光纤通信系统第二讲光信号的传输特性(第一部分)(精)

渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值 逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。 入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变 化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传 播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端， 降低模间色散。

2. 渐变光纤
光纤通信系统
第二章 光信号的传输特性 （第一部分）
王翀
cw72@xupt.edu.cn
光信息科学与技术专业 西安邮电学院光电子技术系
光 纤
驱动电路 调制器 光源 光电二 极管 光纤 放大器 判决器
中继器 光纤
第二章 光信号的传输特性

光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和 色散，当信号强度较高时还存在非线性。
多模光纤 2a=50 m 单模光纤 2a=4~10 m 外径： 2b=125m


模场直径MFD
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常 用模场直径2w，即光 斑尺寸表示，近似为：
1. 阶跃光纤
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core cladding Low-order Mode (shorter path)
所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内。
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的 途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速 度传播，但到达光纤输出端的时间却不同， 出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。 模间色散
优化设计的渐变光纤，其BL积达约 10(Gb/s).km，比阶跃光纤提高了3个数量级。
第一代光波系统就是使用的渐变光纤。 单模光纤能进一步提高BL积，需要采用电磁导波 和模式理论来讨论。
• 归一化频率V：
确定传输模式的参数。可 由波动方程导出。
V k0 a n n
2 1


2 12 2

(2 )an1 2
包层 芯
树脂被覆层

特点：ncore>nclad 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。
根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：
不同的折射率分布，传输特性完全不同
1. 阶跃光纤
-数值孔径(NA)
代表光纤接收光的本领
（示意图，比例不符） c i
n0
n1 n2
2 2 NA n0 sin i n1 n2
1. 阶跃光纤
c பைடு நூலகம்i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
2 n1 L L n1 T L c sin c c n2
-传输容量限制: T 1 BL n2 c 2 B n1
B--信号比特率
1. 阶跃光纤
-传输容量限制:
k0
2.1.2 光纤的分类(1)
按照光纤传输模式的多少分： 单模光纤
多模光纤
按照光纤截面折射率分布分： 阶跃型光纤
梯度型光纤(多模光纤) 双包层（W型） 三角分布--色散位移光纤(DSF G.653),非零 色散位移光纤(NZ-DSF G.655)
2.1.2 光纤的分类(2)

1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在 1.55 m处)
－－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的 革命，开创了光纤通信的时代。
2.1.1 光纤的结构

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
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
W a 0.69 1.1619 V
3 2
2.879 V
6
•三种主要类型光纤的比较
n2 c BL 2 n1
对于无包层的特殊光纤，n1=1.5，n2=1.0(空气)， =0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km 减小值，BL能提高很多。一般<0.01。 当=0.002时，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率 传输10km，适用于一些局域网。
2. 渐变光纤
a为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。

参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果 V<2.405，则它只容纳单模——单模光纤。
模式: 每一个传输常 数对应着一种可能 的光场分布--模式
•模式
一个模式是由它的传播常数唯一确定的.由可 引入一个很有用的量. •模折射率（有效折射率）： n •单模光纤的截止波长： 使得V=2.405时的光波长.
n1 sin c n2 sin 900 n2 cos c 1 n2 n1
n0 sin i n1 cos c
2
相对折射率差
2 n12 n2 n1 n2 2 2n1 n1
NA n1 2
1
2
n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，c--芯包界面全反射临界角


在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特 性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
第二章 光信号的传输特性
2.1 光纤概述
2.2 光纤的损耗特性
2.3 光纤的色散特性及色散限制
2.4 光纤中的非线性光学效应
2.1 光纤概述

60年代，光纤损耗超过1000dB/km 1970年出现突破，光纤损耗降低到约 20dB/km (1m附近波长区)
ITU-T标准光纤
G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移光纤(DSF) G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF),产品： 康宁LEAF；长飞：大保实
特种光纤:
保偏光纤（PMF） 色散补偿光纤（DCF） 掺铒光纤（EDF）等
光纤的种类

光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传 播的模的数量不同