第5章-光纤通信技术

第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 的传播
第5章-光纤通信技术
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 •在弱导近似下，根的据传纤播芯和包层分界面上（r=a）
的连续性条件可以得到LP模式的本征值方程
•式中取正和负是完全等价的
•求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，进而算 出b，将它们都表示成归一化频率V的函数。这样就可 以看出传导的模式与波长以及光纤各项参数的关系 。
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•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•单模光纤和多模光纤
• 多模光纤中可以有多种模式的光信号传播，但是模 间色散大，随着传输距离增大，带宽会减小，因此普 通多模光纤不适用与长距离传播。 • 单模光纤中只有一个模式的光传播，模间色散小， 适合远程通信线路。
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•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中
•斯涅尔定律
的传播
•全反射条件
•取空气折射率为n0=1， 那么入射角的最大值为
•ia：收光角 •：数值孔径
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•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中
•数值孔径
的传播
•对于阶跃折射率光纤
•相对折射率差
•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中 •为了解决多模阶的跃折传射播率光纤中模间色散的问
题，人们发明了渐变折射率光纤(GIF)。
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •光纤中传播的电磁的波传满足播麦克斯韦方程
•波动方程
•E是电场强度，H是磁场强度，D是电位移，B是磁感应强度
号在光纤中传输的相关
结论
熟悉波动理论分析光信
号在光纤中传输的相关
结论
掌握光纤的损耗及色散
的分析、计算、测量、
补偿以及其他相关应用。
熟悉常见光通信器件的
原理、特性以及它们在 第5章-光纤通信技术
• 引言
• 光纤通信系统是目 前世界通信系统的主要 模式，比以前的电缆通 信系统无论从性能还是 成本上都有极大优势。 正是光纤用于现代通信 系统，才使得我们能够 成功构建今天高速、多 元化的信息社会
•原理：全反射 •结构：纤芯，包层，套层。
•n2
•n1
•n1> n2
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•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•按用途：通信用光纤、非通信用光纤。 •按材料：石英光纤、全塑光纤。 •按传输模式：单模光纤和多模光纤。 •按传输窗口：常规型单模光纤、色散位移型单模光纤 (DSF)、非零色散位移光纤。 •按、剖面折射率分布：阶跃折射率光纤、渐变折射率 光纤。
的传播
• 如果有太多不同角度的光线在光纤中传播，由 于不同光线走的路径不一样，而纤芯折射率又处处相 同，这会导致不同角度入射的光线传播到终点的时间 不一致，这就造成了输入光脉冲的展宽，这就是多模 光纤的模间色散。如果光脉冲被展宽，相邻光脉冲之 间就会产生交叠，在交叠区会发生干涉。一旦交叠区 较大，干涉效应会使得相邻的两个脉冲不可分辨，这 样信号就会发生失真。
•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 •贝塞尔方程的解 的传播
•在纤芯中选择m阶贝塞尔函数Jm(r)为波动方程的通解， 在包层中选择m阶汉克函数Km(r)为波动方程的通解
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•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 •贝塞尔方程的解 的传播
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•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•改进化学汽相沉积法(MCVD)Baidu Nhomakorabea
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•管外汽相沉积法(OVD)
第5章-光纤通信技术
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•轴向汽相沉积法(VAD)
第5章-光纤通信技术
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• 本章内容 •5.1 光纤基本知识 •5.2 光在光纤波导中的传播 •5.3 光纤的损耗与色散 •5.4 光通信器件
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•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是一 种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理传 输光能的工具。
变化频率。b对应光纤中传播的模式 。 •横向传播常数k是和z垂直的方向上波矢分量的大小
•表示纤芯中横向场的振荡频率
•描述包层中消逝波的衰减速度
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •几个关键参数 的传播
•归一化频率
•归一化频率V是一个无量纲的量，也称为V数，是包含了光纤各项参数的重要参量
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2020/11/26
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• 学掌握习光目纤标通信的原理
• 掌握光纤的相关参数，
光纤中损耗和色散的相
关知识
• 常见的光通信器件的基
本原理、特性和使用
• 光纤通信系统中复用技
术的原理、方法和实际
应用
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•
学熟悉习光要纤求的参数、分类
等基本知识
熟悉几何光学分析光信
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•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中 •光脉冲展宽Dt可以的用传光播经过最长距离和最短距
离的时间差来估计。
•L为光纤长度
•信号的带宽B可以用光脉冲展宽的倒数来表示
•传播距离越长，带宽会越来越小。因此，阶跃折射 率光纤不适合于长距离的多模信号传输。
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• 1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
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•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤的优点
➢ 频带宽，传输容量大。 ➢ 损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时
在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。 ➢ 重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、
• 为了讨论方便，根据波动方程的解中Ez和Hz是否等于0， 可以将模式分为以下四种：
①横电磁模（TEM）：Ez=Hz=0。 ②横电模（TE）与横磁模（TM）：仅Ez=0，称为横电模；
仅Hz=0，称为横磁模。 ③混合模（EH或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁场贡献为主
称为HE，电场贡献为主称为EH。 ④线偏振模（LP）：也称为标量模，这并不是光纤中传播
的真实模式，而是为了在弱导近似下简化分析而提出的。
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•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•贝塞尔方程
的传播
•根据圆对称性将r和f变量分离
•得到贝塞尔方程
•当r大于线性半径a时，n 取包层折射率，当r小于 纤芯半径a时，n取纤芯折 射率。
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•当r大于线性半径a时，n 取包层折射率，当r小于 纤芯半径a时，n取纤芯折 射率。
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •几个关键参数 的传播
•纵向传播常数b是z方向的波矢分量的大小，即z方向
传播常数。它描述电磁波传播中相位在z轴方向单位长 度上的变化大小，也就是相位相等的面在z方向的空间
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•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
• 制造光纤的方法很多，目前主要有：改进 化学汽相沉积法(MCVD)、等离子体化学汽相 沉积法(PCVD)、管外汽相沉积法(OVD)和轴向 汽相沉积法(VAD)。但不论用哪一种方法，都 要先在高温下做成预制棒，然后在高温炉中加 温软化，拉成长丝，再进行涂覆、套塑，成为 光纤芯线。
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •时空变量分离 的传播
•波动方程既包含时间的导数又包含空间的导数，不 方便求解，因此必须对其进行时间空间变量分离。
•称为波数或电磁波在光纤中的传播常数 •称为真空中的传播常数
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •亥姆霍兹方程 的传播
•数值孔径NA是光纤的重要参数，它描述的光纤收光的 能力。数值孔径较大的光纤可以耦合较大范围入射角的 光，即使是像LED这样的光源发出的发散光也可以被耦 合到其中传播。同时数值孔径较大的光纤还使得光纤在 弯曲的时候能传播更大范围的光。
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•5.2.1光纤原理•的5几.2何光光在学光描述纤 波 导 中
•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•拉丝工艺
•一般包层直径约为 125mm，第一次涂 敷后直径约为250 mm，第二次涂敷后 约为900 mm，最后 缠绕到卷盘上 。
•最后光纤应用时还 要做成光缆 。
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•5.1.5 光纤通信•系5统.1 光纤基本知识
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•LP16,17模的光强分布图
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•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 •单模条件 •只有基的模传L播P01
•对于确定纤芯直径 和折射率的光纤，单 模传输的截止波长
•对于确定工作波长和 折射率的光纤，单模 传输的截止尺寸
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远
远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。
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•5.1.1 光纤的发•明5和.1 发光展纤基本知识
• 光纤的应用 ➢ 通信系统 ➢ 光纤传感器。 ➢ 医学照明、内窥。 ➢ 装饰
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•5.1.2 光纤的基•本5工.1 作光原纤理基和本结知构识
•根据麦克斯韦方程，可以用z方向的场分量来表示其 他和z垂直的方向的场分量。这样只需要计算z方向的 两个场分量Ez和Hz就可以完全唯一的确定整个场分布 •得到柱坐标下z分量满足的方程
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 的传播
•将电磁场的z分量进行变量分离
•可得到关于场分量Ez(r,f)和Hz(r,f) 横向模式的波动方程
•归一化频率V越大表示在光纤中允许存在的模式就越多
•光纤中允许存在的模式数量近似为
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中 •几个关键参数 的传播
•归一化传播常数b
•b=0对应模式截止
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•5.2.2 光纤中的•电5磁.2波光在光纤波导中
•波动方程的解 的传播
•贝塞尔方程通解
•电磁场z分量通解
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•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•弱导近似
的传播
•如果光纤包层和纤芯的折射率很接近，即 ，•我们称这种
•光纤为弱导光纤。在弱导光纤中，HE、EH、TE和TM四个解 的近似解可以用两个线性偏振模，即LP模表示。
•注意，LP模式并不是真实存在的模式。然而在弱导近似下，一对HEEH模的传播常数非常接近，它们是近似简并的。因此它们叠加起来可以 用一个线性偏振的模式LP模式替代，而不去区分其中电场和磁场哪个占 优势。与此类似，一对TE-TM模的叠加也可以用一个LP模式代替。这样 就减少了场分量个数，可以使计算过程和结果都得到简化。
•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤
•阶跃折射率光纤（SIF） •渐变折射率光纤（GIF）
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•5.1.3 光纤的分•类5.1 光纤基本知识
•国际电信联盟（ITU-T）光纤标 准
名称 G. 651 G. 652 G. 653 G. 654 G. 655
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•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中
•导模截止要求W→的0，传此播时方程的本征值U趋近于截止频率Vc
•W→0
•。
•远离截止要求W→∞
•截止条件
•W→∞
•远离截止条件
•LP模式可以存在的数目
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•5.2.3 阶跃折射•率5光.2纤光中在的光传纤导波模导式中 的传播
类型 多模渐变型折射率光纤
非色散位移光纤 色散位移光纤 截止波长位移光纤 非零色散位移光纤
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•5.1.4 光纤的制•造5.1 光纤基本知识
•原料：SiO2 •要求： •①光纤原材料必须要高纯度的SiO2 •②制作过程中必须防止杂质污染和气泡混入 •③要准确控制制作尺寸，精度要达到1mm甚至更高 •④减小光纤表面损伤，提高其机械性能。 •⑤按要求控制好其折射率分布