP,03,LP,04,V=1,J,0,(u,c,)=0,J,1,(u,)=0,u,0,u,c,2.405,3.832 7.016 10.173,u,3.832,7.016 10.173 13.273,LP,1n,LP,11,LP,12,LP,13,LP,14,低阶(,v=0,和,v=1),模式和相应的,V,值范围,V,值范围,LP,模,电磁场,02.405,LP,01,HE,11,2.4053.832,LP,01,HE,21,TM,01,TE,01,3.8325.520,LP,01,HE,12,5.520 7.016,LP,01,HE,22,TM,02,TE,02,7.0168.654,LP,01,HE,13,8.65410.173,LP,01,HE,23,TM,03,TE,03,4、单模传输的条件,在各模式的截止频率中，,LP,01,模的,V,c,=0，,最低，称该模为“基模”，或“最低次模”；,LP,11,模的,V,c,=2.405，,为第二低的截止频率，称该模为“次低阶模”，或“二阶模”；,其它,V,c,更高，称高阶模。,若在光纤中选取合适的,a、n,0,、,、,，,可使,V 2.405，,从而抑制,LP,11,模及所有高阶模的传输。,由于,V,c01,=0，,即基模永不截止。,所以，,单模传输的条件为:,V V,c11,=2.405,一般，,对阶跃型光纤，,g,，V,c,=2.405;,对抛物型光纤，,g,2，V,c,=3.533;,对三角型光纤，,g,1，V,c,=4.739;,例:若想在目前的多模光纤中实现单模传输，应选用怎样的光波长？,也就是说，如果有波长为14,m,或更长的实用光源，且光纤在此波长下损耗低，则目前通用的多模光纤就可以作为单模光纤使用。,5、单模光纤的模场直径(,MFD),由于多模光纤传输的光能并不是完全集中于纤芯之中，而是有相当部分在包层中传输，所以很难用纤芯的几何参数进行描述。为了便于研究，在单模光纤中引入了模场直径这一参数来表征导光区域的大小。它是取代光纤芯径的参数。,模场直径(,MFD),定义,定义:若单模光纤中的光强呈高斯分布，则将光波场强幅度下降到1/,e,时的各点所连成的圆周直径定义为,MFD（,常用2,0,表示）,若光强不呈高斯分布，则按下式定义：,式中,F,2,(q),为主模的远场强度分布，,q=Sin,/,，,为远场角，,为波长，具体应用可参看,ITU-T,的相关建议。,(,远场：距离光纤端面20,mm,以上的区域,),ITUT,规定，在1.31,m,波段上，模场直径的标称值应当在910,m,范围内，容差为,1,m,。,模场直径表征着光场在纤芯的分布情况，并且与纤芯半径和归一化频率,V,值有关，见右图。,模场半径与纤芯半径,的关系为,(见后图),/a,2 3 4 5,V,1 0.8 0.6 0.4,当两根光纤连接时，由模场直径计算接续附加损耗公式为：,1、当两纤芯轴对得很准，但两光纤模场直径分别为,1,和,2,，,则,2、当两根光纤模场直径相当，但两纤芯未对准，有横向偏移,d，,则：,双折射和偏振保持光纤,偏振是单模光纤所特有且很重要的问题。多模光纤传输几百甚至上千个模式。各模的偏振尽管沿途变化和旋转，但除了在终端可能产生模式噪声外，对其他性能没有影响，故不必专门考虑偏振问题。但对单模光纤，偏振却极为重要。这不仅因为当单模光纤的模内色散为零时，偏振色散将成为色散的极限，而且还因为偏振对相干光通信的实现，对集成光路和单模传感器的制作等都有重要影响和应用。,1,、偏振现象（光纤的双折射特性）,前面讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此,HE,11,(LP,01,),模的,x-,偏振模,HE,x,11,(E,y,=0),和,y-,偏振模,HE,y,11,(E,x,=0),具有相同的传输常数,(,x,=,y,),，两个偏振模完全简并。,但实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数,(,x,y,),，形成相位差,，简并被破坏。这种现象称为单模光纤中的双折射现象。,2,、单模光纤中双折射的种类,极化：随着时间的变化，电场或磁场的空间方位如何变化？一般把电场的空间方位作为波的极化方向，在研究光波传输时，常用偏振来表示。,光矢量的空间方位称为光的偏振。一般分为三种类型的偏振光：,线偏振光：光矢量的端点描绘出的图形是一条直线；,圆偏振光：如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等，相位相差,/2,，则,光矢量的大小不变，而方向绕传输方向旋转，矢量端点的轨迹是一个圆；,椭圆偏振光：如果电场强度的两个分量，空间方位互相垂直，振幅和相位都不等时，随着时间,t,的变化合成矢量的轨迹是一个椭圆；,对应以上三种偏振光，单模光纤中的双折射也有三种：,线双折射：线偏振光在两个正交的方向上，如果有不同的折射率，因而有不同的相位常数的双折射；,圆双折射：在传输媒质中，当左旋偏振波与右旋偏振波有不同的折射率时，从而使其有不同的相位常数,椭圆双折射：当线双折射与圆双折射同时存在时,3,、单模光纤偏振态的几个物理量,(3),拍长：,在纵向均匀的单模光纤中，当两个正交偏振模的相位差达到,2,时，光在光纤中所传输的距离,L,就称为一个拍长,L,b,。,(1),模式双折射或偏振双折射,我们把两个偏振模传输常数的差,(,x,y,),定义为双折射,，通常用归一化双折射,B,来表示,其中,光在自由空间中的波长；,n,x,、,n,y_,两正交偏振模,HE,11x,、,HE,11y,的有效折射率,(2),归一化双折射,B,各种由内应力产生线双折射的结构,4,、稳定偏振态的途径和方法,存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。一般单模光纤,B,值虽然不大，但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难。,方法：,合理的解决方法是通过光纤设计，人为引入强双折射，把,B,值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。,强双折射光纤和单模单偏振光纤为,偏振保持光纤,。,获得偏振保持光纤的方法很多，例如引入形状各向异性的椭圆芯光纤。,制作低双折射率的光纤；,制作高双折射率的光纤；,制作单偏振光纤；,波片法，保持或恢复光纤输入、输出端偏振方向一致,2.3,光纤的特性（性能）,光学性能：几何尺寸、,NA、LAN、2,0,、,剖面折射率分布,传输性能,损耗（衰减）,色散,串扰,机械性能,稳定性能,传输性能,一、损耗（衰减）性能,光纤是一种传输媒质，光波在其中传播单位距离就有相当一部份能量被吸收或散射。传播波的振幅衰减主要是由于过渡金属离子和以氢氧根形式出现的水吸收引起的。,光纤衰减以衰减系数,来衡量，它是度量光能在光纤中传输损失的参数。,光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少。即,P(L)=P(0)e,(-,L/10),P(0)L=0,处注入光纤的光功率,P(L),传输到轴向距离,L,处的光功率,定义：单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为,L,时，,P,in,输入光纤的光功率，,P,out,输出光纤的光功率，,L,被测光纤的长度，,光通信工程中，长度为,L,i,，,衰减系数为,i,的,N,段光纤相连接，则全长,L,为,s,平均每连接点的损耗，,y,连接点数,的大小，不仅标志着光纤制作技术的水平，而且也决定了光纤通信中的距离的长短。,光纤损耗产生的原因和分类,损耗,散射,吸收,材料固有吸收,原子缺陷吸收,杂质吸收,氢氧根离子吸收,过渡金属离子吸收,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,光纤结构不完善散射,非线性效应散射,弯曲损耗,单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理,光纤损耗的谱特性及工作窗口,三种实用光纤损耗谱,优质单模光纤损耗谱,减少光纤损耗的途径,提高光纤材料的化学纯度，减少杂质吸收损耗，改进与提高光纤的制作工艺，减少材料中,OH,根离子的吸收损耗和波导效应的散射损耗。,弯曲损耗,：光纤弯曲时，原先按全内反射规律沿光纤前进的光线，由于入射角不再小于临界角，部分光线将按照折射定律进入包层，不再返回。或导模的部分能量转化为辐射能而被消耗掉，致使到达光纤终端的能量受到削弱，通常称之为弯曲损耗。,二、光纤的色散特性,色散(,Dispersion),指在光纤中传输的光信号由于不同成份的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。,色散一般包括,模式色散,、,材料色散,、和,波导色散,。,这在通信中将产生码间干扰，导致通信容量、通信速率、传输距离的降低。,色散参数,D,的单位,ps/(nmkm)，,代表两个波长间隔为1,nm,的光波传输1,km,距离后到达时间的延迟。,色散对光纤系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。,如果信号是模拟调制的，色散限制带宽（,Bandwidth）;,如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽(,Pulse broadening)。,所以，色散通常用3,dB,光带宽,f,3dB,或脉冲展宽,表示。,用脉冲展宽表示时,光纤色散可写成：,(,n,2,+,m,2,+,w,2,),n,、,m,、,w,分别为模式色散、材料色散、波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。,色散、带宽和脉冲展宽,一般，频率响应|,H(f)|,随频率的增加而下,降，在表明输入信号的高频成份被光纤衰减了，起到了低通滤波器的作用。将归一化频率响应下降一半或减小3,dB,的频率定义为光纤3,dB,光带宽,f,3dB,。|H(f,3dB,)/H(0)|=1/2,当系统光源的频谱宽度比信号的频谱宽度大得多，光纤可近似为线性系统，此时，输出光脉冲一般为高斯波形，设,P,0,(t)=h(t)=exp(-t,2,/2,2,),式中,为均方根(,rms),脉冲展宽，进行傅立叶变换，带入定义有：,用高斯脉冲半极大全宽(,FWHM),脉冲宽度,和,是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为,ns。,设频率为,的一光谱分量经过长为,L,的单模光纤时，其时延为,T=L/v,g,，,e=2.718281828,，,1/e,1/2,0.606530659,1/e=0.367879441,色散产生的原因及分类1,模式色散,由传输模式引起的色散，只存在于多模光纤中。每一种传输模式到达光纤终端的时间先后不同，造成脉冲展宽，从而出现色散现象。,对阶跃多模光纤，以不同的入射角,i,进入光纤的光线，虽然在入射端同时入射，并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不相同，出现了时间上的分散，导致脉冲展宽严重，即发生了多径色散。路径最短的光线，即,i,0,o,的光线，正好等于光纤长度,L，,路径最长的为,L/Sin,c,。,由于纤芯中光速为,v=c/n,1,则这两条光线到达输出端的时差,为：,为使这种展宽不产生码间干扰，,T,应小于信息传输容量决定的比特间隔，即,TT,B,，,而,T,B,=1/B,，,则应有,B,T1,，,则光纤信息传输的容量为,例如：无包层的特殊光纤，,n,1,=1.5，n,2,=1.0，（,空气）,0.33，,很大，则,BL0.4(Mb/s)km，,减小,值，,BL,可以提高很多。一般,0.001，当,0.002 BL100(Mb/s)km，,它能以10,Mb/s,的速率将数据传送10,km，,适用于局域网。,对渐变光纤，其最大路径时差，即模间色散,T,/,L,将随,g,而变。对,n,1,=1.5，,0.01,的渐变光纤，最小色散发生在,g=2(1-,),处，它与,的关系为：,T,/L=n,1,2,/8c,利用准则,B,T1,，,比特率距离的极限为：,BL8c/n,1,2,(Mb/s)km,它能使100,Mb/s,的数据传输100,km，,其,BL,积达约10,(Gb/s)km，,比阶跃光纤提高了3个数量级。,三种不同光源的均方根脉冲展宽与折射率分布指数的关系,色散产生的原因及分类2,材料色散,由光纤材料引起的色散,光在光纤中传播速度,v=c/n,1,(,)，n,1,(,),是光波波长的函数，即同一材料对不同波长的折射率不一样。,当含有不同波长的光脉冲（非单色光）通过光纤传输时，其传输速度不一致，这时，光脉冲被展宽出现色散。,色散产生的原因及分类3,波导色散又称结构色散，是由光纤的几何结构决定的色散，光纤的横截面尺寸起主要作用。,当波导结构不完整，除产生模交换外，还可能引起部分光纤进入包层，而这些光线的传播速度大于纤芯中的光脉冲传播速度，这样光脉冲被展宽。,色散除与上述三种有关外，还与光源的频谱宽度有关。,不同结构单模光纤的色散特性,常规单模光纤带宽和波长的关系,各种光纤的,ITUT,建议,G.651：,多模渐变型光纤,G.652：,常规单模光纤,G.653：,色散移位光纤,G.654：1.55,损耗最小的单模光纤,G.655：,非零色散光纤，改进的色散移位光纤,色散补偿光纤,色散平坦光纤,ITU-T:,国际电信联盟,电信标准化机构；（,CCITT-,国际电报电话咨询委员会和,IEC-,国际电工委员会）,光纤特性标准,一般分类,多模,单模,ITU-T,编号,G.651,G.652,G.653,G.654,折射率分布,GI,特征,常规,色散移位,1.55,m,损耗最小,纤芯材料,包层材料,玻璃,玻璃,纤芯材料,包层材料,玻璃,玻璃,玻璃,玻璃,玻璃,玻璃,纤芯直径,/,m,包层直径,/,m,50,6%,1252.4%,模场直径,/,m,包层直径,/,m,(910),10%,1252.4%,(78.3),10%(1550nm),1252.4%,10.5,10%,1252.4%,纤芯不圆度,/%,包层不圆度,/%,同心误差,/%,6,2,6,模场不圆度,包层不圆度,/,模场同心误差,/,m,-,2,1,-,2,1,-,2,1,一般分类,多模,单模,数值孔径,0.18,0.24(,0.02,),截止波长,/nm,光纤,C,光缆,CC,11001280,1270,在研究中,13501680,1530,损耗,/(dB/km),850nm,1300nm,1550nm,34,0.83,1300nm,1550nm,1.0 (0.3-0.4),0.5 (0.20-0.25),1550nm,讼绕,75,圈，,75,，附加损耗,0.5dB,0.5 (0.20-0.25),0.25 (0.20),色散,/(ps/(nm.km),850nm,1300nm,1550nm,120,6,12851330,Nm,1550nm,3.5,20,3.5(15251575nm),20,带宽,/(MHz.km),850nm,1310nm,2001000,2001200,1300nm,1550nm,*括号里的数字是已经达到的水平,三、传输特性串扰,1、定义,2、产生串扰的机理,3、计算办法,4、防护措施,1,、定义,如果存在两根平行放置的、结构相同的光纤，在其中传输的导模也完全相同，则沿光纤“,1”,传输的光波，由于某种原因进入光纤“,2”,并对沿光纤“,2”,传输的信号造成干扰的现象，称为光纤间出现了串扰。,2,、产生相互串扰的机理,定向耦合效应,由散射现象造成的串扰,3,、计算,近端串音衰减,A,0,=P,w10s,-P,w20c,远端串音衰减,A,l,=P,w10s,-P,w2lc,4,、防护措施,选择工作波长时，尽可能远离截至波