光纖光學基礎知識-liangfeng課件

1、光纖及光通信技術簡介梁鋒2004-04電磁波譜的劃分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質頻率 Hz光通信用光波載運信息，實現(xiàn)通信光纖通信以光波載運信息，用光纖作傳輸媒體，實現(xiàn)通信光纖通信的優(yōu)點頻帶寬、信息容量大傳輸損耗低、無中繼距離遠材料豐富抗電磁干擾光纖間串話小，保密性好耐腐蝕、耐高壓體積小、質量輕光纖結構纖 芯包

2、層涂敷層護 套單模光纖內徑：8.2m多模光纖內徑：50/62.5m外徑：125m尺寸規(guī)格：菲涅耳定律：n1sin1=n2sin2結論：若要實現(xiàn)全反射，則必須有n1n2n2n1n1n221n1n2n1n212 可見，光纖的數(shù)值孔徑（NA）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差，而與光纖的直徑無關。 標準多模光纖的NA公稱值一般為0.2，對應的孔徑角約為11.5。 標準單模光纖的NA公稱值一般為0.10.15，對應的孔徑角約為5.78.6。光纖的損耗：造成光纖衰減的主要因素有： 本征，彎曲，擠壓，雜質，不均勻和對接等。本征： 是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。彎曲： 光纖彎曲時部

3、分光纖內的光會因散射而損失掉，造成的損耗。擠壓： 光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。雜質： 光纖內雜質吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。不均勻： 光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。對接： 光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8m)，端面與軸心不垂直，端面不平，對接芯徑不匹配和熔接質量差等。光纖的色散特性1模式色散又稱模間色散 光纖的模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達光纖終端的時間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。2材料色散含有不同波長的光脈沖通過光纖傳輸時，光纖對不同波長的電磁波會有不同的折射率，導致傳輸速度不同，就會引起脈沖展寬，導致

4、色散。3波導色散又稱結構色散它是由光纖的幾何結構決定的色散，其中光纖的橫截面積尺寸起主要作用。光在光纖中通過纖芯與包層界面時，受全反射作用，被限制在纖芯中傳播。但是，如果橫向尺寸沿光纖軸發(fā)生波動，除導致模式間的模式變換外，還有可能引起一少部分高頻率的光線進入包層，在包層中傳輸，而包層的折射率低、傳播速度大，這就會引起光脈沖展寬，從而導致色散。 光纖的色散特性4、偏振模色散（PMD）單模光纖只能傳輸一種基模的光。基模實際上是由兩個偏振方向相互正交的模場HE11x和HE11y所組成。若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應力等，HE11x和HE11y存在相位差，則合成光場是一個方向和瞬時幅度隨時間變化的

5、非線性偏振，就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即x和y方向的折射率不同。因傳播速度不等，模場的偏振方向將沿光纖的傳播方向隨機變化，從而會在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振色散。光纖的色散特性多模光纖：模式色散、波導色散、和材料色散，以模式色散為主單模光纖：材料色散、波導色散，以材料色散為主。偏振色散是單模光纖所特有。全波光纖1998年，美國朗訊公司研制了一種新的光纖制造技術，它能消除光纖玻璃中的OH離子，從而使光纖損耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“壓平”了，從而使光纖在12801625nm的全部波長范圍內都可以用于光通信。全波光纖在城域網(wǎng)建設中將會大有作為。從網(wǎng)絡運營商的角度來考慮，有了全波光纖，就可以

6、采用粗波分復用技術，取其信道間隔為20nm左右，這時仍可為網(wǎng)絡提供較大的帶寬，而與此同時，對濾波器和激光器性能要求卻大為降低，這就大大降低了網(wǎng)絡運營商的建設成本。全波光纖的出現(xiàn)使多種光通信業(yè)務有了更大的靈活性，由于有很寬的波帶可供通信之用，我們就可將全波光纖的波帶劃分成不同通信業(yè)務段而分別使用。光子晶體光纖 光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）是由ST.J.Russell等人于1992年提出的。對石英光纖來說，PCF的結構特點是在其中間沿軸向均勻排列空氣孔，這樣從光纖端面看，就存在一個二維周期性的結構，如果其中一個孔遭到破壞和缺失，則會出現(xiàn)缺陷，利用這個缺陷，光

7、就能夠在其中傳播。PCF與普通單模光纖不同，由于它是由周期性排列空氣孔的單一石英材料構成，所以有中空光纖（holey fiber）或微結構光纖（micro-structured fiber）之稱。PCF具有特殊的色散和非線性特性，在光通信領域將會有廣泛的應用。PCF引人注目的一個特點是，結構合理，具備在所有波長上都支持單模傳輸?shù)哪芰Γ此^的“無休止單?！碧匦裕╡ndlessly single-mode），這個特性已經(jīng)有了很好的理論解釋。這需要滿足空氣孔足夠小的條件，空氣孔徑與孔間距之比必須不大于0.2?？諝饪纵^大的PCF將會與普通光纖一樣，在短波長區(qū)會出現(xiàn)多模現(xiàn)象。PCF的另一個特點是它具有

8、奇異的色散特性?，F(xiàn)在人們已經(jīng)在PCF中成功產(chǎn)生了850nm光孤子，預計將來波長還可以降低。PCF在未來超寬WDM的平坦色散補償中可能扮演重要角色。世界領先的PCF產(chǎn)品商業(yè)化的公司丹麥Crystal Fiber A/S最近推出了新的光子晶體光纖產(chǎn)品系列。一種是中空的“空氣波導光子能帶隙晶體光纖”（air-guiding Photonic Bandgap Fiber），此晶體光纖的纖芯是中空的，利用空氣作為波導，使光可以在特殊的能帶隙中傳輸。光纖通信系統(tǒng)方框圖單信道全光中繼數(shù)字通信光-電-光中繼的數(shù)字通信From楊先輝現(xiàn)今網(wǎng)絡所需：May 17th, 2002 增加傳輸速率（容量） (bit/se

9、c).減小插入損耗 (dB). 減小偏振相關損耗 (PDL). 減小光器件的溫度依賴性. 減小光器件體積.器件模塊（一體）化.DWDM Vs TDMOctober 17th, 2000兩種技術方案可以提高光纖帶寬的利用率 :增加單信道容量 (bit rate)TDMWDM2)減小信道間隔從而增加信道數(shù)目Current generation: 2.5 10 Gbit/secNext generation: 10 - 40 Gbit/secCurrent generation: 8 - 40 ChannelsNext generation: 8 196 ChannelsFuture generat

10、ion: 8 1600 Channels時分復用TDMTime Division MultiplexingSignal 1Signal 2Signal nSignal 3MultiplexerDemultiplexerFig. 1 光纖光柵(Fiber Grating)May 17th, 2002UV Interference布拉格光纖光柵（FBG）摻鍺光纖芯經(jīng)紫外光曝光，折射率改變（1978年）窄帶帶阻濾波器（反射型）反射波長：布拉格條件 ；相位匹配工作原理：相干疊加，正向模與反向模模式耦合調諧：溫度或外力拉伸形變損耗 0.1dB；信道間隔/隔離度 1.6nm/22dB；帶寬 0.2nm；調諧范圍 10nm；調諧速率 2ms.應用：光纖激光器，色散補償，EDFA增益平坦等Fig. 2 全光纖熔錐耦合器(Fused Biconical Taper) May 17th, 2002波導陣列(Arrayed Waveguide