光纖通信第二章課件

1、光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光源光源 放大器放大器 光電二光電二 極管極管 判決器判決器 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 1.2 光纖類型光纖類型 光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純高純 度石英度石英（SiO2）制成的光纖。 實(shí)用光纖主要有三種基本類型， 突變型多模光纖突變型多模光纖（Step-Index Fiber, SIF） 漸變型多模光纖漸變型多模光纖（Graded-Index Fiber, GIF） 單模光纖單模光纖（Single-Mode Fiber

2、, SMF） 相對(duì)于而言，和的纖芯 直徑都很大，可以容納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光纖多模光纖 光纖通信第二章課件 圖 2.2三種基本類型的光纖 (a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面 2a 2b r n 折射率分布 纖芯包層 Ai t Ao t (a) 輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖 50 m 125m r n Ai t Ao t (b) 10 m125m r n Ai t Ao t (c) 光纖通信第二章課件 圖 2.3典型特種單模光纖 (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 2a 2a n1 n2 n3 (a)(b)(b) 特種單模光纖特種單

3、模光纖 最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結(jié)構(gòu) 和折射率分布示于圖2.3，這些光纖的特征如下。 色散平坦光纖色散平坦光纖（DispersionFlattened Fiber, DFF） 色散移位光纖色散移位光纖（DispersionShifted Fiber, DSF） 雙折射光纖雙折射光纖或偏振保持光纖偏振保持光纖。 光纖通信第二章課件 主要用途：主要用途： 突變型多模光纖突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。 漸變型多模光纖漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。 單模光纖單模光纖用在大容量長(zhǎng)距離的系統(tǒng)。 特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平 實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s容量的100 k

4、m的超大容量超長(zhǎng)距離系統(tǒng)。 色散平坦光纖色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸 容量提高幾倍到幾十倍。 三角芯光纖三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率， 增加傳輸距離。 偏振保持光纖偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)， 這種系統(tǒng) 最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。 光纖通信第二章課件 1600170014001300120015001100 20 10 0 -10 -20 G.653 17ps/nm.km G.652 光纖通信第二章課件 17ps/nm.km 1600170014001300120015001100 20 10 0 -10 -20 G.65

5、3 G.652 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 1 光纜基本要求光纜基本要求 保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法，通常是采用和 。 光纖從高溫拉制出來后，要立即用和 ，除去斷裂光纖，并對(duì)成品光纖用。 二次被覆光纖有、和光纖四種，見 圖 條件直接影響光纖的使用壽命。 光纖通信第二章課件 二次被覆光纖(芯線)簡(jiǎn)圖 (a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線 緊套 一次被覆光纖 松套 大套管 一次被覆光纖 帶狀線 (a)(b)(c)(d) 光纖通信第二章課件 光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型 光纜一般由和兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有 鎧裝。 1. 纜芯通常包括

6、(或稱芯線)和兩部分。 是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有 時(shí)配置在護(hù)套中。 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纜光纜 的基本型式的基本型式 把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。 把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺 旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。 把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中， 加強(qiáng) 件配置在套管周圍而構(gòu)成。 把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)， 形成中心束管式結(jié) 構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)， 形 成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。 光纖通信第二章課件 2. 護(hù)套護(hù)套 起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良 好

7、的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。 護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu) 成。 根據(jù)使用條件根據(jù)使用條件可以分為：可以分為： 等。 特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的 (OPGW)， 跨越海洋的，易燃易爆環(huán)境使用的 以及各種不同條件下使用的等。 光纖通信第二章課件 光纜特性光纜特性 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 2 2 2 102 122 0 21 10 sin 1cos90sinsin cossin nnnNA nnnnn nn i cc ci 2 1 1 2 nNA 2 1 2 2 2 1 1 21

8、 2n nn n nn (n1略大于n2) 1. 光纖通信第二章課件 所有所有 大于大于 臨界角臨界角 C C的的 光線都被限光線都被限 制在纖芯內(nèi)。制在纖芯內(nèi)。 1. 階躍光纖階躍光纖 光纖通信第二章課件 1. 階躍光纖階躍光纖 2 2 11 sinn n c L L L c n T c c n n BL B T 2 1 2 1 （最大時(shí)延要小于比特脈沖間隔）（最大時(shí)延要小于比特脈沖間隔） 光纖通信第二章課件 1. 階躍光纖階躍光纖 c n n BL 2 1 2 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 1 12 r n 1-() r a n(r)=a n (1-)=n ra , SIOF =

9、2 , parabolic-index 光纖通信第二章課件 2 1 n T = L8c 2 1 8c B L n 光纖通信第二章課件 2. 漸變光纖漸變光纖 光纖通信第二章課件 2.2 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn) 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)角度光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)角度 光纖通信第二章課件 E, Maxwells EquationsWave Equation cylindrical coordinates Guided wave equationHelmholtzs Equation boundary conditions

10、 tangentical components general solutioneigenvalue equation (x, y,z) t separate variables numerical solving mn suited for a , wave theory 光纖通信第二章課件 式中，E和H分別為和在直角坐標(biāo)中的任一分量， c為光速。選用圓柱坐標(biāo)(r，z)，使z軸與光纖中心軸線一致， 如圖所示。 將式(2.18)在圓柱坐標(biāo)中展開，得到電場(chǎng)的z分量Ez 的 為 0 2 2 EKE T (2.30) 0 2 2 HKH T (2.31) 0 11 2 2 2 22 2 Z ZZZ

11、EK E rr E rr E (2.42) 1. 波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)表達(dá)式波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)表達(dá)式 設(shè)光纖沒有損耗損耗，折射率折射率n變化很小，在光纖中傳播的是 角頻率為的單色光單色光，電磁場(chǎng)與時(shí)間t的關(guān)系為exp(jt)，則 方程為 光纖通信第二章課件 光纖中的圓柱坐標(biāo) x r y z 包層n2 纖芯n1 光纖通信第二章課件 Hz的方程和式(2.42)完全相同，不再列出。 解方程(2.42)，求出Ez 和Hz，再通過求出 其他電磁場(chǎng)分量，就得到任意位置的和。 把Ez(r, , z)分解為Ez(r)、Ez()和Ez(z)。設(shè)光沿光纖軸向 (z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為，則Ez(z)應(yīng)為exp(-jz)

12、。 由于光纖的，Ez()應(yīng)為的周期函數(shù)， 設(shè)為exp( jm)，m為整數(shù)。 現(xiàn)在Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達(dá)式， 電場(chǎng)z分量可以 寫成 Ez(r, z)=Ez(r)ej(m-z) 把上式代入式(2.42)得到 光纖通信第二章課件 式中，k=2/=2f /c=/c，和f為光的波長(zhǎng)和頻率。 這樣 就把分析光纖中的，歸結(jié)為求解 (2.49)。 設(shè)纖芯(0ra)折射率n(r)=n1，包層(ra)折射率n(r)=n2，實(shí) 際上和常規(guī)都滿足這個(gè)條件。 為求解方程(2.49)，引入無量綱參數(shù) , 和 。 0)()( )(1)( 2 2 222 2 2 rE r m kn dr rdE rdr rEd

13、Z ZZ (2.49) 光纖通信第二章課件 因?yàn)?； 。 根據(jù)這些特點(diǎn)，式(2.55a)的解應(yīng)取m階Jm(ur/a)， 而式(2.55b)的解則應(yīng)取m階修正的Km(wr/a)。 u2=a2(n21k2 -2) (0ra) w2=a2(2-n22k2) (ra) V2=u2+w2=a2k2(n21-n22) 利用這些參數(shù)， 把式(2.49)分解為兩個(gè)： (2.54) 0)()( )(1)( 2 2 2 2 2 2 rE r m a u dr rdE rdr rEd Z Zz 0)()( )(1)( 2 2 2 2 2 2 rE r m a w dr rdE rdr rEd Z Zz (0ra)

14、(ra) (2.55a) (2.55b) 光纖通信第二章課件 因此，在和的Ez(r, , z)和Hz(r, , z)表達(dá)式為 Ez1(r, , z) (0ra) )( )/( mj e Jm aurJm A Hz1(r, , z)= )( )/( mj e Jm aurJm B Ez2(r, , z) )( )( )/( zmj m e wk awrKm A Hz2(r, , z) )( )( )/( zmj e wkm awrKm B (0ra) (ra) (ra) (2.56a) (2.56b) (2.56c) (2.56d) 式中，腳標(biāo)1和2分別表示和的電磁場(chǎng)分量，A和B為 待定常數(shù)，由

15、激勵(lì)條件確定。Jm(u)和Km(w)如圖2.7所示，Jm(u)類似 振幅衰減的正弦曲線，Km(w)類似衰減的指數(shù)曲線。 式(2.56)表明，光纖傳輸模式的電磁場(chǎng)分布和性質(zhì)取決于特征 參數(shù) 、 和 的值。 u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場(chǎng)的分布，稱為 ；決定縱向(z)電磁場(chǎng)分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為 。 光纖通信第二章課件 圖2.7 （a)貝賽爾函數(shù)；（b)修正的貝賽爾函數(shù) Jm(u) 0 4 3 2 1 0 2 4 6 8 10 u m=1 v=0 m=2 (a) (b) m=1 1 2 3 4 5 w km(w) m=0 光纖通信第二章課件 當(dāng)m=0時(shí)，可分為兩類。一類只有Ez、Er和H分

16、量， Hz=Hr=0，E=0， 這類在傳輸方向無磁場(chǎng)的模式稱為(波)， 記為TM0。 另一類只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，這類在傳輸 方向無電場(chǎng)的模式稱為(波)，記為TE0。 當(dāng)m0時(shí)，電磁場(chǎng)六個(gè)分量都存在，這些模式稱為 。 混合模也有兩類， 一類EzHz，記為HEm，另一類Hz0。 a wr )( a wr k m )exp( a wr )exp( a wr 如果w0， 將在振蕩， 將轉(zhuǎn)換為 ，使能量從輻射出去。 w=0(=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)， 這個(gè)狀 態(tài)稱為。 其u、 w和值記為uc、wc和c，此時(shí)V=Vc=uc。 對(duì)于每個(gè)確定的v值，可以從特征方程

17、(2.58)求出一系列uc值， 每個(gè)uc值對(duì)應(yīng)一定的模式，決定其值和分布。 光纖通信第二章課件 當(dāng)m=0時(shí)，可分為兩類。一類只有Ez、Er和H分量， Hz=Hr=0，E=0， 這類在傳輸方向無磁場(chǎng)的模式稱為(波)， 記為TM0。 另一類只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，這類在傳輸 方向無電場(chǎng)的模式稱為(波)，記為TE0。 當(dāng)m0時(shí)，電磁場(chǎng)六個(gè)分量都存在，這些模式稱為 。 混合模也有兩類， 一類EzHz，記為HEm，另一類HzEz， 記為EHm。下標(biāo)m和都是整數(shù)。 第一個(gè)下標(biāo)m是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為，它表 示在纖芯沿方位角繞一圈電場(chǎng)變化的周期數(shù)。 第二個(gè)下標(biāo)是貝塞爾函數(shù)的根按從小

18、到大排列的序數(shù)， 稱 為，它表示從纖芯中心(r=0)到與交界面(r=a)電 場(chǎng)變化的半周期數(shù)。 光纖通信第二章課件 當(dāng)V時(shí)， w增加很快，當(dāng)w時(shí)，u 只能增加到一個(gè)有限值，這個(gè)狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止模式遠(yuǎn)離截止，其u 值記為u。 波動(dòng)方程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進(jìn) 行簡(jiǎn)化。 大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對(duì)折射率差都很小(例 如1)由HEm+1n和EHm-1n組成，包含4重簡(jiǎn)并。 。 光纖通信第二章課件 表表2.2 低階（低階（v=0和和v=1）模式和相應(yīng)的）模式和相應(yīng)的u值范圍值范圍 光纖通信第二章課件 四個(gè)低階模式的電磁場(chǎng)矢量結(jié)構(gòu)圖 HE11HE21 TE01TM01 電場(chǎng) 磁場(chǎng)

19、 光纖通信第二章課件 3. 單模光纖的模式特性單模光纖的模式特性 從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式 數(shù)目隨V值的增加而增多。 當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生， 逐漸減少。 特別值得注意的是當(dāng)V2.405時(shí)，只有HE11(LP01)一個(gè)模式 存在，其余模式全部截止。 HE11稱為。 由此得到為 V=2.405 或c= c 405. 2 V 由式(2.62)可以看到，對(duì)于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在 一個(gè)，當(dāng)c時(shí)，是單模傳輸， 這個(gè)臨界波長(zhǎng)c稱為。由此得到 405. 2 2 2 2 2 1 nn a V (2.62) 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件 光纖通信第二章課件