第5章-光纤通信技术

第5章光纤通信系统光电子技术基础厚德博学求实创新学习目标•掌握光纤通信的原理•掌握光纤的相关参数，光纤中损耗和色散的相关知识•常见的光通信器件的基本原理、特性和使用•光纤通信系统中复用技术的原理、方法和实际应用•了解光纤通信系统的相关规范以及光纤的制备方法学习要求熟悉光纤的参数、分类等基本知识熟悉几何光学分析光信号在光纤中传输的相关结论熟悉波动理论分析光信号在光纤中传输的相关结论掌握光纤的损耗及色散的分析、计算、测量、补偿以及其他相关应用。熟悉常见光通信器件的原理、特性以及它们在光纤通信系统中的实际应用。引言光纤通信系统是目前世界通信系统的主要模式，比以前的电缆通信系统无论从性能还是成本上都有极大优势。正是光纤用于现代通信系统，才使得我们能够成功构建今天高速、多元化的信息社会本章内容5.1光纤基本知识5.2光在光纤波导中的传播5.3光纤的损耗与色散5.4光通信器件5.1光纤基本知识5.1.1光纤的发明和发展1870庭达尔光导纤维1966高锟低损耗光纤的可能性1970美国康宁公司20db/km的光纤此后光纤通信系统进入快速发展光纤是光导纤维（opticalfiber）的简写，是一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理传输光能的工具。5.1光纤基本知识5.1.1光纤的发明和发展光纤的优点频带宽，传输容量大。损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、保真性都远好于电缆。成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。5.1光纤基本知识5.1.1光纤的发明和发展光纤的应用通信系统光纤传感器。医学照明、内窥。装饰5.1光纤基本知识5.1.2光纤的基本工作原理和结构n1n2原理：全反射结构：纤芯，包层，套层。n1n25.1光纤基本知识5.1.3光纤的分类按用途：通信用光纤、非通信用光纤。按材料：石英光纤、全塑光纤。按传输模式：单模光纤和多模光纤。按传输窗口：常规型单模光纤、色散位移型单模光纤(DSF)、非零色散位移光纤。按、剖面折射率分布：阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤。5.1光纤基本知识5.1.3光纤的分类单模光纤和多模光纤多模光纤中可以有多种模式的光信号传播，但是模间色散大，随着传输距离增大，带宽会减小，因此普通多模光纤不适用与长距离传播。单模光纤中只有一个模式的光传播，模间色散小，适合远程通信线路。5.1光纤基本知识5.1.3光纤的分类阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤阶跃折射率光纤（SIF）arnarnn,0,21渐变折射率光纤（GIF）arnararnrn,0,/21)(22/11121/)(nnn5.1光纤基本知识5.1.3光纤的分类国际电信联盟（ITU-T）光纤标准名称类型G.651多模渐变型折射率光纤G.652非色散位移光纤G.653色散位移光纤G.654截止波长位移光纤G.655非零色散位移光纤5.1光纤基本知识5.1.4光纤的制造原料：SiO2要求：①光纤原材料必须要高纯度的SiO2②制作过程中必须防止杂质污染和气泡混入③要准确控制制作尺寸，精度要达到1mm甚至更高④减小光纤表面损伤，提高其机械性能。⑤按要求控制好其折射率分布5.1光纤基本知识5.1.4光纤的制造制造光纤的方法很多，目前主要有：改进化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相沉积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向汽相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为光纤芯线。5.1光纤基本知识5.1.4光纤的制造改进化学汽相沉积法(MCVD)5.1光纤基本知识5.1.4光纤的制造管外汽相沉积法(OVD)5.1光纤基本知识5.1.4光纤的制造轴向汽相沉积法(VAD)5.1光纤基本知识5.1.4光纤的制造拉丝工艺一般包层直径约为125mm，第一次涂敷后直径约为250mm，第二次涂敷后约为900mm，最后缠绕到卷盘上。最后光纤应用时还要做成光缆。5.1光纤基本知识5.1.5光纤通信系统5.2光在光纤波导中的传播5.2.1光纤原理的几何光学描述rninsinsin10斯涅尔定律全反射条件122sinsinnnrNAarcsinarcsin2221nnia取空气折射率为n0=1，那么入射角的最大值为ia：收光角2221NAnn：数值孔径5.2光在光纤波导中的传播5.2.1光纤原理的几何光学描述数值孔径2NA12221nnn2122212nnn相对折射率差12121212121222122nnnnnnnnnnn对于阶跃折射率光纤数值孔径NA是光纤的重要参数，它描述的光纤收光的能力。数值孔径较大的光纤可以耦合较大范围入射角的光，即使是像LED这样的光源发出的发散光也可以被耦合到其中传播。同时数值孔径较大的光纤还使得光纤在弯曲的时候能传播更大范围的光。5.2光在光纤波导中的传播5.2.1光纤原理的几何光学描述如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由于不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相同，这会导致不同角度入射的光线传播到终点的时间不一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模光纤的模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之间就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区较大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这样信号就会发生失真。5.2光在光纤波导中的传播5.2.1光纤原理的几何光学描述光脉冲展宽t可以用光经过最长距离和最短距离的时间差来估计。cLnnnncLnt12211L为光纤长度信号的带宽B可以用光脉冲展宽的倒数来表示LnctB11传播距离越长，带宽会越来越小。因此，阶跃折射率光纤不适合于长距离的多模信号传输。5.2光在光纤波导中的传播5.2.1光纤原理的几何光学描述为了解决多模阶跃折射率光纤中模间色散的问题，人们发明了渐变折射率光纤(GIF)。5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波光纤中传播的电磁波满足麦克斯韦方程tBEtDH0D0BE是电场强度，H是磁场强度，D是电位移，B是磁感应强度DEHBm222tEEm222tHHm波动方程5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波时空变量分离波动方程既包含时间的导数又包含空间的导数，不方便求解，因此必须对其进行时间空间变量分离。tizyxexp,,EEtizyxexp,,HH022EEk022HHkm/2/cnk称为波数或电磁波在光纤中的传播常数ck/000m称为真空中的传播常数5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波亥姆霍兹方程根据麦克斯韦方程，可以用z方向的场分量来表示其他和z垂直的方向的场分量。这样只需要计算z方向的两个场分量Ez和Hz就可以完全唯一的确定整个场分布01120222222zzzzzEknzEErrErrE01120222222zzzzzHknzHHrrHrrH得到柱坐标下z分量满足的方程5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波将电磁场的z分量进行变量分离zirEzrEzzexp,,,zirHzrHzzexp,,,01122022222zzzzEknErrErrE01122022222zzzzHknHrrHrrH可得到关于场分量Ez(r,)和Hz(r,)横向模式的波动方程当r大于线性半径a时，n取包层折射率，当r小于纤芯半径a时，n取纤芯折射率。5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波几个关键参数纵向传播常数是z方向的波矢分量的大小，即z方向传播常数。它描述电磁波传播中相位在z轴方向单位长度上的变化大小，也就是相位相等的面在z方向的空间变化频率。对应光纤中传播的模式。横向传播常数k是和z垂直的方向上波矢分量的大小2202kkn22021knaU表示纤芯中横向场的振荡频率20222knaW描述包层中消逝波的衰减速度5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波几个关键参数2201022210NA2UWakanknnakV归一化频率归一化频率V是一个无量纲的量，也称为V数，是包含了光纤各项参数的重要参量归一化频率V越大表示在光纤中允许存在的模式就越多光纤中允许存在的模式数量近似为2/2VM5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波几个关键参数归一化传播常数b2122202022202120222222/nnkknknknVWb10bb=0对应模式截止5.2光在光纤波导中的传播5.2.2光纤中的电磁波波动方程的解为了讨论方便，根据波动方程的解中Ez和Hz是否等于0，可以将模式分为以下四种：①横电磁模（TEM）：Ez=Hz=0。②横电模（TE）与横磁模（TM）：仅Ez=0，称为横电模；仅Hz=0，称为横磁模。③混合模（EH或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁场贡献为主称为HE，电场贡献为主称为EH。④线偏振模（LP）：也称为标量模，这并不是光纤中传播的真实模式，而是为了在弱导近似下简化分析而提出的。5.2光在光纤波导中的传播5.2.3阶跃折射率光纤中的传导模式贝塞尔方程根据圆对称性将r和变量分离imrErEzzexp,imrHrHzzexp,0)()(1)(222022rErmknrrErrrEzzz0)()(1)(222022rHrmknrrHrrrHzzz当r大于线性半径a时，n取包层折射率，当r小于纤芯半径a时，n取纤芯折射率。得到贝塞尔方程5.2光在光纤波导中的传播5.2.3阶跃折射率光纤中的传导模式贝塞尔方程的解在纤芯中选择m阶贝塞尔函数Jm(r)为波动方程的通解，在包层中选择m阶汉克函数Km(r)为波动方程的通解5.2光在光纤波导中的传播5.2.3阶跃折射率光纤中的传导模式贝塞尔方程的解araWrCKaraUrAJrEmmz,/0,/araWrDKaraUrBJrHmmz,/0,/araWrCKaraUrAJEziimmziimmz,ee/0,ee/araWrDKaraUrBJHziimmziimmz,ee/0,ee/电磁场z分量通解贝塞尔方程通解5.2光在光纤波导中的传播5.2.3阶跃折射率光纤中的传导模式弱导近似如果光纤包层和纤芯的折射率很接近，即，21nn光纤为弱导光纤。在弱导光纤中，HE、EH、TE和TM四个解的近似解可以用两个线性偏振模，即LP模表示。我们称这种注意，LP模式并不是真实存在的模式。然而在弱导近似下，一对HE-EH模的传播常数非常接近，它们是近似简并的。因此它们叠加起来可以用一个线性偏振的模式LP模式替代，而不去区分其中电场和磁场哪个占优势。与此类似，一对TE-TM模的叠加也可以用一个LP模式代替。这样就减少了场分量个数，可以使计算过程和结果都得到简化。5.2光在光纤波导中的传播5.2.3阶跃折射率光纤中的传导模式5.2光在光纤波导中的传播5.2.3阶跃折射率光纤中的传导模式在弱导近似下，根据纤芯和包层分界面上（r=a）的连续性条件可以得到LP模式的本征值方程WKWKWUJUJUmmmm11求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，进而算出b，将它们都表示成归一化频率V的函数。这样就可以看出传导的模式与波长以及光纤各