光纤通信第二章
合集下载
第2章光纤通信的基本原理
16、我总是站在顾客的角度看待即将推出的产品或服务，因为我就是顾客。2021年10月21日星期四12时3分57秒00:03:5721 October 2021
17、当有机会获利时，千万不要畏缩不前。当你对一笔交易有把握时，给对方致命一击，即做对还不够，要尽可能多地获取。上午12时3分57秒上午12时3分00:03:5721.10.21
2.1光纤的结构与分类
2.按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模
光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目 决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的 结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。
2.1光纤的结构与分类
3.按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分
布的不同可以将光纤分为阶跃 型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(GradedIndex Fiber，GIF)，其折射 率分布如右图所示。
光纤的折射率分布
2.1光纤的结构与分类
阶跃型光纤是由半径为a、折 射率为常数n1的纤芯和折射率 为常数n2的包层组成，并且 n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。
2n12
n1
2.2光纤传光原理
数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与 光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。
NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的 耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能 在光纤中传输。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崎 变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。
《光纤通信第二章》PPT课件
co m p o n en ts
num erical solving
精选ppt
β mn
37
1. 波动方程和电磁场表达式
设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是
角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jωt)，则标量
波动方程为
T2EK2E0
(2.30)
T2HK2H0
(2.31)
精选ppt
24
2.光纤传输原理
精选ppt
25
2.1 光纤的射线光学传输理论
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。
光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层 Clad)＋涂覆层
树脂被覆层 包层
芯
n n 特点： core> clad 光在芯和包层之间的界面上反复
进行全反射，并在光纤中传递下去。
11
主要用途：
突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平
1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容 量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输 容量提高几倍到几十倍。
17ps/nm.km
G.652
20
EDFA
10
频带 G.653
0
-10
-20
1300
1400
波长(nm)
1500
1600
1700
衰减 (dB/km) 色散(ps/nm.km)
精选ppt
13
传输光纤的改进（2） ： G.655非零色散位移光纤
光纤通信课后习题解答 第2章习题参考答案
第二章 光纤和光缆1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。
纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。
2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G .651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
（2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21⎩⎨⎧≥<=ar n ar n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=ar n a r a r n r n cm α 3．阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？答：阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ 渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0sin 220∆===n n n NA c φ两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。
数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。
4．简述光纤的导光原理。
答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。
光纤通信第02章
2. 按光纤中传输的模式数量，可以将光
纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
图2.2 光纤的折射率分布
图2.3 光在阶跃折射率多模光纤中的传播 图2.4 光在渐变折射率多模光纤中的传播
在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传 输时，则这种光纤称为多模光纤。
散射损耗包括瑞利散射损耗和结构不完善 散射损耗。
3. 附加损耗
（1）弯曲损耗 （2）接续损耗 （3）耦合损耗
4. 实用光纤的损耗
光纤的总损耗α与波长的关系可以用下式表示：
A
4
B
CW ()
IR()
UV
()
其中：A为瑞利散射损耗系数，B为结构缺陷散射 损耗系数，CW(λ),IR(λ),UV(λ)分别为杂质吸收、 红外吸收和紫外吸收产生的损耗。
图2.1 光纤结构示意图
2.1.2 光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光纤 中传输模式数的多少、光纤使用的材料或 传输的工作波长来分类。
1. 按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将 光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图2.2所示。
材料色散的计算公式为：
m m L
（3）波导色散
波导色散是由光纤的几何结构所引起的色散。其 产生原因是由于光纤的包层和纤芯折射率相差很小， 光线在其交界面上产生全反射时，有可能有一部分 光进入包层中传输。在传输一定距离后，这部分光 又有可能回到纤芯进行传输，这样传输将导致模内 各信号的速度不同，从而引起色散。
纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
图2.2 光纤的折射率分布
图2.3 光在阶跃折射率多模光纤中的传播 图2.4 光在渐变折射率多模光纤中的传播
在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传 输时，则这种光纤称为多模光纤。
散射损耗包括瑞利散射损耗和结构不完善 散射损耗。
3. 附加损耗
（1）弯曲损耗 （2）接续损耗 （3）耦合损耗
4. 实用光纤的损耗
光纤的总损耗α与波长的关系可以用下式表示：
A
4
B
CW ()
IR()
UV
()
其中：A为瑞利散射损耗系数，B为结构缺陷散射 损耗系数，CW(λ),IR(λ),UV(λ)分别为杂质吸收、 红外吸收和紫外吸收产生的损耗。
图2.1 光纤结构示意图
2.1.2 光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光纤 中传输模式数的多少、光纤使用的材料或 传输的工作波长来分类。
1. 按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将 光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图2.2所示。
材料色散的计算公式为：
m m L
（3）波导色散
波导色散是由光纤的几何结构所引起的色散。其 产生原因是由于光纤的包层和纤芯折射率相差很小， 光线在其交界面上产生全反射时，有可能有一部分 光进入包层中传输。在传输一定距离后，这部分光 又有可能回到纤芯进行传输，这样传输将导致模内 各信号的速度不同，从而引起色散。
光纤通信第二章(4)
一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光源的频 光源的频 谱宽度∆ω 比信号的频谱宽度∆ω 大得多，光纤就可以近似为 谱宽度 ∆ωλ 比信号的频谱宽度 ∆ωs 大得 线性系统。 线性系统 光纤传输系统通常满足这个条件。 光纤传输系统通常满足这个条件
光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形 高斯波形，设 高斯波形
2.3.3 光纤标准和应用 G.651多模渐变型(GIF)光纤 应用于中小容量、中短距离 651多模渐变型 多模渐变型(GIF)光纤 的通信系统。 G.652常规单模光纤 是第一代单模光纤，其特点是在波 652常规单模光纤 长1.31µm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。 G.653色散移位光纤 是第二代单模光纤，其特点是在波 653色散移位光纤 长1.55µm色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长 距离通信系统。 G.654 1.55µm损耗最小的单模光纤 其特点是在波长 55µm 损耗最小的单模光纤 1.31µm色散为零，在1.55µm色散为17~20 ps/(nm·km)，和常 规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。 色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 µm具有大的负色散。 G.655非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。 655非零色散光纤
2 σ 2 − σ 12
由此得到， 信号通过光纤后产生的脉冲展宽σ= 或∆τ=
2 ，∆τ1和∆τ2分别为输入脉冲和输 ∆τ 2 − ∆τ 12
出脉冲的FWHM FWHM。 光纤3dB光带宽 光纤3dB光带宽f3dB和脉冲展宽∆τ、σ的定义示于图2.11。 光带宽f 脉冲展宽∆τ 脉冲展宽 、
输入脉冲
2 ln 2 1 187 = ( MHZ ) 2π σ σ
(2.47a)
光纤通信课后第2章习题答案
第2章 复习思考题参考答案2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。
我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层n a 、n b 和n c 等组成，如图2.1.2（a ）所示，而且 >>>c b a n n n 。
使光线1的入射角θA 正好等于折射率为n a 的a 层和折射率为n b 的b 层的交界面A 点发生全反射时临界角()a b c arcsin )ab (n n =θ，然后到达光纤轴线上的O'点。
而光线2的入射角θB 却小于在a 层和b 层交界面B 点处的临界角θc (ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB ' 折射进入b 层。
如果n b 适当且小于n a ，光线2就可以到达b 和c 界面的B'点，它正好在A 点的上方（OO'线的中点）。
假如选择n c 适当且比n b 小，使光线2在B '发生全反射，即θB ' >θC (bc) = arcsin(n c /n b )。
于是通过适当地选择n a 、n b 和n c ，就可以确保光线1和2通过O'。
那么，它们是否同时到达O'呢？由于n a >n b ，所以光线2在b 层要比光线1在a 层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。
这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b ）所示。
图2.1.2 渐变（GI ）多模光纤减小模间色散的原理2-2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。
当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。
只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。
光纤通信第二章3-瞬态性质
3、进行脉冲调制时
(1) 当0 t
I I0 Im Q(t ) V j ( I 0 I m ) ( I 0 I m ) 2 Rs
初始条件：
(t 0) R(Vj I0 I02 Rs )
t , (t ) , Ith , p
(2) 当 t
t=0: 阶跃电流脉冲注入 0-td: 对导带底部填充电子， 使电子密度达到nth td –t1： 激光器开始激射，光 场建立，导带中电子的超量 填充 t1 –t2 ：有源区过量复合 t2 –t3： 过量复合持续，电子 密度降到nth 以下，S也下降 t3以后： 重新对导带底部填 充电子
北京邮电大学顾畹仪 3
10
d 2 n g 1 dn 1 ds [( ) n s ] 2 dt n sp dt ph dt d 2 n g 1 dn 1 g [( ) n s ] [( ) n s ] n 0 2 dt n sp dt ph n sp
北京邮电大学顾畹仪 19
北京邮电大学顾畹仪
20
2、自脉动现象的机理 —— 非线性增益
ds s gs dt ph 稳态情况下：Rst gth s s
ph
1) 增益小于损耗,不激射区 2) 出现超线性增益
北京邮电大学顾畹仪 21
超线性增益可能的机制
不均匀电注入（增益不均匀，不均匀串联电 阻，不均匀阈值）本征可饱和吸收区 高密度体内可饱和吸收中心（带尾或杂质缺 陷）
北京邮电大学顾畹仪 12
（2）电光延迟时间
阈值以下时
dn j n dt e 0 d sp
td
0
dt
sp
《光纤通信》第二章讲课提纲
《光纤通信》第二章光纤光缆讲课提纲浙江传媒学院 陈柏年一、光纤（Fibel ）：圆柱形介质光波导，作用是引导光能沿着轴线平行方向传输。
1、导光波（guided wave ）：光纤中携带信息、由纤芯和包层的界面引导前进的光波。
2、光纤的传导模：在光纤中既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束。
3、光纤的三层结构：（1）纤芯（core ），（2）包层（coating ），（3）涂覆层（jacket ）：包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。
纤芯折射率为n 1，包层折射率为n 2，纤芯包层相对折射率差121n n n -D =4、光纤的分类：有多种分类的方法。
（1）按照光纤截面折射率分布：SIF （小容量、短距离，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输），GIF （中等容量、中等距离，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输）、双包层光纤（色散平坦光纤DFF 、色散移位光纤DSF ）、三角芯光纤（非零色散长距离光纤）；（2）按照光纤中传输模式数量：MMF ，SMF （光线以直线形状沿纤芯轴线方向传输）；（3）按照按光纤的工作波长：短波长（850 nm ）光纤，长波长（1310 nm 、1550 nm ）光纤；（4）按套塑（二次涂覆层）：松套光纤，紧套光纤。
二、光的两种传输理论（一）光的射线传输理论1、几何光学方法：基于射线方程，依据光线的斯奈耳反射定律和折射定律，研究光线的运动轨迹。
2、光纤的几何导光原理：光纤是利用光的全反射特性导光；3、突变型折射率多模光纤主要参数：（1）光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。
光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。
（2）光纤的临界角θc ：只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内的光束才能在光纤中传播。
（3）数值孔径NA ：入射媒质折射率与最大入射角（临界角）的正弦值之积。
与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。
它表示光纤接收和传输光的能力， NA 通常为0.18～0.23。
光纤通信第二章习题
2. (2) 从损耗角度来看:由多模突变型光纤、多模渐变 型光纤到单模光纤损耗依次减小,从而无中继距离依次 增大.
3.
从色散角度看:由多模突变型光纤、渐变型光纤
到单模光纤,色散依次减小,从而带宽依次增大,传输容
量依次增大.
而通信的主要目的就是最大限度的实现远的传输距离和 大的传输容完善损耗由于光不能全部进行全反射而造 成的光功率损失.
附加损耗由于光纤弯折、接续而引起的光功率的 损失.
光纤损耗的危害:限制通信系统的无中继通信距离 附加题 1 已知单模光纤的材料色散系数为-2ps/km.nm，
光源谱线宽度为△λ=10nm，若光纤长度为 20KM，问此光纤的脉冲展宽和带宽各是多少？
6. 光纤色散产生的原因及其危害是什么?
答:光纤色散是指由于各种不同频率的光在光纤中传输的 速度不同,从而使得各个频率的光在到达终点时产生了一 个时间上的延迟,造成输出波形失真的一种现象.
光纤色散一般包括模式色散,材料色散和波导色散. 模式色散是指在光纤中由于个频率光的轴向速度不同 而引起的色散. 材料色散是指由于构成光纤的材料的折射率随传输光 波的频率变化而导致不同频率光信号的速度不同,从而引 起的色散.
波导色散是由于光纤的几何结构所引起的色散. 色散的危害:色散会引起接收端接收到的信号波形失
真.对于模拟信号,色散会限制系统带宽.对于数字 信号,色散会引起脉冲展宽.
7. 光纤损耗产生的原因及其危害是什么?
答:损耗是指由各种原因引起的光功率的损失. 吸收损耗:是指由于组成光纤的材料及其中的杂质 对光的吸收,使一部分光能转变为散失是热能,从 而造成光功率的损失. 散射损耗:是指由远小于波长的不均匀性(如折射率 的不均匀,掺杂离子浓度的不均匀等)引起的光的 散射造成的光.
光纤通信原理第二章2 半导体激光器和发光二极管
+ B = m/n,
n ( 1 + sin n)= m
布喇格反射条件
2n = m
是波纹光栅的周期，也称为栅距；m为 整数；n为材料等效折射率；为波长
3.DFB激光器的优点
•单纵模 •光谱线宽窄 •动态单纵模 •线性好
DFB和DBR激光器
MQW-DFB-LD
§2.5半导体激光器的基本特性
垂直腔面发射激光器
垂直腔激光器的优点
• 发光效率高 ， 850nm，10mA电流，1.5mW 功率
• 发射圆形光束，耦合效率高 • 阈值电流极低，工作电流也不高 • 可通过短腔（5~10µm）实现单纵模工作 • 高温度稳定性，200Mb/s速率以下应用，可
不需要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频
寿命长 可靠性高 调制电路简单 成本低
LD和LED的光谱比较
• 存在光学谐振机制,并在有源区建立 稳定的振荡 ---激光产生条件
在半导体激光器中光振荡主要采用 两种形式:
• F-P（法布里－珀罗）谐振腔:用半 导体晶体天然的解理面构成。
• DBR（分布布拉格反射器）—周期 性波纹结构
2.制作半导体激光器的材料
直接带隙的半导体材料：导带的最低点 和价带的最高点对应着相同的波数K。
降低器件的阈值电流密度 实现室温下连续工作
(2)按平行于PN结激光器
台面条形 激光器
平面条形 激光器
隐埋条形 激光器
宽面激光器
只有PN结中部与解 理面垂直的条形面积上 (10~30 m)有电流通过 的结构是条形结构。
条形激光器主要优 点是阈值电流低，发热 少，利于散热，可以改 善光谱特性。但受条宽 限制不宜作大功率输出 。
光纤通信 第2章 光纤和光缆
nc 2 NA sin 0 n(0) 1 ( ) n(0) 2 n(0)
n(0)=n(r=0)为光纤轴线处折射率 nc为包层折射率
n 2 (0) nc Δ ＝ 2 n 2 ( 0)
2
为渐变型光纤的相对折射率差。
渐变型光纤的数值孔径与阶跃型数值孔径有何区别？
对照阶跃光纤中的数值孔径表达式
1 2 N V 4
对于阶跃型光纤，即α→∞
1 2 N V 2
2.单模光纤
光纤单模工作的条件：光纤的归一化频率V＜Vc
Vc 2.405 1
2
对于阶跃型光纤，α→∞，则Vc＝2.405 对于抛物线型光纤，α＝2，则Vc＝3.401。
1 N V 2 计算，其模式数 问题：一阶跃光纤V＝2，按 2
A B A’ B’’ B’ A’’
所以：
(K0n1AA’-2δ )-K0n1BB’=2Nπ 经化简为： 2ak0n1cosθ -δ =Nπ
A B A’ B’’ B’
N=0,1,2,3…..
A’’
-δ
-δ
-δ
-δ
只有横向传输的分量沿光纤径向形成驻波的光线才能在光纤中 长距离传输。要形成驻波，即光线传输一周应满足相位一致条 件。 如果光线的入射角为θ ，其横向（径向）传播常数为 k0n1cosθ 则有： 4ak0n1cosθ -2δ =2Nπ （N=0，1，2…）
θ 3
φ
n0sinΦ0=n1sin (900- θ1) =n1cos θ1 =n1 1 sin 2 1 n12 n12 sin 2 1 n12 nc 2
如果N趋于无穷大，每层的厚度就趋于零， 相邻层之间的折射率趋于连续，上面分析 光纤的极限就是渐变型光纤。
n(0)=n(r=0)为光纤轴线处折射率 nc为包层折射率
n 2 (0) nc Δ ＝ 2 n 2 ( 0)
2
为渐变型光纤的相对折射率差。
渐变型光纤的数值孔径与阶跃型数值孔径有何区别？
对照阶跃光纤中的数值孔径表达式
1 2 N V 4
对于阶跃型光纤，即α→∞
1 2 N V 2
2.单模光纤
光纤单模工作的条件：光纤的归一化频率V＜Vc
Vc 2.405 1
2
对于阶跃型光纤，α→∞，则Vc＝2.405 对于抛物线型光纤，α＝2，则Vc＝3.401。
1 N V 2 计算，其模式数 问题：一阶跃光纤V＝2，按 2
A B A’ B’’ B’ A’’
所以：
(K0n1AA’-2δ )-K0n1BB’=2Nπ 经化简为： 2ak0n1cosθ -δ =Nπ
A B A’ B’’ B’
N=0,1,2,3…..
A’’
-δ
-δ
-δ
-δ
只有横向传输的分量沿光纤径向形成驻波的光线才能在光纤中 长距离传输。要形成驻波，即光线传输一周应满足相位一致条 件。 如果光线的入射角为θ ，其横向（径向）传播常数为 k0n1cosθ 则有： 4ak0n1cosθ -2δ =2Nπ （N=0，1，2…）
θ 3
φ
n0sinΦ0=n1sin (900- θ1) =n1cos θ1 =n1 1 sin 2 1 n12 n12 sin 2 1 n12 nc 2
如果N趋于无穷大，每层的厚度就趋于零， 相邻层之间的折射率趋于连续，上面分析 光纤的极限就是渐变型光纤。
光纤通信第2章_光纤和光缆200602
2010-10-4
12
归一化传输常数b 归一化频率V 图4、归一化传输常数b、归一化频率V及模式折射率与模式的关系
2010-10-4
13
表1、光纤中的模式
V 0~2.4048 ~3.8327 ~5.1356 ~5.5201 ~6.3802 ~7.0156 模式 HE11 TE01, TM01, HE21 EH11, HE31 , HE12 EH21, HE41 TE02, TM02, HE22 EH31, HE51 简并模式 LP01 LP11 LP21 ,LP02 LP31 LP12 LP41
传输带宽小， 传输带宽小，容量低 传输损耗大
2010-10-4
其中c为光速 其中 为光速
5
1.2.2 渐变型光纤
n(r)折射率分布如图 折射率分布如图
图3、渐变型光纤的光线传输
存在最佳折射率分布， α=2(1-), 约为α=2 存在最佳折射率分布， 光纤的距离带宽乘积：BL<8c/(n12) 光纤的距离带宽乘积： 主要特点： 工艺较难 主要特点：
光波传播行为的波动方程
% + n2 (ω)k2E = 0 % E 0
2
k 0 = ω / c = 2π / λ
2010-10-4
7
2.2.2 波动方程求解
利用光纤的圆柱对称性， 利用光纤的圆柱对称性，采用圆柱坐标r、φ、z 2 Ez 1 Ez 1 2 Ez Ez + + 2 + 2 + n2 k02 Ez = 0 r 2 r r r φ 2 z
Eφ =
0ω k 02 n 2 β 2 r φ r
Hr = H =
H z i ω E β ε 0 n2 z k02 n 2 β 2 r r φ β H z E z i + ε 0 n 2ω k 02 n 2 β 2 r φ r
光纤通信(朱宗玖)第二章
2. 按光纤截面上折射率分布分类
按照折射率分布来分，一般可以分为阶跃 型光纤和渐变型光纤两种。其折射率分析图如 图2.2所示。
图2.2 阶跃型和渐变型光纤折射率分布图
(1) 阶跃型光纤 如果纤芯折射率(指数)沿半径方向保持一 定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而 且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化 的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光 纤。这种光纤一般纤芯直径为 50—80μm，特 点是信号畸变大。它的结构如图2.2(a)所示。
V 2πa
n n
2 1
2 2
(2-24)
对于光纤传输模式，有两种情况非常重 要，一种是模式截止，另一种是模式远离截止。
(1) 模式截止 当(wr/a)→∞, Kv(wr/a)→exp(-wr/a)，要求 在包层电磁场为零即exp(-wr/a)→0，必要条件 是 w>0 。若 w<0 ，电磁场将在包层振荡，传输 模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出 去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临 界状态，这个状态称为模式截止。
根据 式
NA n0 sin 0 sin 0
sin 0 n n
2 1 2 2
可知，
对于弱导光纤，有n1≈n2，此时：
(n1 n2 ) / n1
sin 1 n1 2
式中Δ为相对折射率指数差。
光纤的数值孔径 NA 仅决定于光纤的折
射率n1和n2，与光纤的直径无关。
电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界 面连续，在r=a处应该有 Ez1=Ez2 Hz1=Hz2 (2-20) Ef1=Ef2 Hf1=Hf2 由Ef和Hf的边界条件导出β满足的特征方 程为
2 (u ) J v (u ) Kv KV n12 J V n 1 1 1 2 1 1 [ ][ 2 ] v ( 2 2 )( 2 2 2 ) uJ v (u ) wK (W ) n2 uJ v ( w) wk v ( w) u w n2 u w
光纤通信概论第二章2
色散补偿技术
长距离光传输系统必须补偿光纤色散！ 常用的色散补偿方法：利用具有负色散的色散补偿 光纤或色散补偿模块来抵消传输光纤的正色散！ 色散补偿光纤 啁啾光纤光栅色散补偿模块
2.5Gb/s光脉冲色散补偿前后的波形对比
光信号传输100公里后的脉冲形状, 未加补偿，脉冲宽度为150ps： 激光光源发出的原始光脉冲， 脉冲宽度为36.78ps：
D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延
色度色散引起的脉冲展宽： t DL 其中L表示以km为单位的光纤长度, 表示以nm为单位
的光信号的光谱宽度
包括材料色散和波导色散
任何光源发出的光都不是单一频率的，都是由一定频率分量构成的。 激光经调制成为信号脉冲光以后，光谱宽度会进一步的增加，光谱 宽度用来衡量光信号对应频域上的光波长范围的大小
结论: 适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用 于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。
G.655单模光纤（NZ-DSF）
在1530－1565nm窗口有较低的损耗 工作窗口具有较低的色散，一定的色散抑制了非线性 效应（四波混频）的发生。 兼顾色散和非线性,为DWDM系统的应用而设计 纤芯的折射率分布多为多包层 结论: 适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，但在长距离、 高速率传输系统中仍然需要进行色散补偿。
经过非弹性散射将能量传 递给介质或其它波长产生 的效应
散射效应
传感 分布放大
四波混频(FWM)效应的影响
FWM过程新产生频率的数量=N2(N-1)/2，N为原始信号的频率 （波长）数。对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号 频率重叠，形成信道之间的串扰(同频串扰)，严重影响系统 的性能。
四波混频(FWM)效应的影响
光纤通信第2章光纤与光缆
������ = 2arctg
������1 2 ������2
sin2������1 − sin2������������ cos������1
10:19:53
20
2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播
子午射线：光线从入射端面耦合进光纤中，光线始终在一个 包含光纤中心轴线的平面内传播, 并且一个传播周期与光纤 轴线相交两次。
������ ������ = ������
������ = 3 × 108m/s(真空中)
������为媒质的折射率 空气������ = 1 水������ = 1.33 硅玻璃������ = 1.5
分析
2.2.1基本光学定义和定律
光的射线理论的简单规则：
������
=
������12−������22 2������12
24
2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（2）子午射线在渐变型光纤中的传播
10:19:53
25
2.2光纤的射线理论分析
10:19:53
26
2.2光纤的射线理论分析
渐变光纤的数值孔径
������������ = sin������0 = ������(0)2 − ���������2��� = ������(0) 2Δ
第二章 光纤与光缆
10:19:53
1
内容
2.1光纤的结构与类型 (1)光纤的结构 (2)光纤的类型 2.2光纤的射线理论分析 (1)基本光学定义和定律 (2)光纤中光的传播 (3)光纤中的模式传输 (4)多模光纤与单模光纤 2.3均匀光纤的波动理论分析 (1)平面波在理想介质中的传播 (2)阶跃光纤的波动理论 2.4光缆 (1)光缆的典型结构 (2)光缆的种类与型号 2.5小结
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同
11
reflection
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr
12
Snell law
折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和
Chapter2 Optical Fiber
1
OUTLINE
➢ The nature of light ➢ The fabrication of optical fibers ➢ The structure of an optical fiber ➢ The propagation principle of light along a
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振
光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
E E02x E02y 1/2
Ex(z, t) = exE0xcos(wt - kz)
arctan E0y
E0 x
Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +)
n1 sinc = n2 sin 90° [ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
14
1 < p/2 - c c
Phase shifts
1 < p/2 - c c n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光的电场矢量与入射面
垂直时的相移(N)和与入射面平行时 的相移(p)
15
4
Plane wave
作为一种电磁波，光波是一个横波，其传播方向垂直于电场 (E)和磁场(H)的振动方向 (1821年，菲涅尔)
给定一个空间直角坐标系o-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传
播，那么这列波可测量的电场可 以表示为：
E(z, t) = eEcos(wt - kz)
其中w为光的角频率，k = 2p/l为
入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2
空气 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
13
Total internal reflection
光疏媒质 光密媒质
c
玻璃的折射率为1.50，空气的 折射率为1.00，如果一束光从 玻璃入射到玻璃 - 空气界面， 那么，当入射角大于42度时， 入射光将发生全反射。
这两个垂直分量之间的相位
差满足 = 2mp, 其中m = 0,
±1, ±2,…
q
7
Ellipitical polarization
tan 2
2E0x E0 y cos E02x E02y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E0 x
2
Ey E0 y
2
2
Ex E0 x
光的传播常数，它表征光向前传 播时相位变化的快慢。
电场(E)和磁场(H)相互正交
5
Polarization
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：
.Linear polarization Ellipitical polarization Circular polarization
6
Linear polarization
Ey E0 y
cos
sin
2
8
circular polarization
特别地，当两个相互正交的分量 幅度相等，且二者之间的相位差
= ±p/2 + 2mp 时，椭圆偏振光
变成圆偏振光：
Ex2 Ey2 E02
迎着光传播的方向观察，根据 d
取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋 圆偏振光和左旋圆偏振光
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
10
2.2 Basic optical law and definitions
光速 c = 3 108 m/s 波长：l = c/v 当光在媒介中传播时，速度cm = c/n
常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5
fiber ➢ The transmission character of fiber
2
2.1 The natureБайду номын сангаасof light
光的波动性 - 17世纪意大利格里马蒂和英国胡克
观测到光的衍射现象 - 1690年海牙物理学家惠更斯提出光
的波动性学说 - 1801年托马斯·杨双缝干涉实验 - 1817年菲涅尔解释并重新演示了光
1) 位置：位于纤芯的周围
2) 尺寸：直径d2 = 125 mm
3) 材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而 掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的
折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1 ＞ n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输
18
Buffer coating
1) 位置：位于光纤的最外层
2.3 optical fiber modes and configurations
16
Core
1) 位置：光纤的中心部位
2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm
3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，
作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号
17
Cladding
2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm
3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物
的衍射 - 1865年麦克斯韦发表电磁场理论并
预言光是一种电磁波 - 1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的
预言
3
Spherical and plane wave fronts and their associated rays
假设光在各向同性的均匀介质中传播
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
9
The quantum nature of light
光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦 成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关
一个频率为n的光子能量为 E = hn
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
11
reflection
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr
12
Snell law
折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和
Chapter2 Optical Fiber
1
OUTLINE
➢ The nature of light ➢ The fabrication of optical fibers ➢ The structure of an optical fiber ➢ The propagation principle of light along a
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振
光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
E E02x E02y 1/2
Ex(z, t) = exE0xcos(wt - kz)
arctan E0y
E0 x
Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +)
n1 sinc = n2 sin 90° [ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
14
1 < p/2 - c c
Phase shifts
1 < p/2 - c c n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光的电场矢量与入射面
垂直时的相移(N)和与入射面平行时 的相移(p)
15
4
Plane wave
作为一种电磁波，光波是一个横波，其传播方向垂直于电场 (E)和磁场(H)的振动方向 (1821年，菲涅尔)
给定一个空间直角坐标系o-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传
播，那么这列波可测量的电场可 以表示为：
E(z, t) = eEcos(wt - kz)
其中w为光的角频率，k = 2p/l为
入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2
空气 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
13
Total internal reflection
光疏媒质 光密媒质
c
玻璃的折射率为1.50，空气的 折射率为1.00，如果一束光从 玻璃入射到玻璃 - 空气界面， 那么，当入射角大于42度时， 入射光将发生全反射。
这两个垂直分量之间的相位
差满足 = 2mp, 其中m = 0,
±1, ±2,…
q
7
Ellipitical polarization
tan 2
2E0x E0 y cos E02x E02y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E0 x
2
Ey E0 y
2
2
Ex E0 x
光的传播常数，它表征光向前传 播时相位变化的快慢。
电场(E)和磁场(H)相互正交
5
Polarization
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：
.Linear polarization Ellipitical polarization Circular polarization
6
Linear polarization
Ey E0 y
cos
sin
2
8
circular polarization
特别地，当两个相互正交的分量 幅度相等，且二者之间的相位差
= ±p/2 + 2mp 时，椭圆偏振光
变成圆偏振光：
Ex2 Ey2 E02
迎着光传播的方向观察，根据 d
取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋 圆偏振光和左旋圆偏振光
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
10
2.2 Basic optical law and definitions
光速 c = 3 108 m/s 波长：l = c/v 当光在媒介中传播时，速度cm = c/n
常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5
fiber ➢ The transmission character of fiber
2
2.1 The natureБайду номын сангаасof light
光的波动性 - 17世纪意大利格里马蒂和英国胡克
观测到光的衍射现象 - 1690年海牙物理学家惠更斯提出光
的波动性学说 - 1801年托马斯·杨双缝干涉实验 - 1817年菲涅尔解释并重新演示了光
1) 位置：位于纤芯的周围
2) 尺寸：直径d2 = 125 mm
3) 材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而 掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的
折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1 ＞ n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输
18
Buffer coating
1) 位置：位于光纤的最外层
2.3 optical fiber modes and configurations
16
Core
1) 位置：光纤的中心部位
2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm
3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，
作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号
17
Cladding
2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm
3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物
的衍射 - 1865年麦克斯韦发表电磁场理论并
预言光是一种电磁波 - 1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的
预言
3
Spherical and plane wave fronts and their associated rays
假设光在各向同性的均匀介质中传播
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
9
The quantum nature of light
光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦 成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关
一个频率为n的光子能量为 E = hn
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数