多模光纤传输特性的数值分析
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多模光纤传输特性的数值分析
的作用。
图 2.1.a 光纤结构图 按照光纤截面上的折射率分布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)。在阶跃型光纤中光线 在芯部折线前进，模式的阶数越高，其芯包界面的入射角θ 越小，模在光纤中折 射的次数越多，传播路径越长。如图 2.1.a 所示，在满足全反射和相位一致的条 件下，由于纤芯是均匀的，各模式的传播速度一样，因此各导模到达终点所需要 的时延不同， 于是在高阶模和低阶模之间出现较大的时延差，不利于高码速脉冲 的传输。阶跃光纤不仅理论分析简单，而且结构简单，制造工艺也易于实现，但 是其模间时延差较大， 传输带宽只有几十 MHz· km， 已经逐渐被渐变型光纤取代。
Baidu Nhomakorabea-1-
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多模光纤传输特性的数值分析
第一章 绪论
计算机网络的广泛普及和快速发展,带动了基于网络的数据传输业务的快速 增长,对网络的传输速率的要求不断提高,在给传统的电信业务带来巨大冲击和挑 战的同时, 也为电信网的发展提供了新发机遇 , 对光纤通信提出了更高的要求 , 由 此,聚合物多模光纤(POF) 应用而生,聚合物光纤在过去的几十年中被广泛用于光 通信网络中的短距离和远距离传输介质中. 多模光纤顾名思义是指可以传输多个 模式的光纤,与电缆和石英光纤相比具有性价比优势,同时还兼有柔软 、抗弯曲、 耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便的优点,可望成为短距离通信的一种主要 媒质。 在光纤的传输特性参量中， 带宽、损耗和色散一直都是限制光纤通信系统的 信息容量和无中继传输距离的重要因素。对光纤的传输特性参量进行数值计算， 能够为光通信的仿真提供重要的设计参量， 这对验证方案的可行性以及系统的性 能具有重要的意义。 多传输特性的研究有渠道模式化的处理方法以及从瞬时脉冲 响应计算输入脉冲带宽的方法， 或者直接计算出频率响应的方法。在多模通道冲 击响应的定义基础之上， 我们引入了一种不同的方法，这种方法用于首尾衔接系 统的模型化和多模光纤的估值， 包括不同渠道模式下的光源。由于缺乏充足的测 量数据，所以在一定波长范围内，假设在每一波长上的功率转化响应一致。多模 光纤渠道任意光源下的最终响应可以通过光源冲击响应的卷积乘积得出， 并且能 够计算多模光纤渠道带宽的时域响应。 由于计算过程复杂且计算量大，我们借助 MATLAB 完成实验的计算和系统 仿真部分， MATLAB 语言是当今国际上科学界 (尤其是自动控制领域) 最具影 响力、也是最有活力的软件。因为语法筒单、易学、好写，并且有强大的运算及 绘图能力，使得我们的编程和计算过程清晰、准确。如何利用电脑应用软体来帮 助分析工程问题，将是我们毕业生往后所要学习的重点。如此，在我们踏出校园 就业时，就能练就一身好本事，以应付市场之需。 现在多模光纤的研究与开发进入了最新的一个活跃期， 长期以来多模光纤就 是 LAN 骨干链路的传输媒体，通信数据 LAN 一直在剧增，多模光纤波分复用 技术和新一代多模光纤的发展为 LAN 向 10Gb/s 以上的升级提供了确定的技术路 线。 局域网的发展为多模光纤提供了巨大的市场，多模光纤相对与传统通信介质 的技术和经济优势使其拥有更多的市场份额。不仅骨干布线需要多模光纤，而且 垂直和水平布线也多用多模光纤。 预计将来世界范围内的多模光纤需求量将会持 续、 稳定增加， 我国市场巨大， 国家相关部门和产业界密切注视多模光纤的发展， 不断促进技术改进和创新， 扩大国际市场份额。 经济发展靠的就是现代信息技术， 作为我们即将融入社会的毕业生， 都应该为了我们国家的富强而努力学好现代信 息技术的理论与技术。
2.1.2 多模光纤的特点
多模光纤大量用于数据局域网（LAN） ，在保证其优异的几何结构、均匀性的 基础上，多模光纤可以支持以太网、令牌环、FDDI 和快速千兆比特以太网。多 模光纤系统不仅能够满足当前网络需求，而且可以实现无缝网络升级。 多模光纤的主要优点有； （1）高带宽、低衰减、具有长距离无误码传输的能力 （2）易于升级、处理、安装和测试 （3）抗干扰能力强、不串扰、保密性和可靠性高 （4）长期经济效益较好、成本低 多模光纤以其技术和经济优势在世界光纤市场中占据了较大的市场份额， 但 其模间色散较大， 这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严 重，适用于短距离通信，一般只有几公里。
2.1.3 多模光纤的结构和工作原理
光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体， 如图 2.1.a 所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。核心部分是纤芯和包层，其 中纤芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤 芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光 纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤 不受水汽的侵蚀相机械的擦伤， 同时又增加光纤的柔韧性， 起着延长光纤寿命
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多模光纤传输特性的数值分析
纤的带宽大约提高两个数量级到 1000MHz·km 以上。
图 2.1.c 渐变型多模光纤中各模式的光线轨迹
2.2.1 多模光纤的传输特性
光纤的特性有很多，基本上可以分为几何尺寸特性、光学特性、传输特性、 机械特性和温度特性五类。几何尺寸特性包括光纤的包层直径、芯径、偏心度和 椭圆度等；光学特性主要包括折射率分布、数值孔径和截止波长；传输特性主要 指光纤的损耗特性、色散和带宽特性。其中，最主要的就是光纤的传输特性。在 光纤的传输特性参量中， 损耗和色散一直是限制光纤通信系统信息容量和无中继 传输距离的两个重要因素。 光纤放大器的实用化基本解决了光纤的损耗问题，然 而色散特性仍然是限制系统特性的重要因素。同时，对光纤的其他传输特性参量 包括归一化传播常量和模场直径的研究， 能够为光通信系统的设计提供重要的设 计参量。
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多模光纤传输特性的数值分析
第二章多模光纤概述
2.1.1
多模光纤简介
1971～1980 年，是多模光纤的研发期。其中特别重要的是，开发了通过微分 模时延测量结果的分析来优化预制棒工艺，提高多模光纤带宽的关键技术，进行 了多模光纤通信系统现场试验，建立了 50／125 m 梯度多模光纤，工业标准 50 m-MMF 投入规模生产。1981～1995 年，是多模光纤实用化并不断增加新品种的发 展期。国际上纷纷利用 50m-MMF 建立了实用化的干线光纤通信系统。5Om—MMF 转向数据传输领域，主要用于局域网(LAN)。1996～2002 年，多模光纤的研发进 入一个新的活跃期，预计该活跃期将持续到 20lO 年。在此期间，LAN 系统向 Gb ／s 以上的超高速率发展。IEEE 于 1998 年 6 月通过了千兆比特以太网标准 2002 年 6 月刚刚通过了 10Gb／s 以太网标准。光纤通信是以光为载体，以光导纤维作 为传输媒介的通信方式。多模光纤（Multi Mode Fiber）顾名思义是指可以传输 多个模式的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。多模光纤的 主要用途就是建设数据通信局域网，中心玻璃芯较粗(50 或 62.5μ m)，可传多种 模式的光，几乎只在距离不到 1KM 的楼宇中应用。当今多模光纤在 LAN 方面最 新的技术发展就是波分复用技术，这可以使以太网的容量提高 1-2 个数量级，随 着数据量的急剧扩展，新一代多模光纤的发展将以新的姿态展现在世人面前。
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目
录
第一章 绪论..................................................................... 1 第二章 多模光纤的概述........................................................... 2 2.1.1 多模光纤简介 ....................................................... 3 2.1.2 多模光纤的特点 ..................................................... 3 2.1.3 多模光纤的结构和工作原理 ........................................... 3 2.2.1 多模光纤传输特性. ..................................................... 5 2.2.2 损耗特性 ............................................................ 6 2.2.3 色散特性 ............................................. 错误！未定义书签。 2.2.4 带宽特性............................................. 错误！未定义书签。 第三章 多模光纤的时频响应特性 .................................. 错误！未定义书签。 3.1 理论基础和计算方法 ................................................... 3 3.2 数值计算结果 ......................................................... 3 3.3 结论和分析.......................................... 错误！未定义书签。 第四章 多模光纤的关键技术和前景展望 ............................ 错误！未定义书签。 4.1 多模光钎的关键技术 ................................................... 3 4.2 多模光纤的应用前景 ................................................... 3 总 结........................................................ 致 谢......................................................... 参考文献....................................................... 附录........................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。
图 2.1.b 阶跃型多模光纤中各模式的光线轨迹 对于渐变型多模光纤，不仅要满足全反射条件，还要满足相位一直条件。 这样渐变型光纤中也只存在有限个离散的传导模。在渐变型多模光纤中，光线 是蜿曲蛇行传播的，模式的阶数越低，光线轨迹越靠近光纤轴线弯曲传播。而 高阶模则远离光纤中心轴弯曲先进，如图 2.1.b 所示。在渐变型多模光纤中， 低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光 线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小， 该处光线的传播速度越快。这样，高低次模间的时延差就得到了补偿。选择合 适的折射率分布，可使这种时延差减小到理想的程度，从而可以实现高速信号 的传输。这种近似为抛物线分布的折射率使模间时延差极大地减小，从而使光
2.2.2 损耗特性
光纤的传输损耗是光纤的主要特性，损耗决定了光纤长度有限，光纤通信 是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，至今光纤损耗已经降到了 0.5Db/km， 损耗主要分为吸收损耗、 散射损耗和弯曲损耗。吸收损耗是由制造光纤材料本身 以及其中的过度金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗， 前者是 由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗，以紫外吸收损耗和红外吸 收损耗两种形式存在。除此以外，吸收损耗还包括，杂质吸收损耗和原子缺陷吸 收损耗，其中杂质吸收损耗是指杂质离子在光纤传输的电磁场的作用下产生振 动，吸收一部分光能，引起损耗，由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、 钒、 铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸 收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可 以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于 1dB/km，必 须将金属的含量减小到 以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。 目前，光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子的振动，基波振动在 2.73μ m 波
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图 2.1.a 光纤结构图 按照光纤截面上的折射率分布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)。在阶跃型光纤中光线 在芯部折线前进，模式的阶数越高，其芯包界面的入射角θ 越小，模在光纤中折 射的次数越多，传播路径越长。如图 2.1.a 所示，在满足全反射和相位一致的条 件下，由于纤芯是均匀的，各模式的传播速度一样，因此各导模到达终点所需要 的时延不同， 于是在高阶模和低阶模之间出现较大的时延差，不利于高码速脉冲 的传输。阶跃光纤不仅理论分析简单，而且结构简单，制造工艺也易于实现，但 是其模间时延差较大， 传输带宽只有几十 MHz· km， 已经逐渐被渐变型光纤取代。
Baidu Nhomakorabea-1-
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多模光纤传输特性的数值分析
第一章 绪论
计算机网络的广泛普及和快速发展,带动了基于网络的数据传输业务的快速 增长,对网络的传输速率的要求不断提高,在给传统的电信业务带来巨大冲击和挑 战的同时, 也为电信网的发展提供了新发机遇 , 对光纤通信提出了更高的要求 , 由 此,聚合物多模光纤(POF) 应用而生,聚合物光纤在过去的几十年中被广泛用于光 通信网络中的短距离和远距离传输介质中. 多模光纤顾名思义是指可以传输多个 模式的光纤,与电缆和石英光纤相比具有性价比优势,同时还兼有柔软 、抗弯曲、 耐震动、抗辐射、价格便宜、施工方便的优点,可望成为短距离通信的一种主要 媒质。 在光纤的传输特性参量中， 带宽、损耗和色散一直都是限制光纤通信系统的 信息容量和无中继传输距离的重要因素。对光纤的传输特性参量进行数值计算， 能够为光通信的仿真提供重要的设计参量， 这对验证方案的可行性以及系统的性 能具有重要的意义。 多传输特性的研究有渠道模式化的处理方法以及从瞬时脉冲 响应计算输入脉冲带宽的方法， 或者直接计算出频率响应的方法。在多模通道冲 击响应的定义基础之上， 我们引入了一种不同的方法，这种方法用于首尾衔接系 统的模型化和多模光纤的估值， 包括不同渠道模式下的光源。由于缺乏充足的测 量数据，所以在一定波长范围内，假设在每一波长上的功率转化响应一致。多模 光纤渠道任意光源下的最终响应可以通过光源冲击响应的卷积乘积得出， 并且能 够计算多模光纤渠道带宽的时域响应。 由于计算过程复杂且计算量大，我们借助 MATLAB 完成实验的计算和系统 仿真部分， MATLAB 语言是当今国际上科学界 (尤其是自动控制领域) 最具影 响力、也是最有活力的软件。因为语法筒单、易学、好写，并且有强大的运算及 绘图能力，使得我们的编程和计算过程清晰、准确。如何利用电脑应用软体来帮 助分析工程问题，将是我们毕业生往后所要学习的重点。如此，在我们踏出校园 就业时，就能练就一身好本事，以应付市场之需。 现在多模光纤的研究与开发进入了最新的一个活跃期， 长期以来多模光纤就 是 LAN 骨干链路的传输媒体，通信数据 LAN 一直在剧增，多模光纤波分复用 技术和新一代多模光纤的发展为 LAN 向 10Gb/s 以上的升级提供了确定的技术路 线。 局域网的发展为多模光纤提供了巨大的市场，多模光纤相对与传统通信介质 的技术和经济优势使其拥有更多的市场份额。不仅骨干布线需要多模光纤，而且 垂直和水平布线也多用多模光纤。 预计将来世界范围内的多模光纤需求量将会持 续、 稳定增加， 我国市场巨大， 国家相关部门和产业界密切注视多模光纤的发展， 不断促进技术改进和创新， 扩大国际市场份额。 经济发展靠的就是现代信息技术， 作为我们即将融入社会的毕业生， 都应该为了我们国家的富强而努力学好现代信 息技术的理论与技术。
2.1.2 多模光纤的特点
多模光纤大量用于数据局域网（LAN） ，在保证其优异的几何结构、均匀性的 基础上，多模光纤可以支持以太网、令牌环、FDDI 和快速千兆比特以太网。多 模光纤系统不仅能够满足当前网络需求，而且可以实现无缝网络升级。 多模光纤的主要优点有； （1）高带宽、低衰减、具有长距离无误码传输的能力 （2）易于升级、处理、安装和测试 （3）抗干扰能力强、不串扰、保密性和可靠性高 （4）长期经济效益较好、成本低 多模光纤以其技术和经济优势在世界光纤市场中占据了较大的市场份额， 但 其模间色散较大， 这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严 重，适用于短距离通信，一般只有几公里。
2.1.3 多模光纤的结构和工作原理
光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体， 如图 2.1.a 所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。核心部分是纤芯和包层，其 中纤芯由高度透明的材料制成， 是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤 芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光 纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤 不受水汽的侵蚀相机械的擦伤， 同时又增加光纤的柔韧性， 起着延长光纤寿命
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多模光纤传输特性的数值分析
纤的带宽大约提高两个数量级到 1000MHz·km 以上。
图 2.1.c 渐变型多模光纤中各模式的光线轨迹
2.2.1 多模光纤的传输特性
光纤的特性有很多，基本上可以分为几何尺寸特性、光学特性、传输特性、 机械特性和温度特性五类。几何尺寸特性包括光纤的包层直径、芯径、偏心度和 椭圆度等；光学特性主要包括折射率分布、数值孔径和截止波长；传输特性主要 指光纤的损耗特性、色散和带宽特性。其中，最主要的就是光纤的传输特性。在 光纤的传输特性参量中， 损耗和色散一直是限制光纤通信系统信息容量和无中继 传输距离的两个重要因素。 光纤放大器的实用化基本解决了光纤的损耗问题，然 而色散特性仍然是限制系统特性的重要因素。同时，对光纤的其他传输特性参量 包括归一化传播常量和模场直径的研究， 能够为光通信系统的设计提供重要的设 计参量。
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第二章多模光纤概述
2.1.1
多模光纤简介
1971～1980 年，是多模光纤的研发期。其中特别重要的是，开发了通过微分 模时延测量结果的分析来优化预制棒工艺，提高多模光纤带宽的关键技术，进行 了多模光纤通信系统现场试验，建立了 50／125 m 梯度多模光纤，工业标准 50 m-MMF 投入规模生产。1981～1995 年，是多模光纤实用化并不断增加新品种的发 展期。国际上纷纷利用 50m-MMF 建立了实用化的干线光纤通信系统。5Om—MMF 转向数据传输领域，主要用于局域网(LAN)。1996～2002 年，多模光纤的研发进 入一个新的活跃期，预计该活跃期将持续到 20lO 年。在此期间，LAN 系统向 Gb ／s 以上的超高速率发展。IEEE 于 1998 年 6 月通过了千兆比特以太网标准 2002 年 6 月刚刚通过了 10Gb／s 以太网标准。光纤通信是以光为载体，以光导纤维作 为传输媒介的通信方式。多模光纤（Multi Mode Fiber）顾名思义是指可以传输 多个模式的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。多模光纤的 主要用途就是建设数据通信局域网，中心玻璃芯较粗(50 或 62.5μ m)，可传多种 模式的光，几乎只在距离不到 1KM 的楼宇中应用。当今多模光纤在 LAN 方面最 新的技术发展就是波分复用技术，这可以使以太网的容量提高 1-2 个数量级，随 着数据量的急剧扩展，新一代多模光纤的发展将以新的姿态展现在世人面前。
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多模光纤传输特性的数值分析
目
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第一章 绪论..................................................................... 1 第二章 多模光纤的概述........................................................... 2 2.1.1 多模光纤简介 ....................................................... 3 2.1.2 多模光纤的特点 ..................................................... 3 2.1.3 多模光纤的结构和工作原理 ........................................... 3 2.2.1 多模光纤传输特性. ..................................................... 5 2.2.2 损耗特性 ............................................................ 6 2.2.3 色散特性 ............................................. 错误！未定义书签。 2.2.4 带宽特性............................................. 错误！未定义书签。 第三章 多模光纤的时频响应特性 .................................. 错误！未定义书签。 3.1 理论基础和计算方法 ................................................... 3 3.2 数值计算结果 ......................................................... 3 3.3 结论和分析.......................................... 错误！未定义书签。 第四章 多模光纤的关键技术和前景展望 ............................ 错误！未定义书签。 4.1 多模光钎的关键技术 ................................................... 3 4.2 多模光纤的应用前景 ................................................... 3 总 结........................................................ 致 谢......................................................... 参考文献....................................................... 附录........................................................... 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。
图 2.1.b 阶跃型多模光纤中各模式的光线轨迹 对于渐变型多模光纤，不仅要满足全反射条件，还要满足相位一直条件。 这样渐变型光纤中也只存在有限个离散的传导模。在渐变型多模光纤中，光线 是蜿曲蛇行传播的，模式的阶数越低，光线轨迹越靠近光纤轴线弯曲传播。而 高阶模则远离光纤中心轴弯曲先进，如图 2.1.b 所示。在渐变型多模光纤中， 低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光 线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小， 该处光线的传播速度越快。这样，高低次模间的时延差就得到了补偿。选择合 适的折射率分布，可使这种时延差减小到理想的程度，从而可以实现高速信号 的传输。这种近似为抛物线分布的折射率使模间时延差极大地减小，从而使光
2.2.2 损耗特性
光纤的传输损耗是光纤的主要特性，损耗决定了光纤长度有限，光纤通信 是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，至今光纤损耗已经降到了 0.5Db/km， 损耗主要分为吸收损耗、 散射损耗和弯曲损耗。吸收损耗是由制造光纤材料本身 以及其中的过度金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗， 前者是 由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗，以紫外吸收损耗和红外吸 收损耗两种形式存在。除此以外，吸收损耗还包括，杂质吸收损耗和原子缺陷吸 收损耗，其中杂质吸收损耗是指杂质离子在光纤传输的电磁场的作用下产生振 动，吸收一部分光能，引起损耗，由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、 钒、 铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸 收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可 以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于 1dB/km，必 须将金属的含量减小到 以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。 目前，光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子的振动，基波振动在 2.73μ m 波