光纤的基本性质课件.ppt

1、第1章 光纤的传输理论2 光纤中光传输的两种理论 射线光学（几何光学）：忽略波长的光学，用光射线代表光能量传输路线；（多模光纤）波动光学：光场（电磁场）利用麦氏方程组及全部边界条件求解方程3主要内容1.1 光纤的基本性质1.2 介质平板波导1.3 阶跃折射率光纤的模式理论1.4 渐变折射率光纤的近似分析1.5 单模光纤41.光纤的结构、分类和光的传输光纤的结构、分类和光的传输2.光纤的传输性质光纤的传输性质3.光纤类型的发展演变光纤类型的发展演变51、光纤的结构、分类和光的传输、光纤的结构、分类和光的传输(1)光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷层层Core 包层包

2、层 涂敷层涂敷层纤芯6光缆光缆外护套弹性加强件缓冲加强件纸/塑料包扎带基本光纤结构单元隔离铜导体聚亚胺酯/PVC铠装7层层绞绞式式大大束束管管式式骨骨架架式式带带式式8(2)分类 按原材料分：石英光纤；多组成分玻璃光纤；塑料包层光纤；全塑光纤玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。9按光纤横截面折射率分布：阶跃折射率光纤（Step-Index Fiber）渐变折射率光纤（Graded-Index Fiber）按

3、传输模式数量分：多模光纤 单模光纤10小结：石英光纤分类：多模阶跃折射率光纤 多模渐变折射率光纤 单模阶跃折射率光纤11光纤的结构、分类和光的传输光纤的结构、分类和光的传输121nnn 00()1()grn rnaranrap=0.002 0.01=0.01 0.0321(1)nn12（3）光的传输 多模阶跃折射率光纤中光的传输 回顾 几何光学中全反射条件(斯涅耳折射定律)1122n sinin sini13用全反射原理分析多模阶用全反射原理分析多模阶跃折射率光纤中光的传输跃折射率光纤中光的传输21o22max1122212arcsinsinsin(90=NAccnnnnnnn）临界角临界角

4、存在问题：脉冲展宽14子午光线和斜射线子午光线和斜射线15cLnnnncLnncLLcd122111sin 121nnn 16n多模渐变折射率光纤中的光传输折射率分布折射率分布射线方程射线方程001()()grnran ranra00 annn相对折射率差()ddrnndsds r近轴子午光线近轴子午光线(和光纤轴线夹角很小和光纤轴线夹角很小)221d rdndzn dr17对抛物线分布对抛物线分布得得对近轴光线，对近轴光线，有，有022ndnrdra 20222n rd rdzna 01nn2222d rrdza00112200120,cos(2)(2)(2)drzrrrdzzazrrraa

5、设时，上式的解18a222440015()sech()(1)224n rnrnrr上式可近似为抛物线分布上式可近似为抛物线分布结论：结论：当折射率分布取双曲正割函数时，所有子午光当折射率分布取双曲正割函数时，所有子午光线具有完善的自聚焦性质线具有完善的自聚焦性质19自聚焦光纤中的光射线：自聚焦光纤中的光射线：偏射线偏射线 不在一个平面内的空间曲线，不在一个平面内的空间曲线，不与光纤轴线相交；不与光纤轴线相交；在两个焦散面之间振荡；在两个焦散面之间振荡；若两个焦散面重合，偏射线若两个焦散面重合，偏射线为螺旋线；为螺旋线；螺旋线不产生自聚焦，仍有螺旋线不产生自聚焦，仍有群时延差。群时延差。20 若

6、要得到螺旋线，折射率分布应为若要得到螺旋线，折射率分布应为1220()1()n rnr 若要子午线聚焦，折射率分布应为若要子午线聚焦，折射率分布应为 该形式中偏射线不能自聚焦该形式中偏射线不能自聚焦0()sech()n rnr总结总结21 (1)损耗（Attenuation）(2)色散（Dispersion）(3)非线性效应（Non-Linear Effects in Fiber）2223 损耗计算（损耗计算（dB/km）Pin：输入光功率 Pout：输出光功率 L：光纤长度 低损耗窗口低损耗窗口 0.85 mm(2.5dB/km)1.3 mm(0.4dB/km)1.55mm(0.2dB/km

7、)(1)光纤的损耗outinPPL10log10adcbe第一窗口第二窗口第三窗口Corning SMF-28 光纤的损耗光纤的损耗24 产生损耗的因素纤芯和包层物质的吸收损耗纤芯和包层物质的散射损耗光纤表面的随机畸变或粗糙产生的波导散射损耗光纤弯曲面所产生的辐射损耗25 石英光纤的固有损耗 本征吸收本征吸收:SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 本征散射：瑞利散射本征散射：瑞利散射 分子热骚动 折射率在微观上的随机起伏 光散射 1/4 非固有损耗 非固有吸收非固有吸收(杂质吸收)Fe,Cu,Ni,Cr.OH 离子在 1.39um,1.24um 和 0.95um形成吸收峰；波导色散损耗；附加

8、损耗；外套损耗等26光纤的损耗谱光纤的损耗谱27l 模式色散模式色散(intermodal dispersion)多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因而形成模式色散。cLnncLLcd11sin解决方法：选择光纤折射率分布形式解决方法：选择光纤折射率分布形式g取最佳值，减小模式色散取最佳值，减小模式色散28模内色散模内色散（intramodal dispersion）材料色散（材料色散（Dm）：石英的折射率随波长变化）：石英的折射率随波长变化 波导色散（波导色散（Dw）：某个模式在不同频率下，由于群速度）：某个模式在不同频率下，由于群速度不同引起的色散不同引起的色散 偏振模色散：偏振

9、模色散：对于单模光纤，两个偏振模式因光纤的不完善而出现传输系数的差异，产生的色散被称为偏振模色散.29单模光纤的色散谱单模光纤的色散谱 色散参数色散参数 D=（d/d）/L （ps/nmkm）是群时延是群时延 30 20 10 0-10-20-301.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7Wavelength(m mm)DMDWDispersion ps/(km nm)ZDDtotal30总结 多模光纤：模式色散占主流，且光源越接近单色，模式色散愈占主导；单模光纤：材料色散、波导色散、偏振模色散。313、光纤类型的发展演变、光纤类型的发展演变l多模光纤多模光纤l常规单模光纤常规单模

10、光纤(SMF),G.652零色散点在 1310nm在1.55 um波段D()=17 ps/nm-km，若传输速率在 10 Gbps 或更高，需要色散补偿 l色散位移光纤色散位移光纤(DSF),G.653零色散点移动到1.55 um，适合在损耗最低窗口传输高速率信号但由于四波混频（FWM）造成复用信道的串扰，不适合 DWDM 系统l非零色散位移光纤非零色散位移光纤(NZDF),G.655在1.55um窗口 D()=1 4 ps/nm-km，抑制FWM,支持高速率传输l色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF)在1.55um窗口有-100 ps/nm kml 纯石英芯子光纤（纯石英芯子光纤（PSCF）大有效面积（110mm2），低损耗(0.17dB/km)l光子晶体光纤光子晶体光纤