光纤传输原理及传输特性 光纤通信技术第二章

光纤传输原理及传输特性光纤通信技术第二章光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光纤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。引言1光纤与光缆的结构和类型2光纤的传输原理3光纤传输特性第二章光纤传输理论及传输特性1光纤与光缆的结构和类型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。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。芯包层树脂被覆层近四十年的努力寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的实用化光纤不断涌现1.2光纤型号ITU-T规定的光纤型号：G.651多模光纤G.652常规单模光纤G.653色散位移光纤G.654波长1550nm处损耗最低光纤G.655非零色散位移光纤1.2光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤图2.2(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)图2.3(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯2a2an1n2n3(a)(b)(b)′特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双包层光纤色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）三角芯光纤椭圆芯光纤双折射光纤或偏振保持光纤。主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。•突破色散限制传输光纤的改进（1）：G.653色散位移光纤EDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652传输光纤的改进（2）：G.655非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFA频带0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.6551.3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）制造光纤预制棒的MCVD流程示意图光纤拉丝装置示意图1光缆基本要求保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见图应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。二次被覆光纤(芯线)(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线紧套一次被覆光纤松套大套管一次被覆光纤带状线(a)(b)(c)(d)光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。光缆的基本型式层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。带状式把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。2.护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。根据使用条件光缆可以分为：室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。光缆特性弯曲特性温度特性1.4其他光纤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。2.光纤传输原理2.1光纤的射线光学传输理论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。芯包层树脂被覆层根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同-数值孔径(NA)22210212202110sin1cos90sinsincossinnnnNAnnnnnnniccci2112nNA2122211212nnnnnn相对折射率差n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角代表光纤接收光的本领（示意图，比例不符）cin1n2n0(n1略大于n2)1.阶跃光纤1.以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入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同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。模间色散所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内。1.阶跃光纤High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding1.阶跃光纤cin1n2n0经历最短和最长路径的两束光线间的时差:2211sinnncLLLcnTc-传输容量限制:cnnBLBT2121B--信号比特率（最大时延要小于比特脉冲间隔）1.阶跃光纤-传输容量限制:cnnBL212下降，BL上升。对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)，=0.33很大，BL0.4(Mb/s).km减小值，BL能提高很多。一般0.01。当=0.002时，BL100(Mb/s).km，10Mb/s的速率传输10km，适用于一些局域网。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。这是光的自聚焦现象带来的好处。MultimodeGraded-IndexOpticalFiberα112rn[1-Δ()]ran(r)=an(1-Δ)=nraα,SIOFα=2,parabolic-index21nΔΔT=L8c218cBLnΔ2.渐变光纤优化设计的渐变光纤，其BL积达约10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。第一代光波系统就是使用的渐变光纤。单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波和模式理论来讨论。2.2光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论的两个出发点波动方程和电磁场表达式特征方程和传输模式光纤传输的波动理论的两个角度单模光纤的模式特性多模光纤的模式特性求解思路E,ΗMaxwell'sEquationsWaveEquationcylindricalcoordinatesGuidedwaveequationHelmholtz'sEquationboundaryconditionstangenticalcomponentsgeneralsolutioneigenvalueequation(x,y,z)tseparatevariablesnumericalsolvingmnβsuitedfora~λ,wavetheory式中，E和H分别为电场和磁场在直角坐标中的任一分量，c为光速。选用圆柱坐标(r，φ，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为022EKET(2.30)022HKHT(2.31)011222222ZZZZEKErrErrE(2.42)1.波动方程和电磁场表达式设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jωt)，则标量波动方程为光纤中的圆柱坐标xryz包层n2纤芯n1磁场分量Hz的方程和式(2.42)完全相同，不再列出。解方程(2.42)，求出Ez和Hz，再通过麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。把Ez(r,φ,z)分解为Ez(r)、Ez(φ)和Ez(z)。设光沿光纤轴向(z轴)传输，其传输常数为β，则Ez(z)应为exp(-jβz)。由于光纤的圆对称性，Ez(φ)应为方位角φ的周期函数，设为exp(jmφ)，m为整数。现在Ez(r)为未知函数，利用这些表达式，电场z分量可以Ez(r,φ,z)=Ez(r)ej(mφ-βz)把上式代入式(2.42)得到式中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c，λ和f为光的波长和频率。这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔(Bessel)方程(2.49)。设纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包层(r≥a)折射率n(r)=n2，实际上突变型多模光纤和常规单模光纤都满足这个条件。为求解方程(2.49)，引入无量纲参数u,w和V。0)()()(1)(2222222rErmkndrrdErdrrEdZZZ(2.49)因为光