光纤通信第二章课件

1、光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光源光源 放大器放大器 光电二光电二 极管极管 判决器判决器 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 1.2 光纤类型光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯高纯 度石英度石英（SiO2）制成的光纤。 实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤单模光纤（Single-Mode Fiber

2、, SMF） 相对于而言，和的纤芯 直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤 光纤通信第二章课件 图 2.2三种基本类型的光纤 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯包层 Ai t Ao t (a) 输入脉冲光线传播路径输出脉冲 50 m 125m r n Ai t Ao t (b) 10 m125m r n Ai t Ao t (c) 光纤通信第二章课件 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 2a 2a n1 n2 n3 (a)(b)(b) 特种单模光纤特种单

3、模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构 和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 色散平坦光纤色散平坦光纤（DispersionFlattened Fiber, DFF） 色散移位光纤色散移位光纤（DispersionShifted Fiber, DSF） 双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。 光纤通信第二章课件 主要用途：主要用途： 突变型多模光纤突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤单模光纤用在大容量长距离的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 实现了10 Gb/s容量的100 k

4、m的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输 容量提高几倍到几十倍。 三角芯光纤三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率， 增加传输距离。 偏振保持光纤偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统 最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 光纤通信第二章课件 1600170014001300120015001100 20 10 0 -10 -20 G.653 17ps/nm.km G.652 光纤通信第二章课件 17ps/nm.km 1600170014001300120015001100 20 10 0 -10 -20 G.65

5、3 G.652 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 1 光缆基本要求光缆基本要求 保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用和 。 光纤从高温拉制出来后，要立即用和 ，除去断裂光纤，并对成品光纤用。 二次被覆光纤有、和光纤四种，见 图 条件直接影响光纤的使用寿命。 光纤通信第二章课件 二次被覆光纤(芯线)简图 (a) 紧套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 带状线 紧套 一次被覆光纤 松套 大套管 一次被覆光纤 带状线 (a)(b)(c)(d) 光纤通信第二章课件 光缆结构和类型光缆结构和类型 光缆一般由和两部分组成，有时在护套外面加有 铠装。 1. 缆芯通常包括

6、(或称芯线)和两部分。 是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有 时配置在护套中。 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光缆光缆 的基本型式的基本型式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。 把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺 旋形塑料骨架凹槽内而构成。 把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中， 加强 件配置在套管周围而构成。 把带状光纤单元放入大套管内， 形成中心束管式结 构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内， 形 成骨架式或层绞式结构。 光纤通信第二章课件 2. 护套护套 起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良 好

7、的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构 成。 根据使用条件根据使用条件可以分为：可以分为： 等。 特种光缆常见的有：电力网使用的 (OPGW)， 跨越海洋的，易燃易爆环境使用的 以及各种不同条件下使用的等。 光纤通信第二章课件 光缆特性光缆特性 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 2 2 2 102 122 0 21 10 sin 1cos90sinsin cossin nnnNA nnnnn nn i cc ci 2 1 1 2 nNA 2 1 2 2 2 1 1 21

8、 2n nn n nn (n1略大于n2) 1. 光纤通信第二章课件 所有所有 大于大于 临界角临界角 C C的的 光线都被限光线都被限 制在纤芯内。制在纤芯内。 1. 阶跃光纤阶跃光纤 光纤通信第二章课件 1. 阶跃光纤阶跃光纤 2 2 11 sinn n c L L L c n T c c n n BL B T 2 1 2 1 （最大时延要小于比特脉冲间隔）（最大时延要小于比特脉冲间隔） 光纤通信第二章课件 1. 阶跃光纤阶跃光纤 c n n BL 2 1 2 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 1 12 r n 1-() r a n(r)=a n (1-)=n ra , SIOF =

9、2 , parabolic-index 光纤通信第二章课件 2 1 n T = L8c 2 1 8c B L n 光纤通信第二章课件 2. 渐变光纤渐变光纤 光纤通信第二章课件 2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论 光纤传输的波动理论的两个出发点光纤传输的波动理论的两个出发点 光纤传输的波动理论的两个角度光纤传输的波动理论的两个角度 光纤通信第二章课件 E, Maxwells EquationsWave Equation cylindrical coordinates Guided wave equationHelmholtzs Equation boundary conditions

10、 tangentical components general solutioneigenvalue equation (x, y,z) t separate variables numerical solving mn suited for a , wave theory 光纤通信第二章课件 式中，E和H分别为和在直角坐标中的任一分量， c为光速。选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线一致， 如图所示。 将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez 的 为 0 2 2 EKE T (2.30) 0 2 2 HKH T (2.31) 0 11 2 2 2 22 2 Z ZZZ

11、EK E rr E rr E (2.42) 1. 波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式 设光纤没有损耗损耗，折射率折射率n变化很小，在光纤中传播的是 角频率为的单色光单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jt)，则 方程为 光纤通信第二章课件 光纤中的圆柱坐标 x r y z 包层n2 纤芯n1 光纤通信第二章课件 Hz的方程和式(2.42)完全相同，不再列出。 解方程(2.42)，求出Ez 和Hz，再通过求出 其他电磁场分量，就得到任意位置的和。 把Ez(r, , z)分解为Ez(r)、Ez()和Ez(z)。设光沿光纤轴向 (z轴)传输，其传输常数为，则Ez(z)应为exp(-jz)

12、。 由于光纤的，Ez()应为的周期函数， 设为exp( jm)，m为整数。 现在Ez(r)为未知函数，利用这些表达式， 电场z分量可以 写成 Ez(r, z)=Ez(r)ej(m-z) 把上式代入式(2.42)得到 光纤通信第二章课件 式中，k=2/=2f /c=/c，和f为光的波长和频率。 这样 就把分析光纤中的，归结为求解 (2.49)。 设纤芯(0ra)折射率n(r)=n1，包层(ra)折射率n(r)=n2，实 际上和常规都满足这个条件。 为求解方程(2.49)，引入无量纲参数 , 和 。 0)()( )(1)( 2 2 222 2 2 rE r m kn dr rdE rdr rEd

13、Z ZZ (2.49) 光纤通信第二章课件 因为 ； 。 根据这些特点，式(2.55a)的解应取m阶Jm(ur/a)， 而式(2.55b)的解则应取m阶修正的Km(wr/a)。 u2=a2(n21k2 -2) (0ra) w2=a2(2-n22k2) (ra) V2=u2+w2=a2k2(n21-n22) 利用这些参数， 把式(2.49)分解为两个： (2.54) 0)()( )(1)( 2 2 2 2 2 2 rE r m a u dr rdE rdr rEd Z Zz 0)()( )(1)( 2 2 2 2 2 2 rE r m a w dr rdE rdr rEd Z Zz (0ra)

14、(ra) (2.55a) (2.55b) 光纤通信第二章课件 因此，在和的Ez(r, , z)和Hz(r, , z)表达式为 Ez1(r, , z) (0ra) )( )/( mj e Jm aurJm A Hz1(r, , z)= )( )/( mj e Jm aurJm B Ez2(r, , z) )( )( )/( zmj m e wk awrKm A Hz2(r, , z) )( )( )/( zmj e wkm awrKm B (0ra) (ra) (ra) (2.56a) (2.56b) (2.56c) (2.56d) 式中，脚标1和2分别表示和的电磁场分量，A和B为 待定常数，由

15、激励条件确定。Jm(u)和Km(w)如图2.7所示，Jm(u)类似 振幅衰减的正弦曲线，Km(w)类似衰减的指数曲线。 式(2.56)表明，光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征 参数 、 和 的值。 u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为 ；决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为 。 光纤通信第二章课件 图2.7 （a)贝赛尔函数；（b)修正的贝赛尔函数 Jm(u) 0 4 3 2 1 0 2 4 6 8 10 u m=1 v=0 m=2 (a) (b) m=1 1 2 3 4 5 w km(w) m=0 光纤通信第二章课件 当m=0时，可分为两类。一类只有Ez、Er和H分

16、量， Hz=Hr=0，E=0， 这类在传输方向无磁场的模式称为(波)， 记为TM0。 另一类只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，这类在传输 方向无电场的模式称为(波)，记为TE0。 当m0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为 。 混合模也有两类， 一类EzHz，记为HEm，另一类Hz0。 a wr )( a wr k m )exp( a wr )exp( a wr 如果w0， 将在振荡， 将转换为 ，使能量从辐射出去。 w=0(=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态， 这个状 态称为。 其u、 w和值记为uc、wc和c，此时V=Vc=uc。 对于每个确定的v值，可以从特征方程

17、(2.58)求出一系列uc值， 每个uc值对应一定的模式，决定其值和分布。 光纤通信第二章课件 当m=0时，可分为两类。一类只有Ez、Er和H分量， Hz=Hr=0，E=0， 这类在传输方向无磁场的模式称为(波)， 记为TM0。 另一类只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，这类在传输 方向无电场的模式称为(波)，记为TE0。 当m0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为 。 混合模也有两类， 一类EzHz，记为HEm，另一类HzEz， 记为EHm。下标m和都是整数。 第一个下标m是贝塞尔函数的阶数，称为，它表 示在纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数。 第二个下标是贝塞尔函数的根按从小

18、到大排列的序数， 称 为，它表示从纤芯中心(r=0)到与交界面(r=a)电 场变化的半周期数。 光纤通信第二章课件 当V时， w增加很快，当w时，u 只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止模式远离截止，其u 值记为u。 波动方程和特征方程的精确求解都非常繁杂，一般要进 行简化。 大多数通信光纤的纤芯与包层相对折射率差都很小(例 如1)由HEm+1n和EHm-1n组成，包含4重简并。 。 光纤通信第二章课件 表表2.2 低阶（低阶（v=0和和v=1）模式和相应的）模式和相应的u值范围值范围 光纤通信第二章课件 四个低阶模式的电磁场矢量结构图 HE11HE21 TE01TM01 电场 磁场

19、 光纤通信第二章课件 3. 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式 数目随V值的增加而增多。 当V值减小时，不断发生， 逐渐减少。 特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式 存在，其余模式全部截止。 HE11称为。 由此得到为 V=2.405 或c= c 405. 2 V 由式(2.62)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在 一个，当c时，是单模传输， 这个临界波长c称为。由此得到 405. 2 2 2 2 2 1 nn a V (2.62) 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件 光纤通信第二章课件