光纖傳輸理論課件

第三章光纖傳輸理論第三章光纖傳輸理論1當光纖纖芯直徑很小時，光纖內對給定工作波長只能傳播一個模式，稱為單模光纖（SingleModeFiber,SMF）。纖芯直徑較大的光纖可傳輸多個模式，稱為多模光纖（MultimodeFiber,MMF）。單模光纖與多模光纖的外徑（包層直徑）均為125μm，多模光纖芯徑50μm或62.5μm，單模光纖芯徑8—10μm。

當光纖纖芯直徑很小時，光纖內對給定工作波長只能傳播一個模式，2關鍵的名詞和概念可傳播的模式數(shù)階躍折射率光纖中的傳輸模式數(shù)M取決于光纖纖芯半徑a、纖芯折射率n1、包層折射率n2和光波長λ。關鍵的名詞和概念可傳播的模式數(shù)階躍折射率光纖中的傳輸模式數(shù)M3單模傳輸條件單模光纖只能傳輸一個模式，即HE11模，稱為光纖的基模?；２粫刂?。單模傳輸條件單模光纖只能傳輸一個模式，即HE11模，稱為光纖4單模條件截止波長：

光纖纖芯半徑：單模條件截止波長：光纖纖芯半徑：5階躍光纖纖芯和包層的折射率分別是1.480和1.460，纖芯半徑50μm，光源波長0.85μm。請計算光從空氣射入光纖的數(shù)值孔徑、最大可接收角和所能支持的模式數(shù)量。123歸一化頻率：模式數(shù)量：階躍光纖纖芯和包層的折射率分別是1.480和1.460，纖芯6典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。其相對折射率差是0.3％，包層直徑是125μm，光源波長為0.85μm。請計算光纖的數(shù)值孔徑、最大可接收角和截止波長。123單模傳輸條件：對應截止波長：典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。其相對70.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纖特性0.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纖8注入單模光纖的LD功率為1mW，在光纖輸出端光電探測器要求的最小光功率是10nW，在1.3μm波段工作，光纖衰減系數(shù)0.4dB/km，請問無須中繼器的最大光纖長度是多少？衰減：注入單模光纖的LD功率為1mW，在光纖輸出端光電探測器要求的9一階躍折射率光纖，纖芯半徑a=25μm，n1=1.5，相對折射率差Δ＝1％，長度L＝1km。求

（1）子午光線的最大時延差；

（2）若將光纖的包層和表面涂層去掉，求裸光纖的數(shù)值孔徑和最大時延差。最大時延差：一階躍折射率光纖，纖芯半徑a=25μm，n1=1.5，相10多模光纖

階躍多模光纖的多模色散(模式色散、模間色散)多模光纖階躍多模光纖的多模色散(模式色散、模間色散)11單模光纖

單模光纖12色度色散(模內色散)包括材料色散和波導色散，不能用等號和加法多模漸變折射率光纖色度色散(模內色散)包括材料色散和波導色散，不能用等號和加法13光纖傳輸理論課件14Ramanscattering:inelasticscatteringofaphoton.拉曼散射源自光纖中光與二氧化硅硅分子振動之間的相互作用，使得一部分光子能量轉化為分子自身的機械能，同時發(fā)出頻率低于入射光的光子(Stoke波)，原因是部分能量已經(jīng)損失掉。若分子已處于激發(fā)態(tài)，則可能產(chǎn)生頻率高于入射光的光子(反Stoke波)Brillouinscattering：inelasticscatteringofaphoton.是一種由材料密度變化引起的非彈性散射。材料密度變化可由聲波或溫度梯度引起。Ramanscattering:inelasti15相似之處：都是非彈性散射，都引起光波頻移不同之處:原理不同閾值不同：要求的功率閾值對受激拉曼散射為100mW～200mW，對受激布里淵散射為10mW。頻移量不同，Raman大約10THz，Brillouin大約1-10GHz相似之處：16一個2×2融錐光纖耦合器的性能指標：分光比40/60，60％的信道的插入損耗為2.7dB,而40％的信道的插入損耗為4.7dB。1，若輸入功率是1mw，求兩端口的輸出功率；2，求耦合器的額外損耗。

第五章無源器件一個2×2融錐光纖耦合器的性能指標：分光比40/60，60％175.3、考慮如圖所示的融錐光纖耦合器中，耦合比為拉伸長度的函數(shù)。工作于1310和1540時的性能已經(jīng)給出，如果拉伸長度分別在一下位置：A，B，C，D，E和F，試討論各個波長耦合器的性能。

5.3、考慮如圖所示的融錐光纖耦合器中，耦合比為拉伸長度的函18一根30km長的光纖，在波長1300nm處的衰減為0.8dB/km，接頭損耗0.5dB,若從一端注入功率為200的光信號，求另一端輸出功率。總損耗：0.8dB/km*30km+0.5dB*2=25dB25dB=-10lg(Pout/200uW)光源——光纖——探測端一根30km長的光纖，在波長1300nm處的衰減為0.8dB195.5、請簡要說明光環(huán)形器的原理，同時采用光纖Bragg光柵和光環(huán)形器組成一個四波長的WDM合波器。5.5、請簡要說明光環(huán)形器的原理，同時采用光纖Bragg光柵20光柵周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)Bragg波長：光柵周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)21一光通信系統(tǒng)的通道間隔是200GHz，求通道間的波長間隔是多少(波長1550nm)？請問在1525nm～1565nm波段可以容納多少個通道？

一光通信系統(tǒng)的通道間隔是200GHz，求通道間的波長間隔是多22輸出能量不超過原有信號能量與注入的泵浦能量之和功率轉換效率極限情況下泵浦光都用于放大信號光，那么此時：EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：第六章有源器件輸出能量不超過原有信號能量與注入的泵浦能量之和功率轉換效率極23噪聲指數(shù)為輸入信噪比與輸出信噪比的比值NF反比于光頻率，980nm噪聲系數(shù)小噪聲指數(shù)為輸入信噪比與輸出信噪比的比值NF反比于光頻率，924入射光子的能量必須大于或者等于半導體材料的禁帶寬度，才能產(chǎn)生光生載流子。截止波長入射光子的能量必須大于或者等于半導體材料的禁帶寬度，才能產(chǎn)生25響應度:平均輸出光電流與平均入射的光功率之比量子效率

1.015A/W1.124A/W響應度:平均輸出光電流與平均入射的光功率之比量子效率126能帶差△E和發(fā)出光的振蕩頻率v之間有△E＝hv的關系。這里h是普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34焦耳·秒。半導體發(fā)射波長由λ=c/v的關系式得出△E取決于半導體材料的本征值，單位是電子伏特(eV)，需轉換單位1.43869nm0.961294nm能帶差△E和發(fā)出光的振蕩頻率v之間有△E＝hv的關系。這里h27光電二極管的倍增因子量子效率42.5光電二極管的倍增因子量子效率42.528光纖傳輸理論課件2981GHz0.195nm81GHz0.195nm30光纖的歷史1880-AlexandraGrahamBell發(fā)明光束通話傳輸1960-電射及光纖之發(fā)明1966-華裔科學家“光纖之父”高錕預言光纖將用于通信。1970-美國康寧公司成功研制成傳輸損耗只有20dm/km的光纖。1977-首次實際安裝電話光纖網(wǎng)路1978-FORT在法國首次安裝其生產(chǎn)之光纖電1979-趙梓森拉制出我國自主研發(fā)的第一根實用光纖，被譽為“中國光纖之父”1990-區(qū)域網(wǎng)路及其他短距離傳輸應用之光纖2000-到屋邊光纖=>到桌邊光纖2005FTTH(FiberToTheHome)光纖直接到家庭光纖的歷史1880-AlexandraGrahamBell31光纖的分類（1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。（2）折射率分布：階躍（SI）型、近階躍型、漸變（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、復合材料（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。（5）制造方法：預塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rodintube）和雙坩鍋法等。光纖的分類（1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、32光纖的衰減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0.8μm），端面與軸心不垂直，端面不平，對接心徑不匹配和熔接質量差等。光纖的衰減造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質33光纖傳輸優(yōu)點1、頻帶寬2．損耗低3．重量輕4．抗干擾能力強5．保真度高6．工作性能可靠7．成本不斷下降光纖傳輸優(yōu)點1、頻帶寬34第三章光纖傳輸理論第三章光纖傳輸理論35當光纖纖芯直徑很小時，光纖內對給定工作波長只能傳播一個模式，稱為單模光纖（SingleModeFiber,SMF）。纖芯直徑較大的光纖可傳輸多個模式，稱為多模光纖（MultimodeFiber,MMF）。單模光纖與多模光纖的外徑（包層直徑）均為125μm，多模光纖芯徑50μm或62.5μm，單模光纖芯徑8—10μm。

當光纖纖芯直徑很小時，光纖內對給定工作波長只能傳播一個模式，36關鍵的名詞和概念可傳播的模式數(shù)階躍折射率光纖中的傳輸模式數(shù)M取決于光纖纖芯半徑a、纖芯折射率n1、包層折射率n2和光波長λ。關鍵的名詞和概念可傳播的模式數(shù)階躍折射率光纖中的傳輸模式數(shù)M37單模傳輸條件單模光纖只能傳輸一個模式，即HE11模，稱為光纖的基模。基模不會截止。單模傳輸條件單模光纖只能傳輸一個模式，即HE11模，稱為光纖38單模條件截止波長：

光纖纖芯半徑：單模條件截止波長：光纖纖芯半徑：39階躍光纖纖芯和包層的折射率分別是1.480和1.460，纖芯半徑50μm，光源波長0.85μm。請計算光從空氣射入光纖的數(shù)值孔徑、最大可接收角和所能支持的模式數(shù)量。123歸一化頻率：模式數(shù)量：階躍光纖纖芯和包層的折射率分別是1.480和1.460，纖芯40典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。其相對折射率差是0.3％，包層直徑是125μm，光源波長為0.85μm。請計算光纖的數(shù)值孔徑、最大可接收角和截止波長。123單模傳輸條件：對應截止波長：典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。其相對410.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纖特性0.2*200=-10*lg(Pout/1mW)第四章光纖42注入單模光纖的LD功率為1mW，在光纖輸出端光電探測器要求的最小光功率是10nW，在1.3μm波段工作，光纖衰減系數(shù)0.4dB/km，請問無須中繼器的最大光纖長度是多少？衰減：注入單模光纖的LD功率為1mW，在光纖輸出端光電探測器要求的43一階躍折射率光纖，纖芯半徑a=25μm，n1=1.5，相對折射率差Δ＝1％，長度L＝1km。求

（1）子午光線的最大時延差；

（2）若將光纖的包層和表面涂層去掉，求裸光纖的數(shù)值孔徑和最大時延差。最大時延差：一階躍折射率光纖，纖芯半徑a=25μm，n1=1.5，相44多模光纖

階躍多模光纖的多模色散(模式色散、模間色散)多模光纖階躍多模光纖的多模色散(模式色散、模間色散)45單模光纖

單模光纖46色度色散(模內色散)包括材料色散和波導色散，不能用等號和加法多模漸變折射率光纖色度色散(模內色散)包括材料色散和波導色散，不能用等號和加法47光纖傳輸理論課件48Ramanscattering:inelasticscatteringofaphoton.拉曼散射源自光纖中光與二氧化硅硅分子振動之間的相互作用，使得一部分光子能量轉化為分子自身的機械能，同時發(fā)出頻率低于入射光的光子(Stoke波)，原因是部分能量已經(jīng)損失掉。若分子已處于激發(fā)態(tài)，則可能產(chǎn)生頻率高于入射光的光子(反Stoke波)Brillouinscattering：inelasticscatteringofaphoton.是一種由材料密度變化引起的非彈性散射。材料密度變化可由聲波或溫度梯度引起。Ramanscattering:inelasti49相似之處：都是非彈性散射，都引起光波頻移不同之處:原理不同閾值不同：要求的功率閾值對受激拉曼散射為100mW～200mW，對受激布里淵散射為10mW。頻移量不同，Raman大約10THz，Brillouin大約1-10GHz相似之處：50一個2×2融錐光纖耦合器的性能指標：分光比40/60，60％的信道的插入損耗為2.7dB,而40％的信道的插入損耗為4.7dB。1，若輸入功率是1mw，求兩端口的輸出功率；2，求耦合器的額外損耗。

第五章無源器件一個2×2融錐光纖耦合器的性能指標：分光比40/60，60％515.3、考慮如圖所示的融錐光纖耦合器中，耦合比為拉伸長度的函數(shù)。工作于1310和1540時的性能已經(jīng)給出，如果拉伸長度分別在一下位置：A，B，C，D，E和F，試討論各個波長耦合器的性能。

5.3、考慮如圖所示的融錐光纖耦合器中，耦合比為拉伸長度的函52一根30km長的光纖，在波長1300nm處的衰減為0.8dB/km，接頭損耗0.5dB,若從一端注入功率為200的光信號，求另一端輸出功率?？倱p耗：0.8dB/km*30km+0.5dB*2=25dB25dB=-10lg(Pout/200uW)光源——光纖——探測端一根30km長的光纖，在波長1300nm處的衰減為0.8dB535.5、請簡要說明光環(huán)形器的原理，同時采用光纖Bragg光柵和光環(huán)形器組成一個四波長的WDM合波器。5.5、請簡要說明光環(huán)形器的原理，同時采用光纖Bragg光柵54光柵周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)Bragg波長：光柵周期：Λ=λuv/2sin(θ/2)55一光通信系統(tǒng)的通道間隔是200GHz，求通道間的波長間隔是多少(波長1550nm)？請問在1525nm～1565nm波段可以容納多少個通道？

一光通信系統(tǒng)的通道間隔是200GHz，求通道間的波長間隔是多56輸出能量不超過原有信號能量與注入的泵浦能量之和功率轉換效率極限情況下泵浦光都用于放大信號光，那么此時：EDFA的輸入、輸出功率可以用能量守恒原則表示：第六章有源器件輸出能量不超過原有信號能量與注入的泵浦能量之和功率轉換效率極57噪聲指數(shù)為輸入信噪比與輸出信噪比的比值NF反比于光頻率，980nm噪聲系數(shù)小噪聲指數(shù)為輸入信噪比與輸出信噪比的比值NF反比于光頻率，958入射光子的能量必須大于或者等于半導體材料的禁帶寬度，才能產(chǎn)生光生載流子。截止波長入射光子的能量必須大于或者等于半導體材料的禁帶寬度，才能產(chǎn)生59響應度:平均輸出光電流與平均入射的光功率之比量子效率

1.015A/W1.124A/W響應度:平均輸出光電流與平均入射的光功率之比量子效率160能帶差△E和發(fā)出光的振蕩頻率v之間有△E＝hv的關系。這里h是普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34焦耳·秒。半導體發(fā)射波長由λ=c/v的關系式得出△E取決于半導體材料的本征值，單位是電子伏特(eV)，需轉換單位1.43869nm0.961294nm能帶差△E和發(fā)出光的振蕩頻率v之間有△E＝hv的關系。這里h61光電二極管的倍增因子量子效率42.5光電二極管的倍增因子量子效率42.562光纖傳輸理論課件6381GHz0.195nm81GHz0.195nm64光纖的歷史1880-AlexandraGrahamBell發(fā)明光束通話傳輸1960-電射及光纖之發(fā)明1966-華裔科學家“光纖之父”高錕預言光纖將用于通信。1970-美國康寧公司成功研制成傳輸損耗只有20dm/km的光纖。1977-首次實際安裝電話光纖網(wǎng)路1978-FORT在法國首次安裝其生產(chǎn)之光纖電1979-趙梓森拉制出我國自主研發(fā)的第一根實用光纖，被譽為“中國光纖之父”1990