光纤通信期末复习

1第1章概述1、光纤通信的基本概念：利用光导纤维传输光波信号的通信方式。光纤通信工作波长在于近红外区：0.8～1.8μm的波长区，对应频率:167～375THz。对于SiO2光纤，在上述波长区内的三个低损耗窗口，是目前光纤通信的实用工作波长，即0.85μm、1.31μm及1.55μm。2、光纤通信系统的基本组成：（P2图1-3）目前采用比较多的系统形式是强度调制/直接检波（IM/DD）的光纤数字通信系统。该系统主要由光发射机、光纤、光接收机以及长途干线上必须设置的光中继器组成。1）在点对点的光纤通信系统中，信号的传输过程：由电发射机输出的脉码调制信号送入光接收机，光接收机将电信号转换成光信号耦合进光纤，光接收机将光纤送过来的光信号转换成电信号，然后经过对电信号的处理以后，使其恢复为原来的脉码调制信号送入电接收机，最后由信息宿恢复用户信息。2）光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管（LD)。3）光接收机中的重要部件是能够完成光-电转换的光电检测器，目前主要采用光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。特性参数：灵敏度4）一般地，大容量、长距离光纤传输:单模光纤+半导体激光器LD小容量、短距离光纤传输:多模光纤+半导体发光二极管LED5）光纤线路系统：功能：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。组成：光纤、光纤接头和光纤连接器要求：较小的损耗和色散参数3、光纤通信的特点：优点：（1），传输频带宽，通信容量大。（2）传输损耗小，中继距离长：石英光纤损耗低达0.19dB/km，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。（3）保密性能好：光波仅在光纤芯区传输，基本无泄露。（4）抗电磁干扰能力强：光纤由电绝缘的石英材料制成，不受电磁场干扰。（5）体积小、重量轻。（6）原材料来源丰富、价格低廉。缺点：1）不能远距离传输；2）传输过程易发生色散。4、（1）光纤通信在通信网中的未来发展趋势：GFP、ASON、全光网（波分复用技术（WDM）相干光通信超长波长光纤通信光集成技术光孤子通信）（2）相应技术手段：时分复用TDM；波分复用WDM；光时分复用OTDM；光放大技术；色散补偿技术。（3）技术现状：PDH、SDH、WDM、光电收发器、EPON信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接收发射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出2超高速度、超大容量以及超长距离传输的光纤通信一直是人们追求的目标，光纤到户和全光网是人们希望早日实现的梦想。目前1.6Tbit/s的WDM系统已经大量使用，随着技术和业务的不断发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。未来的高速通信网是全光网。它是以光节点代替电节点，节点之间也是全光化，具有良好的透明性、开放性、兼容性以及可靠性，并且能够提供巨大的带宽，网络结构简单，组网非常灵活。要形成一个已WDM技术与光交换技术为主的光网络层，建立起真正的全光网络，必须要解决的问题是消除电光瓶颈，而光纤到户FTTH是解决从Internet主干网到用户的“最后一公里”瓶颈现象的最好方案。第2章光导纤维1、光纤的结构：目前，通信用的光纤绝大多数用石英材料做成的横截面积很小的双层同心圆柱体。光纤由涂覆层、纤芯、包层组成。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1=9～50μm）。多模光纤的纤芯为50μm，单模光纤的纤芯为9～10μm。成份：高纯度的二氧化硅。还掺有极少量的掺杂剂（如二氧化锗，五氧化二磷）。作用：适当提高纤芯对光的折射率(n1)，用于传输光信号。包层：位于纤芯的周围（直径d2=125μm），含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。作用：适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，这是光纤结构的关键，它是使光信号封闭在纤芯中传输。涂敷层：由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成。作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。2、光纤的分类：目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤。1）、按照光纤横截面折射率分布不同来划分：①阶跃型光纤：纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，称为：均匀光纤。②渐变型光纤：如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。2）按照纤芯中传输模式的数量划分：多模光纤：在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布多模光纤的纤芯直径约为50μm。模式色散，仅适用于低速率、短距离通信单模光纤：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm。适用于大容量、长距离的光纤通信。3）按照传输波长分类：3（1）短波长光纤：0.85μm（0.8～0.9μm)作用：用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路.（2）长波长光纤：1.3～1.6μm（主要1.3μm和1.55μm两个窗口）作用：用于干线传输。4）按照使用材料的不同来分：玻璃光纤、全塑光纤、石英系列光纤。3、阶跃型光纤的导光原理1）相对折射指数差：弱导波光纤：2）导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。形成导波的条件：能在纤芯界面上产生全反射的子午线才能在纤芯中形成导波，即子午射线只有满足:才能在纤芯中形成导波（即满足全反射条件）。3）数值孔径NA：表示光纤捕捉入射光线的能力。4）阶跃型光纤中的光射线种类子午射线：子午线在端面上的投影是一条直线斜射线：是不经过光纤轴线的空间折线。4、渐变型光纤的导光原理1）渐变型的子午线不是直线，而是曲线。在轴线处折射指数最大；在纤芯和包层的交界面处折射指数最小为n2,即n2=n(a).2）得到最佳折射指数分布的前提条件：（1）均匀的激励；（2）恒定的光中心波长；（3）相同传输损耗的模式；最佳折射指数分布：这种在最大程度上减少模式色散的n(r)分布，称为渐变型光纤的最佳折射指数分布。双曲正割型和平方律型3）渐变型（平方律）光纤的最佳折射指数分布表达为：4）渐变型光纤的本地数值孔径NA渐变型光纤纤芯折射指数n1随半径r变化。因此，数值孔径NA是纤芯端面上位置的函数。故，渐变型光纤纤芯在某一点的数值孔径可表示为：比较：阶跃型光纤的数值孔径渐变型光纤的数值孔径NA表征的意义：当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。轴线处的折射指数最大，捕捉射线的能力最强。例题：已知：渐变型光纤的折射指数分布为：试求：该光纤的本地数值孔径。解：212])(21)[0()(arnrn2122212nnn121nnn2221sinnn)()()(22anrnrNA21)(21)0()(aarnrn)()()(22anrnrNA)()(21)0()(22anranrNAa45、用波动理论法分析光纤的导光原理（1）阶跃型光纤的标量近似解法归一化频率：P26导波的数量：P32单模传输条件：0V2.40483（2）渐变型光纤的标量近似解法归一化频率：P26最大导波数量：P37截止条件V＜Vc；远离截止：V→∞例题：已知：渐变光纤纤芯的折射指数为n1=1.5，相对折射指数差△=0.01、纤芯半径a=25μm。若λ0=1μm，求：该光纤的归一化频率值及其中传播的模数量。解：代入数据可得归一化频率为：最大传播模式数量=261例题：已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm，（1）若△=0.01，当保证单模传输时，纤芯半径a应取多大？（2）若纤芯半径a=5μm，应怎样选择△才能保证单模传输？解：（1）单模传输的条件0V2.404832）若纤芯半径a=5μm0√2△*1.5**52.46、阶跃光纤的折射率主要由于以下两方面的原因使得折射指数呈渐变趋势：——纤芯材料和包层材料各不同，在制造过程中，相互扩散渗透，使得在纤芯包层交界处折射率由n1逐渐过度到n2，呈“圆形”变化——MCVD工艺制造过程中，在预制棒制作阶段，使得纤芯r=0处，折射指数aaaanranrNA)(21)0()(21)0()(22aranrNA)(1)0(2)(2aknV012002k3216.32VaknV012aknV012aknV01240483.22001akn40483.225.101.0200a36358.20a025下陷。7、单模光纤的特征参数：（1）衰减系数（2）截止波长λc：当λ＞λc时，光纤才能传输基模。（3）模场直径d：沿芯径方向上，相对该场强最大点功率下降了1/e的两点之间的距离，称为单模光纤的模场直径四种新型单模光纤：1）．色散位移单模光纤（DSF）常规石英单模光纤：在1.55μm处损耗最小；在1.31μm时色散系数趋于零；色散位移单模光纤（DSF）：将零色散点移到1.55μm单模光纤的色散=材料色散+波导色散。实现方法：通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值。图示色散位移光纤的色散•2）．非零色散光纤NZDF存在问题：在色散位移光纤线路中采用光纤放大器会使得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效应。当应用到WDM系统中造成光波间能量交换，引起信道间干扰。解决方法：将零色散波长移至1.54-1.565范围内，减小其色散值。约为1.0～4.0PS/km·nm。3）、色散平坦光纤DFF为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段（1.3～1.6μm）都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来达到目的。4）色散补偿光纤DCF•色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发生的展宽和畸变。•能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。•如果常规光纤的色散在1.55μm波长区为正色散值，那么DCF应具有负的色散系数。使得光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。DCF的这一特性可以比较好地达到高速率长距离传输的目的。适用光纤：G.652和G.654：常规单模光纤，色散最小值在1310nm处，衰减最小值在1550nm处。常见的结构有阶跃型和下凹型单模光纤。6G.653：色散位移光纤，色散最小值在1550nm处，衰减最小值在1550nm处。难以克服FWM混频等非线性效应带来的影响。G.655：非零色散光纤，色散在1310nm处较小，不为0；衰减最小值在1550nm处。可以尽量克服FWM混频等非线性效应带来的影响。综上所述，选择G.655作为WDM使用的光纤最为适宜。8、光纤的传输特性：（1）光纤的损耗特性分类：吸收损耗、散色损耗——吸收损耗定义：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。原因1：本征吸收。即光纤基本材料（SiO2）固有吸收。吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，分别为紫外吸收带，和红外吸收带。原因2：杂质吸收。材料的不纯净和工艺不完善造成的附加吸收损耗。尤为氢氧根离子的吸收。——散射损耗定义：由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗。分类：线性散射损耗、非线性散射损耗。•线性散射损耗主要包括：瑞利散射、材料不均匀引起的散射•非线性散射主要包括：受激喇曼散射、受激布里渊散射等。①瑞利散射损耗•瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。•这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。•瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的