光纤通信系统-第二章part

1、第2章 光纤通信基础 凌 云 宽带光纤传输与通信网技术教育部重点实验室2.1 光纤和光缆阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤的截面结构和折射率分布 Core 包层包层 涂敷层涂敷层光纤剖面光纤的光学分析方法量子理论2.1.1光纤的几何光学分析1. 阶跃折射率光纤几何光学分析的适用范围：芯径a波长c 全反射条件： ，光纤导光。最大输入角imax 数值孔径： 其中： 相对折射率差NA物理意义：表示光纤的收光能力。NA大收光能力强;NA小收光能力弱。越大，光纤的收光能力越好，是否越适合光纤通信？ABLn1i=0 imax 时延差： 最快到达光线：最慢到达光线：n2脉冲展宽 脉冲展宽 比特时间即越小越有利于

2、提高BL积例： n1=1.5，n2=1， BL0.4Mbpskm =210-3，则BL100Mbpskm 子午光纤和偏斜光纤2. 梯度折射率光纤折射率分布：=2，为抛物线分布折射率旁轴近视：纤芯内：（渐变折射率光纤）其中：可以消除模间色散 2 色散达到最小值2.1.2 阶越折射率光纤的波动光学分析1波动方程麦克斯韦方程组 电极化强度：波动方程：真空中的波数 2光纤中的模式芯径为a的阶跃折射率光纤 ：Er,E和Hr ,H也有类似表达式，6个量只有两个独立，可取Ez和Hz分离变量法求解 Z =exp(i z) =exp(im) 贝塞尔方程 解：引入了两个参量： ，m1类贝虚宗量2类贝2类贝虚宗量1

3、类贝导模在r=0时为有限值，在r=时为零的边界条件 ：A=0，B=0 其余四个量：Ez,E,Hz,H在纤芯和包层的分界面上切向分量连续的边界条件 可得出A、B、C、D必须满足的4个齐次方程 ,只有当系数矩阵的行列式为零时才有平凡解.本征方程 注意：对每一个整数值m具有多解，可以用mn来表示 本征方程 对每一个整数值m具有多解，可以用mn来表示 每一个mn对应于光场的一种可能的空间分布，称为光纤中的一个模式。 可能的模式有：m=0: 1) 0n , A=B=0,TEon (E,Hr,Hz); 2) 0n , C=D=0,TMon (H,Er,Ez);m0， mn ，HEmn或EHmn在弱导光纤（

4、 很小）Ez和Hz都近似为零， 叠加形成LPmn（Linearly Polarized Mode）模LPon模是由HE1n模得到；LP1n模是由TEon、TMon和HE2n模线性组合得到；LP2n模是由EH1n模和HE3n模线性组合得到引入参量： n强度简谐变化指数衰减指数衰减纤芯 n1包层 n2包层 n2模场的横向分布引入了一个模折射率（或有效折射率） 当导模存在当导模截止包层衰减 物理意义：当 定义归一化频率（V参数）：定义归一化传播常数： b=0和b=1分别代表什么？临界截止V参数：光纤参数决定1)V值较大，支持模式越多，为多模光纤;2)由一定的光纤设计参数，可以确定V，也可以确定支持的

5、模式数目；3）一般来说存在高阶模，一定存在低阶模； 4）HE11模不截止，单模光纤的条件；5）V与波长的关系，V（0） 0, V（1） V（0）2.4056）V与的关系， 越小， V越小。应用：归一化传播常数b与光纤的归一化频率V的关系 3. 单模光纤单模光纤：只支持基模HE11，高阶模被截止。1）单模条件 由TE01、TM01模式达到截止时的V值来确定 J0（V）=0 得到单模条件：V2.405 HE11模式b与V的曲线 2）模折射率1.5VZD，Dm为正值；ZD，Dm为负值；波导色散： 产生原因：（1）单模光纤中，携带信息的光脉冲在纤芯和包层间分布：主要部分在纤芯中传输，剩余部分在包层中传

6、播。（2）纤芯和包层拥有不同折射率，两个部分以不同的速度传播。（3）光被限制在一个拥有不同折射率的结构纤芯和包层的组合中传播，脉冲会扩展。注意：即使光纤材料没有色散特性，波导色散也会发生。纯波导色散仅因为将光限制在一个特定的结构中而产生。波导色散： b及d（Vb）/dV和Vd2（Vb）/dV2随V的变化关系 DW在01.6m整个波长范围内都是负值 典型单模光纤中的材料色散DM、波导色散DW及总色散随波长的变化关系 ZD向长波方向移动了3040nm 1.31 1518ps/（kmnm） 普通单模光纤、色散平坦光纤及色散位移光纤的色散随波长的变化曲线 改变光纤设计参数如a，n1等可以改变V，DM

7、色散位移光纤色散平坦光纤2. 光纤的损耗衰减系数：单位：1/km光功率随传输长度指数衰减：损耗定义1损耗定义2损耗：衰减系数与损耗的关系：物理意义：光功率随传播距离变化量与总光功率的比值。1.31 1.391.55 典型单模光纤的损耗曲线 光纤损耗的两个主要原因：材料吸收，瑞利散射。 其他原因：波导缺陷，受激拉曼散射，受激布里渊散射。 损耗原因材料吸收 光纤材料：石英（SiO2）材料吸收：本征吸收：非本征吸收：电子谐振：紫外吸收（0.4m ）分子谐振：红外吸收（7m ）1.31.6m，0.03dB/km 杂质（过渡金属 ，OH-，掺杂剂 ）瑞利散射 定义：纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射。

8、瑞利散射：浓度的漂移导致折射率变化的区域尺寸比波长小 瑞利散射公式： C：0.70.9（dB/km）m4 1.55m波长处，aR为0.120.16dB/km 瑞利散射波导缺陷 1）米氏散射：定义：理想的光纤具有完整圆柱对称性，实际上纤芯和包层分界面上存在缺陷，芯径发生漂移，使光纤产生附加损耗。在大于光波长尺度上出现折射率的非均匀性而引起的散射。措施：制造时控制芯径漂移。影响：芯径变化小于1%，米氏散射损耗典型值小于0.03dB/km 。 波导缺陷 2）弯曲损耗：光纤弯曲。 （宏观弯曲）光纤弯曲损耗 exp（-R/Rc） 弯曲半径：Rc ： 0.20.4mm R5mm 弯曲损耗0.01dB/km

9、 应用：模式过滤器，衰减器，光纤识别仪 3）微弯损耗：（微观弯曲）光纤轴发生随机的不规则弯曲，曲率半径与光纤横截面积相比拟。应用： 多圈螺旋管式传感器， 影响：可高达可高达100dB/Km100dB/Km。措施：（减小微弯损耗的方法）（1）选择选择V参数为2.405，使模式能量大部分局限在纤芯内。（2）在光纤表面上安装护套。全波光纤 3. 光纤中非线性效应成因：导模将能量限制在很小的纤芯内非线性效应受激光散射非线性折射 四波混频 受激布里渊散射Stimulated Brillouin Scattering，SBS受激拉曼散射Stimulated Raman Scattering，SRS自相位调

10、制Self-phase modulation, SPM交叉相位调制Cross-phase modulation, XPM受激拉曼散射（SRS） 入射光 散射光 +分子振动特点：1）在SMF中，主要为前向散射波； 2）散射光强随入射光强指数增加； 3）散射阈值散射阈值定义：定义为在长度为L的光纤输出端，有一半功率被损失到SRS的入射光功率。 散射阈值估算：Leff有效作用长度： gR：拉曼增益系数 Leff 1/a2 AeffgR110-13m/W 2=50m2 =0.2dB/km Pth =570mW 光纤通信系统中，发射光功率通常小于10mW 受激布里渊散射（SBS） 入射光 散射光 +声子

11、特点：1）在SMF中，主要为后向散射波； 2）散射光强随入射光强指数增加； 3）散射阈值散射阈值估算：gB510-11m/W，它比gR （gR110-13m/W ）大两个数量级。 Pth1mW考虑到入射光谱宽后：Pth10mW光纤中各种光的散射应用：SRS光纤拉曼放大器SBS光时域反射计（Optical Time Domain Reflectometer, OTDR）非线性折射 光功率较高时：非线性折射系数石英光纤：贡献10-7 由：可以得到：其中非线性相移NL 自相位调制（SPM）相移NL是由光场自身引起的 由于 脉冲前沿产生红移，脉冲后沿产生蓝移，因此SPM导致光谱展宽交叉相位调制（XPM

12、）两个或两个以上的波长信道，其他波长信道对折射率的调制，引起的本波长信道相位的变化 注意：“2”表示对于相同的功率来说XPM是SPM的两倍。 在所有信道都是“1”码的最坏情况下相位移为： 当M=10， 每一信道的功率通常被限制在小于1mW 四波混频 （3）不为零引起的另一种非线性效应。 4=123 最容易产生：1+2-3 特别是信道间隔小，如约1GHz 2.1.4 光缆ITU-T定义的光纤种类：G.652光纤(常规单模光纤) 在1310 nm工作时，理论色散值为零; 在1550 nm工作时，传输损耗最低;G.653光纤(色散位移光纤) 零色散点从1310 nm移至1550 nm，同时1550

13、nm处损耗最低G.654光纤(衰减最小光纤) 纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小(仅0.185dB/km)，用于长距离海底传输G.655光纤(非零色散位移光纤) 引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输1) 光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2) 光纤的延展性(1%)比金属差(20%)3) 当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂4) 光纤遇水容易断裂且损耗增大5) 在低温下损耗随温度降低而增加需要增强机械性能、需要防水光纤的机械和温度特性光纤成缆之后要求光缆：1. 抗拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面 积，一般要求大于1 km光缆的重量 (100

14、400 kg)2. 抗压特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构3. 改善温度特性、隔离潮气4. 要求光缆材料不容易析氢成缆要求简单光缆结构三种简单的光缆结构： 光纤： 层绞式层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。骨架式骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V形、U 形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。束管式束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。带状式带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带

15、叠放在一起构成光缆芯。光缆对光纤特性的影响1. 改善光纤的温度特性 虚线：光纤自身的特性曲线；实线：成缆后的特性曲线2. 增加机械强度 由于光缆结构中加入了加 强构件、护套、甚至铠装 层等，因此其断点强度远 大于光纤；不仅如此，光 缆的抗侧压、抗冲击和抗 扭曲性能都有明显增强3. 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗， (比如说不良应力造成微弯) 称之为成缆损耗2.1.5 光纤和光缆的连接光纤连接头种类：端面：PC, APC光纤法兰盘：光纤连接：光纤的熔接 光纤熔接机 熔接过程：1）剥出裸纤；2）加加强芯，热缩管3）两根光纤端面切成平面； 4）端面清洗；5）对准，熔

16、接 6）固定热缩管7）测量损耗光缆的连接 2.2 光源和光检测器 2.2.1 光电器件的工作原理1. 光发射与光吸收 本征半导体材料的能带结构 自发辐射 受激辐射 光吸收 自发辐射：特点：光子随机地向各个方向发射，每次发射没有确定的相位关系非相干光。LED通过自发辐射过程发光。LD低于阈值电流时通过自发辐射过程发光。受激辐射：特点：光子的辐射方向、相位和频率都与激发他们的光子相同相干光。LD大于阈值时，通过受激辐射过程发光。受激吸收：特点：如果入射光子的能量h近似等于E2-E1，光子能量就会被吸收，同时基态上的电子跃迁到高能态。半导体光探测器采用受激吸收效应。电子在导带和价带上的填充几率可以由

17、费米迪拉克分布 受激辐射大于吸收条件： 载流子统计分布：2. PN结 PN结的形成： 费米能级：在热平衡情况下： 双简并型半导体：非热平衡状态时，在Efc和Efv之间形成了一个粒子数反转区域。如果入射光波能量满足：则经过双兼并型半导体时将得到放大。载流子运动：外加电压的影响：PN结能带结构：独立情况：在热平衡状态下，两个费米能级是重合的（Efc=Efv） 正向偏压 光源 增益区PN结能带结构：同质结特点：（1） 载流子扩撒，复合长度大，载流子浓度低，发光效率低；（2）低温下以脉冲方式工作。同质结和异质结：同质结： PN 结的两边使用相同的半导体材料双异质结 薄层带隙小 可为本征半导体，p或n型

18、半导体 0.1m 双异质结：在宽带隙的P型和 N型半导体材料之间插进一薄层窄带隙的材料。（1）能带结构对载流子进行限制（2）波导结构（折射率分布）对光子进行限制双异质结的优点：3半导体材料几种半导体材料的发光波长范围 几种半导体材料的检波波长范围 2.2.2 发光二极管（LED） 发光二极管工作原理：通过自发辐射过程发射非相干光。主要缺点：结构类型：面发射和边发射面发射LED边发射LED边发光二极管具有较小的载流子寿命，调制带宽（约300MHz）也比面发光二极管高 2LED的工作特性（1）I较小时有线性关系；（2）会出现饱和现象；（3）温度升高，越趋于饱和；（4）内部发射功率 10mW,出纤功

19、率小于100W。 LED的P-I特性 （1）谱宽较大 ，5080nm；（2）BL积小，只适合于短途通信；应用：10Mbps左右,几公里 。3050nm 5080nm LED的光谱特性：半极大值全宽（Full Width Half Maximum，FWHM） LED的调制特性 tc ：载流子寿命 25ns3dB带宽： 典型值：50140MHz 主要影响因素：（1）注入电流低时，结电容的限制；（2）注入电流高时，有源区载流子寿命的影响。2.2.3 半导体激光器（LD） LD的工作机理：受激辐射优点：1LD激光振荡激光振荡条件：（1）粒子数反转分布 ；（2）正反馈（谐振腔） 光增益 g称为增益系数

20、解理面反射： n=3.5 , 30% 阈值条件： 相位条件： 多纵模与光功率关系：P（L）=P（0）G 由相位条件可以得到多纵模：LD纵模分析2LD的结构宽面半导体激光器 特点：（1）光斑具有椭圆的形状（约1100m2）；（2）光斑随注入电流变化；（3）阈值电流很高。 分类：宽面半导体激光器和条形半导体激光器。条形激光器 增益导引LD 特点：（1）增益导引半导体激光器的阈值电流通常是在50100mA；（2）输出光斑的尺寸约为110m2；（3）随着注入电流的增大，光斑尺寸不太稳定。 分类：增益导引和折射率导引 原理：通过注入电流控制折射率导引LD 有效折射率差0.01 大多数光纤通信系统中都采用

21、了强折射率导引的BH半导体激光器 原理：通过引入横向折射率差折射率低，形成脊型分布3LD的工作特性单模速率方程 载流子浓度光子浓度净增益：GN为微分净增益系数 光子寿命：P-I特性 自发辐射 受激辐射 特点：（1）光功率随注入电流增加而增大；（2）存在阈值Ith；（3）IIth为受激辐射。特点：（随T增大）（1）阈值电流升高（2）线性度劣化；（3）输出波长漂移典型值：GaAs激光器，0.2nm/C；InGaAsP激光器，（0.40.5）nm/C 要求工作恒温 温度的影响：调制响应 注入电流：LD的调制响应分为小信号调制和大信号调制 小信号调制：ImIb-Ith，主要为模拟调制；大信号调制：在阈值和大电流点的数字调制。小信号调制带宽 ：调制响应曲线 小信号调制：特点： （1）低通；（2）存在张弛振荡；（3）Ib/Ith越大，调制带宽大大信号调制：100ps 300ps 特点：（1）上升沿和下降沿；（2）存在过冲（张弛振荡频率）；（3）10Gbps,采用外调制。（4）啁啾；上升沿蓝移动，下降沿红移。 较小啁啾的办法：减小线宽展宽因子。高