光纤光学基础知识-liangfeng

1、Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤及光通信技术简介光纤及光通信技术简介梁锋梁锋2004-04Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.电磁波谱的划分电磁波谱的划分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m）电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波

2、红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质频率频率 HzShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光通信光通信用光波载运信息，实现通信用光波载运信息，实现通信光纤通信光纤通信以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信光纤通信的优点光纤通信的优点 频带宽、信息容量大频带宽、信息容量大 传输损耗低、无中继距离远传输损耗低、无中继距离远 材料丰富材料丰富 抗电磁干扰抗电磁干扰 光纤间串话小，保

3、密性好光纤间串话小，保密性好 耐腐蚀、耐高压耐腐蚀、耐高压 体积小、质量轻体积小、质量轻Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤结构光纤结构纤纤 芯芯包包 层层涂敷层涂敷层护护 套套单模光纤内径：单模光纤内径：8.2m多模光纤内径：多模光纤内径：50/62.5m外径：外径：125m尺寸规格：尺寸规格：Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.菲涅耳定律：菲涅耳定律：n1sin1=n2sin2结论：若要实现全反射，则必须有结论：若要实现全反射，则必

4、须有n1n2n2n1n1n221n1n2n1n212Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.nnnNA212221max=arcsin(NA)n1n2入射出射纤芯Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc. 可见，光纤的数值孔径（可见，光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而与光纤的直径无关。而与光纤的直径无关。 标准多模光纤的标准多模光纤的NA公称值一般为公称值一般为0.2

5、，对应，对应的孔径角约为的孔径角约为11.5。 标准单模光纤的标准单模光纤的NA公称值一般为公称值一般为0.10.15，对应的孔径角约为对应的孔径角约为5.78.6。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤的损耗：光纤的损耗：造成光纤衰减的主要因素有：造成光纤衰减的主要因素有： 本征，弯曲，挤压，杂质，本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。不均匀和对接等。本征：本征： 是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。等。弯曲：弯曲： 光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，

6、光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。造成的损耗。挤压：挤压： 光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：杂质： 光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。的损失。不均匀：不均匀： 光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：对接： 光纤对接时产生的损耗，如：不同轴光纤对接时产生的损耗，如：不同轴( (单模光纤同单模光纤同轴度要求小于轴度要求小于0.8m)0.8m)，端面与轴心不垂直，端面不平，端面与轴心不垂直，端面不平，对接芯径不匹配和熔接质量差等。

7、对接芯径不匹配和熔接质量差等。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤的色散特性光纤的色散引起传输信号的畸变，使通讯光纤的色散引起传输信号的畸变，使通讯质量下降，从而限制了通信容量和通信距质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。离。光纤的色散可分为以下几类：光纤的色散可分为以下几类：材料色散材料色散波导色散波导色散模式色散模式色散偏振色散偏振色散Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤的色散特性1模式色散又称模间色散 光纤的模式色散只存在于

8、多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。2材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，光纤对不同波长的电磁波会有不同的折射率，导致传输速度不同，就会引起脉冲展宽，导致色散。3波导色散又称结构色散它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过纤芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。 Shanghai FOCI Fiber O

9、ptic Communications Equipments, Inc.光纤的色散特性4、偏振模色散（PMD）单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤的色散

10、特性多模光纤：模式色散、波导色散、和材料色散，以模式色散为主单模光纤：材料色散、波导色散，以材料色散为主。偏振色散是单模光纤所特有。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纤技术发展的趋势一些普通器件的介绍Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.全波光纤全波光纤1998年，美国朗讯公司研制了一种新的光纤制造技术，它能消除光纤玻璃中的OH离子，从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“压平”了，从而使光纤在12801625nm的全

11、部波长范围内都可以用于光通信。全波光纤在城域网建设中将会大有作为。从网络运营商的角度来考虑，有了全波光纤，就可以采用粗波分复用技术，取其信道间隔为20nm左右，这时仍可为网络提供较大的带宽，而与此同时，对滤波器和激光器性能要求却大为降低，这就大大降低了网络运营商的建设成本。全波光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性，由于有很宽的波带可供通信之用，我们就可将全波光纤的波带划分成不同通信业务段而分别使用。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.Shanghai FOCI Fiber Optic Communication

12、s Equipments, Inc.聚合物光纤聚合物光纤 目前通信的主干线已实现了以石英光纤为基质的通信,但是，在接入网和光纤入户(FTTH)工程中，石英光纤却遇到了较大的困难。由于石英光纤的纤芯很细（610m），光纤的耦合和互接都面临技术困难，因为需要高精度的对准技术，因此对于距离短、接点多的接入网用户是一个难题。而聚合物光纤（polymer optical fiber，POF）由于其芯径大（0.21.5mm），故可以使用廉价而又简单的注塑连接器，并且其韧性和可挠性均较好，数值孔径大，可以使用廉价的激光源，在可见光区有低损耗的窗口，适用于接入网。聚合物光纤是目前FTTH工程中最有希望的传输介

13、质。聚合物光纤分为多模阶跃型SI-POF和多模渐变型GI-POF两大类，由于SI POF存在严重的模式色散,传输带宽与对绞铜线相似,限制在5MHz以内，即便在很短的通信距离内也不能满足FDDI、SDH、B-ISDN的通信标准要求，而GI POF纤芯的折射率分布呈抛物线，因此模式色散大大降低，信号传输的带宽在100m内可达2.5Gbps以上，近年来，GI POF已成为POF研究的主要方向。最近，N.Tanio从理论上预测了无定形全氟聚丁烯乙烯基醚在1300nm处的理论损耗极限为0.3dB/km，在500nm处的损耗可低至0.15dB/km，这完全可以和石英光纤的损耗相比拟。G.Giorgio等人

14、报道了100m全氟GI POF的数据传输速率已达到11Gbps。因此，GI POF有可能成为接入网，用户网等的理想传输介质。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光子晶体光纤光子晶体光纤 光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）是由ST.J.Russell等人于1992年提出的。对石英光纤来说，PCF的结构特点是在其中间沿轴向均匀排列空气孔，这样从光纤端面看，就存在一个二维周期性的结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，利用这个缺陷，光就能够在其中传播。PCF与普通单模光纤不同，由

15、于它是由周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以有中空光纤（holey fiber）或微结构光纤（micro-structured fiber）之称。PCF具有特殊的色散和非线性特性，在光通信领域将会有广泛的应用。PCF引人注目的一个特点是，结构合理，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的“无休止单模”特性（endlessly single-mode），这个特性已经有了很好的理论解释。这需要满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2。空气孔较大的PCF将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。PCF的另一个特点是它具有奇异的色散特性。现在人们已经在PCF中成功产生

16、了850nm光孤子，预计将来波长还可以降低。PCF在未来超宽WDM的平坦色散补偿中可能扮演重要角色。世界领先的PCF产品商业化的公司丹麦Crystal Fiber A/S最近推出了新的光子晶体光纤产品系列。一种是中空的“空气波导光子能带隙晶体光纤”（air-guiding Photonic Bandgap Fiber），此晶体光纤的纤芯是中空的，利用空气作为波导，使光可以在特殊的能带隙中传输。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equi

17、pments, Inc.光纤通信系统方框图光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信FromShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.现今网络所需：现今网络所需：May 17th, 2002 增加传输速率（容量）增加传输速率（容量） (bit/sec). 减小插入损耗减小插入损耗 (dB). 减小偏振相关损耗减小偏振相关损耗 (PDL). 减小光器件的温度依赖性减小光器件的温度依赖性. 减小光器件体积减小光器件体积. 器件模块（一体）化器件模块（一体）化.Sh

18、anghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.DWDM Vs TDMOctober 17th, 2000两种技术方案可以提高光纤带宽的利用率两种技术方案可以提高光纤带宽的利用率 :1)1) 增加单信道容量增加单信道容量 (bit rate)TDMWDM2)减小信道间隔从而增加信道数目减小信道间隔从而增加信道数目Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.时分复用时分复用TDMTime Division MultiplexingShanghai FOCI Fibe

19、r Optic Communications Equipments, Inc.波分复用波分复用WDMWavelength Division MultiplexingShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.May 17th, 2002UVInterferenceShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅（FBG）4321,3421,掺锗光纤芯经紫外光曝光，折射率改变（1978年）窄带带阻滤波器（反射型）反射波长：布拉格条件 ；相位匹配工作原理：相干叠加，正向模与反向模模式耦合effBn20122调谐：温度或外力拉伸形变损耗 0.1dB；信道间隔/隔离度 1.6nm/22dB；带宽 0.2nm；调谐范围 10nm；调谐速率 2ms.应用：光纤激光器，色散补偿，EDFA增益平坦等Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.布拉格光纤光栅布拉格光纤光栅上下话路器上下话路器Add-Drop Multiplexers (ADMs)4321,334321, ,环行器环行器光纤