光纤通信概论第二章2课件.ppt

1、满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统：是各分量互不相干的独立贡献一分耕耘，一分收获！否则称为非线性系统！非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不同于同于 线性叠加线性叠加 的增益或亏损。的增益或亏损。在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功率依赖。率依赖。如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非线性的线性的线性与非线性线性与非线性光信号在线性系统中传输光信号

2、在线性系统中传输各频率成分独立传输各频率成分独立传输信号畸变来自于色散信号畸变来自于色散频谱不变，只是对脉冲所包含的频率成分重新安排频谱不变，只是对脉冲所包含的频率成分重新安排信号功率衰减主要来自于吸收损耗和瑞利散射损耗信号功率衰减主要来自于吸收损耗和瑞利散射损耗光信号在非线性系统中传输光信号在非线性系统中传输信号畸变来自于色散和非线性信号畸变来自于色散和非线性有新频率产生有新频率产生不同频率之间相互作用不同频率之间相互作用影响影响:信号光功率损失信号光功率损失 WDMWDM信道串音信道串音应用应用:波长转换、信号的整形与再生波长转换、信号的整形与再生光纤中非线性的重要性光纤中非线性的重要性光

3、纤非线性的形成光纤非线性的形成单信道系统，功率水平单信道系统，功率水平10mw,10mw,速率不超过速率不超过2.5Gb/s2.5Gb/s时，光纤可以作为线性介质处理，即：光纤的损耗时，光纤可以作为线性介质处理，即：光纤的损耗和折射率都与信号功率无关和折射率都与信号功率无关WDMWDM系统中，即使在中等功率水平和比特率下，非系统中，即使在中等功率水平和比特率下，非线性效应也很显著。线性效应也很显著。非线性相互作用取决于传输距离和光纤横截面积非线性相互作用取决于传输距离和光纤横截面积光纤本身不是一种良好的非线性材料光纤本身不是一种良好的非线性材料,其非线性折射率系数其非线性折射率系数很小很小,但

4、是由于光纤的低损耗、小光斑尺寸，使得光纤中的但是由于光纤的低损耗、小光斑尺寸，使得光纤中的光功率密度大光功率密度大,作用距离长，非线性效应显著。作用距离长，非线性效应显著。石英光纤中的非线性现象石英光纤中的非线性现象起因起因表现表现影响影响应用应用非线性折射率非线性折射率波动效应波动效应(光子与光子之间光子与光子之间)光纤折射率与光强的相关光纤折射率与光强的相关性产生的效应性产生的效应自相位调制自相位调制(SPM)(SPM)交叉相位调制交叉相位调制(XPM)(XPM)四波混频四波混频(FWM)(FWM)脉冲畸变脉冲畸变啁啾啁啾串音串音复用复用/解复用解复用 波长变换波长变换信号再生信号再生散射

5、效应散射效应(光子与声子之间光子与声子之间)光信号与声波或光纤材料光信号与声波或光纤材料中振动的分子相互作用，中振动的分子相互作用，经过非弹性散射将能量传经过非弹性散射将能量传递给介质或其它波长产生递给介质或其它波长产生的效应的效应受激布里渊散射受激布里渊散射(SBS(SBS，声学声子声学声子)受激拉曼散射受激拉曼散射(SRS(SRS，光学声子光学声子)信号光能信号光能量损失量损失串音串音传感传感分布放大分布放大四波混频四波混频(FWM)(FWM)效应的影响效应的影响FWMFWM过程新产生频率的数量过程新产生频率的数量=N=N2 2(N-1)/2(N-1)/2，N N为原始信号的频率为原始信号

6、的频率（波长）数。对于等间隔的（波长）数。对于等间隔的WDMWDM系统，这些频率分量将与信号系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰频率重叠，形成信道之间的串扰(同频串扰同频串扰)，严重影响系统，严重影响系统的性能。的性能。四波混频四波混频(FWM)(FWM)效应的影响效应的影响FWMFWM效率依赖于：效率依赖于：信道间隔信道间隔(f)f)有效面积有效面积(A(Aeffeff)色度色散色度色散D(D()信号功率信号功率(P)(P)信道数增加时，会产生更多的信道数增加时，会产生更多的FWMFWM项项 22DAfPPPFWMratioeffFWM光纤的色散特性光纤的色散特性色散的一般

7、概念色散的一般概念色散对信号的影响色散对信号的影响光纤色散的概念及分类光纤色散的概念及分类模式色散模式色散概念概念模式色散的克服模式色散的克服色度色散色度色散概念概念几种常用的不同色散特性的光纤几种常用的不同色散特性的光纤单模光纤色散的克服单模光纤色散的克服偏振模色散偏振模色散自然光的色散自然光色散：不同波长光经历的有效折射率不同自然光色散：不同波长光经历的有效折射率不同折射角不同折射角不同空间光色散空间光色散光纤的传输特性光纤的传输特性色散色散色散定义：物质对不同波长光表现出不同折射率大小（n()），从而使不同波长光具有不同传输速度！色散引起的脉冲展宽示意图光纤的传输特性光纤的传输特性色散色

8、散光纤色散：光纤色散：光信号能量中的各种分量在光纤中具有不同传输速度！光信号能量中的各种分量在光纤中具有不同传输速度！影响：影响：由于由于光脉冲中的不同分量在光纤中的速度不同，它们到达光脉冲中的不同分量在光纤中的速度不同，它们到达光纤终端有先有后，光纤终端有先有后，将引起光脉冲展宽和码间干扰，最终影响通将引起光脉冲展宽和码间干扰，最终影响通信距离和容量信距离和容量。起因：起因：不只是材料折射率的波长依赖性不只是材料折射率的波长依赖性还有波导效应（波导各区域的折射率不同）色散对信号的影响色散对信号的影响相当于信号中的不同分量相当于信号中的不同分量由于色散的存在，各分量到达传输终点由于色散的存在，

9、各分量到达传输终点的时间不同，引起信号的时域展宽的时间不同，引起信号的时域展宽色散对光通信系统的影响色散对光通信系统的影响信号畸变信号畸变 引起误码引起误码色散是限制光纤传输容量和距离的重要因素之一！色散是限制光纤传输容量和距离的重要因素之一！1212色散对光通信系统传输性能的影响色散对光通信系统传输性能的影响0 km60 km后120 km后180 km后10Gb/s非归零码(NRZ)经过普通单模光纤传输后的眼图(D=17ps/nm/km)1313色散容限色散容限按常用的普通单模光纤色散系数按常用的普通单模光纤色散系数D=17ps/nm/kmD=17ps/nm/km计算，色散容限分别计算，色

10、散容限分别为为940km,58km,3km940km,58km,3km内容回顾内容回顾损耗损耗起源，影响起源，影响损耗系数，相关计算损耗系数，相关计算光纤的低损耗接续方式：光纤的低损耗接续方式：熔接，损耗最低熔接，损耗最低跳线跳线(带有连接器的光纤带有连接器的光纤)+)+法兰盘法兰盘 非线性非线性影响：信号光功率损失；影响：信号光功率损失；WDMWDM信道串音信道串音分类：自相位调制分类：自相位调制(SPM)(SPM)，交叉相位调制，交叉相位调制(XPM)(XPM)，四波混，四波混频频(FWM)(FWM)，受激散射，受激散射(SBS(SBS，SRS)SRS)对对WDMWDM系统影响最大的一种非

11、线性效应系统影响最大的一种非线性效应FWMFWM 22DAfPPPFWMratioeffFWM色散的分类色散的分类模式色散：模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有色度色散色度色散(Chromatic Dispersion)(Chromatic Dispersion)：材料色散：材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同，传输速度不同波导色散：波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同)引起的色散效应偏振模色散：偏振模色散：不同偏振态不同传输速度不同偏振态不同传输速度通常简称的通常简称的色散概念！色散概念！模式色散：模式色散：以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输以不同入射

12、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，导致脉冲严重展宽间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽模式色散的表示模式色散的表示单位长度光纤上，模式的最大时延差，即传输速度最快的模单位长度光纤上，模式的最大时延差，即传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差模式色散模式色散关于多模光纤的关于多模光纤的NANANANA越大越好吗？越大越好吗？NANA越大，越容易耦合，微弯敏感性越小越

13、大，越容易耦合，微弯敏感性越小NANA越大，能够在多模光纤中传输的模式越多，越大，能够在多模光纤中传输的模式越多，（不同路径传输的光束为不同的模式）模式（不同路径传输的光束为不同的模式）模式色散越严重，影响传输色散越严重，影响传输光线中的子午线和斜射线光线中的子午线和斜射线z模式色散的计算模式色散的计算几何光学几何光学c包层n2 芯区n1 传输最快的子午线传输最快的子午线 传输最慢的子午线传输最慢的子午线对于，单位长度光纤传输的时延：对于，单位长度光纤传输的时延：cnncV1111/11121122sinsinsin)/(11nncnncVccc2212cnncnnnncncncnn12211

14、122112 多模光纤的模式色散为：多模光纤的模式色散为：仅考虑子午线的情况仅考虑子午线的情况常用单位是常用单位是ps/kmps/km对模式色散的第一种解决方案对模式色散的第一种解决方案渐变折射率光纤渐变折射率光纤通过改变纤芯的折射率使传输距离最长的光束以最高速通过改变纤芯的折射率使传输距离最长的光束以最高速度传播，而传输距离最短的光束以最低速度传播度传播，而传输距离最短的光束以最低速度传播在制作时，一层层在制作时，一层层的沉积具有给定折的沉积具有给定折射率的薄层，每一射率的薄层，每一薄层可以引起光传薄层可以引起光传播方向的微小变化，播方向的微小变化，如果薄层越做越薄，如果薄层越做越薄，就可以

15、近似实现折就可以近似实现折射率的渐变射率的渐变对模式色散的第二种解决方案对模式色散的第二种解决方案单模光纤单模光纤单模光纤没有模式色散，但仍有其他色散单模光纤没有模式色散，但仍有其他色散色度色度色散！色散！色度色散色度色散光信号的不同频率分量在光纤中传播光信号的不同频率分量在光纤中传播速度不同引起的现象速度不同引起的现象色度色散的表示色度色散的表示色散系数：色散系数：D D，单位：，单位：ps/nm/kmps/nm/kmD代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延色度色散引起的脉冲展宽：色度色散引起的脉冲展宽：其中L表示以km为单位的光纤长度,表示以nm为单位的光信号的光谱宽度包括材

16、料色散和波导色散包括材料色散和波导色散DLt任何光源发出的光都不是单一频率的，都是由一定频率分量构成的。任何光源发出的光都不是单一频率的，都是由一定频率分量构成的。激光经调制成为信号脉冲光以后，光谱宽度会进一步的增加，光谱激光经调制成为信号脉冲光以后，光谱宽度会进一步的增加，光谱宽度用来衡量光信号对应频域上的光波长范围的大小宽度用来衡量光信号对应频域上的光波长范围的大小色度色散色度色散(一一)材料色散材料色散材料色散材料色散D DM M纤芯材料折射率随纤芯材料折射率随波长的变化导致了波长的变化导致了这种色散这种色散即使不同波长的光即使不同波长的光经历完全相同的路经历完全相同的路径传输，也会发生

17、径传输，也会发生脉冲展宽脉冲展宽色度色散色度色散(二二)波导色散波导色散波导色散波导色散D DW W由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约8080的光功率在纤芯中传播，的光功率在纤芯中传播，2020在包层中传播，包层较低的折射率，使在其中传播的在包层中传播，包层较低的折射率，使在其中传播的光信号分量速率更大一些，这样就出现了色散光信号分量速率更大一些，这样就出现了色散波导色散的大小取决于光纤的设计波导色散的大小取决于光纤的设计200127013101550波长(nm)色散(ps/nm.km)波导色散材料色散G652光纤色散G653光纤色散材料色散与波导色散材料色散与波导色散零色散点零色散点零

18、色散点零色散点在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范围内，材料色散和波导色散符号相反围内，材料色散和波导色散符号相反材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可以相比拟，普通单模光纤在以相比拟，普通单模光纤在1.31m1.31m处这两个值基本相互抵消处这两个值基本相互抵消制造色散补偿光纤或色散制造色散补偿光纤或色散位移光纤的原理！位移光纤的原理！单模光纤的色散单模光纤的色散色散位移色散位移波导色散波导色散D DW W对对D D的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯的影

19、响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移可改变光纤的色散情况，进行色散位移光纤分类标准光纤分类标准(ITU-T)(ITU-T)G.651 多模光纤G.652 普通单模光纤(SMF)D=17ps/km/nm1550nm G.653 色散位移单模光纤(DSF)G.654 截止波长位移单模光纤（海缆）G.655 非零色散位移单模光纤(NZ-DSF)G.656 低色散斜率NZ-DSF0.10.10.20.20.30.30.40.40.50.50.60.6衰减衰减 (dB/km)(dB/km)160

20、01600170017001400140013001300120012001500150011001100波长波长(nm)(nm)EDFAEDFA频带频带 20 20 10 10 0 0-10-10-20-20色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)损耗与色散谱损耗与色散谱G.652&G.654G.652&G.654G.653G.653G.655G.655G.652G.652单模光纤单模光纤G.653G.653单模光纤（单模光纤（DSFDSF）22DAfPPPFWMratioeffFWMG.655G.655单模光纤（单模光纤（NZ-DSFNZ-DSF）10Gb/sNRZ信号在G.655

21、光纤无色散补偿传输240km后Sumitomo Pure Guide Sumitomo Pure Guide Lucent Truewave Lucent Truewave Alcatel TeralightAlcatel Teralight 武汉长飞大保实光纤武汉长飞大保实光纤几种几种G.655G.655光纤的折射率剖面光纤的折射率剖面G.652&G.655G.652&G.655光纤比较光纤比较理想目标SMFSMFLEAFLEAFTRUEWAVETRUEWAVEPUREGUIDEPUREGUIDETERALIGHTTERALIGHTG.652G.652G.655G.655G.655G.655

22、G.655G.655G.655G.655有效面积Aeff(m2)最大80807272525265656565衰减(dB/km)最低0.190.190.2030.2030.2000.2000.2000.2000.2000.200色散(ps/nm/km)15301620nm最佳142314232.011.2.011.2 22.68.62.68.65.0105.0105.5105.510信道间隔(GHz)最窄5050100100100100100100100100长距离光传输系统必须补偿光纤色散！色散补偿技术色散补偿技术常用的色散补偿方法：利用具有负色散的色散补偿光纤或色散补偿模块来抵消传输光纤的正

23、色散！色散补偿光纤啁啾光纤光栅色散补偿模块2.5Gb/s2.5Gb/s光脉冲色散补偿前后的波形对比光脉冲色散补偿前后的波形对比激光光源发出的原始光脉冲，激光光源发出的原始光脉冲，脉冲宽度为脉冲宽度为36.78ps36.78ps：光信号传输光信号传输100100公里后的脉冲形状公里后的脉冲形状,未加补偿，脉冲宽度为未加补偿，脉冲宽度为150ps150ps：光信号传输光信号传输100100公里后的脉冲形状公里后的脉冲形状,加补偿，脉冲宽度为加补偿，脉冲宽度为38.23ps38.23ps：色散补偿技术一色散补偿技术一色散补偿光纤色散补偿光纤DCF-Dispersion Compensated fib

24、erDCF-Dispersion Compensated fiberDCF具有大的负色散的光纤。DCF是目前使用较普遍和较实用化的一种在线补偿方案，其技术日趋成熟DCF法是指在标准单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)中插入一段或几段与其色散相反的DCF，传输一定距离后色散达到一定的均衡，从而把系统色散限制于规定范围内DCF的长度、位置与系统需要补偿色散的量和其自身性能有关。DCFDCF的典型参量的典型参量1.1.长度、色散关系长度、色散关系DCFSMFDCFSMFSMFDCFDDDDLL光纤长度光纤长度色散色散2.2.品质因数品质因数FOM(ps/nm.dB)FOM(ps/n

25、m.dB)/()/(kmdBkmnmpsDFOM负色散值负色散值 传输损耗系数传输损耗系数色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCFDCF）的应用）的应用以模块式插入线路中以模块式插入线路中信号两次通过信号两次通过DCF,色散补偿量加倍色散补偿量加倍色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCFDCF）的应用）的应用直接铺设到线路中直接铺设到线路中色散补偿光纤的应用色散补偿光纤的应用色散补偿光纤色散补偿光纤传输光纤传输光纤0 01001005050100100150150200200传播长度传播长度总色散总色散(psps/kmkmnmnm)TXTXRXRX补偿原则（不考虑非线性的情况下）：补偿原则（不考虑非线性的

26、情况下）：正负色散搭配使系统累积色散为零正负色散搭配使系统累积色散为零0SMFSMFDCFDCFLDDL三包层型三包层型DCFDCF光纤折射率剖面光纤折射率剖面 示意图示意图制作：通过纤芯与包层折射率分布以及尺寸大小的变化来改变光纤色散，主要是包层尺寸与折射率分布的改变DCFDCF的制作的制作高质量高质量DCF多采多采用三包层结构用三包层结构DCFDCF存在的问题存在的问题 高损耗(0.5dB/km)有效面积小(典型值DCF:20mm2 Vs.G.652:80mm2)比标准光纤的非线性系数高2-4个数量级,非线性阈值低3-6dB与普通光纤的色散斜率不匹配短波长和长波长色散补偿效果不同。能够对色

27、散和色散斜率同时进行补偿的能够对色散和色散斜率同时进行补偿的“双补偿双补偿”光纤也在研制中光纤也在研制中Chirped periodic refractive Index variation 3 2 1Incident 1 3tDispersed signalDispersed signal(经正色散光纤传输经正色散光纤传输)ReflectedtReshaped signal 1 2 3色散补偿技术二色散补偿技术二啁啾光纤布拉格光栅啁啾光纤布拉格光栅effB2n啁啾光纤布拉格光栅啁啾光纤布拉格光栅Chirped Fibre Bragg Gratings啁啾光栅用作色散补偿啁啾光栅用作色散补偿长

28、度很短的啁啾光纤光栅可以获得很大的色散！5cm长的线性啁啾光栅可以补偿300km的G.652(光栅谱宽0.1nm)传输线的色散，约5100ps/nmDispersive Dispersive fiber fiber Dispersed pulse Circulator光环行器，在光环行器，在AB,BC之之间具有单向导通特性间具有单向导通特性ABC)tcos(EEx0 xx)tcos(EEy0yy幅度差幅度差相位差相位差zyxyx只有横波才具有偏振性，光波是横波，具有偏振性只有横波才具有偏振性，光波是横波，具有偏振性 E EE ExE Ey2y0yx0 x2y02y2x02xsinEEEE2co

29、sEEEE消去参数消去参数tt电场矢量端点在电场矢量端点在xyxy平面内随时间变化平面内随时间变化的轨迹方程的轨迹方程光的偏振光的偏振电矢量电矢量E E随时间改变随时间改变00 xyEE23,223,2,0线偏振光线偏振光00 xyEE椭圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光00 xyEE00 xyEE自然光自然光部分偏振光部分偏振光 随时随时间不变间不变0,光的偏振光的偏振2y0yx0 x2y02y2x02xsinEEEE2cosEEEE光的偏振光的偏振不同相位差对应的电场矢量轨迹不同相位差对应的电场矢量轨迹Exyz(k)z(k)Eyx(a)(a)线偏振光线偏振光(b)(b)右旋圆偏振光右旋圆偏

30、振光(c)(c)左旋圆偏振光左旋圆偏振光(d)(d)非偏振光非偏振光偏振光偏振光定义：定义：在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。理想状态下，这两个偏振模式会的简并偏振模组成。理想状态下，这两个偏振模式会以相同的速度传播到光纤终端，如果由于某种因素使以相同的速度传播到光纤终端，如果由于某种因素使这两个正交的偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振这两个正交的偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加会使信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。模的迭加会使信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。偏振模色散（偏振模色散（PMDPMD）偏振模色散偏振模色散(

31、PMD)(PMD)5050偏振模色散对信号的影响偏振模色散对信号的影响偏振模色散影响的克服偏振模色散影响的克服利用保偏光纤利用保偏光纤光纤色散特性的小结光纤色散特性的小结色散分类：模式色散，色度色散，偏振模色散色散分类：模式色散，色度色散，偏振模色散色散的影响：主要是脉冲展宽色散的影响：主要是脉冲展宽光纤的发展：光纤的发展：多模光纤（多模阶跃光纤多模光纤（多模阶跃光纤多模渐变型光纤多模渐变型光纤)单模光纤（单模光纤（G.652 G.652 G.653 G.653 G.655 G.655）色散补偿：色散补偿：色散补偿光纤色散补偿光纤啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅DCFSMFDCFSMFSMFDCFDD

32、DDLL单模光纤的发展与演变总结单模光纤的发展与演变总结(1)(1)在光纤通信发展的近在光纤通信发展的近3030年中，单模光纤的结构和性能也年中，单模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。在不断发展和演变。最早实用化的是常规单模光纤最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652SMF(G.652光纤光纤)零色散波长在零色散波长在1310nm1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中，曾大量敷设，在光纤通信中扮演着重要的角色。扮演着重要的角色。色散位移光纤色散位移光纤DSF(G.653DSF(G.653光纤光纤)出现。出现。光纤在光纤在1550nm1550nm窗口损耗更低，可以低于窗口损耗更低，可以低于

33、0.2dB/km0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗极限。如果零色散移到几乎接近光纤本征损耗极限。如果零色散移到1550nm1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了，为此，人们研制了DSFDSF设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来改变波导结设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来改变波导结构，进而加大波导色散，使零色散波长从构，进而加大波导色散，使零色散波长从1310nm1310nm移移到到1550nm1550nm单模光纤的发展与演变总结单模光纤的发展与演变总结(2)(2)非零色散位移光纤非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655N

34、Z-DSF(G.655光纤光纤)应运而生应运而生9090年代后，年代后，DWDMDWDM和和EDFAEDFA的迅速发展，的迅速发展，1550nm1550nm波段的几波段的几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高输容量极大地提高四波混频四波混频(FWM)(FWM)的影响凸显。的影响凸显。FWMFWM是一种非线性效应，会引起复用信道之间的串扰是一种非线性效应，会引起复用信道之间的串扰，严重影响，严重影响WDMWDM的性能的性能,其效率与光纤的色散有关，零其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速色散

35、时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使下降。这种性质使DSFDSF光纤在光纤在WDMWDM系统中失去了魅力。系统中失去了魅力。NZ-DSF(G.655NZ-DSF(G.655光纤光纤)应运而生。应运而生。NZ-DSFNZ-DSF在在15301565nm(EDFA15301565nm(EDFA的工作波长的工作波长)区具有小的区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWMFWM效效率不高。率不高。单模光纤的发展与演变总结单模光纤的发展与演变总结(3)(3)NZ-DSFNZ-DSF光纤的缺点是模场直径小，有效面积小，光纤的缺点是模

36、场直径小，有效面积小，使光纤使光纤中功率密度更高，容易加剧非线性效应的影响中功率密度更高，容易加剧非线性效应的影响大有效面积大有效面积NZ-DSFNZ-DSF光纤出现。如康宁公司研制的三角形光纤出现。如康宁公司研制的三角形外环结构和双环结构光纤。外环结构和双环结构光纤。各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷，无所各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。Discovery is a winding road!Discovery is a winding road!光纤传输技术的发展过程，光纤传输技

37、术的发展过程，其实就是人们对光纤特性认识不断深入的过程！其实就是人们对光纤特性认识不断深入的过程！小结小结损耗损耗起源，影响起源，影响损耗系数，相关计算损耗系数，相关计算非线性非线性影响，分类影响，分类对对WDMWDM系统影响最大的一种非线性效应系统影响最大的一种非线性效应FWMFWM色散色散影响影响模式色散：模式色散：多模光纤特有，色散大小的衡量，克服途径色度色散色度色散材料色散+波导色散，色散系数D，色散补偿偏振模色散：起源偏振模色散：起源第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆 直接加工和制造光纤 难度非常大利用熔融玻璃的特性，将加工尺寸放大！拉丝(Drawing)：在高温下将预制棒拉制成光纤

38、，且保持原有的芯包结构制备光纤预制棒（Preform)预制棒与要获得的光纤具有相同物理和材料结构的大尺寸石英棒原料：主料：主料：SiClSiCl4 4;O;O2 2 掺杂料：掺杂料：GeClGeCl4 4;CF;CF2 2ClCl2 2;载运气体：载运气体：Ar;HeAr;He环境超净！提纯：要求杂质浓度（OH-,金属离子等）在ppb量级（10-9）光纤制造技术光纤制造技术光纤制造的两个基本步骤光纤制造技术光纤制造技术预制棒的制备预制棒的制备预制棒制备工艺预制棒制备工艺非气相工艺非气相工艺：双坩埚法双坩埚法溶胶溶胶凝胶法凝胶法管棒法管棒法粉末机械成形法，粉末机械成形法，.气相气相工艺：工艺：改

39、进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（MCVDMCVD）,AT&T Bell LabAT&T Bell Lab等离子体激活化学气相沉积法等离子体激活化学气相沉积法PCVD PCVD PhillipsPhillips轴向气相沉积法（轴向气相沉积法（VADVAD）NTTNTT管外化学气相沉积法（管外化学气相沉积法（OVDOVD）.CorningCorning化学气相沉积工艺：指把含有构成沉积物元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成沉积物的过程，是用于批量化生产的更为成熟的工艺，常用于镀膜MCVD:Modified Chemical Vapor

40、 DepositionMCVD:Modified Chemical Vapor DepositionMCVDMCVD工艺（工艺（19741974年，美国年，美国AT&TAT&T）：）：利用氧气鼓泡携带氯化物（利用氧气鼓泡携带氯化物（SiClSiCl4 4）蒸汽进入石英管，在高温）蒸汽进入石英管，在高温下生成氧化物下生成氧化物设备简单，反应于管内进行，易于降低杂质浓度，尺寸受限设备简单，反应于管内进行，易于降低杂质浓度，尺寸受限预制棒制备方法预制棒制备方法MCVDMCVD工艺工艺2222442)()(ClGeOSiOOGeClSiCl旋转石英管反应区反应物气体排气熔融沉积层粉尘沉积层喷灯关键步骤

41、（一）关键步骤（一）沉积：沉积：反应生成的固体颗粒由于反应生成的固体颗粒由于热泳现象热泳现象会附着在石英管壁上会附着在石英管壁上 （处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用会向低温区运动）（处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用会向低温区运动）先沉积包层，再沉积芯层先沉积包层，再沉积芯层化学反应化学反应预制棒制备方法预制棒制备方法MCVDMCVD工艺工艺预制棒制备方法预制棒制备方法MCVDMCVD工艺工艺关键步骤（二）关键步骤（二）烧结：烧结：沉积过程结束后，获得一个中心带小孔的石英棒，沉积过程结束后，获得一个中心带小孔的石英棒，通过加大火焰降低火焰移动速度进行烧结，可以使棒缩通过加大火焰降低火焰移动速

42、度进行烧结，可以使棒缩为实心。为实心。预制棒制备方法预制棒制备方法MCVDMCVD工艺工艺MCVDMCVD法预制棒生产设备照片法预制棒生产设备照片PCVD:Plasma Chemical Vapor DepositionPCVD:Plasma Chemical Vapor DepositionPCVD PCVD（19761976年，荷兰年，荷兰Philips Philips）使用微波在石英管内产生高温等离子，使得原料发生反应。使用微波在石英管内产生高温等离子，使得原料发生反应。由于气体电离不受石英管热容量限制，微波加热腔可以沿石由于气体电离不受石英管热容量限制，微波加热腔可以沿石英管做高速往复

43、运动，英管做高速往复运动，PCVD PCVD 法效率高，速度快，每层厚度薄法效率高，速度快，每层厚度薄预制棒制备方法预制棒制备方法PCVDPCVD工艺工艺OVD OVD 工艺（工艺（19701970年，美国年，美国CorningCorning）用火焰水解法沉积芯层和内包层，制成疏松体附着于靶棒上用火焰水解法沉积芯层和内包层，制成疏松体附着于靶棒上与MCVD顺序相反，先沉积芯层再沉积包层。速度快，效率高，可做大棒！化学反应不同！OVD-Outside Vapor DepositionOVD-Outside Vapor Deposition预制棒制备方法预制棒制备方法OVDOVD工艺工艺烧结烧结水

44、解反应水解反应 gsgvgsgvClSiOOSiClHClSiOOHSiCl2224224242预制棒制备方法预制棒制备方法OVDOVD工艺工艺此时的此时的SiOSiO2是水解产物呈是水解产物呈烟雾状，沉积在靶面上烟雾状，沉积在靶面上火焰水解反应：四氯化硅，四氯化锗等原料由喷灯喷出，在经过火焰时，产生火焰水解反应，形成玻璃微颗粒而沉积在衬棒上 芯棒沉积结束后，要把使用的靶棒（氧化铝棒）从疏松体中抽出疏松棒材的脱水烧结VAD:Vapor Axial DepositionVAD:Vapor Axial Deposition预制棒制备方法预制棒制备方法VADVAD工艺工艺VADVAD（1977197

45、7日本日本NTTNTT）和和OVDOVD工艺相似，工艺相似，使用火焰水解沉积使用火焰水解沉积疏松体，然后烧结疏松体，然后烧结不同点在于：没有不同点在于：没有靶棒、沉积方向为靶棒、沉积方向为沿轴向沉积。沿轴向沉积。预制棒制备工艺比较预制棒制备工艺比较MCVDMCVD：设备相对简单，成本低，光纤特性较好设备相对简单，成本低，光纤特性较好预制棒尺寸受限，速度慢，沉积效率低预制棒尺寸受限，速度慢，沉积效率低PCVDPCVD：沉积效率高，速度快，适于制作多模光纤沉积效率高，速度快，适于制作多模光纤尺寸受限尺寸受限OVDOVD：速度快，几何精度高，可做大棒，适合大规模生产速度快，几何精度高，可做大棒，适合

46、大规模生产氢氧根含量低氢氧根含量低占有最高市场份额！占有最高市场份额！VAD:VAD:速度快，沉积效率高，可做长棒速度快，沉积效率高，可做长棒适于制作无水峰光纤适于制作无水峰光纤工艺程序多，影响成品率工艺程序多，影响成品率零色散点零色散点管内工艺管内工艺管外工艺管外工艺光纤结构设计光纤结构设计各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。，可分别用于不同的场合。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入纤芯掺入G

47、 Ge e和和P P 折射率折射率 包层掺入包层掺入B B和和F F 折射率折射率 光纤拉丝工艺利用熔融玻璃特性，高温软化后可将预制棒拉制成玻利用熔融玻璃特性，高温软化后可将预制棒拉制成玻璃纤维丝，在折射率分布上是预制棒的小型复制品！璃纤维丝，在折射率分布上是预制棒的小型复制品！拉丝原理：质量守恒拉丝原理：质量守恒体积守恒！体积守恒！设拉丝长度设拉丝长度l(mm)l(mm)，直径为，直径为d(um)d(um)，预制棒长度，预制棒长度L(mm)L(mm)，直径为，直径为D(um)D(um)预制棒体积预制棒体积 V Vpreformpreform=D D2 2L/4L/4 光纤体积光纤体积 V V

48、fiberfiber=d d2 2l/4,d=125 uml/4,d=125 umV Vpreformpreform=V=Vfiberfiber l=6.4 l=6.4 1010-5-5D D2 2L(km)L(km)拉丝工艺拉丝工艺拉丝工艺拉丝工艺预制棒炉子外径监控涂敷牵引辊光纤拉丝塔拉丝塔（Drawing TowerDrawing Tower）光波所的拉丝塔光波所的拉丝塔拉丝的关键技术拉丝的关键技术为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护气体加以保护送棒机构与牵引辊的速度必须相应，以保持光送棒机构与牵引辊的速度必须相应，以保持光纤外径的均

49、匀性纤外径的均匀性激光测径，外径的波动控制在激光测径，外径的波动控制在0.50.5微米之内微米之内涂覆材料的紫外固化涂覆材料的紫外固化拉丝的速度可以调整，拉丝的速度可以调整，600m/min1000m/min600m/min1000m/min光缆光缆需要将光纤制成光缆，以构成实用线路需要将光纤制成光缆，以构成实用线路光缆的技术要求光缆的技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯保护

50、材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬应用中的光纤怕什么？应用中的光纤怕什么？弯折，扭曲，侧向压力弯折，扭曲，侧向压力水分水分光缆结构光缆结构光缆的基本结构光缆的基本结构缆芯缆芯加强元件加强元件护层护层*光缆中必须有防潮层，并填充油膏！光缆中必须有防潮层，并填充油膏！缆芯缆芯作用：作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能套塑方法套塑方法紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向光缆结构