6 第六章 信息传输材料与器件

• 1979年，日本电报电话公司研制出 0.2dB/km 的极低损耗石英光纤（1.5微米）。
• 1984年，实现了中继距离50km、速率 为 1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统。 • 1990年，使用了 1.55微米长波长单模光纤传输 系统，实现了中继距离超过 100km、 速率为 2.4Gb/s的光纤传输。
1870年，英国科学家丁达尔做了一个有 趣的实验： 让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由 流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的 正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是 穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水 流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的 结果。
1.光纤的发展历程
1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)提出低损耗光 导纤维的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达 1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介 质，可使其损耗降低到20dB／km。
光子晶体波导示意图
6. 光纤的传输特性
光纤特性有光学特性，传输特性，机械特性， 温度特性等，其中传输特性有两个
– 损耗特性
– 色散特性
损耗限制系统的传输距离
色散则限制系统的传输容量和传输距离 信号畸变的主要原因是光纤中存在色散
6.1 光纤色散(Dispersion) 色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同频率）组
另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严 重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。
色散的种类
模式色散又称模间色散 材料色散 波导色散
极化色散
模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光 纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而 出现色散现象。 单模光纤中只传输基模（ HE 11模），单模光纤中 不存在模式色散。
4.5 归一化频率V 表征光纤中所能传输的模式数目多少的一个特征参数 表达式：
V
2a
0
NA
2a
0
n1 2
λ 0为光波波长
1-6
V≤2.405时，光纤中传输单一模式，称为单模光纤
4.6 截止波长λ
c
截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常用它可判断光 纤中是否单模传输。
与Vc=2.405相对应的波长λ c定义为光纤的截止波长。
1-7
单模传输时，光纤的工作波长应大于截止波长，这样才能 保证满足光纤的单模传输条件。
5. 传输原理
光纤中光波的传输原理-全反射原理
n1> n2 n2 折射率 折射率n1 入射光 折射光
当n1>n2
θ1 > θc时 发生全反射
θc：临界角
θ1
反射光
空气
n2
θ
A B
MAX
n1
只要满足全内反射条件连续改变入射角 的任何光线都能在光纤纤芯内传输。
成， 在传输过程中，各种频率成分或各种模式成分的传播速度不 同，引起信号脉冲展宽、波形失真的物理现象。
光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉 冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造 成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降 低，从而减少了通信容量。
• 材料色散用 m ( ) 表示
m ( ) Dm ( ) L
1-8
• 为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值功率一 半时所对应的波长范围 • L为光纤传播的长度 • Dm（λ ）为材料色散系数
• 例如：一光纤材料色散系数为3.5ps/(nm· km)，光谱的谱线宽 度为4nm，在光纤上传输1km，则材料色散为
m ( ) 3.5 4 1 14 ps 0.014ns
波导色散
由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生 全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内 传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。 进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于 光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光 源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全 相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。 具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越 大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光 波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。
●光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂 散电场的影响。因此不受干扰，基本上能防范电子间 谍。 ● 尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅 为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径约10mm， 而标准同轴电缆为47mm。这样可以解决地下管网由于 通信电缆太多而造成的拥挤问题。 ●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰富。
纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在 光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折 射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信应用的光纤 主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的 杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石 英折射率低的杂质。
刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。 为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤 都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其外表涂覆上一层 甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两 种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性 能。
（光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度 衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示 ）
• 1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为 20dB/km 的石英光纤，它是一种理想的传输介质。 • 同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体 激光器(LD)。 从此，开始了光纤通信迅速发展的时代，因此人们把 1970年称为光纤通信的元年。
SiO2在1.29 m附近材料色散系 数有个零值点，大于该波长， 材料色散系数为正值。
而在大于1.29 m波长区域，波 导色散为负值。
1.31m
波导色散
阶跃单模光纤的色散特性
改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可以改变 波导色散的值，从而在所希望的波长上实现材料色 散和波导色散的代数和为零。
1-3
NA n n
2 1
2 2
n1
2 n12 n2 n12
n1 2
1-4
4.4 折射率分布
阶跃光纤：纤芯折射率为常数 渐变光纤：纤芯径向折射率呈渐变型分布
渐变型光纤折射率分布可表示为：
r 1/ 2 n(r ) n1[1 2( ) ] a
1-5
n1为纤芯轴线处（r = 0）折射率； r为纤芯内任意一点到芯轴的距离； a为光纤纤芯半径； Δ为相对折射率差； 为折射率分布指数，通常分布曲线为抛物线（ =2）
• 1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法， 称作“改进的汽相沉积法(MCVD )”，光纤损耗下降 到 1dB/km。
• 1976年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损 耗下降到 0.5dB/km 。
• 1976年，美国在亚特兰大成功地进行了 44.7Mbit/s的 光纤通信系统试验。日本电报电话公司开始了 64km 、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制 成功 1.3微米波长的半导体激光器。
4.结构参数
4.1 光纤尺寸
125 10 125 50 125 62.5
多模
单模
纤芯直径 65/50μ m 10μ m 左右 包层直径 125μ m 125μ m
4.2 数值孔径NA（Numeric Aperture） 表征光纤集光能力的一个参数。
NA sin n n
2 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2 2
缺点
• 质地脆,机械强度低 • 光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术 • 分路,耦合不灵活 • 光纤，光缆弯曲半径不能过小(>20CM) • 在偏僻地区存在有供电困难问题
3.光纤的结构
纤芯
包层
保护套
• 纤芯 core：折射率较高，用来传送光； • 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成 全反射条件； • 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护光纤。
1-1
θ
接收锥
输入 NA 输入 NA 高数值孔径NA 低数值孔径NA
输出
输出
数值孔径越大，光纤的集光能力就越强， 能够进入光纤的光通量就越多
NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好; 但 NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息 传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。
第六章 信息传输材料与器件
• •
光纤材料 其它通信材料
光导纤维材料
光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高 的纤芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输 的光具有极高的透过率。目前应用的光纤是以 SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数µ m到 数百µ m。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发 生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端， 从而实现光纤通信。
波导色散系数用 Dw ( ) 表示
n1 d 2 (Vb) Dw ( ) V c dV 2 b归一化的传播常数
1-9
波导色散又称结构色散，因为V和b都是光纤结构参数的函数 纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。
波导色散的大小和材料色散同 一量级。
材料色散
总色散
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
DWDM 波长范围
色散 0 ps/nmkm
1310nm
波长 1550nm 色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
极化色散
• 极化色散又称偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,简 称PMD）
2.优点
●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频的100000倍，从 而使信息载带容量或带宽激增；在理论上，光纤可以传送107路 电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息 在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大 5个数量级。
●传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。 与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十 公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器 只能传输几公里。
模式色散
阶跃光纤的模式色散
n2

n1
不同入射角的光线
a
z
时延差
tmax tmin
Ln1 n1 n2 c n2
Ln1 c
如n1＝1.5，＝0.01，L＝1km，＝50ns
• 影响模式色散造成的时延差的因素有两个： 芯－包层相对折射率差 光纤的长度 • 时延差与纤芯－包层相对折射率差成正比。 • 越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。 • 从减小光纤时延差的观点上看，希望小为好，这种小的光 纤称为弱导光纤。 • 通信用光纤都是弱导光纤。 • 光纤越长，时延差也越大，模式色散也越大。
4.3 相对折射率差Δ
表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参 数，其大小直接影响光纤的性能。
表达式：
2 n12 n2 2n12
1-2
通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，Δ在 0.001~0.01之间取值（Δ« 1的情况称为弱波导）。
对于弱导光纤：
2 1
n1 n2
2 2
n n n1 n2 2 2n1 n1
材料色散和波导色散是由于光信号不是单一频率所引 起。所以统称为波长色散，又称色度色散。 材料色散
• 严格来说，对不同的传输波长石英的折射率有不同的值。这是光纤 材料自身特性造成的。
• 光纤通信用的光源，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波 谱宽度。 • 光的波长不同，折射率n不同，光传输的速度也就不同。 • 因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输 时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时 延差，从而引起脉冲波形展宽。
• 1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了 WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用 的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的 2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的 Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。 • 当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用 之不尽的，所以它的前景辉煌。