1、整理ppt第2章 光纤 -光纤导光原理及其特性整理ppt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整理ppt纤芯包层涂覆层芯线m125m2501、光纤的结构2.1光纤的结构及分类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 整理ppt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
2、的作用。涂覆层的主要作用是为光纤提供保护整理ppt2、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 Step Index SI渐变型(梯度型)光纤 Graged Index GI W型光纤等整理pptnnn1n1n1n2n2n2n阶跃型光纤 SI Step Index渐变型(梯度型)光纤GI Graged IndexW型光纤aa整理ppt整理ppt整理ppt3、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、
3、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、成缆整理ppt目的：目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。方法方法：精馏吸附精馏精馏塔活性吸附物质二级精馏活性吸附物质精料槽 SiCl4 HO-Cu2+_氧化铝或活性硅胶SiCl4材料提纯材料提纯整理ppt熔炼制棒熔炼制棒方法方法：MCVD法（改进的化学汽相沉积法）BELLPCVD法（等离子激活化学汽相沉积法）PHILIPSVAD法（汽相轴向沉积法）NTT OVD法（管外汽相沉积法）CORNINGAPVD法（等离子化学汽相沉积法）ALCAT
4、EL目的：目的：将提纯后的材料通过物理与化学的方法 合成一定折射率分布光纤预制棒。折射率分布通过控制掺杂浓度实现。整理ppt化学反应方程22242ClSiOOSiCl232236234ClOBOBCl22242ClOGOGeCle252236234ClOPOPOClMCVD法（改进的化学汽相沉积法）纤芯:SiO2 +GeO2(P2O5)包层:SiO2 +B2O5整理ppt整理ppt拉丝拉丝目的：将具有一定的折射率分布的预制棒 拉制成折射率分布不变的光纤。123 4 67891-光纤预制棒2-高温炉3-测温仪4-炉温控制5-激光测径仪6-调速系统7-涂覆器8-固化炉9-收丝轮整理ppt 光纤经过
5、涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。成缆 一、对光缆的要求1、机械性能好：保证光纤经得起拉伸、冲击、弯曲等影响。2、防护性能好：使光纤防水，防潮，防雷，防腐。3、传输性能好：避免工程中带来的附加损耗或色散。整理ppt2、光缆护套一般由塑料材料制造，保护光缆芯受到机械外力和环境的影响。PVC（聚氯乙烯）3、防潮层光纤非常怕水，一般用密封铝制金属或阻水纱防潮。4、填料 防止水气进入。要求：抗水性好，温度性能好，无毒，不易燃
6、。5、铠装 增加机械强度，防鼠，防虫，防人为损伤。1、加强件加强件一般由钢丝或增强塑料嵌在光纤中，用以 承受拉伸负荷。（集中式加强件，分散式加强件）二、光缆的基本结构整理ppt按成缆光纤类型 多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构 中心束管、层绞、骨架和带状 按加强件和护层 金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合 长途/室外、室内、水下/海底等 按敷设方式 架空、管道、直埋和水下3、光缆的分类、光缆的分类整理ppt4、光缆的结构（成缆方式）层绞式 骨架式中心束管式带状式整理ppt光纤油膏加强件护套松套管中心管式光缆中心管式光缆-套管式光缆是将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中，管中填冲油膏，
7、光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理、重量轻、体积小、价格便宜。整理ppt层绞式结构光缆层绞式结构光缆加强芯纤芯套塑填充料防潮层内护套铠装外护套-层绞式光缆是将若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起的一种结构，这种结构适用于芯线数较少的的光缆。整理ppt骨骨架架式式结结构构光光缆缆-沟槽式光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是加强元件。这种结构的光缆的抗侧压性能好，单制造工艺复杂。整理ppt整理ppt2.2 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1、内全反射折射定律一、SI光纤射线分析12sinsinnnti1n2nirt21nn cn2n1入射光
8、纤出射整理ppt非子午面光线整理ppt132123c1c2c31223整理pptSnell定律临界角临界角对应的捕光角sinsin10nn21cos1 ncn21sin12121)(1nnn12sinsinnnti12sinnnc捕光角1n2nc内全反射导光原理内全反射的条件c整理ppt2121)(1sinnnn2121max)(1sinnnn121nnn 相对折射率差2122211nnnn2121211)(nnnnnn1211)(2nnnn21n2sin1maxn1212nnn整理ppt3、模式及时延差传导模辐射模2、数值孔径NA(Numerical Aperture)maxsinNA21n
9、NAmaxNA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整理ppt最大时延差模式时延12sinnncLcLLsin两条路径dppvLvLtt121ncvp LcLLsincnLLnn121)(Lcn 1Lcn 1Lnn21整理ppt脉冲展宽：不引起码间干扰的脉冲间隔：码元速率（带宽）：LcnT111LncTBLcn 1不同模式的时延差使光脉冲展宽00T整理ppt提高带宽的方法：11LncTBB例：487.1,275.01nNA求光脉冲传1公里的扩展和最大比特率。解：cLnd1ns76.84SILncB11maxsMb/8.111n
10、cBL1）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)(2121nNA整理ppt二、GI光纤射线分析g=2 抛物线型arnararnrng;)(1)(20n1n2na整理pptn3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a整理ppt整理ppt光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示 式中：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，讨论平方律分布的光纤中的近轴子午光线，即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
11、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：式中，r是射线离开轴线的径向距离。rzrds整理ppt对平方律分布，有 对近轴光线，)2cos(za)2sin(za整理ppt整理ppt212cLnGILcnSI12SIGI整理ppt2.3 光纤的模式理论)(0),(),(ztjerEtzrE)(0),(),(ztjerHtzrH),(),(),(),(0000rEzrErErrEzr),(),(),(),(0000rHzrHrHrrHzrEjHHjE整理ppt1()()()(226)1()()1()()zrzrrzzrzrEjrEjHarEjEjHbrErEjHcrrHjrH
12、jEarHjHjEr ()(227)1()()rzbHrHjEcrr 整理ppt022EkE022HkH22knck022zzEkE022zzHkHnk0整理ppt 022zzEkEzjzerRE)()(0 11 22022zjeRnkRRrRrR0 11 22022RnkRRrRrRzje/R/01122220rnkRRrRR2r0222022nkrRRrRRr0)()(grf022mm整理ppt)(0),(),(ztjerEtzrE022zzEkEzjzerREE)()(0zr1n2na整理ppt2222022mnkrRRrRRr2m02m01222220RrmnkRrR谐方程Bessel
13、方程)sin()cos()(mm当02220nk令22220)(aunk)()()(rauBNrauAJrRmm当02220nk令22220)(awnk)()()(rauDIrauCKrRmm0)(1222RrmauRrR0)(1222RrmawRrR)(rauJm)(rauNm)(rawKm)(rawIm)(lim0 xNmx)(xIm指数增加Bessel函数虚宗量Bessel函数整理ppt)(xJn)(xInmnmmnxmnmxJ20)2()1(!)1()()412cos(2)(nxxxJxn)()(jxJjxInnnxxnexxK2)(xxnexxI21)(整理ppt当02220nk)(
14、)()(rauBNrauAJrRmm22220)(aunk当22220)(awnk)()()(rauDIrauCKrRmm02220nkar 1nn 022120nkar 2nn 222220)(awnk整理ppt022120nk022220nk1020nknkzjmzjmzemmrawKAemmrauAJE)sin()cos()()sin()cos()(arararar222120)(aunk222220)(awnk在纤芯中在包层中zjmzjmzemmrawKBemmrauBJH)sin()cos()()sin()cos()(znjke10znjke20zje)(rauJn)(rauKn整理
15、pptzjmzjmzemmrawKAemmrauAJE)sin()cos()()sin()cos()(ararararzjmzjmzemmrawKBemmrauBJH)sin()cos()()sin()cos()(AA BB 整理ppt)()(,21arEarEEEarzztt)()(,21arHarHHHarzzttzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(ararzjmmzjmmzemmwKrawKBemmuJrauJBH)sin()cos()()()sin()cos()()(arartn)(uJAAm)(wKAAm
16、整理ppt整理pptzjmmmmzjmmmmemmwKrawKawBmmwKrawKrmAawjemmuJrauJauBmmuJrauJrmAaujE)sin()cos()()()cos()sin()()()()sin()cos()()()cos()sin()()()(22ararzjmmmmzjmmmmemmwKrawKrmBmmwKrawKawAawjemmuJrauJrmBmmuJrauJauAaujH)cos()sin()()()sin()cos()()()()cos()sin()()()sin()cos()()()(22arar整理pptzjmmzjmmzemmwKrawKAemmu
17、JrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(求u、w、的值整理ppt先推导u、w、满足的方程222120)(aunk222202)(awnk2221202120)()(awaunknk)(222120222nnkawu21202222nkawu210nakV222211ancfan归一化频率V222Vwu下面由边界条件得到u和w的另一关系)()(,21arEarEEEartt)()(,21arHarHHHartt)sin()cos()()()cos()sin()()()(1)sin()cos()()()cos()sin()()()(122mmwKrawKawBmmwK
18、rawKamAawmmuJrauJauBmmuJrauJamAaummmmmmmmar ar 2V整理ppt0BA0det1111)()()()()()()()(2222212222221wunnwumwwKwKnnuuJuJwwKwKuuJuJmmmmmmmm222Vwu21nn 弱导近似11)()()()(22wumwwKwKuuJuJmmmm给定V值，代入求u、w分3种情况求解联立的超越方程：1）0m2）0m3）0m0nu0nw,3,2,1nmnumnw,3,2,1nmnumnw,3,2,1n222120)(aunkmn,3,2,1,0m光纤中的模式：0mnTE0nTM00m0mnmHE
19、,mnEH混合模zzEH 整理pptzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(0)(222202awnkar ar 0)(222120aunk传导模和辐射模满足以上条件的模式是传导模当不满足0)(222202awnk即0)(222202awnk包层中的波和纤芯中的类似就是辐射波02w02w传导模辐射摸整理pptcV222Vwu11)()()()(22wumwwKwKuuJuJmmmm0w22Vu ccuV 11)()()()(lim220wumwwKwKuuJuJmmmmw求ccuV 02w归一化截止频率02w02w传导
20、模辐射摸cV归一化截止频率计算cV整理ppt11)()()()(lim220wumwwKwKuuJuJmmmmw求ccuV 0m0)()()()(lim00000wwKwKuuJuJw0)(0uJ2.4048,5.5201,8.6537,cu)(0101TETM4048.2cV)(0202TETM5201.5cV4048.2V)(0101TETM传导模整理ppt（1）模和 模 令 ，可得到 模和 模有相同特征方程,为当模式截止时，由第二类变型的贝塞尔函数的递推关系及渐进公式，可以得到 所以截止状态下的特征方程为 的根有 2.4048,5.5201,8.6537,它们分别对应着 ，模的截止频率。
21、就是说，若归一化频率 2.4048,则 模就能在光纤中存在；反之，若归一化频率 2.4048，模就不是导模。对其他模式可以次类推。整理ppt（2）模 令 ，可得到 模特征方程,为 由贝塞尔函数的递推公式 当模式截止时，可得到所以截止状态下 的特征方程为 当 1时，得到一族 模，其 =3.8317,7.0156,10.1745,整理ppt（3）模 令 ，可得到 模特征方程,为 由贝塞尔函数的递推公式 当 时，截止状态下 的特征方程为 所以 的根有 0,3.8317,7.0160,10.1735,它们分别对应着 ,模式的截止频率。在所有的导模中，只有 模式截止频率为零，亦即截止波长为无穷大。模式是
22、任何光纤中都能存在、永不截止的模式，成为主模或基模，是单模光纤的工作模。整理ppt当 时，截止状态下 的特征方程整理后为 当 2时，的根有 2.4048,5.5201,8.6537,它们分别对应着,，模，模在截止时与 、简并。整理ppt模式模式VcHE110TE01、TM01、HE212.4048HE12、HE31、EH113.832HE41、EH215.1356HE135.520整理ppt图图2.12 最低阶模式的传播常数作为最低阶模式的传播常数作为V的函数的曲线的函数的曲线HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456归一化频率归一化频率V0/
23、k1n2n整理ppt光纤中的场和模式zjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(nTE0nTM0nmHE,mnEH归一化截止频率VccVV 整理ppt最低阶模式最低阶模式HE11TE01TM01HE21第一高阶模式组第一高阶模式组几个模式的场图整理ppt整理ppt线偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11Linearly Polarized(LP)modesrLP01LP11LP整理ppt整理ppt通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为 整理ppt在多模阶跃光纤中，多个导模同时传输，光纤的归一化频率V愈大，导
24、模数愈多，导模数M可按下式计算 在多模渐变光纤中,导模总数为 例：已知mamn602,1,01.0,5.11求导模数解：221anV40SI800整理ppt模功率分布 导模在光纤中传输时，功率集中在纤芯和包层中。对于不同模式，光功率在纤芯和包层的分配比例不同，包层中的光功率易受各种因素的影响而失掉。在弱导近似下，LP模的横向场只有Ey和Hz分量，所以导模携带的光功率在纤芯和包层中分别为 将LPmn模的场分布代入，可得 整理ppt整理ppt单模光纤单模光纤 单模光纤应满足单模条件单模光纤应满足单模条件 截止波长405.2221anV2405.221ancc单模光纤应满足单模条件单模光纤应满足单模
25、条件工程上截止波长由测量得到。光纤只传播基模光纤只传播基模HE11模模 HE11TE01H E21TM01HE31HE12E H21H E41TE02TM02123456归一化频率归一化频率V01LP单模光纤的单模光纤的截止波长整理ppt单模光纤工作模式单模光纤工作模式HE11的电场分布为零阶的电场分布为零阶Bassel函数，函数，可近似为指数分布，可近似为指数分布，主模主模LP01(HE11)的模场分布的模场分布2200()exp(/)E rErW单模光纤中工作波长超过截止波长单模光纤中工作波长超过截止波长时的光功率分布时的光功率分布1/232002202()22()r Er drWr Er
26、 dr模场直径（模场直径（Mode-field diameter MFD）单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径(MFD)定义为电场下降为定义为电场下降为1/e时的半径的时的半径的2倍倍;模场直径还有其它定义模场直径还有其它定义.多多模光纤的模场直径与纤芯几乎相等，但单模光模光纤的模场直径与纤芯几乎相等，但单模光纤的模场直径一般不等于模场直径。纤的模场直径一般不等于模场直径。zjzjyewKawKeuJrauJEE)()()()(110110110110002W整理ppt62/3879.21619.169.0VVaw4.22.1V误差小于1%2)(21watatalcoreePP75.0,2ta
27、talcorePPV20.0,1tatalcorePPV一般取4.22V整理ppt2.4光纤的损耗特性 (衰减特性Attenuation）引起光的损耗的机理是光纤对光的损耗吸收损耗1.本征吸收2.杂质吸收3.原子缺陷吸收散射损耗1、线性散射瑞利散射2、非线性散射 瑞利散射 布里渊散射弯曲损耗1.光纤弯曲2.光纤微弯整理ppt一、光纤损耗的系数一、光纤损耗的系数1()(0)1(0)ln)()pzpp zpePkmzP z其中：（当光信号在光纤中传播时，其功率随着距离的增加以指数形式衰减。当光信号在光纤中传播时，其功率随着距离的增加以指数形式衰减。如果在起始处（如果在起始处（z0）的信号功率为）的
28、信号功率为P(0)，则在光纤中经过距离，则在光纤中经过距离z的传播后，的传播后，其功率值为：其功率值为：p为衰减指数。为衰减指数。损耗系数损耗系数定义为：定义为：110(0)(/)log4.343()()pPdB kmkmzP z单位单位 dB/km,整理ppt二、吸收损耗：吸收损耗是由于光纤本身和光纤中的杂质对光的吸收损耗。1、本征吸收：光纤材料本身对光的吸收（sio2）。(1)红外吸收带（2）紫外吸收带当光在物质中传播时，物质内部吸收了一部分光的能量，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振
29、有关。对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，整理ppt（1）红外吸收机理：由于材料本身的原子之间的化学键形成形成晶格，当光纤中的光的波长与晶格 相键长相当时，光的能量向晶格传递，引起损耗。吸收带：1.5um，向红外延伸波长 um 损耗 dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对长波光通信影响较大红外区的中心波长在 8m12m 范围内，对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。整理ppt（2）紫外吸收机理：光纤中的光子流将光纤材料中的电子激发到 高能级，从而使得光子的能量发生转移。吸收带：9 95 5%波波长长
30、色色散散位位移移光光纤纤（D DS SF F,G G.6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纤纤（N NZ ZD DS SF F,G G.6 65 55 5）180D DW WD DM M波波长长范范围围正常色散区正常色散区反常色散区反常色散区整理ppt in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km:Dispersion=17ps/nm/km 6 nm 10 km=1020 ps At 1 Gbps a pulse is 1 ns
31、long.So the system would not work.(20%is a good guideline for the acceptable limit.)But it would probably work quite well at a data rate of 155 Mbps(a pulse length of 6.5 ns).A narrow spectral width laser might produce only one line with a linewidth of 300 MHz.Modulating it at 1 Gbps will add 2 GHz.
32、2,300 MHz is just less than.02 nm(at 1500 nm).So now:Dispersion=17ps/nm/km .02 nm 10 km=3.4 ps In this case,dispersion just ceased to be a problem.整理ppt 控制光源线宽 色散位移光纤 色散补偿光纤 中途谱反转 啁啾光纤光栅整理ppt Simple FP laser:over 5 nm;External cavity DBR laser:.01 nm Modulation adds to the bandwidth of the signal,by
33、 twice the highest frequency present in the modulating signal(1 Gbps,.04 nm)!Using more complex signal coding rather than simple OOK.Using WDM(a 2.5 Gbps signal has 1/4 of the problem with dispersion as a 10 Gbps signal).整理ppt dispersion shifted fibre is designed with a dispersion zero point at arou
34、nd 1550 nm.However,it is not always possible or indeed desirable：In many cases we cant have DSF because the fibre we must use is already installed.four-wave mixing effectively prohibit the use of DSF.整理ppt整理ppt整理pptDCF存在的问题存在的问题 高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20m2 G-652:80m2),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
35、 较大的色散斜率(DCF:-15 -20 ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。整理ppt The concept here is to use a device in the middle of the link to invert the spectrum.This process changes the short wavelengths to long ones and the long wavelengths to short ones.When the pulse arrives it has been re-built exac
36、tly-compensated for by the second half of the fibre.整理ppt整理pptDCF存在的问题存在的问题 高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20m2 G-652:80m2),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 较大的色散斜率(DCF:-15 -20 ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。整理ppt The concept here is to use a device in the middle of the link to invert the spect
37、rum.This process changes the short wavelengths to long ones and the long wavelengths to short ones.When the pulse arrives it has been re-built exactly-compensated for by the second half of the fibre.整理pptPrinciple This spectral inversion is performed by a process called“optical phase conjugation”.De
38、vices that change the wavelength using either 4-Wave Mixing or Difference requency Generation invert the spectrum as a biproduct of their wavelength conversion function.These can be used as spectral inverters if we can tolerate the wavelength shift involved.整理pptChirped Bragg grating longshortTo compensate for 100 km of standard(17 ps/nm/km)fibre the chirped grating needs to be 17 cm long for every nm of signal bandwidth!In this instance a WDM system with channels spread over(say)20 nm would need a chirped FBG(20 x 17)340 cm long!整理ppt
