光纤技术基础单模光纤

1、关于光纤技术基础单模光纤第一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月限制层波导层限制层n3n1n2xyzh三层均匀一维平面光波导知识回顾 第二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/202全反射条件相干加强条件特征方程几何光学：波动光学：场分布边界条件特征方程kkxkz知识回顾 第三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/203知识回顾 满足全反射条件时，只有某些以特定角度入射的光线才能在波导内传导，每一种可以传导的电磁波称为波导的一种模式。第四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/204阶跃折射率光纤Step indexn1n2ab知识回顾

2、 第五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/205W=0, U=Vc,归一化截止频率截止条件单模条件：矢量法TE0n模，TM0n模， EHmn模， HEmn模标量法LPmn模知识回顾 第六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/206光波导中模式的普遍性质完备性正交性2的稳定性横向非均匀性光波导微扰法纵向非均匀性光波导模式耦合知识回顾 第七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/207一.阶跃折射率单模光纤 单模光纤与多模光纤 单模工作条件与单模截止波长 阶跃折射率单模光纤中的场分布与功率限制因子 阶跃折射率单模光纤的特征方程及其近似表述第八张

3、，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/208结构 折射率剖面形状 阶跃型step n1n2ab阶跃折射率单模光纤 第九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/209阶跃折射率单模光纤 阶跃折射率光纤中的传导模的数量由光纤归一化频率决定。归一化频率 基模： HE11第十张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2010bV曲线 bV曲线只有LP01模传输基模 b：归一化传输常数阶跃折射率单模光纤 第十一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2011单模传输条件 光纤模式理论阶跃折射率光纤最低阶高次模（LP11, TE01, TM01

4、，（HE21 弱导）的归一化截止频率单模条件只传输基模(HE11, LP01)基模的归一化截止频率：阶跃折射率单模光纤 第十二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2012单模工作波长范围 只有当光纤的工作波长大于截止波长时，光纤才处于单模工作状态。单模工作波长范围c第十三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2013多模光纤和单模光纤 单模光纤： 多模光纤： 设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量同时支持多个导模传输的光纤只支持基模传输的光纤阶跃折射率单模光纤 第十四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2014单模光纤与多模光纤

5、区别 结构性能 单模光纤多模光纤510m较大，50m芯径较小剖面多样性设计折射率分布和包层结构SMF，DSF，DFF，DCF，NZDF，PMF等，便于光源耦合，芯径不能太小模式色散模式色散较大，传输带宽受限制用于短距离，低速率系统，芯径大，便于耦合,在传感系统中应用没有模式色散，传输带宽大用于长距离大容量光纤通信系统 阶跃折射率单模光纤 第十五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2015弱导光纤的场分布 阶跃折射率单模光纤第十六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2016单模光纤的场分布 单模光纤中沿y方向偏振的基模场 m = 0 纵向分量 /横向分量L

6、P01阶跃折射率单模光纤 第十七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2017功率限制因子 m = 0单模光纤中阶跃折射率单模光纤 第十八张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2018特征方程 LP模特征方程m = 0基模特征方程 近似表述 阶跃折射率单模光纤 第十九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2019二、无界抛物型折射率分布弱导光纤 抛物型光纤与无界抛物型光纤无界抛物型光纤的标量近似解（LPmn模）无界抛物型光纤中的基模场分布与光强分布模场直径的概念第二十张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2020结构 折射

7、率剖面形状 渐变型grading n1n2ab无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2021折射率分布 无界抛物型折射率分布实际的抛物线型折射率分布包层：对光纤中的导模施加了截止条件近似 解析解无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2022无界抛物型光纤中的场模式 弱导近似光纤中的场Ex或Ey满足柱坐标下的标量波动方程分离变量法 无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2023无界抛物型折射率分布本征函数解与m, n有关的常数N-

8、1阶Laguerre多项式传输常数本征值本征解无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2024基模场分布 LP01模 m = 0，n = 1基模的功率分布无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2025说明1.抛物型折射率分布单模光纤中的场分布和光功率分布均为高斯型无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2026说明模场直径：单模光纤内场强衰减到其最大值的1/e的宽度。模斑直径： 单模光纤内光功率衰减到其最大值的1/e的宽度。抛物型折

9、射率分布单模光纤耦合、接续、弯曲损耗、色散无界抛物型折射率分布弱导光纤 第二十七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2027三、单模光纤的高斯拟合和模场直径 单模光纤的模场直径 对基模场分布的高斯拟合近似 模场直径的近场二阶矩定义(PetermannI) 模场直径的远场二阶矩定义(PetermannII) 模场直径的高斯拟合定义第二十八张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2028模场直径 定义：单模光纤内光功率衰减到其最大值的1/e的宽度。定义：单模光纤内场强衰减到其最大值的1/e的宽度。 CCITT建议： 普通单模光纤在1310nm处的模场直径标称值为

10、910微米。 色散位移光纤在1550nm处的模场直径标称值为78.3微米，容差范围均为10%。d耦合、接续、弯曲损耗、色散第二十九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2029模场直径耦合、接续 耦合和接续时选择模场直径一致的光纤，否则会造成光功率的损失。研究表明，对于两根模场直径分别为w1和w2的单模光纤，其接头损耗为：W1=W2，即两根光纤的模场直径完全匹配时，表明两根光纤之间由于模场直径的容差所引入的接头损耗为零。2W1=8um, 2W2=10um时， 第三十张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2030耦合、接续模场直径模场直径的容差范围必须根据工程

11、的要求来选择。如果要求所有接头损耗小于0.05dB，则模场直径的容差范围不能超过0.5um在中继距离较短或者光功率富裕量大的场合，对接头损耗的要求可以降低一些，这样可以放宽对光纤要求的模场直径的容差范围。第三十一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2031弯曲损耗模场直径模场直径小的光纤，能量在芯子中集中的程度好，光纤弯曲造成的损耗较小。模场直径大的光纤，能量在芯子中集中的程度较差，包层中存在较多的光能量，光纤弯曲造成的损耗较大。（选择截止波长）第三十二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2032思考题信号光工作波长1550nm， 现有阶跃折射率分布的圆

12、光纤1、2 两种，其中1 光纤：截止波长标称值 700nm， 2：截止波长标称值1400nm。1，为减小弯曲损耗，欲挑选束光能力强的单模光纤，我们应当选用那个光纤？写出理论依据和推理过程。2，若需要该光纤在980nm单模工作，我们应选哪个光纤？第三十三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2033模场直径色散 不同模场直径的光纤感受到的芯子和包层的有效折射率不同，因此所对应的波导色散的大小不同。第三十四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2034单模光纤的高斯拟合和模场直径 拟合的目的1.简化计算2.可以直接导出以光功率衰减到其最大值1/e的宽度定义的模斑

13、直径3.可以直接导出以场强衰减到其最大值1/e的宽度定义的模场直径第三十五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2035阶跃折射率单模光纤横向电磁场径向分布函数：J0(x)抛物型单模光纤横向电磁场分布 函数：Gaussian : exp(-x2) 任意折射率剖面光纤基模场分布函数：近似高斯函数 用高斯函数拟合实际光纤的基模场分布，用拟合得到的高斯函数近似表示实际单模光纤中的场分布。拟合的依据单模光纤的高斯拟合和模场直径 第三十六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2036高斯拟合 假定基模场分布为实函数，实际的场分布用高斯函数表示。重叠积分最大近似精度最高

14、待定参数w的最优值实际场分布单模光纤的高斯拟合和模场直径 第三十七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2037拟合结果 折射率分布阶跃型 抛物型 三角型 误差 0.02 ! ?单模光纤的高斯拟合和模场直径 导波光学范崇澄， 理工大学出版社， 1988w？第三十八张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2038光纤的等效归一化频率 阶跃折射率光纤：T = V高斯型场分布的1/e 全宽度：2w2模场直径模场直径单模光纤的高斯拟合和模场直径 第三十九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2039阶跃型抛物型三角型场分布向芯区集中耦合、接续、弯曲损

15、耗模场直径与光纤芯径 Tw/aV阶跃折射率光纤：T = V第四十张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2040模场直径的标准定义近似方法存在误差实际场分布可能与高斯型分布差异较大，高斯拟合误差较大制定模场直径标准定义的原因：制定模场直径标准定义的目的：对各种实际单模光纤的模场直径作出统一和标准化的定义。单模光纤的高斯拟合和模场直径 第四十一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2041近场：光纤中或紧靠光纤截面的场分布远场：远离光纤截面的场分布光纤中近场与远场的概念 第四十二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2042模场直径的标准定义第

16、一种定义Petermann I单模光纤中实际场分布（近场）的二阶矩来定义，可以用远场分布来表示。远场分布函数的表示dn模场直径的近场定义单模光纤的高斯拟合和模场直径 M. Artiglia, “Mode field Diameter measurements in single-mode optical fibers,” J. Lightwave Tech. Vol. 7, no. 8, pp. 1139-1152, 1989.第四十三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2043二阶矩第四十四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2044模场直径的标准定义

17、 第二种定义Petermann II实际测量的往往是光纤的远场分布函数，因此给出基于光纤远场分布函数的模场直径定义。单模光纤中实际场分布（远场）的二阶矩来定义，可以用近场分布来表示。近场分布函数的表示模场直径的远场定义df单模光纤的高斯拟合和模场直径 第四十五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2045模场直径的标准定义 第三种定义高斯拟合定义光纤中的场分布与高斯函数 十分接近时，欲与Petermann一致，对模场直径的定义。dg单模光纤的高斯拟合和模场直径 第四十六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2046模场直径定义的说明 1.一般地，场分布不是严

18、格的高斯型，dn df dg2.场分布恰好是高斯型 则：单模光纤的高斯拟合和模场直径 第四十七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2047四、单模光纤的主要类型 第四十八张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2048单模光纤的主要类型单模光纤的性能对长距离、大容量光通信系统的影响 在单模光纤通信系统中，影响光纤传输距离和传输容量的因素损耗色散非线性损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰减输入信号输出信号时间频率新频率时间脉冲展宽第四十九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2049EDFA频带损耗谱 单模光纤的主要类型第五十张，PPT共八

19、十二页，创作于2022年6月2022/8/2050损耗与放大 EDFA频带单模光纤的主要类型第五十一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/20510.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)EDFA频带 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.652 & G.654G.655G.653色散与损耗单模光纤的主要类型第五十二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2052光纤的种类：G.651光纤：多模光纤G.652光纤：普通单模光纤(SMF)G.653光纤：色散位移光纤

20、(DSF)G.654光纤：低损耗光纤（截止波长位移光纤）G.655光纤：非零色散位移光纤(NZ-DSF)G.656光纤：宽带传输用非零色散位移光纤G.657光纤：耐弯曲单模光纤第五十三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2053ITU-T关于单模光纤的技术规范单模光纤的主要类型 第五十四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2054G.652光纤 又称为普通单模光纤。在1310nm和1550nm处均具有低损耗。1550nm处的损耗最低，色散典型值为17ps/nm/km。传输窗口主要可以选择1310nm或1550nm窗口。色散值最大，对抑制非线性的作用也最大

21、结构简单、性能稳定、生产效率高、成本低廉。可用带宽远远大于其他光纤。如果能将色散问题用其他办法解决，则G.652光纤是较佳的选择，全波光纤是更为理想的光纤第五十五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2055G.652光纤为了符合通信系统对传输性能的要求，ITU-T将G.652光纤细分为G.652A、G.652B、G.652C和G.652D四个子类。G.652A和G.652B光纤也称常规单模光纤，是目前应用最广泛的光纤。其最佳工作波长是1310nm区域，也可使用1550nm区域，但由于该区域色散很大，传输距离被限制在70-80km左右，如果需要在1550nm区域进行10Gbi

22、t/s以上速率的长距离传输时，需要进行色散补偿。G.652A和G.652B光纤的区别是：G.652A光纤支持2.5Gbit/s的单通道SDH传输系统及10Gbit/s以太网系统；G.652B光纤则可应用于10的单通道SDH传输系统及40Gbit/s以太网系统，另外，G.652B光纤的偏振模色散系数规定要比G.652A光纤的严格许多，更加适合长距离的传输。第五十六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2056G.652C和G.652D光纤G.652C和G.652D光纤是分别在G.652A、B的基础上，通过改进工艺，消除了1383nm处的水吸收峰，使得1350-1450nm区域的

23、衰减大大降低，将工作波长扩展为1280-1625nm，全部可用波段比常规单模光纤增加了一半以上。所以G.652C、D光纤称为波长段扩展单模光纤，也称全波光纤或低水峰光纤。该光纤完全能够满足城域网大容量、高密集波分复用技术发展的需求。除了扩展了工作波长区域以外，G.652C的其他属性与G.652A光纤基本相同，而G.652D光纤的其他属性也与G.652B光纤基本相同，G.652D光纤的偏振模色散系数也比G.652C光纤严格很多，更加适合长距离的传输。目前在我国通信系统中最常使用的是G.652B和G.652D光纤，有些专业光纤生产厂家也已经将G.652A、B、C光纤淘汰，只生产G.652D光纤。第

24、五十七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2057G.653光纤又称为色散位移光纤。在1550nm处同时具有最小的色散和最低的损耗。传输窗口主要在1550nm附近。G.653光纤(DSF) 在1550nm为零色散，由于非线性效应，阻碍了WDM的应用.第五十八张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2058G.654光纤截止波长位移到1530nm在1550nm窗口的损耗进一步降低。 -0.15dB/km零色散点位于1310nm窗口。 芯子：纯SiO2 包层：SiO2掺F 光纤的包层折射率略低于芯区。主要适用于需要很长中继距离的环境。掺杂对折射率的影响掺Ge,

25、P 折射率升高掺Be, F 折射率降低第五十九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2059G.655光纤又称非零色散位移光纤。在1550nm窗口期望应用的全部波长范围内，光纤色散的绝对值不为零并处于某一范围内。主要适用于1550nm窗口的波分复用系统。其非零色散值可以有效抑制非线性效应对DWDM系统的影响。第六十张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2060色散一方面使得传输脉冲展宽，产生码间干扰，限制光纤向高速系统的发展；另一方面可有效抑制包括四波混频在内的非线性效应。于是人们想出了一个兼顾色散和非线性两种要素的折中解决方案，即将零色散点从1.55m移至

26、1.51m附近，使之在C 波段30nm 范围内色散值保持在26Ps/km.nm。这样既可有效地抑制四波混频效应，又降低了1.55m低损耗窗口的色散，且提高了光纤的传输速率。这种光纤就是非零色散位移光纤，系指在1.55m处不是零色散的光纤，即G.655光纤。 G.655光纤 第六十一张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2061G.655A、G.655B 和 G.655C ITU-T根据对光纤1625nm波段的要求和PMD值的要求，将G.655光纤划分为G.655A、G.655B和G.655C三个子类。G.655A光纤只规定了C波段的特性，而G.655B和G.655C规定了16

27、25nm处的衰减，同时增加了L波段的色散要求，增加了最大值同最小值间的差值，因此G.655A主要用于C波段而其它两种可用于L波段。G.655B和G.655C光纤的基本要求均相同，但G.655C光纤对光缆的PMD链路设计值要求更严格，所以G.655C光纤具有更长的传输距离。第六十二张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2062G.655光纤 康宁公司曾推出了零色散点位于1580nm附近的光纤，但由于这种光纤在1580nm以下波长的色散量均为负值，因而大大降低了可用波长资源。朗讯公司推出了零色散点在1531nm左右的True wave光纤，其在C波段的色散值为2.66ps。康宁公

28、司改进了制作技术，很快推出了零色散点在1510nm左右的LEAF光纤，其在C波段的色散值小于10ps，略高于True wave光纤。 True wave光纤和LEAF光纤被统称为G.655A光纤。第六十三张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2063G.655光纤 经研究发现在1420nm处光纤的传输损耗也不过只有0.25dB/km，完全可以利用。因此继C波段和L波段光通信系统开通之后，波长位于1430nm1530nm之间的S波段将近100nm带宽的通信窗口开始受到关注。而G.655A光纤却使这一波段的波长资源被浪费。 为进一步利用S波段，2000年法国阿尔卡特公司和日本住友

29、公司分别研究出了零色散点在1430nm左右的Teralight光纤和PureGuide光纤，即G.655B光纤。其零色散点越来越靠近G.652光纤的1310nm零色散波长。这样，光纤通信的可利用波长资源与G.655A光纤相比大大增加。第六十四张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2064色散谱G.655B光纤G.655A光纤单模光纤的主要类型 第六十五张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2065+ Disp 输入脉冲 输出脉冲0.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)EDFA

30、频带 20 10 0-10-20色散(ps/nm.km)G.652 & G.654G.655G.653损耗与色散谱 第六十六张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2066C波段（15301565nm）和L波段（15651625nm）NZ-DSF光纤的衰减和色散特性在工作波长范围内，具有非零但较小色散，具有很低损耗,利用色散补偿技术，补偿信号经历光纤传输后的总色散利用光纤放大技术，补偿光传输后的幅度衰减单模光纤的主要类型 第六十七张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2067价格比 G.652光纤高出3倍 G.655光纤并未消除色散，在长距离的高速通信系统中仍

31、需进行色散补偿，而且很难实现通道间距为 50GHz 的 WDM 系统。靠移动零色散的位置是不能彻底解决光纤色散问题的。波长资源被浪费G.655光纤：第六十八张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2068G.656光纤宽带传输用非零色散位移单模光纤为在1460-1625nm波长区进行多信道传输而优化的光纤。其非零色散波长区域在1460-1625nm，光缆截止波长不大于1450nm，可在更宽的传输波段上(S、L和L共3个波段)应用DWDM和CWDM传输技术。宽带传输用非零色散位移单模光纤(G.656光纤)G.656光纤是近几年新研制的用于DWDM和CWDM系统的更大带宽的非零色散位移单模光纤。与G.655光纤相比，具有更宽的工作波长(1460-1625nm)和更优化的色散值，是一种更适合于未来光通信网络发展需要的光纤，但目前还未进入商用阶段。第六十九张，PPT共八十二页，创作于2022年6月2022/8/2069G.657光纤 G.657建议书推荐两种光纤类型：A和B。A类型与熟知的G.652.D建议全面兼容，但是却具备了很低的宏弯曲损耗。这种光纤用于弯曲半径为10mm和15mm的场合，1550nm波长下它们的最大弯曲损耗分别为0.75和0.025dB/弯角。相比之下，G.652.D光纤弯曲损耗仅在较大的弯曲半径30mm时才给出了说明。G.65