1-光纤的基本性质

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 ϕc = arcsin n1
2 sin θ max = n1 sin(90o − ϕc） n12 − n2 = 2 NA = n12 − n2
多 模 阶 跃 折 射 率 光 纤 的 最 大 群 时 延 差
L −L sin φ c Ln 1 n1 − n 2 Ln 1 ∆ ∆τ d = = ⋅ ≈ c c n2 c n1
光纤的损耗谱
（2）色散（Dispersion) 色散（
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 φ c Ln 1 ∆ ∆τ d = ≈
c n1 c
模内色散 （intramodal dispersion）
缆芯结构
层 绞 式
骨 架 式
大 束 管 式
带 式
密集型光缆
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）
2012-2-14
北京邮电大学顾畹仪
16
放大器补偿损耗
自聚焦光纤中的光射线： 自聚焦光纤中的光射线：子午线
1 2 2 5 4 4 n(r ) = n0 sec h(α r ) = n0 (1 − α r + α r + ⋅⋅⋅) 2 24
α=
2∆ a
上式可近似为抛物线分布
自聚焦光纤中的光射线： 自聚焦光纤中的光射线：偏射线
螺旋线应满足的条件： 螺旋线应满足的条件： dr =0 dz 折射率分布应为
第1.1节 光纤的基本性质 1.1节
光纤的结构、 光纤的结构、分类和光的传输 光纤的传输性质 光纤类型的发展演变
1. 2. 3.
1、光纤的结构、分类和光的传输 、光纤的结构、
(1) (2)
光纤的基本结构：纤芯，包层， 光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷层 石英光纤的基本类型和光的传输
多模光纤: 阶跃折射率（ 多模光纤 阶跃折射率（Step-Index Fiber） ） 渐变折射率（ 渐变折射率（ Graded-Index Fiber） ） 单模光纤
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， 对近轴光线， 2 dz a n
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∆ ) ] + r0′ [(2∆) 2 ] 1 a a (2∆) 2
λ
（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
色散参数 D =（dτ/dλ）/ L （ps/nm•km） τ 是群时延
20 10 DM 0 -10 -20 -30 DW Dtotal
λZD
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Wavelength (µm) µ
3、光纤类型的发展演变 、
多模光纤 常规单模光纤 (SMF), G.652
零色散点在 1310nm 在1.55 um波段D(λ) = 17 ps/nm-km ，若传输速率在 10 Gbps 或更 高，需要色散补偿
1 1 n ( r ) = n0 [1 + (α r ) 2 ] 2 2 1 3 = n0 [1 − (α r ) 2 + (α r ) 4 − ⋅ ⋅ ⋅] 2 8
也可近似为抛物线分布
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 求解波动方程 圆柱坐标系) 圆柱坐标系
NZDSF光纤的 光纤的 一种折射率分布
光子晶体光纤－PCF 光子晶体光纤－
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
光子晶体光纤 (PCF)
GLS glass Polymer
产生损耗的因素
absorption) 材料的吸收损耗 (Material absorption) 本征吸收: SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 a. 本征吸收 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 scattering) 散射损耗 (scattering) a. 瑞利散射（Rayleigh Silica） 瑞利散射（ Silica） 分子热骚动→ 折射率在微观上的随机起伏→ 光散射 ~ 1/λ4 波导散射（ Scattering） b. 波导散射（Wavequide Scattering） 微弯损耗
2
∇ 2ψ + k 2ψ = 0
1 ∂ ∂ψ 1 ∂ 2ψ ∂ 2ψ ∇ ψ = (r )+ 2 + 2 r ∂r ∂r r ∂φ ∂z 2
代入边界条件, 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. 纤芯中应为振荡解 包层中为衰减解 r = a处, Eφ和Hφ应连续 处 分析各种导模的场型和性质 单模传输条件: 单模传输条件 V < 2.405， 基模 11 ， 基模HE 2π a 归一化频率 V= n12 − n2 2
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 统
非零色散位移光纤(NZDF), G.655 非零色散位移光纤
在1.55um窗口 D(λ) = 1 ~ 4 ps/nm-km ，抑制FWM, 支持高速率传 输
EDFA Distributed Raman amplifier
EDFA , RA , or EDFA + RA
频谱反转技术实现色散补偿
相位共 轭器
(1) Fiber Attenuation
第一窗口
a
第二窗口
第三窗口
c b
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d e
Corning SMF-28 光纤的损耗
损耗(dB)的定义和计算
P0 表示入纤功率，P ( L)表示传输距离 L 后的功率即出射功率. 在光纤中， 功率的下降表示为 : P ( L) = P0 e −αL . 定义 : α ( L) = 10 P log 0 α (dB / km) L P( L) Example of dB : dB = 10 log P2 / P 1 power ratio 10 N dB 10 2 1 0 0.5 −3 0.1 − 10 + 10 N + 10 + 3
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（ 纯石英芯子光纤（PSCF） ） 大有效面积（110µm2 ），低损耗 (0.17dB/km) 光子晶体光纤
DSF光纤的色散谱和折射率分布 光纤的色散谱和折射率分布
涂敷层 包层
φ
(3) 光缆的基本结构
Core
纤芯
包层 涂敷层
光纤的结构、 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 r≥a
2 NA = sin θ max = n12 − n2
子午光线和斜射线
多模渐变折射率光纤中光射线
折射率分布
r g n(r ) = n0 [1 − ∆( ) ] a = n0
n0 − na ∆ = n0
rpa r≥a
射线方程 对近轴子午光线
r d dr ( n ) = ∇n ds ds
d r 1 dn = 2 dz n dr
材料色散（ 材料色散（Dm）： 波导色散（ 波导色散（Dw）
偏振模色散： 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。 模内色散。 模内色散
单模光纤的色散谱
30
Dispersion [ps/(km⋅nm)] ⋅
即 : − 3dB / km意谓着光传输1km后功率下降为50% 3dB意谓功率增长一倍。
低损耗窗口: 低损耗窗口 0.85 mm (< 2.5dB/km) ;1.3 mm (< 0.4dB/km); 1.55mm (< 0.2dB/km)
Definition of dBm
Optical power levels referenced to 1mW are exp ressed in units of dBm. P (mW ) P (dBm) = 10 log 1mW Examples : 0dBm = 1mW ; − 10dBm = 100 µW ; 10dBm = 10mW ; 20dBm = 100mW ; − 20dBm = 10 µW ; − 30dBm = 1µW .