光纤传输理论课件

第三章光纤传输理论第三章光纤传输理论1当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，称为单模光纤（SingleModeFiber,SMF）。纤芯直径较大的光纤可传输多个模式，称为多模光纤（MultimodeFiber,MMF）。单模光纤与多模光纤的外径（包层直径）均为125μm，多模光纤芯径50μm或62.5μm，单模光纤芯径8—10μm。

当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，2关键的名词和概念可传播的模式数阶跃折射率光纤中的传输模式数M取决于光纤纤芯半径a、纤芯折射率n1、包层折射率n2和光波长λ。关键的名词和概念可传播的模式数阶跃折射率光纤中的传输模式数M3单模传输条件单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤的基模。基模不会截止。单模传输条件单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤4单模条件截止波长：

光纤纤芯半径：单模条件截止波长：光纤纤芯半径：5阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯半径50μm，光源波长0.85μm。请计算光从空气射入光纤的数值孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。123归一化频率：模式数量：阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯6典型单模光纤的纤芯直径是8μm，折射率是1.46。其相对折射率差是0.3％，包层直径是125μm，光源波长为0.85μm。请计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。123单模传输条件：对应截止波长：典型单模光纤的纤芯直径是8μm，折射率是1.46。其相对70.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纤特性0.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纤8注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10nW，在1.3μm波段工作，光纤衰减系数0.4dB/km，请问无须中继器的最大光纤长度是多少？衰减：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的9一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，n1=1.5，相对折射率差Δ＝1％，长度L＝1km。求

（1）子午光线的最大时延差；

（2）若将光纤的包层和表面涂层去掉，求裸光纤的数值孔径和最大时延差。最大时延差：一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，n1=1.5，相10多模光纤

阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)多模光纤阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)11单模光纤

单模光纤12色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法多模渐变折射率光纤色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法13光纤传输理论课件14Ramanscattering:inelasticscatteringofaphoton.拉曼散射源自光纤中光与二氧化硅硅分子振动之间的相互作用，使得一部分光子能量转化为分子自身的机械能，同时发出频率低于入射光的光子(Stoke波)，原因是部分能量已经损失掉。若分子已处于激发态，则可能产生频率高于入射光的光子(反Stoke波)Brillouinscattering：inelasticscatteringofaphoton.是一种由材料密度变化引起的非弹性散射。材料密度变化可由声波或温度梯度引起。Ramanscattering:inelasti15相似之处：都是非弹性散射，都引起光波频移不同之处:原理不同阈值不同：要求的功率阈值对受激拉曼散射为100mW～200mW，对受激布里渊散射为10mW。频移量不同，Raman大约10THz，Brillouin大约1-10GHz相似之处：16一个2×2融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60％的信道的插入损耗为2.7dB,而40％的信道的插入损耗为4.7dB。1，若输入功率是1mw，求两端口的输出功率；2，求耦合器的额外损耗。

第五章无源器件一个2×2融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60％175.3、考虑如图所示的融锥光纤耦合器中，耦合比为拉伸长度的函数。工作于1310和1540时的性能已经给出，如果拉伸长度分别在一下位置：A，B，C，D，E和F，试讨论各个波长耦合器的性能。

5.3、考虑如图所示的融锥光纤耦合器中，耦合比为拉伸长度的函18一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB/km，接头损耗0.5dB,若从一端注入功率为200的光信号，求另一端输出功率。总损耗：0.8dB/km*30km+0.5dB*2=25dB25dB=-10lg(Pout/200uW)光源——光纤——探测端一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB195.5、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤Bragg光栅和光环形器组成一个四波长的WDM合波器。5.5、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤Bragg光栅20光栅周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)Bragg波长：光栅周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)21一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔是多少(波长1550nm)？请问在1525nm～1565nm波段可以容纳多少个通道？

一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔是多22输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：第六章有源器件输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极23噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值NF反比于光频率，980nm噪声系数小噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值NF反比于光频率，924入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生光生载流子。截止波长入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生25响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比量子效率

1.015A/W1.124A/W响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比量子效率126能带差△E和发出光的振荡频率v之间有△E＝hv的关系。这里h是普朗克常数，等于6.625×10-34焦耳·秒。半导体发射波长由λ=c/v的关系式得出△E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特(eV)，需转换单位1.43869nm0.961294nm能带差△E和发出光的振荡频率v之间有△E＝hv的关系。这里h27光电二极管的倍增因子量子效率42.5光电二极管的倍增因子量子效率42.528光纤传输理论课件2981GHz0.195nm81GHz0.195nm30光纤的历史1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输1960-电射及光纤之发明1966-华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤2000-到屋边光纤=>到桌边光纤2005FTTH(FiberToTheHome)光纤直接到家庭光纤的历史1880-AlexandraGrahamBell31光纤的分类（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。（2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rodintube）和双坩锅法等。光纤的分类（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、32光纤的衰减造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8μm），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。光纤的衰减造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质33光纤传输优点1、频带宽2．损耗低3．重量轻4．抗干扰能力强5．保真度高6．工作性能可靠7．成本不断下降光纤传输优点1、频带宽34第三章光纤传输理论第三章光纤传输理论35当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，称为单模光纤（SingleModeFiber,SMF）。纤芯直径较大的光纤可传输多个模式，称为多模光纤（MultimodeFiber,MMF）。单模光纤与多模光纤的外径（包层直径）均为125μm，多模光纤芯径50μm或62.5μm，单模光纤芯径8—10μm。

当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，36关键的名词和概念可传播的模式数阶跃折射率光纤中的传输模式数M取决于光纤纤芯半径a、纤芯折射率n1、包层折射率n2和光波长λ。关键的名词和概念可传播的模式数阶跃折射率光纤中的传输模式数M37单模传输条件单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤的基模。基模不会截止。单模传输条件单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤38单模条件截止波长：

光纤纤芯半径：单模条件截止波长：光纤纤芯半径：39阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯半径50μm，光源波长0.85μm。请计算光从空气射入光纤的数值孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。123归一化频率：模式数量：阶跃光纤纤芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯40典型单模光纤的纤芯直径是8μm，折射率是1.46。其相对折射率差是0.3％，包层直径是125μm，光源波长为0.85μm。请计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。123单模传输条件：对应截止波长：典型单模光纤的纤芯直径是8μm，折射率是1.46。其相对410.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纤特性0.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纤42注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10nW，在1.3μm波段工作，光纤衰减系数0.4dB/km，请问无须中继器的最大光纤长度是多少？衰减：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的43一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，n1=1.5，相对折射率差Δ＝1％，长度L＝1km。求

（1）子午光线的最大时延差；

（2）若将光纤的包层和表面涂层去掉，求裸光纤的数值孔径和最大时延差。最大时延差：一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25μm，n1=1.5，相44多模光纤

阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)多模光纤阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散)45单模光纤

单模光纤46色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法多模渐变折射率光纤色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法47光纤传输理论课件48Ramanscattering:inelasticscatteringofaphoton.拉曼散射源自光纤中光与二氧化硅硅分子振动之间的相互作用，使得一部分光子能量转化为分子自身的机械能，同时发出频率低于入射光的光子(Stoke波)，原因是部分能量已经损失掉。若分子已处于激发态，则可能产生频率高于入射光的光子(反Stoke波)Brillouinscattering：inelasticscatteringofaphoton.是一种由材料密度变化引起的非弹性散射。材料密度变化可由声波或温度梯度引起。Ramanscattering:inelasti49相似之处：都是非弹性散射，都引起光波频移不同之处:原理不同阈值不同：要求的功率阈值对受激拉曼散射为100mW～200mW，对受激布里渊散射为10mW。频移量不同，Raman大约10THz，Brillouin大约1-10GHz相似之处：50一个2×2融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60％的信道的插入损耗为2.7dB,而40％的信道的插入损耗为4.7dB。1，若输入功率是1mw，求两端口的输出功率；2，求耦合器的额外损耗。

第五章无源器件一个2×2融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60％515.3、考虑如图所示的融锥光纤耦合器中，耦合比为拉伸长度的函数。工作于1310和1540时的性能已经给出，如果拉伸长度分别在一下位置：A，B，C，D，E和F，试讨论各个波长耦合器的性能。

5.3、考虑如图所示的融锥光纤耦合器中，耦合比为拉伸长度的函52一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB/km，接头损耗0.5dB,若从一端注入功率为200的光信号，求另一端输出功率。总损耗：0.8dB/km*30km+0.5dB*2=25dB25dB=-10lg(Pout/200uW)光源——光纤——探测端一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB535.5、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤Bragg光栅和光环形器组成一个四波长的WDM合波器。5.5、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤Bragg光栅54光栅周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)Bragg波长：光栅周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)55一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔是多少(波长1550nm)？请问在1525nm～1565nm波段可以容纳多少个通道？

一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔是多56输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：第六章有源器件输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和功率转换效率极57噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值NF反比于光频率，980nm噪声系数小噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值NF反比于光频率，958入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生光生载流子。截止波长入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生59响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比量子效率

1.015A/W1.124A/W响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比量子效率160能带差△E和发出光的振荡频率v之间有△E＝hv的关系。这里h是普朗克常数，等于6.625×10-34焦耳·秒。半导体发射波长由λ=c/v的关系式得出△E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特(eV)，需转换单位1.43869nm0.961294nm能带差△E和发出光的振荡频率v之间有△E＝hv的关系。这里h61光电二极管的倍增因子量子效率42.5光电二极管的倍增因子量子效率42.562光纤传输理论课件6381GHz0.195nm81GHz0.195nm64光纤的历史1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输1960-电射及光纤之发明1966-华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安装电话光纤网路1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990