光纤通信第一章-课件

1、绪论光纤光发射机光接收机光纤通信系统设计教材：光纤通信（第二版） 顾婉仪 人民邮电出版社参考书：1.光纤通信及网络技术 徐宝强 北京航空航天大学出版社2.光纤通信（第四版 ） Gerd Keiser 电子工业出版社光 纤 通 信绪论光纤通信的含义发展历史、现状光纤通信特点一.光纤通信的含义通信（Communication）光通信（Optical Communication）光纤通信（ Optical fiber Communication）部分电磁波频谱光纤光发射机电端机电端机光接收机光纤通信系统的组成光源调制器驱动电路放大器光电二极管判决器光纤光纤中继器光发射机光接收机光 纤中 继 器光 器

2、 件光纤-传输通道功率降低脉冲展宽畸变损耗（Loss）色散（Dispersion）非线性效应（ Nonlinearity）有三种危害光发射机-PCM加载到光源上驱动电路光 源调制器通道耦合器电信号输入 光输出LED、LD、DFB光接收机-接收光信号光检测器偏压控制前置放大器AGC电路均衡器判决器时钟提取再生码流主放大器光信号PIN APD中继器恢复原来的信号放大（Reamplifying）重定时（Retiming）整形（ Reshaping）3R:二.光纤通信的发展Fire beacons 狼烟 1880年，贝尔(Bell)发明了 “光电话”。光电话存在问题：1.光源 2.传输媒质 光纤通信的

3、发展方向：1. 3U2. 1250nm-1650nm 损耗0.5dB/km 1962 半导体激光器1960 梅曼 红宝石激光器动态单纵模DFB-LD1975年 1310、1550nm MM-LD静态单纵模DFB-LD1970 双异质结半导体激光器 850nmDSF色散位移光纤MMF to SMFSMF1966 高锟 论文预言波长1310、1550 nm低损耗窗口1970 康宁、损耗20dB/km商用：大有效面积NZDSFNZDSF商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器1962 半导体激光器1960 梅曼 红宝石激光器动态单纵模DFB-LD1975年 1310、1550nm MM-LD静态单纵

4、模DFB-LD1970 双异质结半导体激光器 850nmDSF色散位移光纤MMF to SMFSMF1966 高锟 论文预言波长1310、1550 nm低损耗窗口1970 康宁、损耗20dB/km商用：大有效面积NZDSFNZDSF商用：DFB-MQW-LD多量子阱激光器第一阶段：70s 波长：850nm 光纤：多模光纤 MMF 速率：10-100Mb/s 距离：10km三.光纤通信系统的发展第二阶段：80s 波长：1310nm 激光器：MM-LD 光纤： MMF：100Mb/s，10km SMF:1.7Gb/s, 50km 第三阶段：80-90s 波长：1550nm 激光器：SM-LD 光纤

5、：SMF 2.5GBb/s，100km 第四阶段：90s,波长：1550nm OA ：光放大器（EDFA） DWDM：密集波分复用 三.光纤通信的应用四.特点光波作为载波，速率高、信息量大；2. 光纤，损耗小、中继距离大；3.抗电磁干扰；4.保密性好；5.尺寸小、重量轻；6.资源丰富。各种传输线路的损耗特性光纤通信的缺点1、光纤的弯曲半径不易过小。2、切断和连接操作复杂。3、分路、耦合麻烦。28光纤的结构光纤的基本理论光纤的基本参数单模光纤第一章 光纤的基本理论结构特性：几何尺寸、分类光学特性：折射率、数值孔径 传输特性：损耗和色散 光纤的特性： 教学重点及难点重点: 一、分析光纤的导光原理；

6、 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算。难点： 光纤传输的波动理论1.1.1 光纤的结构和分类 核心结构：纤芯、包层一、结构 1.纤芯： 光波传输的主要通道。 直径2a一般在450m。 折射率用n1表示。2. 包层：2b=125 m。 折射率用 n2表示。 3. 涂覆层：保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤。注：n1 n2。这是光在光纤中传输的必要条件。1.根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类 （1）阶跃型光纤 （2）渐变型光纤阶跃光纤的折射率分布渐变光纤的折射率分布 二、分类 2.根据光纤传输模式的不同分类 （1）单模光纤：传输一个模式的光波，光线以直线形状沿纤芯中心

7、轴线方向传播。纤芯直径只有410 m。只有 阶跃型光纤。长距离，大容量通信 根据电磁场理论：光波存在许多不同的模式单模光纤 （ 2）多模光纤：传输多个模式的光波。包括 A 阶跃型光纤。短距离，小容量通信 B 渐变型光纤。中距离，中容量通信2.根据光纤传输模式的不同分类 3.按照制造光纤所用的材料分类 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤 4. 根据光纤的工作波长分类 实用光纤主要有三种基本类型 1.多模阶跃光纤（Step Index Fiber, SIF）， 一般2a=50m，特点是信号畸变大。 作用：相应的带宽只有10-20 MHzkm，只能用于小容量（8 Mb/s以下

8、）短距离（几km以内）系统。 2.多模渐变光纤（Graded Index Fiber, GIF），2a为50m，特点是信号畸变小。 作用：带宽可达1-2 GHzkm，适用于中等容量（34-140 Mb/s）中等距离（10-20 km）系统。3.单模光纤（Single Mode Fiber, SMF），2a=4-10 m，其信号畸变很小。 作用：大容量（565 Mb/s2.5 Gb/s）长距离(30 km以上)系统要用单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（Disper

9、sion Shifted Fiber, DSF） 三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。 特种单模光纤国际电联ITU-T 的光纤标准G.651：多模光纤G.652：第一代单模光纤（用量最大的）G.653： 1550nm 零色散单模光纤G.654 ：1550nm 波长衰减最小光纤G.655：非零色散位移光纤G.656：光学传输原理分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学法 麦克斯韦波动方程法几何光学法（射线光学）：是忽略波长的光学（波长趋近于0），用射线代表光能量传输路线的方法。波动方程法：把光作为经典电磁场来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律，得到光纤中的传播模式、长结构等。 分析问

10、题的两个出发点 数值孔径 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 射线光学法分析问题的两个角度 多模阶跃光纤 多模渐变光纤1.1.2 多模阶跃折射率光线的射线光学理论分析光纤通信课程 第一章45多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析 全反射光纤的数值孔径光纤的相对折射率差最大群时延差 (1) 反射与折射(2) 全反射临界 临界角 (3) 全反射1.光的全反射 全反射条件： 光线由光密介质 光疏介质 入射角全发射临界角光纤的导光特性：是基于光线在纤芯和包层交界面上的全反射。把光线限制在纤芯中传输。光纤光纤种类：子午线 斜射线n0 ：空气折射率n1 ：纤芯折射率n2 ：包层折射率 且

11、n1n2n02.子午线在光纤中的传输（1）临界入射（ 空气中的入射临界角） 与内光线入射角的临界角 相对应，光纤入射光的入射角 有一个最大值 ，称为光纤端面入射临界角（简称入射临界角）。 (2)全反射传输 当 时， 临界角， 光线在纤芯和包层交界面发生全反射。将光线束缚在纤芯内传输。(3)不能全反射 ，则 临界角，不能发生全反射。有折射发生，光线有损失。 半锥角 由此可见，只有在半锥角为 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 3.数值孔径 根据传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为： 光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率

12、n1和n2 ，与光纤的直径无关。 光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；(集光能力越好) 公式可知，NA越大，n1，n2的差值越大；经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。 选择适当的NA，通常用于通信的光纤NA的取值范围为0.10.3之间。 4、相对折射率差 n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，引入相对折射率差来表示它们相差的程度，用表示，即光纤的数值孔径可表示为： 弱导光纤，有 n1 n2 ，此时 例题： 设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求: （1）相对折射率差； （2）数值孔径NA； （3）入射临界角

13、 。 解：（1）相对折射率差：（2）数值孔径NA：（3）入射临界角0.2112.12o0.01 5.斜射线在光纤中的传输 斜射线在光纤中传输为一条空间折线。 焦散面：传输轨迹限定在一定的范围内，并与一圆面相切，该元柱面称为焦散面，半径为a0图A 光纤端面投影图图B 光线传输的路径a0=a 折线变为螺旋线a0=0 斜射线变为子午线6.时间延迟（时延）时间延迟 入射角为的光线在长度为L(AC)的光纤中传输，所经历的路程为 ;多模阶跃光纤最大时延差时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。 它限制了光纤的传输带宽 7. NA 与 的关系NA 越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高

14、；但NA 越大，模间色散越严重。 常用于通信的光纤的NA 取值范围为: 0.10.3是输入脉冲展宽的一种度量 时间展宽不超过系统比特间隔（ ），就不会产生码间串扰，系统的比特率为 光纤的最大比特率距离积BL定义为光纤信息传输容量 例：多模阶跃光纤，纤芯折射率n1=1.5 ，包层折射率n2=1.497，求其传输容量BL。1.1.3 渐变折射率光纤折射率分布相对折射率差设计渐变光纤的目的是减小多模光纤的群时延差-模式色散 适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有大致相等的光程。r 和 a 分别为径向坐标和纤芯半径； 为相对折射率差；g为折射率分布指数1.渐变折射率光纤折射率702.相对折射率差

15、其中n(0)、n2分别是r0处和包层的折射率 71渐变光纤中引入本地数值孔径的概念 指光纤端面上某一点的数值孔径 3.数值孔径r i =00=04.自聚焦效应 不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应。5.最大时延差6.渐变光纤的最大比特率距离积BL例：一根多模渐变光纤的长度L=1km，纤芯的折射率n(0)=1.5，相对折射率差=0.01，求其模式色散传输容量BL。 一、引入归一化频率V V -光纤的归一化频率； n1-纤芯折射率； -相对折射率差； -传输光波长。 1.2.2 波动光学理论分析 二、传输条件 V - 光纤的归一化频率；Vc -

16、光纤的归一化截止频率。传输条件当V 2.40483 时，只有 一个模式存在，其余模式全部截止。 称为基模或主模。基模以外的模式统称高次模。三、单模传输条件 单模传输条件 截止波长： 该模式可传输， 该模式截止。 对于突变型光纤，g， ； 对于平方律渐变型光纤，g=2， 。 四、传输模数光纤最重要的传输特性： 损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量 1.损耗系数 损耗的存在 光信号幅度减小 限制系统的传输距离 。 损耗系数：单位长度光纤引起的光功率衰减1.4 光纤的损耗包括吸收损耗、散射损耗和其他损耗三部分。 吸收损耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散射损耗

17、 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh )散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 2. 损耗的因素归纳为：本征损耗、制造损耗、附加损耗本征损耗本征吸收红外吸收紫外吸收电子越迁分子震动瑞利散射折射率不均匀瑞利散射损耗与 成正比 制造损耗结构缺陷散射损耗附加损耗：光纤成缆以后出现的损耗。杂质吸收过渡金属离子 OH1.5 光纤色散 一、光纤的色散概念1、色散 在物理光学中，色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光经过透明介质后被散开的现象。2、光纤的色散 在光纤中，光信号是由很多不同的成分组成的，由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同

18、成分之间出现时延差，引起传输信号波形失真，脉冲展宽，这种现象称为光纤色散。 883.光纤中的色散分类模式色散（多模光纤）材料色散波导色散偏振模色散 （1）模式色散 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生模式不同，传输的群速度不同。存在于多模光纤中。 （2）材料色散材料折射率随波长变化而引起的。光源有一定的光谱宽度。n() Vg纯石英材料在1270nm时材料色散为零 -材料的零色散波长时延差91（3）波导色散传输模式的群速度随光波长变化而改变光源的光谱谱宽不为零它还与波导效应有关()Vg材料色散和波导色散总称为色度色散单模光纤色散特性 （4）偏振模色散 由于 HE11y 和 HE11x 模的传播常数y 和x