光纤通信2-光纤

1光纤通信发展2光纤通信特点3光纤通信系统组成1970‘以来，发展经过了4代：1、多模光纤2、常规单模光纤3、色散位移光纤4、波分复用WDM1、损耗小，中继距离远2、载波频率高，光纤色散小，容量大3光纤通信系统组成电信号输入调制光源光放大器光检测器信号恢复电信号输出光发射机尾纤连接器光纤光纤接头盒光耦合器其它设备光接收机光纤接头盒连接器再生中继器尾纤光纤光纤三大组成部分：光发送机、光纤光缆、光接收机模拟通信系统与数字通信系统光通信系统分类：模拟信号与数字信号光纤通信系统适合于传输数字信号模拟信号要经过转换为数字信号才能在在数字光纤通信系统传输模拟信号的取样与编码PCM（Pulse-codemodulation）编码的实现过程多路信号复用光波系统具有很宽的频带资源，可传送高速大容量信息，但传送数字音频信号仅需64kb/s的速率，很不经济。可以通过复用的方法同时传送多路信号。在单根光纤中可用三种复用方法提高通信容量：时分复用(TDM)频分复用(FDM)波分复用(WDM）或光频分复用（OFDM)多路信号复用光发送机多路信号解复用光接收机1n1n光发送机光接收机光纤（光缆）输入电信号输出电信号光通信系统组成第2章光纤--光纤导光原理及其特性光纤的结构及分类光纤导光原理光纤的模式理论光纤的损耗特性光纤的色散光纤的非线性效应常用光纤纤芯包层涂覆层裸光纤m125m2501、光纤的结构§2.1光纤的结构及分类典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和涂覆层纤芯、包层------裸光纤纤芯、包层+涂覆层----芯线纤芯、包层------光学区涂覆层---保护区材料：SiO2纤芯n1包层n2纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)包层:SiO2+B2O5(F)涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆层的主要作用是为光纤提供保护2、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分2）按工作波长来分3）根据光纤中传输模式分4）根据折射率分布分有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。短波长光纤长波长光纤单模光纤和多模光纤有阶跃型光纤StepIndexSI渐变型(梯度型)光纤GragedIndexGIW型光纤等nnn1n1n1n2n2n2n阶跃型光纤SIStepIndex渐变型(梯度型)光纤GIGragedIndexW型光纤aa3、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。2、制棒将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。3、拉丝4、套塑为保证光纤的机械性能将光纤涂覆层外加一层热塑材料。5、成缆§2.2光纤导光原理光纤导光原理的分析方法：射线理论(几何光学法)波动理论(模式理论)折射定律一、SI光纤射线分析12sinsinnnti1n2nirt21nnitn2n1入射光纤出射1、导光原理ci内全反射132123c1c2c31223Snell定律临界角临界角对应的捕光角sinsin10nn21cos1ncn21sin12121)(1nnn12sinsinnnti12sinnnc捕光角1n2nc内全反射导光原理内全反射的条件c2121)(1sinnnn2121max)(1sinnnn121nnn相对折射率差2122211nnnn2121211))((nnnnnn1211)(2nnnn21n2sin1maxn1212nnn3、模式及时延差传导模辐射模2、数值孔径NA(NumericalAperture)maxsinNA21nNAmaxNA光源与光纤的耦合效率高光纤里有很多条光线和轴线夹角相同的一簇光线称作一个模式模式有两类：2sin1maxn传导模辐射模模式有两类：maxmaxcc光纤中有很多传导模，路径不同，时延不同。最大时延差模式时延12sinnncLcLLsin'两条路径dppvLvLtt'121ncvp'LcllLLsin''cnLLnn121)(Lcn1Lcn1Lnn21',LL'LL脉冲展宽：不引起码间干扰的脉冲间隔：码元速率（带宽）：LcnT1TB1Lcn1不同传导模式的时延差使光脉冲展宽00T码间干扰1Lnc提高带宽的方法：1LncBB例：487.1,275.01nNA求光脉冲传1公里的脉冲扩展宽度和最大比特率。解：cLnd1ns76.84SILncB11maxsMb/8.111ncBL1）减少模式的最大时延差-------采用GI光纤2）只允许一个模式传输-------单模光纤21nNA0171.0)(2121nNALcn1B?,,1BkmL?,100,10BkmkmL二、GI光纤射线分析g=2抛物线型arnararnrng;];)(1[)(20n1n2nan3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a如果将渐变折射率看成分层均匀层数N,层厚NaN光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示r是轨迹上某一点的位置矢量；s为射线的传输轨迹；ds是沿轨迹的距离单元，△n表示折射率的梯度。将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，光纤中的近轴子午光线和光纤轴线夹角很小，可近似认为平行于光纤轴线(z轴)的子午光线。由于光纤中的折射率仅以径向变化，沿圆周方向和z轴方向是不变的。因此，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：rzrds1、射线方程对近轴光线，，)2cos(za)2sin(za)2sin()2cos(zaBzaAr2、射线轨迹0z',00rdzdrr)2sin(2'0zaarr0,dzdrrrd0z)2cos(zarrd212cLnGILcnSI12SIGI3、渐变光纤中的光线)2sin(2'0zaarr（1）自聚焦特性（2）最大时延差SIGI01.0~005.0:02.0~01.0:§2.3光纤的模式理论()EjJHHjE022EkE022HkH圆柱坐标系zEErEzrEzrˆˆˆ),,(zHHrHzrHzrˆˆˆ),,(022zzEkE022zzHkHk)cos()(2),(0etrEtrE)cos()(2),(0mtrHtrHejeEE0mjeHH0SInc)()()(),,(zZrRzrEz022zzEkE01)(1222222zzzzEkzEErrErrr01'122ZRkZRZRrZRrZRZR/01'22kZZrrRRRR20)('2222rkRRrRRr2n0)()(2zZzZ0)()(2n0)()(2zZzZ0)()(2n0])[(2222222RnrkdrdRrdrRdrzjezje)cos(n)sin(n0)('222ynxxyyxxrk22)()(xyrRn阶贝塞尔方程01)(1222222zzzzEkzEErrErrr)()()(),,(zZrRzrEz)cos(z)sin(ztjen为整数Bessel方程的求解函数01)(dtetxtx),0()(xx)(nn为非负整数:)(x1)1()()1(xxx)2/1(0x)3)(2)(1()3()1(xxxxxx)1()1(xxx)2()2)(1(xxxx)3()3)(2)(1(xxxxx)()3)(2)(1()()1(nxxxxxnxx0)('222ysxxyyx0ss阶贝塞尔方程贝塞尔方程的解用幂级数展开0)(nnnxaxy0])[(02022nnnnnnxaxasn0)(022as0])1[(122as2,0])[(222naasnnn00a00a22ss01as222)(ssnaann2n)2(2snnan)2(2snnaann12kn012knaa)22(2222skkaaakkn)(422skkak2n)(4222skkaakk,3,2,1k)1(402saa1k2k)2)(1(424)2(24024ssasaa3k)3(3446saa)3)(2)(1(424340sssa)1)(2)(3(!32)1(3203sssa)1)(2)(3(!32)1(3203326sssaaa)1()13()3)(2)(1(sssss)13(!32)1()1(320332sasa)1(!2)1()1(202kskasakkk)1(210sas)1(!221)1(22kskakskk0)(nnnxaxyskkskkxkskxy220)1(!221)1()(kkksxskkx20)2()1(!1)1()2(s阶贝塞尔函数)(xJs如果s不是整数，另一个解为skkkssxskkxxJ20)2()1(!1)1()2()(如果s是整数)()1()(xJxJnnn线性相关)sin()()cos()()(sxJsxJxNsss也是贝塞尔方程的解)(limxNsns存在并与无关)(xJn)(xNn诺依曼(Neumann)函数)(lim0xNmx整数阶贝塞尔函数和正弦和余弦三角函数有类似的性质奇偶性)()1()(xJxJnnn渐进表达式mnmmnxmnmxJ20)2()1(!)1()()412cos(2)(nxxxJxn)(xIn)()(jxJjxInnnxxnexxK2)(xxnexxI21)(0)('222ysxxyyx)(xKn虚宗量Bessel函数jtx0)('222ysttyyt0)()(2zZzZ0)()(2n0])[(2222222RnrkdrdRrdrRdrzje)cos(n)sin(nn阶贝塞尔方程0)('222ynxxyyxxrk22)()(xyrR)(xJn)(xNn0)('222ynxxyyx)(xKn)(xIn)()()(),,(zZrRzrEzzjennrR)sin()cos()(zr1n2nazjzennrRE)sin()cos()(?)(rR)(')()(xNAxAJxynn022k022k)(')()(xIBxBKxynnraurkx22rawrkx22222)(auk)(')()(rauNArauAJrRnn222)(awk)(')()(rauIBrauBKrRnn0])[(2222222RnrkdrdRrdrRdr022120nk022220nk201