光纤通信和系统设计总结PPT课件
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光纤的损耗
吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗 损耗系数：
＝ 1l0 g P 1d/K B m LP 2
色散
类型：模式色散、波长色散（材料色散、波导色散）、偏 振模色散（极化色散）
色散描述：
✓相速与群速 •相速（等相面）：vp 群速度（包络）： vg dd
•群延迟：
L
vg
dd L1L
•光脉冲展宽： T d d d d 2 2 L 2 L 2 2 c 2 L D L
上式表明：高斯脉冲经光纤传输后，仍保持为高斯脉冲，输 出脉宽（1/e强度半宽度）为T1：
T T 1 0 1C T 0 2 2z 2 T 2 0 2 z 2 12 1C L D 2 z L zD 2 12
式中：LD T02 2 --色散长度: 是距离z的归一化量度，在分 析色散效应随距离变化时极为方便
第二章 光纤的结构与导波特性
基本光学定义和定律百度文库 传播速度，反射现象（反射定律），折射现象 （折射(Shell)定律），全反射条件
光纤的结构和类型
结构：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面 的涂覆层
类型： 按模式分：多模、单模 ITU-T. G.652/G.653/G.655…
光纤中光的传播理论－光线理论
结论：
对于无啁啾脉冲C=0， 无论2符号如何，色散 将导致脉冲展宽
对于啁啾脉冲，脉冲的 展宽依赖于2和C的相 对符号2C>0，高斯脉 冲单调展宽；2C<0， 脉冲初始窄化，而后迅 速展宽。在距离Zmin时 达到最小宽度T1min
色散对系统的限制
•判据：系统对脉冲宽度的限制 B B--传输码率
导模条件 场的解
边界条件
模场分布
贝塞尔函数 特征方程 传输常数 场的解
单模光纤
单模条件和截止波长
单模条件 最低阶高次模（LP11, TE01, TM01,HE21）的截止条件
V2.4048
光纤只传输基模(HE11 或 LP01)
单模工作波长范围
V2.4048
c2a2.4n1204 n2 2822a.41n02 48
2
d 2 d 2
群速度色散（ps2/km)
D22c2
色散（ps/nm.km):单位长度群延迟差
色散设计：
波导色散特 性取决于光纤的 特性，如：芯径 a，相对折射率 差以及折射率分 布等，可以通过 改变光纤特性来 改变其色散特性
色散影响比较
Output Pulse
Dispersive Fiber
Polarization Mode Differential (disp. slope) Waveguide Material Graded index, intermodal Step Index, intermodal
T
色散限制
脉冲在光纤中传输距离z之后：
A (z,T )2 1 A ~ (0 , )ex j p T 2 22z d
高斯输入脉冲
•啁啾的高斯光脉冲
E0,tA 0exp 12jC T t02exj p0t
•慢变包络：A 0 ,t A 0 e x 1 p 2 jC T t0 2 A 0 e x 1 2 p T t0 2 e x j 2 C T p 0 2 t t
ω
•啁啾(chirp):
t
C T02
t
脉冲的不同部位对其中心 频率产生了不同的偏离量
t
啁啾（chirp）参量C：
C>0，从脉冲前沿到后沿瞬时频率线性增 脉冲宽度: 上啁啾或负啁啾
加上(负）啁啾），C<0，下（正）啁啾
•脉冲功率1/e强度点半宽: T0
•高斯脉冲功率:
A0,t2 A02expTt022
根据上述判据，有：
B2L 2 2c2 2 2 D
色散对系统的限制
2、宽光源谱宽系统（不可忽略） …. 3、 超高斯输入脉冲 ….
光纤的非线性特性
•基本概念 •受激光散射
光纤通信与系统设计
教学内容重点
第一章 概述
光纤通信系统的光波波谱
光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之 间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，
光纤通信系统的优点
容量大、损耗低、抗电磁干扰、保密性能好、体积小，
重量轻、原材料丰富
光纤通信系统组成
以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统。主要由 光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成
•脉冲功率半极大值全宽度或 半高全宽(FWHM):
T FW H2M (l2n )12T 01.66 T 0 5
经光纤传输距离Z后的输出脉冲宽度T1
A (z,T)T 0 2jA 2z0T 1 0jC 12ex p 2T 0 2 1 jj2z C 1 T 2jC
T 0 2jA 2z0T 1 0jC 12ex p 2T 0 2C T 0 2 2T z2 22z2 ex jp 2 C T 0 0 2 2 T C 2z2z 2 C 2 2z 2zT 2 2
研究表明，对于典型系统，当=0.491时，系统性能恶化量（功 率代价）为2dB
1、窄光源谱宽（忽略），高斯脉冲输入 0 T0 2
无啁啾脉冲（C=0），忽略高阶色散, 利用前式，有
2
T1
T02
2z
T0
脉冲展宽与初始脉宽有关，存在优化的初始脉宽使输出脉宽最小，
由
T1 T0有0：
T 0opt 2L, T 1opt 22L
截止波长
c
模场直径
模场半径与光纤芯径
w 0 .6 3 1 .6 3 V 3 3 2 6 1 .9V 6 6 ,1 8 .0 V 3 .0
a
模场直径(MFD) d2w
误差 < 0.02 !!!
高斯型场分布的1/e全宽度
V
w/a 场分布向芯区集中
有效面积： Aeff w2
第三章 光纤中的信号劣化
阶跃多模光纤： 数值孔径: N A(n12n22)1/2 n1 2
模间色散:
LTnc1si1nc 11cnn122
传输容量限制：
T1BLn2 c
B
n12
梯度多模光纤：…
光纤中光的传播理论－波导理论
光波导理论逻辑过程
Maxwell方程
k0n2k0n1
V参数
波动方程
波导方程式
V2 20a2 n12 n22
吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗 损耗系数：
＝ 1l0 g P 1d/K B m LP 2
色散
类型：模式色散、波长色散（材料色散、波导色散）、偏 振模色散（极化色散）
色散描述：
✓相速与群速 •相速（等相面）：vp 群速度（包络）： vg dd
•群延迟：
L
vg
dd L1L
•光脉冲展宽： T d d d d 2 2 L 2 L 2 2 c 2 L D L
上式表明：高斯脉冲经光纤传输后，仍保持为高斯脉冲，输 出脉宽（1/e强度半宽度）为T1：
T T 1 0 1C T 0 2 2z 2 T 2 0 2 z 2 12 1C L D 2 z L zD 2 12
式中：LD T02 2 --色散长度: 是距离z的归一化量度，在分 析色散效应随距离变化时极为方便
第二章 光纤的结构与导波特性
基本光学定义和定律百度文库 传播速度，反射现象（反射定律），折射现象 （折射(Shell)定律），全反射条件
光纤的结构和类型
结构：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面 的涂覆层
类型： 按模式分：多模、单模 ITU-T. G.652/G.653/G.655…
光纤中光的传播理论－光线理论
结论：
对于无啁啾脉冲C=0， 无论2符号如何，色散 将导致脉冲展宽
对于啁啾脉冲，脉冲的 展宽依赖于2和C的相 对符号2C>0，高斯脉 冲单调展宽；2C<0， 脉冲初始窄化，而后迅 速展宽。在距离Zmin时 达到最小宽度T1min
色散对系统的限制
•判据：系统对脉冲宽度的限制 B B--传输码率
导模条件 场的解
边界条件
模场分布
贝塞尔函数 特征方程 传输常数 场的解
单模光纤
单模条件和截止波长
单模条件 最低阶高次模（LP11, TE01, TM01,HE21）的截止条件
V2.4048
光纤只传输基模(HE11 或 LP01)
单模工作波长范围
V2.4048
c2a2.4n1204 n2 2822a.41n02 48
2
d 2 d 2
群速度色散（ps2/km)
D22c2
色散（ps/nm.km):单位长度群延迟差
色散设计：
波导色散特 性取决于光纤的 特性，如：芯径 a，相对折射率 差以及折射率分 布等，可以通过 改变光纤特性来 改变其色散特性
色散影响比较
Output Pulse
Dispersive Fiber
Polarization Mode Differential (disp. slope) Waveguide Material Graded index, intermodal Step Index, intermodal
T
色散限制
脉冲在光纤中传输距离z之后：
A (z,T )2 1 A ~ (0 , )ex j p T 2 22z d
高斯输入脉冲
•啁啾的高斯光脉冲
E0,tA 0exp 12jC T t02exj p0t
•慢变包络：A 0 ,t A 0 e x 1 p 2 jC T t0 2 A 0 e x 1 2 p T t0 2 e x j 2 C T p 0 2 t t
ω
•啁啾(chirp):
t
C T02
t
脉冲的不同部位对其中心 频率产生了不同的偏离量
t
啁啾（chirp）参量C：
C>0，从脉冲前沿到后沿瞬时频率线性增 脉冲宽度: 上啁啾或负啁啾
加上(负）啁啾），C<0，下（正）啁啾
•脉冲功率1/e强度点半宽: T0
•高斯脉冲功率:
A0,t2 A02expTt022
根据上述判据，有：
B2L 2 2c2 2 2 D
色散对系统的限制
2、宽光源谱宽系统（不可忽略） …. 3、 超高斯输入脉冲 ….
光纤的非线性特性
•基本概念 •受激光散射
光纤通信与系统设计
教学内容重点
第一章 概述
光纤通信系统的光波波谱
光纤通信的波谱在1.67×1014Hz～3.75×1014Hz之 间，即波长在0.8μm～1.8μm之间，属于红外波段，
光纤通信系统的优点
容量大、损耗低、抗电磁干扰、保密性能好、体积小，
重量轻、原材料丰富
光纤通信系统组成
以光纤为传输媒介、光波为载波的通信系统。主要由 光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成
•脉冲功率半极大值全宽度或 半高全宽(FWHM):
T FW H2M (l2n )12T 01.66 T 0 5
经光纤传输距离Z后的输出脉冲宽度T1
A (z,T)T 0 2jA 2z0T 1 0jC 12ex p 2T 0 2 1 jj2z C 1 T 2jC
T 0 2jA 2z0T 1 0jC 12ex p 2T 0 2C T 0 2 2T z2 22z2 ex jp 2 C T 0 0 2 2 T C 2z2z 2 C 2 2z 2zT 2 2
研究表明，对于典型系统，当=0.491时，系统性能恶化量（功 率代价）为2dB
1、窄光源谱宽（忽略），高斯脉冲输入 0 T0 2
无啁啾脉冲（C=0），忽略高阶色散, 利用前式，有
2
T1
T02
2z
T0
脉冲展宽与初始脉宽有关，存在优化的初始脉宽使输出脉宽最小，
由
T1 T0有0：
T 0opt 2L, T 1opt 22L
截止波长
c
模场直径
模场半径与光纤芯径
w 0 .6 3 1 .6 3 V 3 3 2 6 1 .9V 6 6 ,1 8 .0 V 3 .0
a
模场直径(MFD) d2w
误差 < 0.02 !!!
高斯型场分布的1/e全宽度
V
w/a 场分布向芯区集中
有效面积： Aeff w2
第三章 光纤中的信号劣化
阶跃多模光纤： 数值孔径: N A(n12n22)1/2 n1 2
模间色散:
LTnc1si1nc 11cnn122
传输容量限制：
T1BLn2 c
B
n12
梯度多模光纤：…
光纤中光的传播理论－波导理论
光波导理论逻辑过程
Maxwell方程
k0n2k0n1
V参数
波动方程
波导方程式
V2 20a2 n12 n22