光纤光学基础知识-liangfeng

光纤及光通信技术简介梁锋2004-04电磁波谱的划分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质频率Hz光通信用光波载运信息，实现通信光纤通信以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信光纤通信的优点频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻光纤结构纤芯包层涂敷层护套单模光纤内径：8.2µm多模光纤内径：50/62.5µm外径：125µm尺寸规格：菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2结论：若要实现全反射，则必须有n1>n2n2n1n1>n2θ2θ1n1n2n1<n2θ1θ2Φmax=arcsin(NA)φn1n2入射出射纤芯可见，光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而与光纤的直径无关。标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，对应的孔径角约为11.5º。标准单模光纤的NA公称值一般为0.1～0.15，对应的孔径角约为5.7º~8.6º。光纤的损耗：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，对接芯径不匹配和熔接质量差等。光纤的色散特性光纤的色散引起传输信号的畸变，使通讯质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。光纤的色散可分为以下几类：材料色散波导色散模式色散偏振色散光纤的色散特性1．模式色散又称模间色散

光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。

2．材料色散

含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，光纤对不同波长的电磁波会有不同的折射率，导致传输速度不同，就会引起脉冲展宽，导致色散。

3．波导色散又称结构色散

它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过纤芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。

光纤的色散特性4、偏振模色散（PMD）

单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。光纤的色散特性多模光纤：模式色散、波导色散、和材料色散，以模式色散为主单模光纤：材料色散、波导色散，以材料色散为主。偏振色散是单模光纤所特有。光纤技术发展的趋势

一些普通器件的介绍全波光纤

1998年，美国朗讯公司研制了一种新的光纤制造技术，它能消除光纤玻璃中的OH离子，从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“压平”了，从而使光纤在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信。

全波光纤在城域网建设中将会大有作为。从网络运营商的角度来考虑，有了全波光纤，就可以采用粗波分复用技术，取其信道间隔为20nm左右，这时仍可为网络提供较大的带宽，而与此同时，对滤波器和激光器性能要求却大为降低，这就大大降低了网络运营商的建设成本。全波光纤的出现使多种光通信业务有了更大的灵活性，由于有很宽的波带可供通信之用，我们就可将全波光纤的波带划分成不同通信业务段而分别使用。聚合物光纤

目前通信的主干线已实现了以石英光纤为基质的通信,但是，在接入网和光纤入户(FTTH)工程中，石英光纤却遇到了较大的困难。由于石英光纤的纤芯很细（6～10μm），光纤的耦合和互接都面临技术困难，因为需要高精度的对准技术，因此对于距离短、接点多的接入网用户是一个难题。而聚合物光纤（polymeropticalfiber，POF）由于其芯径大（0.2～1.5mm），故可以使用廉价而又简单的注塑连接器，并且其韧性和可挠性均较好，数值孔径大，可以使用廉价的激光源，在可见光区有低损耗的窗口，适用于接入网。聚合物光纤是目前FTTH工程中最有希望的传输介质。

聚合物光纤分为多模阶跃型SI-POF和多模渐变型GI-POF两大类，由于SIPOF存在严重的模式色散,传输带宽与对绞铜线相似,限制在5MHz以内，即便在很短的通信距离内也不能满足FDDI、SDH、B-ISDN的通信标准要求，而GIPOF纤芯的折射率分布呈抛物线，因此模式色散大大降低，信号传输的带宽在100m内可达2.5Gbps以上，近年来，GIPOF已成为POF研究的主要方向。最近，N.Tanio从理论上预测了无定形全氟聚丁烯乙烯基醚在1300nm处的理论损耗极限为0.3dB/km，在500nm处的损耗可低至0.15dB/km，这完全可以和石英光纤的损耗相比拟。G.Giorgio等人报道了100m全氟GIPOF的数据传输速率已达到11Gbps。因此，GIPOF有可能成为接入网，用户网等的理想传输介质。光子晶体光纤

光子晶体光纤（photoniccrystalfiber，PCF）是由ST.J.Russell等人于1992年提出的。对石英光纤来说，PCF的结构特点是在其中间沿轴向均匀排列空气孔，这样从光纤端面看，就存在一个二维周期性的结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，利用这个缺陷，光就能够在其中传播。PCF与普通单模光纤不同，由于它是由周期性排列空气孔的单一石英材料构成，所以有中空光纤（holeyfiber）或微结构光纤（micro-structuredfiber）之称。PCF具有特殊的色散和非线性特性，在光通信领域将会有广泛的应用。

PCF引人注目的一个特点是，结构合理，具备在所有波长上都支持单模传输的能力，即所谓的“无休止单模”特性（endlesslysingle-mode），这个特性已经有了很好的理论解释。这需要满足空气孔足够小的条件，空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2。空气孔较大的PCF将会与普通光纤一样，在短波长区会出现多模现象。

PCF的另一个特点是它具有奇异的色散特性。现在人们已经在PCF中成功产生了850nm光孤子，预计将来波长还可以降低。PCF在未来超宽WDM的平坦色散补偿中可能扮演重要角色。

世界领先的PCF产品商业化的公司——丹麦CrystalFiberA/S最近推出了新的光子晶体光纤产品系列。一种是中空的“空气波导光子能带隙晶体光纤”（air-guidingPhotonicBandgapFiber），此晶体光纤的纤芯是中空的，利用空气作为波导，使光可以在特殊的能带隙中传输。光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信光--电--光中继的数字通信From杨先辉现今网络所需：May17th,2002

增加传输速率（容量）(bit/sec).

减小插入损耗(dB).

减小偏振相关损耗(PDL).

减小光器件的温度依赖性.

减小光器件体积.

器件模块（一体）化.DWDMVsTDMOctober17th,2000两种技术方案可以提高光纤带宽的利用率:增加单信道容量

(bitrate)TDMWDM2)减小信道间隔从而增加信道数目Currentgeneration:2.5–10Gbit/secNextgeneration:10-40Gbit/secCurrentgeneration:8-40ChannelsNextgeneration:8–196ChannelsFuturegeneration:8–1600Channels时分复用TDM－TimeDivisionMultiplexingSignal1Signal2SignalnSignal3MultiplexerDemultiplexer波分复用WDM－WavelengthDivisionMultiplexingDemultiplexerλ2λnλ1λ3λ1λ2λnλ3MultiplexerFig.1光纤光栅(FiberGrating)May17th,2002UVInterference布拉格光纤光栅（FBG）掺锗光纤芯经紫外光曝光，折射率改变（1978年）窄带带阻滤波器（反射型）反射波长：布拉格条件；相位匹配工作原理：相干叠加，正向模与反向模模式耦合调谐：温度或外力拉伸形变损耗<0.1dB；信道间隔/隔离度~1.6nm/22dB；带宽<0.2nm；调谐范围<10nm；调谐速率~2ms.应用：光纤激光器，色散补偿，EDFA增益平坦等布拉格光纤光栅——上下话路器Add-DropMultiplexers(ADMs)环行器环行器光纤光栅与波长相同，携带不同信息Fig.2

全光纤熔锥耦合器(FusedBiconicalTaper)