实验一 单模光纤结构设计

#实验一单模光纤结构设计实验目的：1.掌握光纤的结构和分类；2.理解光纤结构对其传输性能的影响；3.掌握OptiwaveOptiFiber软件的安装和使用。实验软件：1.OptiFiber2.0光纤仿真软件实验原理：一、光纤的结构光纤实际上是一种高度透明的玻璃丝，由二氧化硅玻璃经复杂的工艺拉制而成，其全称是光导纤维。从电磁波传播的角度来看，光纤实际上是一个圆柱形波导，其横截面基本由三部分组成，即折射率较高的芯区、折射率较低的包层和表面涂敷层。纤芯：纤芯提供传输光信号的通道，其成分是高纯度的二氧化硅，有时还掺有极少量的掺杂物（如GeO2、P2O5）以提高纤芯的折射率。未掺杂的纯石英光纤可以获得尽可能低的光纤损耗。包层：为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。其材料也是含有极少量掺杂物（如B2O3、F）的高纯度二氧化硅。掺杂物的作用是适当降低包层的折射率，使之略低于纤芯的折射率，以满足光传输的全内反射条件。涂敷层：保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。设纤芯和包层的折射率分别为n和n，光能量在光纤中传输的必要条件是n>n。纤1212芯和包层的相对折射率差：n2—n2n—n△二T2U12-2n2n11单模光纤0.3%—0.6%，多模光纤为1%—2%。A越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。二、特种单模光纤为调整工作波长或改善色散特性，在常规单模光纤的基础上，设计出结构复杂的特种单

模光纤。色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55ym波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31ym处的色散比在1.55gm处色散小得多。这种光纤如工作在1.55gm波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。为了使光纤较好地工作在1.55gm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散移位光纤（DSF）。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31gm处移到1.55gm附近。这种光纤又称为1.55gm零色散单模光纤，代号为G.653。G.653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。非零色散移位光纤（NZ-DSF）色散移位光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。为此，人们又研制了一种非零色散移位光纤即G.655光纤，将光纤的零色散点移到1.55ym工作区以外的1.60ym以后或在1.53ym以前，但在1.55ym波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散移位光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。这种光纤在1.31gm到1.55gm整个波段上的色散都很平坦，接近于零。图1典型特种单模光纤（（a）双包层；（b）三角芯；（c）椭圆芯）实验内容：、使用OptiFiber2.0软件练习G.652光纤结构设计IIWQIIIVIIIQTOC\o"1-5"\h\ziI・iIi1.452131452-1.451-Mepu-⑴>-Dal1.451-Mepu-⑴>-Dal方cr1451448-一％一SCEmfcsKmpu-Cu>-Gns」%lx-s.32.2o.o.aooo5

JI1.447-D.D0DD0D・和-40・2D0204060Radial[Jistance[pm]二、使用OptiFiber2.0软件练习色散移位光纤（DSF）结构设计对光纤损耗机理的研究表明，光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km,几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能。为此，人们研制了色散移位光纤（G.653光纤）。设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm。DSF的折射率分布像W型，又称W光纤。适当选取纤芯、内包层和外包层的折射率n「n2、n3，调整a值，可以改变零色散波长。1.45470r1.45230W—TOC\o"1-5"\h\z1.4499041.4475041.44510W12.500025.000037.500050.000062.5000112.500025.000037.500050.000062.50000.000000三、使用OptiFiber2.0软件练习非零色散位移光纤NZ-DSF结构设计DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高。然而，四波混频FWM会引起复用信道之间的串扰，严重影响WDM的性能。FWM是一种非线性效应，其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使DSF光纤在WDM系统中失去了魅力。非零色散移位光纤NZ-DSF（G655光纤）应运而生。NZ-DSF在1530〜1565nm（EDFA的工作波长）区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，其色