光纤通信第一章光纤的基本理论.pptx

光纤通信,教材：顾畹仪,光纤通信,（第,2,版）人民邮电出版社,2011,。,参考书：,1.Joseph C.Palais,光纤通信,（第,5,版）电子工业出版社,2015,。,2.,3.,#,CH 1,光纤通信,B,授课老师：覃国车,Email,：,277856898,2015,年秋,教材,：顾畹仪，,光纤通信,（第,2,版），人民邮电出版社，,2011,。,参考书,：,1.Joseph C.Palais,，,光纤通信,（第,5,版），电子工业出版社，,2015,。,2.,王辉 等，,光纤通信,(,第,3,版,),电子工业出版社，,2014,。,3.,马丽华 等，,光纤通信系统,北京邮电大学出版社，,2009,。,第,1,章 光纤的基本理论,1.,光纤的结构与分类,2.,光纤的射线光学分析,3.,光纤的波动光学理论,4.,光纤的损耗,5.,光纤的色散,6.,光纤的非线性效应,一、光纤的结构,一、光纤的结构,纤芯,：位于,光纤中心,，直径2,a,为575,m,作用是,传输光波,。,包层,：,位于,纤芯外层,，直径2,b,为100150,m,作用是,将光波限制在纤芯中,。,纤芯和包层,即组成,裸光纤,，两者采用高纯度二氧化硅（,SiO,2,）,制成。,如何将光波限制在纤芯中传播？,一、光纤的结构,为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率,n,2,比纤芯材料折射率,n,1,小，即,光纤导光的条件是,n,1,n,2,。,一、光纤的结构,一次涂覆层,纤芯,包层,套层,一次涂覆层 包层 纤芯,套层,一、光纤的结构,一次涂覆层 包层 纤芯,套塑层,一次涂敷层,是为了增强裸光纤的,柔韧性,而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30150,m。,套塑层,又称,二次涂覆层,，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。一次涂覆层和套塑层之间填充了缓冲材料以提高裸光纤的,机械强度,。,光纤芯线,一、光纤的结构,为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成,光缆,，使其具有良好的,传输性能,以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等,机械性能。光缆一般由,缆芯、加强元件和护层三部分组成。,一、光纤的结构,缆芯,：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。,加强元件,：用于,增强光缆敷设时可承受的负荷,。一般是金属丝或非金属纤维。,护层,：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是,对已成缆的光纤芯线进行保护,。根据敷设条件可用铝带、聚乙烯等，护层可分为内护层和外护层。,二、光纤的分类,(,一,),按光纤横截面折射率分布分类,阶跃型,：纤芯折射率为常数,n1,，包层折射率为常数,n2,且,n1n2,纤芯和包层相对折射率差,为1%2%,。,二、光纤的分类,(,一,),按光纤横截面折射率分布分类,渐变,型,：纤芯折射率在中心处为常数,n1,，随着半径的增大而逐渐减小，在纤芯和包层界面处减小至,n2,，,包层折射率为常数,n2,。,二、光纤的分类,(,一,),按光纤横截面折射率分布分类,W,型,：,在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。,二、光纤的分类,(,二,),按光纤中的传导模式数量分类,模式,：,通常将,光波信号在光纤中的电磁,场分布图称为“模式”。,P21,图,1-11,光纤中可以传输的模式数量取决于光纤的,工作波长,、光纤,横截面折射率的分布,和光纤的,参数结构,。,二、光纤的分类,(,二,),按光纤中的传导模式数量分类,单模光纤,在,给定的工作波长,上,只传输单一基,模,。在,单模光纤,中光线沿着,平行于纤芯轴线的方向,传播。,2b=125m 2a,10,m,。,多模光纤,纤芯内,传输多个模式,的光波。在多模光纤中光线在纤芯和包层的界面来回全反射,曲折向前,传播，不同模式沿不同的路径传播。,2b=125m 2a,=50,m,62.5 m,二、光纤的分类,(,三,),按光纤构成的原材料分类,石英,系光纤,多组分玻璃光纤,塑料包层光纤,全塑光纤,射线,光学理论,：,当,光波导尺寸远大于光波长时，,可忽略,光波长用光,射线代表,光能量传输路线的方法,。,光纤的分析方法,波动光学,理论：,求解满足边界条件,的麦克斯韦方程组,的光场。,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,全反射,光纤的相对折射率差,光纤的数值孔径,最大群时延差,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,（一）全反射,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,阶,跃光纤的子午光线,1.,入射角,=,最大入射角,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,阶,跃光纤的子午光纤,2.,入射角,最大入射角,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,阶,跃光纤的子午光线,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,（三）数值孔径,NA,越大，光纤的集光能力越强,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,越大，光纤的集光能力越强,越大就越好，是真的吗？,（三）相对折射率,差,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,（四）最大群时延差,越大，模式色散越大，,限制光纤传输带宽,三、多模阶跃型光纤的,射线,光学理论分析,集光,性与带宽真的像“鱼和熊掌不能兼得”吗？,四,、渐变折射率光纤,的,射线,光学理论分析,包层,n1,n11,n12,n2,包层,n11,n12,n2,四,、渐变折射率光纤,的,射线,光学理论分析,1.,同样的入射角，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。,与阶跃型光纤比较,2.,离轴心越远，传播速度越快（,v=c/n,）,进一步减小最大群时延差。,适当,选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有大致相等的光程,。,四,、渐变折射率光纤,的,射线,光学理论分析,不同模式的光波呈现周期性的重新汇聚,四,、渐变折射率光纤,的,射线,光学理论分析,用,射线方程可以证明，当折射率分布取双曲正割函数时，所有的子午线都具有完善的,自聚焦,性质。,四,、渐变折射率光纤,的,射线,光学理论分析,渐变光纤中引入,本地数值孔径,的概念,光纤,端面上某一点的数值孔径,，体现了改点聚集光线的能力。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,入射角位于,0,max,所有光线都能在光纤中传输吗？,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,根据波动光学理论可知，若光纤的结构参数（,a,n,等）给定，则在特定波长上只有某些,特定的传播模式,存在。,只有特定入射角的光波,才会在光纤中传递能量,Why?,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,光波由高速震荡的电场和磁场组成，这些场以波的形态高速传播。,电磁波,电场峰值幅度,光波角频率,传播因子,k=,/v(rad/m),光波频率,光波传播方向,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,电磁波,t=t1,t=t2,t=t3,z,相位,光波传播距离,z,后产生的相移,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,如何才能形成稳定的干涉模式？,t1,t2,t3,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,如何才能形成稳定的干涉模式？,驻波图形,L,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,如何才能形成稳定的干涉模式？,L,Z,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,如何才能形成稳定的干涉模式？,通过改变光线的入射角来改变光程，使得总相移等于,2,的整数倍，从而可以产生稳定的干涉波。,满足上述条件的入射角为若干个离散值，每个值对应的入射光为一种特定传播模式。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,麦克斯韦方程组,光纤是一种无传导电流、无自由电荷且各向同性的介质光波导。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,若电磁场做简谐振荡，由波动方程可以推导出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程：,传播因子,介质折射率,真空中的传播因子,真空中的光波波长,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,在直角坐标系中，电场和磁场的,x,、,y,、,z,分量均满足标量的亥姆霍兹方程,求上述亥姆霍兹方程满足边界条件的解，即可得到光纤中的场的解答。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,假设光纤为,弱导波光纤,（,很小），则可认为光纤里的,横向电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，因此可求出近似解，即为标量阶。,很小,光线几乎是与光纤的轴线平行传播，类似于一个横电磁波（,TEM,波）,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,圆柱坐标系代替直角坐标系,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,选择横向电场的偏振方向沿,y,轴，则它满足标量亥姆霍兹方程：,在圆柱坐标系中展开,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,采用分离变量法求解得常数,电场强度沿光纤径向变化状态,电场强度沿圆周方向变化状态,电场强度沿光纤轴向变化状态,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,电场强度沿,z,向呈,行波,状态：,k,h,纤芯和包层界面全反射角,纵向传播因子,/,相位常数,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,电场强度沿圆周方向呈,驻波,状态：,m,表示场沿着圆周方向变化出现最大值的对数，例如,m=1,在,0,2,有,1,对最大值和最小值。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,将,E,y,=R(r),(,)Z(z),代入标量亥姆霍兹方程，得：,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,M,阶贝塞尔函数,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,光场在纤芯内服从贝塞尔函数振荡传播,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,m,阶第,2,类修正贝塞尔函数,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,亥姆霍兹方程,标量解,光场在包层中服从第二类修正贝塞尔函数迅速衰减,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解,几个重要参数,归一化径向相位常数,U,：,归一化径向衰减常数,W,：,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解,几个重要参数,光纤归一化频率,V,：,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解,纤芯中的波阻抗,包层中的波阻抗,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解的特征方程,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量解的特征方程,通过任一特征方程解出,U(,或,W),，进而确定,W(,或,U),和相位常数,，从而确定光纤中的场及其特性。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,1.V,值情况下,相当于光在折射率为,n1,的无限大空间中传播,k,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,1.V,值情况下,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,U=,mn,为使得,J,m,(x)=0,的第,n,个根。,1.V,值情况下,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,U=,mn,为使得,J,m,(x)=0,的第,n,个根。,1.V,值情况下,m,n,确定，,U=,mn,确定，对应的传播模式确定，记为,LP,mn,模。,n,m,0,1,2,1,0,2.40483,3.83171,2,3.83171,5.52008,7.01559,3,7.01559,8.65373,10.17347,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,U=,mn,为使得,Jm(x)=0,的第,n,个根。,1.V,值情况下的几点结论,W,:,W0,，光纤导波,V,:,场完全集中在纤芯中，包层中的场为零。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,2.LP,mn,模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件,如果,n,2,k,0,，,光线如何在光纤中传播呢？,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,2.LP,mn,模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件,以归一化衰减常数,W,的取值作为衡量标准,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,2.LP,mn,模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件,以归一化衰减常数,W,的取值作为衡量标准,归一化截止频率,截止时的归一化径向相位常数,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,2.LP,mn,模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件,LP,mn,模的截止频率,V,c,=U,c,为,m-1,阶贝塞尔函数的根,结论：对于某一光纤，每个模式都有一个相应的截止频率，当,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,2.LP,mn,模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件,结论：对于某一光纤，每个模式都有一个相应的截止波长，当光波波长小于截止波长,c,时，该模式可传输。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,2.LP,mn,模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件,m,n,0,1,2,1,0,2.40483,3.83171,2,3.83171,5.52008,7.01559,3,7.01559,8.65373,10.17347LP,01,模式单模传输,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,标量模及其特性,结论：光纤的芯径越大，纤芯的折射率越大，相对折射率差越大，工作频率越高，支持的传输模式数量越多。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,矢量解,求满足边界条件的,矢量亥姆霍兹方程,的解即为矢量解。,在圆柱坐标系中出,E,z,，,H,z,外，其他横向分量都不满足,标量的亥姆霍兹方程,。,矢量解法从,E,z,，,H,z,的标量亥姆霍兹方程入手，再通过场的,横向分量与纵向分量的关系,求解其他分量。,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,矢量解,TE,模和,TM,模,五、阶跃折射率光纤的波动光学理论,矢量解,EH,模和,HE,模,六光纤的损耗,光纤对光波产生的衰减作用称为,光纤的损耗,。,六、光纤的损耗,产生损耗的原因,吸收,本征吸收,非本征吸收,红外吸收,紫外吸收,杂质吸收,过渡金属离子,OH,根离子,原子缺陷,六、光纤的损耗,产生损耗的原因,散射,本征散射,非本征散射,瑞利散射,波导散射,玻璃密度不均匀,各种氧化物成分分布不均匀,六、光纤的损耗,产生损耗的原因,其他,光纤弯曲引起的辐射损耗,非线性效应引起受激散射,连接损耗、耦合损耗,六、光纤的损耗,损耗系数,损耗系数定义为单位长度（,km,）光纤引起的光功率衰减。,光纤输入功率,光纤输出功率,六、光纤的损耗,损耗系数,七、光纤的色散,色散,是指介质的折射率,n,随波长,而变化的现象,.,即,n=f(),。,正常色散：,介质的折射率,n,随波长,的增加而减小的色散。,反常色散：,介质的折射率,n,随波长,的增加而增加的色散。,七、光纤的色散,光纤的色散,是在光纤中传输的光信号随传输距离增加，由于,不同频率成分,或,不同传播模式,的光传输时延不同引起的,脉冲展宽,的物理效应。,色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。,产生色散的原因,七、光纤的色散,模式色散,在光纤中同一波长光波（速度相等）由于传播模式不同使得,光程不同,，不同模式到达时间不同造成色散。,七、光纤的色散,材料色散,材料色散是由于光纤的,折射率随波长,变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。,七、光纤的色散,波导色散,材料色散是由于,同一模式的相位常数,随波长,变化而使模式内不同波长的光时延不同产生的色散。,七、光纤的色散,光纤色散的表示方法,1.,色散系数,D(,):,单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差。,单位长度光纤上的时延差，单位是,ps/km,光源的光谱宽度,七、光纤的色散,光纤色散的表示方法,2.,最大时延差,:,描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。,越大，色散越大,七、光纤的色散,光纤色散的表示方法,3.,光纤带宽,B,:,光纤每公里传输带宽。光脉冲在光纤中传输后，光波的幅度随着调制频率增加而减小，因此可以将光纤视为一个低通滤波器。,单位长度光纤上的时延差，单位是,ns/km,八、光纤的非线性效应,八、光纤的非线性效应,受激散射效应,受激散射效应,是光通过光纤介质时，有一部分,能量偏离预定的传播方向,，且光波的,频率发生改变,，这种现象称为为受激散射效应。,受激散射原理,：光通过光纤时，一个,高能量的光子,被散射成一个,低能量的光子,，并产生一个能量等于上述两个光子能量差的,另外一个能量子,。,受激拉曼散射：另外一个能量子为声子,受激布里渊散射：另外一个能量子为光子,八、光纤的非线性效应,折射率扰动,在较高光功率下，石英光纤的折射率与光功率有关，它们的关系为：,线性折射率,非线性折射率系数,入射光功率,光纤有效面积,八、光纤的非线性效应,折射率扰动引起的非线性效应,自相位调制（,SPM,）,：光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化,对自身相位的作用,，它导致光脉冲频谱展宽。,交叉相位调制（,XPM,）,：任一波长信号的相位,受其它波长信号强度起伏的调制,产生的。,XPM,不仅与光波自身强度有关，而且与其它同时传输的光波的强度有关，所以交,XPM,总伴有自相位调制。,XPM,会使信号脉冲谱展宽。,八、光纤的非线性效应,折射率扰动引起的非线性效应,四波混频（,FWM,）,：一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生几个不同频率的新光子，在此参量过程中，遵循能量和动量守恒，这样的过程称为,FWM,。,光孤子形成,：非线性折射率和色散间的相互作用，可以使,光脉冲得以压缩变窄,。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子。,八、光纤的非线性效应,折射率扰动引起的非线性效应,四波混频（,FWM,）,：一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生几个不同频率的新光子，在此参量过程中，遵循能量和动量守恒，这样的过程称为,FWM,。,光孤子形成,：非线性折射率和色散间的相互作用，可以使,光脉冲得以压缩变窄,。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子。,