《光纤通信光纤》课件

第2章光纤--光纤导光原理及其特性整理ppt第2章光纤整理ppt1光纤的结构及分类光纤导光原理光纤的模式理论光纤的损耗特性光纤的色散光纤的非线性效应常用光纤整理ppt光纤的结构及分类整理ppt2纤芯包层涂覆层芯线1、光纤的结构§2.1光纤的结构及分类典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和涂覆层

整理ppt纤芯包层涂覆层芯线1、光纤的结构§2.1光纤的结构及分类典型3纤芯、包层------裸光纤纤芯、包层+涂覆层----芯线纤芯、包层------光学区涂覆层---保护区材料：SiO2纤芯n1>包层n2纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)

包层:SiO2+B2O5(F)涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆层的主要作用是为光纤提供保护整理ppt纤芯、包层------裸光纤纤芯、包层+涂覆层----芯线纤42、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分

2）按工作波长来分3）根据光纤中传输模式分4）根据折射率分布分

有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。短波长光纤长波长光纤单模光纤和多模光纤有阶跃型光纤StepIndexSI渐变型(梯度型)光纤GragedIndexGIW型光纤等整理ppt2、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分2）按工作波长来分5阶跃型光纤SIStepIndex渐变型(梯度型)光纤GIGragedIndexW型光纤整理ppt阶跃型光纤SI渐变型(梯度型)光纤GIW型光纤整6整理ppt整理ppt7整理ppt整理ppt83、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。2、制棒将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。3、拉丝4、套塑为保证光纤的机械性能将光纤涂覆层外加一层热塑材料。5、成缆整理ppt3、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低2、制9目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。方法：精馏——吸附——精馏精馏塔活性吸附物质二级精馏活性吸附物质精料槽

SiCl4HO-Cu2+_氧化铝或活性硅胶SiCl4材料提纯整理ppt目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低方法：精馏——吸附——精馏10熔炼制棒方法：MCVD法（改进的化学汽相沉积法）BELLPCVD法（等离子激活化学汽相沉积法）PHILIPSVAD法（汽相轴向沉积法）NTT

OVD法（管外汽相沉积法）CORNINGAPVD法（等离子化学汽相沉积法）ALCATEL目的：将提纯后的材料通过物理与化学的方法合成一定折射率分布光纤预制棒。折射率分布通过控制掺杂浓度实现。整理ppt熔炼制棒方法：MCVD法（改进的化学汽相沉积法）BELLPC11化学反应方程MCVD法（改进的化学汽相沉积法）纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)包层:SiO2+B2O5整理ppt化学反应方程MCVD法（改进的化学汽相沉积法）纤芯:SiO212整理ppt整理ppt13拉丝目的：将具有一定的折射率分布的预制棒拉制成折射率分布不变的光纤。123467891---光纤预制棒2---高温炉3---测温仪4---炉温控制5---激光测径仪6---调速系统7---涂覆器8---固化炉9---收丝轮5整理ppt拉丝目的：将具有一定的折射率分布的预制棒1234614光纤经过涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。成缆

一、对光缆的要求1、机械性能好：保证光纤经得起拉伸、冲击、弯曲等影响。

2、防护性能好：使光纤防水，防潮，防雷，防腐。3、传输性能好：避免工程中带来的附加损耗或色散。整理ppt光纤经过涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度，但152、光缆护套一般由塑料材料制造，保护光缆芯受到机械外力和环境的影响。PVC（聚氯乙烯）3、防潮层光纤非常怕水，一般用密封铝制金属或阻水纱防潮。4、填料防止水气进入。要求：抗水性好，温度性能好，无毒，不易燃。5、铠装增加机械强度，防鼠，防虫，防人为损伤。1、加强件加强件一般由钢丝或增强塑料嵌在光纤中，用以承受拉伸负荷。（集中式加强件，分散式加强件）二、光缆的基本结构整理ppt2、光缆护套一般由塑料材料制造，保护光缆芯受到机械外力和3、16按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下3、光缆的分类整理ppt按成缆光纤类型3、光缆的分类整理ppt174、光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式整理ppt4、光缆的结构（成缆方式）层绞式整理ppt18光纤油膏加强件护套松套管中心管式光缆----套管式光缆是将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中，管中填冲油膏，光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理、重量轻、体积小、价格便宜。整理ppt光纤油膏加强件护套松套管中心管式光缆----套管式光缆是将数19层绞式结构光缆加强芯纤芯套塑填充料防潮层内护套铠装外护套----层绞式光缆是将若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起的一种结构，这种结构适用于芯线数较少的的光缆。整理ppt层绞式结构光缆加强芯纤芯套塑填充料防潮层内护套铠装外护套--20骨架式结构光缆----沟槽式光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是加强元件。这种结构的光缆的抗侧压性能好，单制造工艺复杂。整理ppt骨----沟槽式光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是21整理ppt整理ppt22§2.2光纤导光原理光纤导光原理的分析方法：射线理论，几何光学法波动理论、模式理论1、内全反射折射定律一、SI光纤射线分析整理ppt§2.2光纤导光原理光纤导光原理的分析方法：1、内全反射折23非子午面光线整理ppt非子午面光线整理ppt24整理ppt整理ppt25Snell定律临界角临界角对应的捕光角捕光角内全反射导光原理内全反射的条件整理pptSnell定律临界角临界角对应的捕光角捕光角内全反射导光原理26相对折射率差整理ppt相对折射率差整理ppt273、模式及时延差传导模辐射模2、数值孔径NA(NumericalAperture)光源与光纤的耦合效率高光纤里有很多条光线和轴线夹角相同的一簇光线称作一个模式模式有两类：整理ppt3、模式及时延差传导模辐射模2、数值孔径NA(Numeric28最大时延差模式时延两条路径整理ppt最大时延差模式时延两条路径整理ppt29脉冲展宽：不引起码间干扰的脉冲间隔：码元速率（带宽）：不同模式的时延差使光脉冲展宽整理ppt脉冲展宽：不引起码间干扰的脉冲间隔：码元速率（带宽）：30提高带宽的方法：例：求光脉冲传1公里的扩展和最大比特率。解：1）减少模式的最大时延差-------采用GI光纤2）只允许一个模式传输-------单模光纤整理ppt提高带宽的方法：例：求光脉冲传1公里的扩展和最大比特率。解：31二、GI光纤射线分析g=2抛物线型整理ppt二、GI光纤射线分析g=2抛物线型整理ppt32n3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a整理pptn3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a整理ppt33整理ppt整理ppt34光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示式中：r是轨迹上某一点的位置矢量；s为射线的传输轨迹；ds是沿轨迹的距离单元，∆n表示折射率的梯度。将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，讨论平方律分布的光纤中的近轴子午光线，即和光纤轴线夹角很小，可近似认为平行于光纤轴线(z轴)的子午光线。由于光纤中的折射率仅以径向变化，沿圆周方向和z轴方向是不变的。因此，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：

式中，r是射线离开轴线的径向距离。整理ppt光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示式中：r是轨迹上35对平方律分布，有

对近轴光线，，

整理ppt对平方律分布，有

36整理ppt整理ppt37整理ppt整理ppt38§2.3光纤的模式理论整理ppt§2.3光纤的模式理论整理ppt39整理ppt整理ppt40整理ppt整理ppt41

整理ppt

42整理ppt整理ppt43谐方程Bessel方程当令当令指数增加Bessel函数虚宗量Bessel函数整理ppt谐方程Bessel方程当令当令指数增加Bessel函数虚宗量44整理ppt整理ppt45当当整理ppt当当整理ppt46在纤芯中在包层中整理ppt在纤芯中在包层中整理ppt47整理ppt整理ppt48整理ppt整理ppt49整理ppt整理ppt50整理ppt整理ppt51求u、w、β的值整理ppt求u、w、β的值整理ppt52先推导u、w、β满足的方程归一化频率V下面由边界条件得到u和w的另一关系整理ppt先推导u、w、β满足的方程归一化频率V下面由边界条件得到u和53弱导近似给定V值，代入求u、w分3种情况求解联立的超越方程：1）2）3）光纤中的模式：混合模整理ppt弱导近似给定V值，代入求u、w分3种情况求解联立的超越方程：54传导模和辐射模满足以上条件的模式是传导模当不满足即包层中的波和纤芯中的类似就是辐射波传导模辐射摸整理ppt传导模和辐射模满足以上条件的模式是传导模当不满足即包层中的波55求归一化截止频率传导模辐射摸归一化截止频率计算整理ppt求归一化截止频率传导模辐射摸归一化截止频率计算整理ppt56求2.4048,5.5201,8.6537,传导模整理ppt求2.4048,5.5201,8.6537,传导模整57（1）

模和

模令

，可得到

模和

模有相同特征方程,为

当模式截止时，

，

，由第二类变型的贝塞尔函数的递推关系及渐进公式，可以得到所以截止状态下的特征方程为

的根有2.4048,5.5201,8.6537,

,它们分别对应着

，

，

，

模的截止频率。就是说，若归一化频率

2.4048,

则

模就能在光纤中存在；反之，若归一化频率

2.4048，

模

就不是导模。对其他模式可以次类推。整理ppt（1）

模和

模令

58（2）

模令

，可得到

模特征方程,为

由贝塞尔函数的递推公式当模式截止时，

，可得到

所以截止状态下

的特征方程为当

1时，得到一族

模，其

=

=3.8317,7.0156,10.1745,

整理ppt（2）

模令

，可得到

59（3）

模令

，可得到

模特征方程,为

由贝塞尔函数的递推公式

当

时，截止状态下

的特征方程为

所以

的根有0,3.8317,7.0160,10.1735,

,它们分别对应着

,

,

,

模式的截止频率。在所有的导模中，只有

模式截止频率为零，亦

即截止波长为无穷大。

模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，成为主模或基

模，是单模光纤的工作模。

整理ppt（3）

模令

，可得到

60当

时，截止状态下

的特征方程整理后为当

2时，

的根有2.4048,5.5201,8.6537,

,它们分别对应着,

,

，

模，

模在截止时与

、

简并。整理ppt当

时，截止状态下

的特征方程整61模式VcHE110TE01、TM01、HE212.4048HE12、HE31、EH113.832HE41、EH215.1356HE135.520整理ppt模式VcHE110TE01、TM01、HE212.4048H62图2.12最低阶模式的传播常数作为V的函数的曲线HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456归一化频率V整理ppt图2.12最低阶模式的传播常数作为V的函数的曲线HE11T63光纤中的场和模式归一化截止频率Vc整理ppt光纤中的场和模式归一化截止频率Vc整理ppt64最低阶模式HE11TE01TM01HE21第一高阶模式组几个模式的场图整理ppt最低阶模式HE11TE01TM01HE21第一高阶模式组几个65整理ppt整理ppt66线偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11LinearlyPolarized(LP)modes整理ppt线偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11Li67整理ppt整理ppt68通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为

整理ppt通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为

69在多模阶跃光纤中，多个导模同时传输，光纤的归一化频率V愈大，导模数愈多，导模数M可按下式计算

在多模渐变光纤中,导模总数为

例：已知求导模数解：整理ppt在多模阶跃光纤中，多个导模同时传输，光纤的归一化频率V愈大，70模功率分布导模在光纤中传输时，功率集中在纤芯和包层中。对于不同模式，光功率在纤芯和包层的分配比例不同，包层中的光功率易受各种因素的影响而失掉。在弱导近似下，LP模的横向场只有Ey和Hz分量，所以导模携带的光功率在纤芯和包层中分别为

将LPmn模的场分布代入，可得

整理ppt模功率分布导模在光纤中传输时，功率集中在纤芯和包层中。对于71整理ppt整理ppt72单模光纤

单模光纤应满足单模条件

截止波长单模光纤应满足单模条件工程上截止波长由测量得到。光纤只传播基模HE11模

HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456归一化频率V单模光纤的截止波长整理ppt单模光纤单模光纤应满足单模条件截止波长单模光纤应满足单模73单模光纤工作模式HE11的电场分布为零阶Bassel函数，可近似为指数分布，主模LP01(HE11)的模场分布单模光纤中工作波长超过截止波长时的光功率分布模场直径（Mode-fielddiameterMFD）单模光纤的模场直径(MFD)定义为电场下降为1/e时的半径的2倍;模场直径还有其它定义.多模光纤的模场直径与纤芯几乎相等，但单模光纤的模场直径一般不等于模场直径。整理ppt单模光纤工作模式HE11的电场分布为零阶Bassel函数，主74误差小于1%一般取整理ppt误差小于1%一般取整理ppt75§2.4光纤的损耗特性(衰减特性Attenuation）引起光的损耗的机理是光纤对光的损耗吸收损耗1.本征吸收2.杂质吸收3.原子缺陷吸收散射损耗1、线性散射－－－瑞利散射2、非线性散射瑞利散射布里渊散射弯曲损耗1.光纤弯曲2.光纤微弯整理ppt§2.4光纤的损耗特性(衰减特性Attenuation）76一、光纤损耗的系数当光信号在光纤中传播时，其功率随着距离的增加以指数形式衰减。如果在起始处（z＝0）的信号功率为P(0)，则在光纤中经过距离z的传播后，其功率值为：

为衰减指数。损耗系数α定义为：单位dB/km,整理ppt一、光纤损耗的系数 为衰减指数。损耗系数α定义为：单位dB77二、吸收损耗：吸收损耗是由于光纤本身和光纤中的杂质对光的吸收损耗。1、本征吸收：光纤材料本身对光的吸收（sio2）。(1)红外吸收带（2）紫外吸收带当光在物质中传播时，物质内部吸收了一部分光的能量，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，整理ppt二、吸收损耗：吸收损耗是由于光纤本身和光纤中的杂质对光的78（1）红外吸收机理：由于材料本身的原子之间的化学键形成形成晶格，当光纤中的光的波长与晶格相键长相当时，光的能量向晶格传递，引起损耗。吸收带：>1.5um，向红外延伸波长um损耗dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对长波光通信影响较大红外区的中心波长在8μm～12μm范围内，对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。整理ppt（1）红外吸收机理：由于材料本身的原子之间的化学键形成形成79（2）紫外吸收机理：光纤中的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级，从而使得光子的能量发生转移。吸收带：<1.6um,向紫外延伸波长um损耗dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对短波长通信影响较大紫外区中心波长在0.16μm附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纤通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB／km。在长波长范围内，引起的光纤损耗小0.1dB／km。整理ppt（2）紫外吸收机理：光纤中的光子流将光纤材料中的电子激发到吸80（1）光纤中含有铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到10-8以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。2、杂质吸收机理：主要由于光纤材料的不纯净引起的。（2）水的氢氧根离子的振动，基波振动在2.73μm波长，二次谐波振动在1.39μm，三次谐波振动在0.95μm，它们的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6μm～2.73μm的范围内，产生若干个吸收。整理ppt（1）光纤中含有铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属造成的附81CuAlFeGeNi(可以消除)OH–波长um损耗dB/km0.81.01.21.41.61.8（影响较大）0.9~1.01.2~1.31.33~1.5整理pptCuAlFeGeNi(可以823、原子缺陷吸收机理：光纤制造过程中受到热激励或辐射使得一部分共价键断裂，容易吸收光的能量。原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线的照射下，可能引起损耗高达20000dB／km。但是有些材料受到影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，对于4300rad的辐射，仅在波长0.82μm引起损耗16dB／km。宇宙射线也会对光纤产生长期影响，但影响很小。影响：通过工艺和材料使之减少到忽略不记的程度。整理ppt3、原子缺陷吸收机理：光纤制造过程中受到热激励或辐射使得一部83吸收损耗：本征吸收红外吸收紫外吸收杂质吸收有色金属OH根的吸收原子缺陷吸收整理ppt吸收损耗：本征吸收红外吸收紫外吸收杂质吸收有色金属OH根的84

图3.3掺杂整理ppt图3.3掺杂整理ppt85三、散射损耗机理：由于光纤的折射率分布以及光纤材料的不均匀使得光在光纤传播过程中发生散射，光向其他方向散开造成的损耗。非线性散射损耗线性散射损耗受激喇曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射瑞利(Rayleigh)散射整理ppt三、散射损耗机理：由于光纤的折射率分布以及光纤材料的不均861、瑞利散射损耗阻碍粒子比光波长可相比时产生的散射叫瑞利散射。机理：密度不均匀的微粒产生的瑞利散射影响：对短波长的光影响较大（与λ4呈反比）波长um

损耗dB/km0.81.01.21.41.61.8红外吸收紫外吸收瑞利散射整理ppt1、瑞利散射损耗阻碍粒子比光波长可相比时产生的散射叫瑞利87光纤的结构不完善产生的损耗（波导散射损耗）机理：制造工艺的缺陷引起的残留气泡或芯包交界面不均匀造成的散射。（比波长大得多）残留气泡引起的散射损耗影响：对所有的波长一样波长um

损耗dB/km0.81.01.21.41.61.8红外吸收紫外吸收瑞利散射波导散射整理ppt光纤的结构不完善产生的损耗（波导散射损耗）机理：制造工艺的缺88（四）、光纤的弯曲损耗1、宏弯损耗曲率比光纤的半径大得多的损耗弯曲曲率半径减小，损耗按指数方式增加。弯曲损耗可以定性的由摸场分布来解释。纤芯中传播的模式都有一个尾部延伸到包层中的消逝场，而消逝场的大小随着到纤芯距离的增加而以指数形式下降。当距纤芯的距离到达某一临界距离处时，消逝场的尾部的运动速率必须大于光速才能跟上纤芯中的场，这是不可能的，因而在该距离之外的尾部场就丢失了，其中所含的能量也随之损失掉了。

光纤的最小弯曲半径的经验法则是：对于长期应用，光纤的弯曲半径应超过包层直径的150倍；对于短期应用，光纤的弯曲半径应超过包层直径的100倍；对于硅光纤，包层直径是125微米，对应的弯曲半径分别为19和13毫米整理ppt（四）、光纤的弯曲损耗1、宏弯损耗曲率比光纤的半径大得多的892、微弯损耗光纤的轴产生的微米级的弯曲产生的损耗侧压力使得纤芯微小弯曲产生模式变换微弯引起光纤中的传导模与漏模或非传导模之间能量的反复耦合。微观弯曲使高阶模漏出并使得低阶模的功率耦合到高阶模上

整理ppt2、微弯损耗光纤的轴产生的微米级的弯曲产生的损耗侧压力使得纤90波长um损耗dB/km0.81.01.21.41.61.8红外吸收紫外吸收瑞利散射波导散射OH吸收0.851.311.55整理ppt波长um损耗0.81.01.21.41.91整理ppt整理ppt92光纤的损耗谱整理ppt光纤的损耗谱整理ppt93整理ppt整理ppt94光纤损耗测试

两种方法：1）光源+光功率计2）光时域反射计（OTDR）整理ppt光纤损耗测试两种方法：1）光源+光功率计整理ppt95光时域反射计整理ppt光时域反射计整理ppt96§2.5光纤的色散(Dispersion)1、色散的分类模间色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)模内色散材料色散波导色散什么是色散：当电磁波在一媒质中波传播时，波的不同成分速度不同这种现象称为色散。整理ppt§2.5光纤的色散(Dispersion)1、色散的分类97（1）模间色散机理：多模光纤中同时存在多个传导模式，不同模式的轴向传输速度不同，使得它们到达终端有先有后，引起脉冲展宽。脉冲展宽：码元速率（带宽）：整理ppt（1）模间色散机理：多模光纤中同时存在多个传导模式，不同模脉98（2）材料色散机理：光源发出的光不是单一波长的光，而是具有一定的谱线宽度，而不同波长的光在光纤中的传播速率不同，因而导致同一个模式的光在光纤中传播也有时延差，输出脉冲产生畸变。（3）波导色散（结构色散）机理：光在光纤中传播时，由于光纤的结构引起不同波长的光在光纤中的传播速度不同，因而导致同一个模式的光在光纤中传播也有时延差，输出脉冲产生畸变。

整理ppt（2）材料色散机理：光源发出的光不是单一波长的光，而是具有（99色散使得脉冲的宽度被展宽，传输速率降低色散对光通信的影响整理ppt色散使得脉冲的宽度被展宽，传输速率降低色散对光通信的影响整理1002、色度色散光通信的光源包含许多频率成分群速整理ppt2、色度色散光通信的光源包含许多频率成分群速整理ppt101群速2）群时延（GVD）

整理ppt群速2）群时延（GVD）整理ppt1023）群时延差色散系数单位是ps/(nm·km)

2）群时延（GVD）

整理ppt3）群时延差色散系数单位是ps/(nm·km)2）群时延（103整理ppt整理ppt104整理ppt整理ppt105a)材料色散系数

材料色散是由于折射率是光波长的函数，对于单模光纤和LED系统，材料色散显得尤为重要，因为LED输出光波的带宽比LD输出的光波带宽要宽得多.假设在无限大介质中传播的平面波其折射率n(λ)等于纤芯的折射率，传播常数为：

由材料色散引起的群时延为

如果光源带宽为σλ(rms)，带宽展宽可表示为：材料色散系数

整理ppta)材料色散系数材料色散是由于折射率是光波长的函数，对于单106波导色散是由于传播常数是光波长的函数。在考虑导波色散时近似认为光纤的材料折射率与波长无关。用归一化的传播常数b来表示群时延，其定义为：

b)波导色散系数

模式传播常数通常用归一化频率V表示的：用V代替k，则可以得到

对于单模光纤，导波色散的量值可能与材料色散在同一个量级上，光源谱宽为时的脉冲展宽，导波色散可表示为

整理ppt波导色散是由于传播常数是光波长的函数。在考虑导波色散时近似认107对于最低阶模（主模）HE11，b（V）可表示为：整理ppt对于最低阶模（主模）HE11，b（V）可表示为：整理ppt108整理ppt整理ppt109整理ppt整理ppt110整理ppt整理ppt111单模光纤的最佳设计

折射率剖面设计匹配包层凹陷包层阶跃大有效面积色散位移四包层剖面双包层或W剖面环带三角形分布大有效面积色散平坦图3.12几种有代表性的折射率剖面整理ppt单模光纤的最佳设计折射率剖面设计匹配包层凹陷包层阶跃大有效112色散位移光纤(DSFDispersion-ShiftedFiber)非零色散位移光纤(NZDSFNonzeroDispersion-ShiftedFiber)色散补偿光纤(DCFDispersion-compensatingFiber)色散平坦光纤(DFFDispersion-flattenedFiber)整理ppt色散位移光纤(DSFDispersion-Shifte113整理ppt整理ppt1143、偏振模色散PMD(PolarizationModeDispersion)光信号中不同偏振状态的双折射现象时导致脉冲展宽的另一个因素。由于实际光纤本身存在缺陷，例如纤芯的几何形状不规则和内部应力不均匀等，此外，存在外在因素如光纤的弯曲，扭曲，挤压也使光纤产生双折射，所以单模光纤存在偏振模色散（PMD）。整理ppt3、偏振模色散PMD(PolarizationMode115整理ppt整理ppt116双折射沿着光纤长度方向发生变化：①每一个偏振模传播的速率稍有差别②偏振方向也会发生旋转在经过距离L后两种偏振模式分量所产生的时延差为：整理ppt双折射沿着光纤长度方向发生变化：整理ppt117PMD与系统传输速率以及最大传输距离的关系整理pptPMD与系统传输速率整理ppt118光纤的带宽1.光纤带宽与色散的换算公式光纤带宽与色散的换算公式有两个：第一个为采用时域法测量光纤带宽时所采用的计算式；第二个为计算光纤通信系统所要求的计算式。整理ppt光纤的带宽1.光纤带宽与色散的换算公式光纤带宽与色散的换119光纤带宽时域响应；光纤带宽频域响应光脉冲波因色散而展宽后仍为高斯形，τ为高斯形脉冲波的半高全宽，即g(t)/g(0)=1/2时的全宽，亦即光功率降低一半时的色散。经过高斯形函数傅里叶变换，可得光纤带宽的第一个计算式为整理ppt光纤带宽时域响应；光纤带宽频域响应光脉冲波因色散而展宽后仍为120【例1】设已知单模光纤色散系数为6ps/(nm·km)，而光源谱线宽为３nm，求光纤带宽。τ=Dσ=6×3×10-12=18×10-12ps/km解整理ppt【例1】设已知单模光纤色散系数为6ps/(n121令τ′为高斯形脉冲波在g(t)/g(0)=1/e时的全宽，由高斯形脉冲波的表达式可得，式中σ为高斯波形的宽度参数，称为脉冲均方根(rms)宽度，在系统设计时用此参数以表征光纤色散，经推证可得光纤带宽的第二个计算式为整理ppt令τ′为高斯形脉冲波在g(t)/g(0)=1/e时的全宽，由122光纤带宽以km为单位，但当光纤长度为Lkm时，其全长总带宽并不一定与长度L成反比。式中，E称为带宽长度系数。2.带宽与长度的关系设光纤每千米带宽为B，而在Lkm全长的总带宽为B′，则对多模光纤，E为0.5~0.9；对单模光纤，E为1。这是因为光脉冲在光纤中传播时会产生模式变换，因而模间色散得以减轻，故其有效长度要减小。对单模光纤而言，因无模间色散，故E为1。整理ppt光纤带宽以km为单位，但当光纤长度为Lkm时，其全长总带123【例8.2】设多模光纤中继段长为23km，测得其全长总带宽为134MHz，求光纤每千米带宽。解设E取0.7，则由式B=B′LE=134×230.7=1200MHz·km

整理ppt【例8.2】设多模光纤中继段长为23km，测124

光纤色散对光脉冲传输的影响脉冲宽度由均方根宽度表示整理ppt光纤色散对光脉冲传输的影响脉冲宽度由均方根宽度125chirp高斯脉冲C频率chirp系数整理pptchirp高斯脉冲C频率chirp系数整理ppt126宽光源光谱比较大色散斜率整理ppt宽光源光谱比较大色散斜率整理ppt127§2.6光纤的非线性效应当光纤中传输的功率很大时，就会有非线性效应光纤的非线性效应包括光纤的非线性散射光纤的非线性折射率整理ppt§2.6光纤的非线性效应当光纤中传输的功率很大时，就会有非线128受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamanscattering）强光功率在光纤中传输时，SRS使得多波长系统中较短波长（高频）光的能量向较长波长（低频）的光转移。影响：引起波分复用系统的串话1、非线性散射②受激布里渊散射（SBS—stimulatedBrillouinscattering）

整理ppt受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamansc129阈值功率增益系数对于整理ppt阈值功率增益系数对于整理ppt130（1）自相位调制（SPM—self-phasemodulation）2、非线性折射在大功率光信号的作用下，光固有的折射率将随光的强度发生变化，新的折射率为：n1=n0+p/Aeff由于光的非线性效应的影响，光场自身引起的相位变化，叫自相位调制。整理ppt（1）自相位调制（SPM—self-phasemodula131（2）交叉相位调制（XPM）某一信道的光场由于非线性效应受到来自相邻信道的光场的影响而发生相移。影响：形成串扰整理ppt（2）交叉相位调制（XPM）某一信道的光场由于非线性效应受到132（3）四波混频（FWM）相距很近的波长之间发生耦合，在其间隔产生新的无用波长。f1f2f3f0f0=f1+f3-f2整理ppt（3）四波混频（FWM）相距很近的波长之间发生耦合，在其间隔133四波混频的抑制：1、降低光功率（不可行）2、加大通光面积（可行）3、增大信道间隔（不可行）4、保持一定的色散（可行）整理ppt四波混频的抑制：1、降低光功率（不可行）2、加大通光面积（可134§2.7常用光纤目前ITU-T规定的光纤代号有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）。根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A表示多模光纤，B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤。INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNION整理ppt§2.7常用光纤目前ITU-T规定的光纤代号有根据我国国家标135多模光纤类型整理ppt多模光纤类型整理ppt136单模光纤类型整理ppt单模光纤类型整理ppt137ITU-T G.651TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOFA50/125um

MULTIMODEGRADEDINDEXOPTICAL

FIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.651 (Previously“CCITTRecommendation”)整理pptITU-T G.651整理ppt138INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-T

G.652TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOFASINGLE-MODEOPTICALFIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.652 (Previously“CCITTRecommendation”)整理pptINTERNATIONALTELECOMMUNICATI139INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-T

G.653TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOF

ADISPERSION-SHIFTEDSINGLE-MODE

OPTICALFIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.653整理pptINTERNATIONALTELECOMMUNICATI140INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-TG.655TELECOMMUNICATION

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITU(10/96)SERIESG:TRANSMISSIONSYSTEMSANDMEDIA,DIGITALSYSTEMSANDNETWORKSTransmissionmediacharacteristics–OpticalfibrecablesCharacteristicsofanon-zerodispersionshiftedsingle‑modeopticalfibrecableITU-TRecommendationG.655整理pptINTERNATIONALTELECOMMUNICATI141纤芯直径包层直径纤芯不圆度包层不圆度同心度误差NA衰减系数色散系数1、G.651多模光纤工作频率应用：小容量，短距离，局域网，校园网整理ppt纤芯直径包层直径纤芯不圆度包层不圆度同心度误差NA衰减系数色1422、G.652光纤常规单模光纤或色散未位移光纤（第一代单模光纤）工作窗口：1310nm1550nm(最小损耗)（零色散）应用：我国干线主要采用G.652缺点：低损耗和低色散不能兼有整理ppt2、G.652光纤常规单模光纤或色散未位移光纤（第一代单模光143整理ppt整理ppt144大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652单模光纤（NDSF）整理ppt大多数已安装的光纤G.652单模光纤（NDSF）整理ppt145光纤参数G.652AG.652BG.652CG.652D模场直径,μm(8.6～9.5)±0.7(8.6～9.5)±0.7(8.6～9.5)±0.7(8.6～9.5)±0.7包层直径,μm

125±1125±1125±1125±1芯同心度误差,μm≤0.8≤0.8≤0.8≤0.8包层不圆度,%≤2≤2≤2≤2光缆截止波长,nm≤1260≤1260≤1260≤1260筛选应力,GPa≥0.69≥0.69≥0.69≥0.69宏弯衰减（30mm半径,100圈）,dB≤0.5(1550nm)≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)最小零色散波长,nm1300130013001300最大零色散波长,nm1324132413241324零色散波长最大斜率Smax,ps/(nm².km)0.0930.0930.0930.093未成缆光纤PMD系数,ps/km1/2可规定可规定可规定可规定光缆参数1310nm衰减系数最大值,dB/km0.50.4不规定不规定1550nm衰减系数最大值,dB/km0.40.350.300.301625nm衰减系数最大值,dB/km不要求0.4不规定不规定光缆链路PMD特性不要求光缆段数M20202020整理ppt光纤参数G.652AG.652BG.652CG.652D模场1463、G.653光纤色散位移光纤（第二代单模光纤）工作窗口：1550nm通过制造工艺将零色散转移到1550nm处，使得光纤在1550处同时具有零色散和最小损耗。应用：长距离全光中继传输缺点：1550nm的零色散带来严重的非线形效应，不利于密集波分复用。整理ppt3、G.653光纤色散位移光纤（第二代单模光纤）工作窗口：1147整理ppt整理ppt148光纤参数G.653模场直径,μm(7-8.3)包层直径,μm

125±0.24%芯同心度误差,μm≤0.8包层不圆度,%≤2光缆截止波长,nm≤1270筛选应力,GPa≥0.69宏弯衰减（30mm半径,100圈）,dB≤0.5(1550nm)最小零色散波长,nm1500最大零色散波长,nm1600零色散波长最大斜率Smax,ps/(nm².km)0.085未成缆光纤PMD系数,ps/km1/2可规定光缆参数色散系数1550nm衰减系数最大值,dB/km0.41625nm衰减系数最大值,dB/km不要求光缆链路PMD特性不要求光缆段数M20整理ppt光纤参数G.653模场直径,μm(7-8.3)包层直径,μm1494、G.654光纤最低耗单模光纤(在G.652光纤的基础上将1550nm处的损耗进一步降低)工作窗口：1550nm应用：海底长距离无中继传输整理ppt4、G.654光纤最低耗单模光纤(在G.652光纤的基础上将1505、G.655光纤非零色散光纤（NRDSF）色散移位光纤在1550nm处的色散为零，采用密集波分复用技术产生四波混频效应；将1550nm处的零色散向1525或1585nm处转移，1550处的微小色散来控制非线形效应。工作波长：1550nm应用：DWDM系统整理ppt5、G.655光纤非零色散光纤（NRDSF）色散移位光纤在1151光纤参数G.655AG.655BG.655C模场直径,μm(8～11)±0.7(8～11)±0.7(8～11)±0.7包层直径,μm

125±1125±1125±1芯同心度误差,μm≤0.8≤0.8≤0.8包层不圆度,%≤2≤2≤2光缆截止波长,nm≤1450≤1450≤1450筛选应力,GPa≥0.69≥0.69≥0.69宏弯衰减（30mm半径,100圈）,dB≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)≤0.5(1625nm)色散特性C波段最小零色散波长,nm1530～15651530～15651530～1565Dmin,ps/(nm.km)0.11.01.0Dmax,ps/(nm.km)6.010.010.0色散符号正或负正或负正或负L波段最小零色散波长,nm不要求待定待定Dmin,ps/(nm.km)不要求待定待定Dmax,ps/(nm.km)不要求待定待定色散符号不要求正或负正或负未成缆光纤PMD系数,ps/km1/2可规定可规定可规定1550nm衰减系数最大值,dB/km≤0.350.350.351625nm衰减系数最大值,dB/km≤0.40.40整理ppt光纤参数G.655AG.655BG.655C模场直径,μm(152整理ppt整理ppt153整理ppt整理ppt154整理ppt整理ppt155色散平坦光纤的性能指标与要求整理ppt色散平坦光纤的性能指标与要求整理ppt156色散补偿光纤DCF的性能指标与要求整理ppt色散补偿光纤DCF的性能指标与要求整理ppt157三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区整理ppt三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区整理ppt158CalculatingDispersioninatypicalsingle-modefibreusingalaserwithaspectralwidthof6nmoveradistanceof10km:Dispersion=17ps/nm/km×6nm×10km=1020psAt1Gbpsapulseis1nslong.Sothesystemwouldnotwork.(20%isagoodguidelinefortheacceptablelimit.)Butitwouldprobablyworkquitewellatadatarateof155Mbps(apulselengthof6.5ns).Anarrowspectralwidthlasermightproduceonlyonelinewithalinewidthof300MHz.Modulatingitat1Gbpswilladd2GHz.2,300MHzisjustlessthan.02nm(at1500nm).Sonow:Dispersion=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4psInthiscase,dispersionjustceasedtobeaproblem.整理pptCalculatingDispersioninatyp159色散补偿技术控制光源线宽色散位移光纤色散补偿光纤中途谱反转啁啾光纤光栅整理ppt色散补偿技术控制光源线宽整理ppt160ControlofSpectralWidthSimpleFPlaser:over5nm;ExternalcavityDBRlaser:<.01nmModulationaddstothebandwidthofthesignal,bytwicethehighestfrequencypresentinthemodulatingsignal(1Gbps,.04nm)!UsingmorecomplexsignalcodingratherthansimpleOOK.UsingWDM(a2.5Gbpssignalhas1/4oftheproblemwithdispersionasa10Gbpssignal).整理pptControlofSpectralWidthSimpl161DispersionShiftedFibredispersionshiftedfibreisdesignedwithadispersionzeropointataround1550nm.However,itisnotalwayspossibleorindeeddesirable：Inmanycaseswecan'thaveDSFbecausethefibrewemustuseisalreadyinstalled.four-wavemixingeffectivelyprohibittheuseofDSF.整理pptDispersionShiftedFibredisper162DispersionCompensatingFibre整理pptDispersionCompensatingFibre整163BalancingDispersiononaLink整理pptBalancingDispersiononaLink164DCF存在的问题

高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20mm2G-652:80mm2),比标准光纤的非线性系数高2-4个数量级非线性阈值低3-6dB较大的色散斜率(DCF:-15~-20ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。整理pptDCF存在的问题高损耗(0.5dB/km)整理ppt165Mid-SpanSpectralInversionTheconcepthereistouseadeviceinthemiddleofthelinktoinvertthespectrum.Thisprocesschangestheshortwavelengthstolongonesandthelongwavelengthstoshortones.Whenthepulsearrivesithasbeenre-builtexactly-compensatedforbythesecondhalfofthefibre.整理pptMid-SpanSpectralInversionThe166BalancingDispersiononaLink整理pptBalancingDispersiononaLink167DCF存在的问题

高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20mm2G-652:80mm2),比标准光纤的非线性系数高2-4个数量级非线性阈值低3-6dB较大的色散斜率(DCF:-15~-20ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。整理pptDCF存在的问题高损耗(0.5dB/km)整理ppt168Mid-SpanSpectralInversionTheconcepthereistouseadeviceinthemiddleofthelinktoinvertthespectrum.Thisprocesschangestheshortwavelengthstolongonesandthelongwavelengthstoshortones.Whenthepulsearrivesithasbeenre-builtexactly-compensatedforbythesecondhalfofthefibre.整理pptMid-SpanSpectralInversionThe169PrincipleThisspectralinversionisperformedbyaprocesscalled“opticalphaseconjugation”.Devicesthatchangethewavelengthusingeither4-WaveMixingorDifferencerequencyGenerationinvertthespectrumasabiproductoftheirwavelengthconversionfunction.Thesecanbeusedasspectralinvertersifwecantoleratethewavelengthshiftinvolved.整理pptPrincipleThisspectralinversi170ChirpedFibreBraggGratingsChirped

Bragggrating••

•

llonglshortTocompensatefor100kmofstandard(17ps/nm/km)fibrethechirpedgratingneedstobe17cmlongforeverynmofsignalbandwidth!InthisinstanceaWDMsystemwithchannelsspreadover(say)20nmwouldneedachirpedFBG(20x17)340cmlong!整理pptChirpedFibreBraggGratingsCh171整理ppt整理ppt172第2章光纤--光纤导光原理及其特性整理ppt第2章光纤整理ppt173光纤的结构及分类光纤导光原理光纤的模式理论光纤的损耗特性光纤的色散光纤的非线性效应常用光纤整理ppt光纤的结构及分类整理ppt174纤芯包层涂覆层芯线1、光纤的结构§2.1光纤的结构及分类典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和涂覆层

整理ppt纤芯包层涂覆层芯线1、光纤的结构§2.1光纤的结构及分类典型175纤芯、包层------裸光纤纤芯、包层+涂覆层----芯线纤芯、包层------光学区涂覆层---保护区材料：SiO2纤芯n1>包层n2纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)

包层:SiO2+B2O5(F)涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆层的主要作用是为光纤提供保护整理ppt纤芯、包层------裸光纤纤芯、包层+涂覆层----芯线纤1762、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分

2）按工作波长来分3）根据光纤中传输模式分4）根据折射率分布分

有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。短波长光纤长波长光纤单模光纤和多模光纤有阶跃型光纤StepIndexSI渐变型(梯度型)光纤GragedIndexGIW型光纤等整理ppt2、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分2）按工作波长来分177阶跃型光纤SIStepIndex渐变型(梯度型)光纤GIGragedIndexW型光纤整理ppt阶跃型光纤SI渐变型(梯度型)光纤GIW型光纤整178整理ppt整理ppt179整理ppt整理ppt1803、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。2、制棒将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。3、拉丝4、套塑为保证光纤的机械性能将光纤涂覆层外加一层热塑材料。5、成缆整理ppt3、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低2、制181目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。方法：精馏——吸附——精馏精馏塔活性吸附物质二级精馏活性吸附物质精料槽

SiCl4HO-Cu2+_氧化铝或活性硅胶SiCl4材料提纯整理ppt目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低方法：精馏——吸附——精馏182熔炼制棒方法：MCVD法（改进的化学汽相沉积法）BELLPCVD法（等离子激活化学汽相沉积法）PHILIPSVAD法（汽相轴向沉积法）NTT

OVD法（管外汽相沉积法）CORNINGAPVD法（等离子化学汽相沉积法）ALCATEL目的：将提纯后的材料通过物理与化学的方法合成一定折射率分布光纤预制棒。折射率分布通过控制掺杂浓度实现。整理ppt熔炼制棒方法：MCVD法（改进的化学汽相沉积法）BELLPC183化学反应方程MCVD法（改进的化学汽相沉积法）纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)包层:SiO2+B2O5整理ppt化学反应方程MCVD法（改进的化学汽相沉积法）纤芯:SiO2184整理ppt整理ppt185拉丝目的：将具有一定的折射率分布的预制棒拉制成折射率分布不变的光纤。123467891---光纤预制棒2---高温炉3---测温仪4---炉温控制5---激光测径仪6---调速系统7---涂覆器8---固化炉9---收丝轮5整理ppt拉丝目的：将具有一定的折射率分布的预制棒12346186光纤经过涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。成缆

一、对光缆的要求1、机械性能好：保证光纤经得起拉伸、冲击、弯曲等影响。

2、防护性能好：使光纤防水，防潮，防雷，防腐。3、传输性能好：避免工程中带来的附加损耗或色散。整理ppt光纤经过涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度，但1872、光缆护套一般由塑料材料制造，保护光缆芯受到机械外力和环境的影响。PVC（聚氯乙烯）3、防潮层光纤非常怕水，一般用密封铝制金属或阻水纱防潮。4、填料防止水气进入。要求：抗水性好，温度性能好，无毒，不易燃。5、铠装增加机械强度，防鼠，防虫，防人为损伤。1、加强件加强件一般由钢丝或增强塑料嵌在光纤中，用以承受拉伸负荷。（集中式加强件，分散式加强件）二、光缆的基本结构整理ppt2、光缆护套一般由塑料材料制造，保护光缆芯受到机械外力和3、188按成