光纤通信第一章1-光纤的基本性质

色散参数 D =（d/d）/ L （ps/nm•km） 是群时延
20 10 DM 0 -10 -20 -30 DW
Dtotal
ZD
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Wavelength (mm)
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3、光纤类型的发展演变
多模光纤
常规单模光纤 (SMF), G.652
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缆芯结构
层 绞 式
骨 架 式
大 束 管 式
带 式
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2. 光纤的传输性质
(1) 损耗（Attenuation）
(2) 色散（Dispersion） (3) 非线性效应 （Non-Linear Effects in Fiber）
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用全反射原理分析多模阶 跃折射率光纤中光的传输
临界角
n2 c arcsin n1
2 sin max n1 sin(90o c） = n12 n2 2 NA n12 n2
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多 模 阶 跃 折 射 率 光 纤 的 最 大 群 时 延 差
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(1) Fiber Attenuation
损耗计算（ dB/km）

10 P log10 in L Pout
第一窗口
Pin ：输入光功率 Pout ：输出光功率 L ：光纤长度 低损耗窗口 0.85 mm (< 2.5dB/km) 1.3 mm (< 0.4dB/km) 1.55mm (< 0.2dB/km) dBm = dB relative to 1 mW e.g., 0 dBm = 1mW 10 dBm = 10mW 20 dBm = 100mW
也可近似为抛物线分布
பைடு நூலகம்
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单模光纤
射线光学分析方法不适用于单模光纤 波动光学分析方法
求解波动方程(圆柱坐标系) 1 1 2 2 2 (r ) 2 2 r r r r z 2
2 k 2 0
代入边界条件, 求出特征方程 纤芯中应为振荡解, 包层中为衰减解. r = a处, Eφ和Hφ应连续 分析各种导模的场型和性质 单模传输条件: V < 2.405， 基模HE11 2 a 归一化频率 V n12 n2 2
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光纤的损耗谱
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（2）色散（Dispersion)
模式色散 (intermodal dispersion) 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因 而形成模式色散。 L L sin c Ln1 d 模内色散 （intramodal dispersion）
对抛物线分布
dr 设z 0时， r r0 , r0 , 上式的解 dz 1 z 1 z a 2 r r0 cos[(2) 2 ] r0 [(2 ) ] 1 a a (2) 2
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自聚焦光纤中的光射线：子午线
1 2 2 5 4 4 n(r ) n0 sec h( r ) n0 (1 r r ) 2 24
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DSF光纤的色散谱和折射率分布
NZDSF光纤的 一种折射率分布
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光子晶体光纤－PCF
宽带单模传输 超强的光学非线性 灵活的色散特性 可变的双折射
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2 a
上式可近似为抛物线分布
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自聚焦光纤中的光射线：偏射线
螺旋线应满足的条件：
dr 0 dz
折射率分布应为
1 1 n(r ) n0 [1 ( r ) 2 ] 2 2 1 3 2 n0 [1 ( r ) ( r ) 4 ] 2 8

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（2）光缆
六纤光缆
Outer Sheath Yarn strength member Buffer strength member Paper/Plastic Binding Tape Polyurethane/PVC Jacket Basic Fiber building block Insulator Copper Conductor

涂敷层 包层
Core
(3) 光缆的基本结构
纤芯
包层 涂敷层
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光纤的结构、分类和光的传输
n2 n1 (1 )
n1 n2 n1
= 0.01 ~0.03
= 0.002 ~0.01
r n(r ) n0 [1 ( ) g ] a rp a n0 ra
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a
第二窗口
第三窗口
b
c d e
Corning SMF-28 光纤的损耗
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产生损耗的因素
材料的吸收损耗 (Material absorption)
a. 本征吸收: SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 b. 非固有吸收 (杂质吸收) • Fe, Cu, Ni, Cr. • OH 离子在 1.39um, 1.24um 和 0.95um形成吸收峰 散射损耗 (scattering) a. 瑞利散射（Rayleigh Silica） 分子热骚动 折射率在微观上的随机起伏 光散射 ~ 1/λ 4 b. 波导散射（Wavequide Scattering） 微弯损耗
统
非零色散位移光纤(NZDF), G.655
在1.55um窗口 D() = 1 ~ 4 ps/nm-km ，抑制FWM, 支持高速率传
输
色散补偿光纤 (DCF)
在1.55um窗口有 -100 ps/nm km Pure-silica core fiber
纯石英芯子光纤（PSCF） 大有效面积（110mm2 ），低损耗 (0.17dB/km) 2015-5-21 北京邮电大学顾畹仪 光子晶体光纤
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L L sin c Ln1 n1 n2 Ln1 d c c n2 c n1
2 NA sin max n12 n2
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子午光线和斜射线
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多模渐变折射率光纤中光射线
折射率分布
射线方程
第1.1节 光纤的基本性质 1. 光纤的结构、分类和光的传输 2. 光纤的传输性质 3. 光纤类型的发展演变
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1、光纤的结构、分类和光的传输
(1) 光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷层 (2) 石英光纤的基本类型和光的传输
多模光纤: 阶跃折射率（Step-Index Fiber） 渐变折射率（ Graded-Index Fiber） 单模光纤
零色散点在 1310nm 在1.55 um波段D() = 17 ps/nm-km ，若传输速率在 10 Gbps 或更
高，需要色散补偿
色散位移光纤 (DSF), G.653
零色散点移动到1.55 um，适合在损耗最低窗口传输高速率信号 但由于四波混频（FWM）造成复用信道的串扰，不适合 DWDM 系
r g n(r ) n0 [1 ( ) ] a n0 n0 na n0 r d dr ( n ) n ds ds
r
a
ra
对近轴子午光线
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d r 1 dn 2 dz n dr
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2
n0 dn 2 2r dr a 2n0 r d 2r 2 2 得 dz na d 2 r 2r n0 2 1，有 对近轴光线， 2 dz a n
材料色散（Dm）： 波导色散（Dw）
c n1
c
偏振模色散：对于单模光纤，两个偏振模式因光纤的不 完善而出现传输系数的差异，产生的色散被称为偏振模色 散. 材料色散、波导色散和偏振模色散统称为模内色散。
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单模光纤的色散谱
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Dispersion [ps/(kmnm)]