光纖通信系統(tǒng)-第二章part

1、第2章 光纖通信基礎(chǔ) 凌 云 寬帶光纖傳輸與通信網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.1 光纖和光纜階躍折射率光纖和梯度折射率光纖的截面結(jié)構(gòu)和折射率分布 Core 包層包層 涂敷層涂敷層光纖剖面光纖的光學(xué)分析方法量子理論2.1.1光纖的幾何光學(xué)分析1. 階躍折射率光纖幾何光學(xué)分析的適用范圍：芯徑a波長c 全反射條件： ，光纖導(dǎo)光。最大輸入角imax 數(shù)值孔徑： 其中： 相對折射率差NA物理意義：表示光纖的收光能力。NA大收光能力強(qiáng);NA小收光能力弱。越大，光纖的收光能力越好，是否越適合光纖通信？ABLn1i=0 imax 時(shí)延差： 最快到達(dá)光線：最慢到達(dá)光線：n2脈沖展寬 脈沖展寬 比特時(shí)間即越小越有利于

2、提高BL積例： n1=1.5，n2=1， BL0.4Mbpskm =210-3，則BL100Mbpskm 子午光纖和偏斜光纖2. 梯度折射率光纖折射率分布：=2，為拋物線分布折射率旁軸近視：纖芯內(nèi)：（漸變折射率光纖）其中：可以消除模間色散 2 色散達(dá)到最小值2.1.2 階越折射率光纖的波動光學(xué)分析1波動方程麥克斯韋方程組 電極化強(qiáng)度：波動方程：真空中的波數(shù) 2光纖中的模式芯徑為a的階躍折射率光纖 ：Er,E和Hr ,H也有類似表達(dá)式，6個(gè)量只有兩個(gè)獨(dú)立，可取Ez和Hz分離變量法求解 Z =exp(i z) =exp(im) 貝塞爾方程 解：引入了兩個(gè)參量： ，m1類貝虛宗量2類貝2類貝虛宗量1

3、類貝導(dǎo)模在r=0時(shí)為有限值，在r=時(shí)為零的邊界條件 ：A=0，B=0 其余四個(gè)量：Ez,E,Hz,H在纖芯和包層的分界面上切向分量連續(xù)的邊界條件 可得出A、B、C、D必須滿足的4個(gè)齊次方程 ,只有當(dāng)系數(shù)矩陣的行列式為零時(shí)才有平凡解.本征方程 注意：對每一個(gè)整數(shù)值m具有多解，可以用mn來表示 本征方程 對每一個(gè)整數(shù)值m具有多解，可以用mn來表示 每一個(gè)mn對應(yīng)于光場的一種可能的空間分布，稱為光纖中的一個(gè)模式。 可能的模式有：m=0: 1) 0n , A=B=0,TEon (E,Hr,Hz); 2) 0n , C=D=0,TMon (H,Er,Ez);m0， mn ，HEmn或EHmn在弱導(dǎo)光纖（

4、 很?。〦z和Hz都近似為零， 疊加形成LPmn（Linearly Polarized Mode）模LPon模是由HE1n模得到；LP1n模是由TEon、TMon和HE2n模線性組合得到；LP2n模是由EH1n模和HE3n模線性組合得到引入?yún)⒘浚?n強(qiáng)度簡諧變化指數(shù)衰減指數(shù)衰減纖芯 n1包層 n2包層 n2模場的橫向分布引入了一個(gè)模折射率（或有效折射率） 當(dāng)導(dǎo)模存在當(dāng)導(dǎo)模截止包層衰減 物理意義：當(dāng) 定義歸一化頻率（V參數(shù)）：定義歸一化傳播常數(shù)： b=0和b=1分別代表什么？臨界截止V參數(shù)：光纖參數(shù)決定1)V值較大，支持模式越多，為多模光纖;2)由一定的光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，可以確定V，也可以確定支持的

5、模式數(shù)目；3）一般來說存在高階模，一定存在低階模； 4）HE11模不截止，單模光纖的條件；5）V與波長的關(guān)系，V（0） 0, V（1） V（0）2.4056）V與的關(guān)系， 越小， V越小。應(yīng)用：歸一化傳播常數(shù)b與光纖的歸一化頻率V的關(guān)系 3. 單模光纖單模光纖：只支持基模HE11，高階模被截止。1）單模條件 由TE01、TM01模式達(dá)到截止時(shí)的V值來確定 J0（V）=0 得到單模條件：V2.405 HE11模式b與V的曲線 2）模折射率1.5VZD，Dm為正值；ZD，Dm為負(fù)值；波導(dǎo)色散： 產(chǎn)生原因：（1）單模光纖中，攜帶信息的光脈沖在纖芯和包層間分布：主要部分在纖芯中傳輸，剩余部分在包層中傳

6、播。（2）纖芯和包層擁有不同折射率，兩個(gè)部分以不同的速度傳播。（3）光被限制在一個(gè)擁有不同折射率的結(jié)構(gòu)纖芯和包層的組合中傳播，脈沖會擴(kuò)展。注意：即使光纖材料沒有色散特性，波導(dǎo)色散也會發(fā)生。純波導(dǎo)色散僅因?yàn)閷⒐庀拗圃谝粋€(gè)特定的結(jié)構(gòu)中而產(chǎn)生。波導(dǎo)色散： b及d（Vb）/dV和Vd2（Vb）/dV2隨V的變化關(guān)系 DW在01.6m整個(gè)波長范圍內(nèi)都是負(fù)值 典型單模光纖中的材料色散DM、波導(dǎo)色散DW及總色散隨波長的變化關(guān)系 ZD向長波方向移動了3040nm 1.31 1518ps/（kmnm） 普通單模光纖、色散平坦光纖及色散位移光纖的色散隨波長的變化曲線 改變光纖設(shè)計(jì)參數(shù)如a，n1等可以改變V，DM

7、色散位移光纖色散平坦光纖2. 光纖的損耗衰減系數(shù)：單位：1/km光功率隨傳輸長度指數(shù)衰減：損耗定義1損耗定義2損耗：衰減系數(shù)與損耗的關(guān)系：物理意義：光功率隨傳播距離變化量與總光功率的比值。1.31 1.391.55 典型單模光纖的損耗曲線 光纖損耗的兩個(gè)主要原因：材料吸收，瑞利散射。 其他原因：波導(dǎo)缺陷，受激拉曼散射，受激布里淵散射。 損耗原因材料吸收 光纖材料：石英（SiO2）材料吸收：本征吸收：非本征吸收：電子諧振：紫外吸收（0.4m ）分子諧振：紅外吸收（7m ）1.31.6m，0.03dB/km 雜質(zhì)（過渡金屬 ，OH-，摻雜劑 ）瑞利散射 定義：纖芯折射率起伏不均勻引起光信號的散射。

8、瑞利散射：濃度的漂移導(dǎo)致折射率變化的區(qū)域尺寸比波長小 瑞利散射公式： C：0.70.9（dB/km）m4 1.55m波長處，aR為0.120.16dB/km 瑞利散射波導(dǎo)缺陷 1）米氏散射：定義：理想的光纖具有完整圓柱對稱性，實(shí)際上纖芯和包層分界面上存在缺陷，芯徑發(fā)生漂移，使光纖產(chǎn)生附加損耗。在大于光波長尺度上出現(xiàn)折射率的非均勻性而引起的散射。措施：制造時(shí)控制芯徑漂移。影響：芯徑變化小于1%，米氏散射損耗典型值小于0.03dB/km 。 波導(dǎo)缺陷 2）彎曲損耗：光纖彎曲。 （宏觀彎曲）光纖彎曲損耗 exp（-R/Rc） 彎曲半徑：Rc ： 0.20.4mm R5mm 彎曲損耗0.01dB/km

9、 應(yīng)用：模式過濾器，衰減器，光纖識別儀 3）微彎損耗：（微觀彎曲）光纖軸發(fā)生隨機(jī)的不規(guī)則彎曲，曲率半徑與光纖橫截面積相比擬。應(yīng)用： 多圈螺旋管式傳感器， 影響：可高達(dá)可高達(dá)100dB/Km100dB/Km。措施：（減小微彎損耗的方法）（1）選擇選擇V參數(shù)為2.405，使模式能量大部分局限在纖芯內(nèi)。（2）在光纖表面上安裝護(hù)套。全波光纖 3. 光纖中非線性效應(yīng)成因：導(dǎo)模將能量限制在很小的纖芯內(nèi)非線性效應(yīng)受激光散射非線性折射 四波混頻 受激布里淵散射Stimulated Brillouin Scattering，SBS受激拉曼散射Stimulated Raman Scattering，SRS自相位調(diào)

10、制Self-phase modulation, SPM交叉相位調(diào)制Cross-phase modulation, XPM受激拉曼散射（SRS） 入射光 散射光 +分子振動特點(diǎn)：1）在SMF中，主要為前向散射波； 2）散射光強(qiáng)隨入射光強(qiáng)指數(shù)增加； 3）散射閾值散射閾值定義：定義為在長度為L的光纖輸出端，有一半功率被損失到SRS的入射光功率。 散射閾值估算：Leff有效作用長度： gR：拉曼增益系數(shù) Leff 1/a2 AeffgR110-13m/W 2=50m2 =0.2dB/km Pth =570mW 光纖通信系統(tǒng)中，發(fā)射光功率通常小于10mW 受激布里淵散射（SBS） 入射光 散射光 +聲子

11、特點(diǎn)：1）在SMF中，主要為后向散射波； 2）散射光強(qiáng)隨入射光強(qiáng)指數(shù)增加； 3）散射閾值散射閾值估算：gB510-11m/W，它比gR （gR110-13m/W ）大兩個(gè)數(shù)量級。 Pth1mW考慮到入射光譜寬后：Pth10mW光纖中各種光的散射應(yīng)用：SRS光纖拉曼放大器SBS光時(shí)域反射計(jì)（Optical Time Domain Reflectometer, OTDR）非線性折射 光功率較高時(shí)：非線性折射系數(shù)石英光纖：貢獻(xiàn)10-7 由：可以得到：其中非線性相移NL 自相位調(diào)制（SPM）相移NL是由光場自身引起的 由于 脈沖前沿產(chǎn)生紅移，脈沖后沿產(chǎn)生藍(lán)移，因此SPM導(dǎo)致光譜展寬交叉相位調(diào)制（XPM

12、）兩個(gè)或兩個(gè)以上的波長信道，其他波長信道對折射率的調(diào)制，引起的本波長信道相位的變化 注意：“2”表示對于相同的功率來說XPM是SPM的兩倍。 在所有信道都是“1”碼的最壞情況下相位移為： 當(dāng)M=10， 每一信道的功率通常被限制在小于1mW 四波混頻 （3）不為零引起的另一種非線性效應(yīng)。 4=123 最容易產(chǎn)生：1+2-3 特別是信道間隔小，如約1GHz 2.1.4 光纜ITU-T定義的光纖種類：G.652光纖(常規(guī)單模光纖) 在1310 nm工作時(shí)，理論色散值為零; 在1550 nm工作時(shí)，傳輸損耗最低;G.653光纖(色散位移光纖) 零色散點(diǎn)從1310 nm移至1550 nm，同時(shí)1550

13、nm處損耗最低G.654光纖(衰減最小光纖) 纖芯純石英制造，在1550 nm處衰減最小(僅0.185dB/km)，用于長距離海底傳輸G.655光纖(非零色散位移光纖) 引入微量色散抑制光纖非線性，適于長途傳輸1) 光纖的抗拉強(qiáng)度很高，接近金屬的抗拉強(qiáng)度2) 光纖的延展性(1%)比金屬差(20%)3) 當(dāng)光纖內(nèi)存在裂紋、氣泡或雜物，在一定張力下容易斷裂4) 光纖遇水容易斷裂且損耗增大5) 在低溫下?lián)p耗隨溫度降低而增加需要增強(qiáng)機(jī)械性能、需要防水光纖的機(jī)械和溫度特性光纖成纜之后要求光纜：1. 抗拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面 積，一般要求大于1 km光纜的重量 (100

14、400 kg)2. 抗壓特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)3. 改善溫度特性、隔離潮氣4. 要求光纜材料不容易析氫成纜要求簡單光纜結(jié)構(gòu)三種簡單的光纜結(jié)構(gòu)： 光纖： 層絞式層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。骨架式骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是 V形、U 形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個(gè)空槽可放置510根一次涂覆光纖。束管式束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纜芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。帶狀式帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶

15、疊放在一起構(gòu)成光纜芯。光纜對光纖特性的影響1. 改善光纖的溫度特性 虛線：光纖自身的特性曲線；實(shí)線：成纜后的特性曲線2. 增加機(jī)械強(qiáng)度 由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加 強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝 層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn) 大于光纖；不僅如此，光 纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗 扭曲性能都有明顯增強(qiáng)3. 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗， (比如說不良應(yīng)力造成微彎) 稱之為成纜損耗2.1.5 光纖和光纜的連接光纖連接頭種類：端面：PC, APC光纖法蘭盤：光纖連接：光纖的熔接 光纖熔接機(jī) 熔接過程：1）剝出裸纖；2）加加強(qiáng)芯，熱縮管3）兩根光纖端面切成平面； 4）端面清洗；5）對準(zhǔn)，熔

16、接 6）固定熱縮管7）測量損耗光纜的連接 2.2 光源和光檢測器 2.2.1 光電器件的工作原理1. 光發(fā)射與光吸收 本征半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu) 自發(fā)輻射 受激輻射 光吸收 自發(fā)輻射：特點(diǎn)：光子隨機(jī)地向各個(gè)方向發(fā)射，每次發(fā)射沒有確定的相位關(guān)系非相干光。LED通過自發(fā)輻射過程發(fā)光。LD低于閾值電流時(shí)通過自發(fā)輻射過程發(fā)光。受激輻射：特點(diǎn)：光子的輻射方向、相位和頻率都與激發(fā)他們的光子相同相干光。LD大于閾值時(shí)，通過受激輻射過程發(fā)光。受激吸收：特點(diǎn)：如果入射光子的能量h近似等于E2-E1，光子能量就會被吸收，同時(shí)基態(tài)上的電子躍遷到高能態(tài)。半導(dǎo)體光探測器采用受激吸收效應(yīng)。電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶上的填充幾率可以由

17、費(fèi)米迪拉克分布 受激輻射大于吸收條件： 載流子統(tǒng)計(jì)分布：2. PN結(jié) PN結(jié)的形成： 費(fèi)米能級：在熱平衡情況下： 雙簡并型半導(dǎo)體：非熱平衡狀態(tài)時(shí)，在Efc和Efv之間形成了一個(gè)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)區(qū)域。如果入射光波能量滿足：則經(jīng)過雙兼并型半導(dǎo)體時(shí)將得到放大。載流子運(yùn)動：外加電壓的影響：PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)：獨(dú)立情況：在熱平衡狀態(tài)下，兩個(gè)費(fèi)米能級是重合的（Efc=Efv） 正向偏壓 光源 增益區(qū)PN結(jié)能帶結(jié)構(gòu)：同質(zhì)結(jié)特點(diǎn)：（1） 載流子擴(kuò)撒，復(fù)合長度大，載流子濃度低，發(fā)光效率低；（2）低溫下以脈沖方式工作。同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)：同質(zhì)結(jié)： PN 結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料雙異質(zhì)結(jié) 薄層帶隙小 可為本征半導(dǎo)體，p或n型

18、半導(dǎo)體 0.1m 雙異質(zhì)結(jié)：在寬帶隙的P型和 N型半導(dǎo)體材料之間插進(jìn)一薄層窄帶隙的材料。（1）能帶結(jié)構(gòu)對載流子進(jìn)行限制（2）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（折射率分布）對光子進(jìn)行限制雙異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點(diǎn)：3半導(dǎo)體材料幾種半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長范圍 幾種半導(dǎo)體材料的檢波波長范圍 2.2.2 發(fā)光二極管（LED） 發(fā)光二極管工作原理：通過自發(fā)輻射過程發(fā)射非相干光。主要缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)類型：面發(fā)射和邊發(fā)射面發(fā)射LED邊發(fā)射LED邊發(fā)光二極管具有較小的載流子壽命，調(diào)制帶寬（約300MHz）也比面發(fā)光二極管高 2LED的工作特性（1）I較小時(shí)有線性關(guān)系；（2）會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；（3）溫度升高，越趨于飽和；（4）內(nèi)部發(fā)射功率 10mW,出纖功

19、率小于100W。 LED的P-I特性 （1）譜寬較大 ，5080nm；（2）BL積小，只適合于短途通信；應(yīng)用：10Mbps左右,幾公里 。3050nm 5080nm LED的光譜特性：半極大值全寬（Full Width Half Maximum，F(xiàn)WHM） LED的調(diào)制特性 tc ：載流子壽命 25ns3dB帶寬： 典型值：50140MHz 主要影響因素：（1）注入電流低時(shí)，結(jié)電容的限制；（2）注入電流高時(shí)，有源區(qū)載流子壽命的影響。2.2.3 半導(dǎo)體激光器（LD） LD的工作機(jī)理：受激輻射優(yōu)點(diǎn)：1LD激光振蕩激光振蕩條件：（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ；（2）正反饋（諧振腔） 光增益 g稱為增益系數(shù)

20、解理面反射： n=3.5 , 30% 閾值條件： 相位條件： 多縱模與光功率關(guān)系：P（L）=P（0）G 由相位條件可以得到多縱模：LD縱模分析2LD的結(jié)構(gòu)寬面半導(dǎo)體激光器 特點(diǎn)：（1）光斑具有橢圓的形狀（約1100m2）；（2）光斑隨注入電流變化；（3）閾值電流很高。 分類：寬面半導(dǎo)體激光器和條形半導(dǎo)體激光器。條形激光器 增益導(dǎo)引LD 特點(diǎn)：（1）增益導(dǎo)引半導(dǎo)體激光器的閾值電流通常是在50100mA；（2）輸出光斑的尺寸約為110m2；（3）隨著注入電流的增大，光斑尺寸不太穩(wěn)定。 分類：增益導(dǎo)引和折射率導(dǎo)引 原理：通過注入電流控制折射率導(dǎo)引LD 有效折射率差0.01 大多數(shù)光纖通信系統(tǒng)中都采用

21、了強(qiáng)折射率導(dǎo)引的BH半導(dǎo)體激光器 原理：通過引入橫向折射率差折射率低，形成脊型分布3LD的工作特性單模速率方程 載流子濃度光子濃度凈增益：GN為微分凈增益系數(shù) 光子壽命：P-I特性 自發(fā)輻射 受激輻射 特點(diǎn)：（1）光功率隨注入電流增加而增大；（2）存在閾值Ith；（3）IIth為受激輻射。特點(diǎn)：（隨T增大）（1）閾值電流升高（2）線性度劣化；（3）輸出波長漂移典型值：GaAs激光器，0.2nm/C；InGaAsP激光器，（0.40.5）nm/C 要求工作恒溫 溫度的影響：調(diào)制響應(yīng) 注入電流：LD的調(diào)制響應(yīng)分為小信號調(diào)制和大信號調(diào)制 小信號調(diào)制：ImIb-Ith，主要為模擬調(diào)制；大信號調(diào)制：在閾值和大電流點(diǎn)的數(shù)字調(diào)制。小信號調(diào)制帶寬 ：調(diào)制響應(yīng)曲線 小信號調(diào)制：特點(diǎn)： （1）低通；（2）存在張弛振蕩；（3）Ib/Ith越大，調(diào)制帶寬大大信號調(diào)制：100ps 300ps 特點(diǎn)：（1）上升沿和下降沿；（2）存在過沖（張弛振蕩頻率）；（3）10Gbps,采用外調(diào)制。（4）啁啾；上升沿藍(lán)移動，下降沿紅移。 較小啁啾的辦法：減小線寬展寬因子。高