光纤通信第二章：光纤

1、第二章：光纤第二章：光纤刘建国刘建国中国科学院大学中国科学院大学2015/9/25n 光纤光纤结构特性结构特性n 光纤光纤中的光传播理论中的光传播理论n 光纤的分类光纤的分类n 光纤设计与制备光纤设计与制备n 光纤中影响通信容量的三要素光纤中影响通信容量的三要素 (损耗损耗, 色散色散, 非线性非线性)光纤是一种高度透明的玻璃丝，由石英等材料拉制而成光纤：芯（Core）同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去纤芯：折射率较高，用来传送光；包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射；保护套：强度大，能承受较大冲击，保护

2、光纤射线理论（几何光学）射线理论（几何光学） 当线芯尺寸远大于波长时有效，适合大芯径多模光纤 用光射线代表光能量的传输线路来分析光纤中光传输的问题波动理论（麦克斯韦方程）波动理论（麦克斯韦方程） 光作为电磁波，适合所有光纤 从波动方程和电磁场的边界条件出发，给出光纤中的场的结构形式（即传输模式），从而给出光纤中完善的场的描述形式 c in1n2n0一一束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光束光在光纤中满足全反射定律时，就能在光纤中有效地传播纤中有效地传播。（。（a） 请推导光线满足全内反射条件时，请推导光线满足全内反射条件时，入射角与折射率之间的关系？入射角与折射率之间的关系？数值孔径数值孔径

3、(NA) c in1n2n0相对折射率差相对折射率差 越大越大 ，NA越大，光纤聚光本领越强。越大，光纤聚光本领越强。一一束平行光束经透镜聚焦后注入光纤束平行光束经透镜聚焦后注入光纤，只有满足，只有满足全反射条件全反射条件的光线才能在光纤中有效传输的光线才能在光纤中有效传输。能够。能够满足全反射条件的光线，满足全反射条件的光线，在空间形成了一个立体角，光纤的在空间形成了一个立体角，光纤的数值孔径数值孔径 (NA) 直接反映直接反映了这个立体角的大小，从而描述了光纤接收光的能力了这个立体角的大小，从而描述了光纤接收光的能力。NA越大，光纤的集光本领越强。越大，光纤的集光本领越强。讨论：讨论：光纤

4、的聚光本领与光纤光纤的聚光本领与光纤线芯直径的关系？数值孔径越线芯直径的关系？数值孔径越大越好吗？大越好吗？讨论：讨论：所有满足全内反射的光线所有满足全内反射的光线都能在光纤内长距离传输吗？为都能在光纤内长距离传输吗？为什么？什么？电磁波：电磁波：电磁场理论适用于所有电磁波，光波从本质上电磁场理论适用于所有电磁波，光波从本质上来讲也是一种电磁波，也适合于电磁场理论。来讲也是一种电磁波，也适合于电磁场理论。Coaxial Line（同轴线）Rectangular Waveguide(矩形波导)Circular Waveguide（圆柱形波导）Stripline（带线）Microstrip（微带线

5、）波导：波导：电磁场理论适用于所有波导，在一定的边界条件电磁场理论适用于所有波导，在一定的边界条件下，都可以得出本征解。光纤从本质上讲类似于下，都可以得出本征解。光纤从本质上讲类似于圆柱形同轴线，因此适用于波动理论。圆柱形同轴线，因此适用于波动理论。E, Maxwells EquationsWave Equation cylindrical coordinatesGuided wave equationHelmholtzs Equation boundaryconditionstangenticalcomponentsgeneral solutioneigenvalue equation (x

6、, y,z) tseparate variablesnumerical solving波动理论起源于麦克斯韦方程，在边界条件的波动理论起源于麦克斯韦方程，在边界条件的限定下，本征解是传播常数限定下，本征解是传播常数mnmn根据电磁场理论，根据电磁场理论，本征解是分立的，本征解是分立的，每一个本征解对应每一个本征解对应唯一的光场分布，唯一的光场分布，我们称之为传播模我们称之为传播模式，这种模式叫做式，这种模式叫做横模。横模。n2n1n2n1n2n2讨论：讨论：是否是否光场的能量全光场的能量全部都限定在纤部都限定在纤芯内传播？芯内传播？光传播常数：光场分布的每一个模式所对应光传播常数：光场分布的每

7、一个模式所对应 的本征解。由于不同模式对应的本征解。由于不同模式对应 的有效折射率不同，导致其传的有效折射率不同，导致其传 波常数存在差异。波常数存在差异。有效折射率：由于不同模式的光场分布不同，有效折射率：由于不同模式的光场分布不同， 将光场与折射率进行加权平均，将光场与折射率进行加权平均， 即为该模式的有效折射率。即为该模式的有效折射率。2)2(12122210annnakV归一化频率参数：归一化频率参数：模式数量估算：模式数量估算：单模传输条件：单模传输条件：按照光纤传输模式数量分类 单模光纤，适用于长距离、大容量的光纤通信系统 多模光纤，适用于短距离、中小容量的光纤通信系统多模光纤 2

8、a=50/62.5 m单模光纤 2a=410 m按照光纤截面折射率分布分类 阶跃型光纤 梯度型光纤(多模光纤) 双包层（W型） 三角分布-色散位移光纤(DSF G.653),非零色散位移光纤(NZ-DSF G.655)按光纤构成的原材料分类 石英系光纤 塑料包层光纤 全塑光纤聚合物(塑料)光纤(POF)：用于短距离用户接入。尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信号衰减，但 韧性好，更为耐用 直径大1020倍，连接时允许一定的差错，而不致牺牲耦合效率ITU-T标准光纤 G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移光纤(DSF) G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF) G.657：

9、弯曲损耗不敏感单模光纤。1600160017001700140014001300130015001500 2020 10 10 0 0- -1010-20-20G.65317ps/nm.kmG.652设计制备设计制备预制棒预制棒拉制成纤拉制成纤制备成缆制备成缆 改进的化学气相沉积法（MCVD） 等离子体化学气相沉积法（PCVD） 棒外气相沉积法（OVD） 轴向气相沉积法（VAD）（典型预制棒长1-1.5m,直径10-25mm）损耗损耗非线性色散色散POUT-出纤光功率 Pin-入纤光功率n 光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材

10、料的研究。若P0是入射光纤的功率，则传输功率PT为：)exp(0LPPT这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：343.4log10)/(10inoutPPLkmdB损耗主要机理：损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗材料吸收、瑞利散射和辐射损耗 紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的-本征吸收损耗 OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 减低OH离子浓度，减低这些吸收

11、峰-全波光纤（AllWave 康宁）瑞利散射是一种基本损耗机理。由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。大小与4成反比， RC/ 4（dB/km），因而主要作用在短波长区。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。在1.55m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 dB/km ，是该段损耗的主要原因。辐射损耗又称弯曲损耗，导模的部分能量在光纤包层中与纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度

12、前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。n 光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种物理现象；将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量 模式色散：多模光纤中不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同，产生时延差和脉冲展宽 波导色散 ()：同一模式的传播常数随波长变化 材料色散 n()：材料折射率随波长变化 偏振模色散PMD n2n 光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率B决定，因而不希望色散展宽而产生误码。但实际上色散总是会引起

13、脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，产生ISI（Intersymbol Interference），从而限制了光纤通信系统的比特率B和传输距离L，而BL积是评价系统传输性能的基本参数（称为通信容量）。 由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速度色散（GVD）、模内色散或简言之光纤色散。GVD包括材料色散和波导色散。沿z方向传输的单色波： 其中，是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）群速度：表征光信号包络包络的传输速度相速度：波的相位在空间中传递的速度，换句话说，波的任一频率成

14、分所具有的相位即以此速度传递ztjAztEexp),(pvddvgddLvLgn 群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。n 这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度。n 群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。LLdddd222222dd以色散系数Dps/(nm. km)表达脉冲展宽 D的定义为：22211cLLDLD材料色散：纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光

15、经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。波导色散：由于单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播常数是a/的函数(a纤芯半径， a/是光纤相当于波长的尺度).因为在0处色散并未完全消失，尚存在高阶色散，光脉冲仍会展宽。D不能使中心波长位于0的光脉冲包含的所有波长都为零，D0并不意味着色散不随波长而变，D的波长相关性或高阶色散将引起脉冲展宽。高阶色散取决于色散斜率S：高阶色散效应只有在脉冲波长趋近于零色散波长且差别只有几个nm时才需考虑。ddDS 理想条件下（光纤为严格的圆柱形&材料各向同性）

16、，X方向偏振态的模式不会与正交的Y方向偏振态的模耦合，两正交偏振模简并。实际光纤形状略偏离圆柱形以及材料各向异性的微小起伏，破坏了模式简并，导致两偏振态混合。模传播常数对于X,Y方向偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为模式双折射。双折射程度B:yxyxnnkB0双折射效应破坏了模式简并，将导致光功率在两偏振分量之间周期性地发生转换，转换周期“拍长”：慢轴：模折射率大的轴快轴：模折射率小的轴450线偏振光在双折射光纤中偏振态的演变拍长BLyxB2n 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。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成

17、偏振模色散。本征光纤双折射随机的偏振模耦合双折射的光通信器件 外界的挤压 光纤的弯曲、扭转 外界环境温度的变化等+设计中故意引入大量双折射。快轴、慢轴若入射光的偏振方向与光纤的快轴或慢轴一致，则光在传输过程中其偏振态保持不变。若入射光的偏振轴与光纤的快慢轴成一夹角，则在传输过程中将以“拍长”为周期，连续地周期性地改变其偏振态。 谈一谈您对光纤数值孔径的理解？谈一谈您对光纤数值孔径的理解？ 谈一谈您对光纤中损耗的理解？谈一谈您对光纤中损耗的理解？ 谈一谈您对光纤中色散的理解？谈一谈您对光纤中色散的理解？数值孔径数值孔径(NA) c in1n2n0相对折射率差相对折射率差 越大越大 ，NA越大，光

18、纤聚光本领越强。越大，光纤聚光本领越强。损耗损耗非线性色散色散损耗主要机理：损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗材料吸收、瑞利散射和辐射损耗n 光纤色散：由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，由于不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种物理现象；将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量55FastSlowslowfast函数y =f (x)描述了y对自变量x的依赖关系。n线性：是指变量之间的数学关系是直线的属性。n非线性：是指变量之间的数学关系不是直线， 而是曲线、曲面、或不确定的属性。(1)(2)2(3)30.PEEE 电场的极化

19、强度取决于入射光的电场强度，其作用可用多项式展开成多阶形式。 在弱光条件下，高阶项因为系数很小而可以忽略，此时可近似看成一种线性关系。 在强激光场作用下，极化强度的高阶项强度不可被忽略，非线性作用出现，从而可以实现光和光之间的相互作用。 光与物质的相互作用光与物质的相互作用 光纤中主要是光纤中主要是三阶三阶非线性效应非线性效应（克尔效应）（克尔效应） 光对光传输特性的光对光传输特性的影响影响和和控制控制光纤玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强高，作用距离长，非线性效应累积，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。OE, HUST58Transmitter outReceived

20、waveformLow optical powerHigh optical powerOptical fiber 入射光功率入射光功率 非线性效应非线性效应 有效有效作用距离作用距离 非线性系数非线性系数LeffdzzPPL00)(11effLLLzedze10)exp(0LPPTLLeffP(0)P rreffrdrdrIrdrdrIA,22模场分布为高斯分布时模场分布为高斯分布时,A,Aeffeff= = WW2 2普通单模光纤的Aeff80m2色散位移光纤的Aeff55m2色散补偿光纤的Aeff20m2n 非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面

21、积。由于光功率在光纤纤芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积Aeff表示。IIr0r0受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应 受激布里渊散射(SBS) 受激喇曼散射(SRS)克尔效应：光强度引起光纤折射率的变化 自相位调制(SPM) 互相位调制(XPM) 四波混频(FWM)受激布里渊散射：由于入射光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光子与声子之间相互作用，产生了受激布里渊散射。64SBS 是分布式后向散射（以后向为主）谱线以斯托克斯光为主，距离主频10GHz，线宽小于50MHz 布里渊散射是一种阈值行为。散射功率与输出功率相等时的入射功率。21110eff

22、sourcethBeffBAfPmWg Lf讨论：讨论：提高提高SBS阈值阈值的方法？的方法？受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性。67SRS 是分布式前向散射（以前向为主）谱线以斯托克斯光为主距离主频13.2THz线宽可以达到5000GHz Rtheffeffeffeff3R2thg :Raman gain coefficientPthreshold power1 expLL:effectiveinteraction length LAeffectivecorearea Awg1 10 m/ Ww50 mP570mW0.

23、2dB kmkm/ Pth 阈值行为阈值行为受激布里渊散射与受激拉曼散射特点的异同？谈一谈你所知道的受激布里渊散射与受激拉曼散射的应用例子？受激布里渊散射能否用于对高速信号的放大（1Gb/s）？受激拉曼散射可否用于对高速信号的放大（1Gb/s） ？在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：(光场线偏振，光脉冲宽度1ps)222),(EnnEn光场幅度的有效值或均方根线性折射率非线性折射率或Kerr系数折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。由于折射率对光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离

24、的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制SPM。effAn22PLLNLineff00ineffdLP(z)dzPLP(z)P exp(z)1L SPM导致频率啁啾，啁啾为负值(前沿红移，后沿蓝移)，频率啁啾将导致脉冲谱宽增加。SPM与光纤色散共同作用， 在正常色散区（红快蓝慢），加剧脉冲展宽速度； 在反常色散区（蓝快红慢），减低脉冲展宽速度(但SPM将导致脉冲畸变)。 在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输孤子。正常色散正常色散反常色散反常色散在多波长系统中（WDM），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。 XPM是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。特点：特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第j信道的相移可写为：MjmmjeffjNLPPL2 互相位互相位调制来源于调制来源于波分复用波分复用系统中其他信道的影响；系统中其他信道的影响； 互相位调制只有当脉冲互相位调制只有当脉冲重叠重叠时才会产生；时才会产生；