《光纖通信技術(shù)》課件

《《光纖通信技術(shù)》課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《光纖通信技術(shù)》課件（101頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第5章 光纖通信系統(tǒng),光電子技術(shù)基礎(chǔ),厚德博學(xué) 求實創(chuàng)新,學(xué)習(xí)目標(biāo),掌握光纖通信的原理 掌握光纖的相關(guān)參數(shù)，光纖中損耗和色散的相關(guān)知識 常見的光通信器件的基本原理、特性和使用 光纖通信系統(tǒng)中復(fù)用技術(shù)的原理、方法和實際應(yīng)用 了解光纖通信系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)范以及光纖的制備方法,學(xué)習(xí)要求,熟悉光纖的參數(shù)、分類等基本知識 熟悉幾何光學(xué)分析光信號在光纖中傳輸?shù)南嚓P(guān)結(jié)論 熟悉波動理論分析光信號在光纖中傳輸?shù)南嚓P(guān)結(jié)論 掌握光纖的損耗及色散的分析、計算、測量、補償以及其他相關(guān)應(yīng)用。 熟悉常見光通信器件的原理、特性以及它們在光纖通信系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。,引言,光纖通信系統(tǒng)是目前世界通信系統(tǒng)的主要模式，比以前的電纜通信

2、系統(tǒng)無論從性能還是成本上都有極大優(yōu)勢。正是光纖用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)，才使得我們能夠成功構(gòu)建今天高速、多元化的信息社會,本章內(nèi)容,5.1 光纖基本知識 5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播 5.3 光纖的損耗與色散 5.4 光通信器件,5.1 光纖基本知識,5.1.1 光纖的發(fā)明和發(fā)展,1870 庭達(dá)爾 光導(dǎo)纖維 高錕 低損耗光纖的可能性 美國康寧公司 20db/km的光纖 此后光纖通信系統(tǒng)進(jìn)入快速發(fā)展,光纖是光導(dǎo)纖維（optical fiber）的簡寫，是一種利用光介質(zhì)分界面上可能發(fā)生全反射的原理傳輸光能的工具。,5.1 光纖基本知識,5.1.1 光纖的發(fā)明和發(fā)展,光纖的優(yōu)點,頻

3、帶寬，傳輸容量大。 損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，損耗受溫度影響小，同時在部分頻段內(nèi)損耗和頻率無關(guān)，無須引入均衡器。 重量輕，體積小，不易受到電磁干擾，且安全性、保真性都遠(yuǎn)好于電纜。 成本低，生產(chǎn)光纖的原料石英來源廣泛，儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅和鋁等金屬材料，價格上要便宜得多。,5.1 光纖基本知識,5.1.1 光纖的發(fā)明和發(fā)展,光纖的應(yīng)用,通信系統(tǒng) 光纖傳感器。 醫(yī)學(xué)照明、內(nèi)窺。 裝飾,5.1 光纖基本知識,5.1.2 光纖的基本工作原理和結(jié)構(gòu),n1,n2,原理：全反射 結(jié)構(gòu)：纖芯，包層，套層。,n1 n2,5.1 光纖基本知識,5.1.3 光纖的分類,按用途：通信用光纖、非通信用光纖。 按材料：石英光纖、全塑

4、光纖。 按傳輸模式：單模光纖和多模光纖。 按傳輸窗口：常規(guī)型單模光纖、色散位移型單模光纖(DSF)、非零色散位移光纖。 按、剖面折射率分布：階躍折射率光纖、漸變折射率光纖。,5.1 光纖基本知識,5.1.3 光纖的分類,單模光纖和多模光纖,多模光纖中可以有多種模式的光信號傳播，但是模間色散大，隨著傳輸距離增大，帶寬會減小，因此普通多模光纖不適用與長距離傳播。 單模光纖中只有一個模式的光傳播，模間色散小，適合遠(yuǎn)程通信線路。,5.1 光纖基本知識,5.1.3 光纖的分類,階躍折射率光纖和漸變折射率光纖,階躍折射率光纖（SIF）,,漸變折射率光纖（GIF）,,,5.1 光纖基本知識,5.1.3 光纖

5、的分類,國際電信聯(lián)盟（ITU-T）光纖標(biāo)準(zhǔn),5.1 光纖基本知識,5.1.4 光纖的制造,原料：SiO2,要求：,光纖原材料必須要高純度的SiO2 制作過程中必須防止雜質(zhì)污染和氣泡混入 要準(zhǔn)確控制制作尺寸，精度要達(dá)到1mm甚至更高 減小光纖表面損傷，提高其機械性能。 按要求控制好其折射率分布,5.1 光纖基本知識,5.1.4 光纖的制造,制造光纖的方法很多，目前主要有：改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法(MCVD)、等離子體化學(xué)汽相沉積法(PCVD)、管外汽相沉積法(OVD)和軸向汽相沉積法(VAD)。但不論用哪一種方法，都要先在高溫下做成預(yù)制棒，然后在高溫爐中加溫軟化，拉成長絲，再進(jìn)行涂覆、套塑，成為光纖芯

6、線。,5.1 光纖基本知識,5.1.4 光纖的制造,改進(jìn)化學(xué)汽相沉積法(MCVD),5.1 光纖基本知識,5.1.4 光纖的制造,管外汽相沉積法(OVD),5.1 光纖基本知識,5.1.4 光纖的制造,軸向汽相沉積法(VAD),5.1 光纖基本知識,5.1.4 光纖的制造,拉絲工藝,一般包層直徑約為125mm，第一次涂敷后直徑約為250 mm，第二次涂敷后約為900 mm，最后纏繞到卷盤上 。,最后光纖應(yīng)用時還要做成光纜 。,5.1 光纖基本知識,5.1.5 光纖通信系統(tǒng),5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.1光纖原理的幾何光學(xué)描述,,斯涅爾定律,全反射條件,,,取空氣折射率為n0=1，那么

7、入射角的最大值為,ia：收光角,,：數(shù)值孔徑,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.1光纖原理的幾何光學(xué)描述,,,,,數(shù)值孔徑,,,相對折射率差,,對于階躍折射率光纖,數(shù)值孔徑NA是光纖的重要參數(shù)，它描述的光纖收光的能力。數(shù)值孔徑較大的光纖可以耦合較大范圍入射角的光，即使是像LED這樣的光源發(fā)出的發(fā)散光也可以被耦合到其中傳播。同時數(shù)值孔徑較大的光纖還使得光纖在彎曲的時候能傳播更大范圍的光。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.1光纖原理的幾何光學(xué)描述,如果有太多不同角度的光線在光纖中傳播，由于不同光線走的路徑不一樣，而纖芯折射率又處處相同，這會導(dǎo)致不同角度入射的光線傳播到終點的時間不一致，這

8、就造成了輸入光脈沖的展寬，這就是多模光纖的模間色散。如果光脈沖被展寬，相鄰光脈沖之間就會產(chǎn)生交疊，在交疊區(qū)會發(fā)生干涉。一旦交疊區(qū)較大，干涉效應(yīng)會使得相鄰的兩個脈沖不可分辨，這樣信號就會發(fā)生失真。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.1光纖原理的幾何光學(xué)描述,光脈沖展寬Dt可以用光經(jīng)過最長距離和最短距離的時間差來估計。,,L為光纖長度,信號的帶寬B可以用光脈沖展寬的倒數(shù)來表示,,傳播距離越長，帶寬會越來越小。因此，階躍折射率光纖不適合于長距離的多模信號傳輸。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.1光纖原理的幾何光學(xué)描述,,,為了解決多模階躍折射率光纖中模間色散的問題，人們發(fā)明了漸變折射率光纖

9、(GIF)。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,,,光纖中傳播的電磁波滿足麥克斯韋方程,,,,,E是電場強度，H是磁場強度，D是電位移，B是磁感應(yīng)強度,,,,,,波動方程,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,時空變量分離,波動方程既包含時間的導(dǎo)數(shù)又包含空間的導(dǎo)數(shù)，不方便求解，因此必須對其進(jìn)行時間空間變量分離。,,,,,,,稱為波數(shù)或電磁波在光纖中的傳播常數(shù),,稱為真空中的傳播常數(shù),5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,亥姆霍茲方程,根據(jù)麥克斯韋方程，可以用z方向的場分量來表示其他和z垂直的方向的場分量。這樣只需要計算z方向的兩個

10、場分量Ez和Hz就可以完全唯一的確定整個場分布,,,,,,,,,得到柱坐標(biāo)下z分量滿足的方程,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,將電磁場的z分量進(jìn)行變量分離,,,,,,,,,,,,,可得到關(guān)于場分量Ez(r,f)和Hz(r,f) 橫向模式的波動方程,當(dāng)r大于線性半徑a時，n取包層折射率，當(dāng)r小于纖芯半徑a時，n取纖芯折射率。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,,,,,,,,,,,,,幾個關(guān)鍵參數(shù),縱向傳播常數(shù)b是z方向的波矢分量的大小，即z方向傳播常數(shù)。它描述電磁波傳播中相位在z軸方向單位長度上的變化大小，也就是相位相等的面在z方向的空間變化頻率

11、。b對應(yīng)光纖中傳播的模式 。,橫向傳播常數(shù)k是和z垂直的方向上波矢分量的大小,,表示纖芯中橫向場的振蕩頻率,描述包層中消逝波的衰減速度,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,,,,,,,,,,,,,幾個關(guān)鍵參數(shù),,,,,歸一化頻率,歸一化頻率V是一個無量綱的量，也稱為V數(shù)，是包含了光纖各項參數(shù)的重要參量,歸一化頻率V越大表示在光纖中允許存在的模式就越多,光纖中允許存在的模式數(shù)量近似為,,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光纖中的電磁波,,,,,,,,,,,,,幾個關(guān)鍵參數(shù),,,,,歸一化傳播常數(shù)b,,,b=0對應(yīng)模式截止,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.2 光

12、纖中的電磁波,,,,,,,,,,,,,波動方程的解,,,,,,,為了討論方便，根據(jù)波動方程的解中Ez和Hz是否等于0，可以將模式分為以下四種： 橫電磁模（TEM）：Ez=Hz=0。 橫電模（TE）與橫磁模（TM）：僅Ez=0，稱為橫電模；僅Hz=0，稱為橫磁模。 混合模（EH或HE）：Ez和Hz都不等于0，磁場貢獻(xiàn)為主稱為HE，電場貢獻(xiàn)為主稱為EH。 線偏振模（LP）：也稱為標(biāo)量模，這并不是光纖中傳播的真實模式，而是為了在弱導(dǎo)近似下簡化分析而提出的。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,貝塞爾方程,,,,,,,根據(jù)圓對稱性將r和f變量分

13、離,,,,,當(dāng)r大于線性半徑a時，n取包層折射率，當(dāng)r小于纖芯半徑a時，n取纖芯折射率。,得到貝塞爾方程,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,貝塞爾方程的解,,,,,,,,,,,在纖芯中選擇m階貝塞爾函數(shù)Jm(r)為波動方程的通解，在包層中選擇m階漢克函數(shù)Km(r)為波動方程的通解,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,貝塞爾方程的解,,,,,,,,,,,,,,,電磁場z分量通解,貝塞爾方程通解,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,

14、,,,,弱導(dǎo)近似,,,,,,,,,,,,,,,注意，LP模式并不是真實存在的模式。然而在弱導(dǎo)近似下，一對HE-EH模的傳播常數(shù)非常接近，它們是近似簡并的。因此它們疊加起來可以用一個線性偏振的模式LP模式替代，而不去區(qū)分其中電場和磁場哪個占優(yōu)勢。與此類似，一對TE-TM模的疊加也可以用一個LP模式代替。這樣就減少了場分量個數(shù)，可以使計算過程和結(jié)果都得到簡化。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

15、,,在弱導(dǎo)近似下，根據(jù)纖芯和包層分界面上（r=a）的連續(xù)性條件可以得到LP模式的本征值方程,,求解上述本征值方程，就可以得到本征值U，進(jìn)而算出b，將它們都表示成歸一化頻率V的函數(shù)。這樣就可以看出傳導(dǎo)的模式與波長以及光纖各項參數(shù)的關(guān)系 。,式中取正和負(fù)是完全等價的,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,導(dǎo)模截止要求W0，此時方程的本征值U趨近于截止頻率Vc,,W0,,,,截止條件,遠(yuǎn)離截止要求W,W,,,,,。,LP模式可以存在的數(shù)目,遠(yuǎn)離截止條件,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳

16、導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,LP16,17模的光強分布圖,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.3 階躍折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單模條件,只有基模LP01,,對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共ㄩL,,對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.4 漸變折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,a取值越大，越接近與階躍折射率光纖。如果a，就變成了階躍折射率光纖。a=2的時候，也就是纖

17、芯折射率按拋物線分布的時候，模間色散最小。一般如果不專門說明，漸變折射率光纖多指纖芯折射率按拋物線分布的光纖。,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.4 漸變折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,根據(jù)WKB方法可以得到，對于a=2的，即折射率拋物線分布的光纖，傳播常數(shù)為,,折射率拋物線分布的光纖中可以傳播的模式數(shù)目為,,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.4 漸變折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,漸變折射率光纖單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率,,對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模

18、傳輸?shù)慕刂共ㄩL,,對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.4 漸變折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,漸變折射率光纖單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率,,對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共ㄩL,,對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?,5.2 光在光纖波導(dǎo)中的傳播,5.2.4 漸變折射率光纖中的傳導(dǎo)模式,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,漸變折射率光纖單模傳輸?shù)臍w一化截止頻率,,對于確定纖芯直徑和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂共?/p>

19、長,,對于確定工作波長和折射率的光纖，單模傳輸?shù)慕刂钩叽?,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光纖通信系統(tǒng)中，光纖線路的長度通常會受到信號功率過小以及信號波形發(fā)生畸變的限制。這主要就是光纖中的損耗和色散兩個重要特性的影響。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.1 光纖中的損耗,損耗：光信號在光纖中傳播的時候會由于光纖自身的原因而造成信號功率隨傳播距離的衰減。,產(chǎn)生：光纖線路內(nèi)部、光纖間的連接處、各個器件的連接處等地方,影響：損耗將會決定信號的無中

20、繼傳播最大距離。,危害：如果信號衰減到一定程度，接收機將無法檢測到信號。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.1 光纖中的損耗,損耗系數(shù)：表示光纖中光信號傳播1公里衰減的分貝數(shù),,損耗系數(shù)a的單位是dB/km。,光纖通信系統(tǒng)中也經(jīng)常用dBm（分貝米）為單位來表示光功率，它和mW（毫瓦）的換算公式為：,,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.1 光纖中的損耗,光纖中的損耗和光纖的工作波長有關(guān),,,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,

21、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.1 光纖中的損耗,光纖中的損耗和光纖的工作波長有關(guān),,,光纖中的損耗的來源：材料的吸收和散射以及光纖的彎曲等幾何效應(yīng),5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.2 吸收損耗,,,本征吸收：根據(jù)量子力學(xué)，任何物質(zhì)都會對某些特定波長的電磁波有明顯的吸收，這種吸收反映材料自身的物質(zhì)特性，通常稱為本征吸收。,石英光纖,電子躍遷：紫外,Si-O鍵振動：紅外,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3

22、.2 吸收損耗,,,非本征吸收：光纖中由于存在雜質(zhì)離子和原子缺陷，就會產(chǎn)生非本征吸收。非本征吸收損耗是在光纖通信波段的吸收損耗的主要因素。,1. OH離子雜質(zhì)影響：OH離子的吸收損耗是光纖中損耗的最主要因素，三個吸收峰：1.38mm，1.23mm和0.95mm。三個光纖通信波段窗口的中心波長1.55mm，1.3mm和0.85mm正好是OH離子在光纖通信波段的三個吸收谷。,2.原子缺陷吸收：主要是光纖中的中子和電子在電磁波輻射下照成的，對于塑料光纖，比較明顯。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.3 散射損耗,,,分子

23、隨機振動使得玻璃的密度分布是不均勻的，從而是的光纖折射率分布不均勻。這種不均勻的尺度并不是宏觀尺度的，而是在光的波長尺度的。這就好像在均勻的光纖中隨機的摻入了一些小顆粒。光遇到這些“顆?！钡臅r候就會被散射，從造成能量損失。,這種散射損耗是固有的，是不可避免的，是光纖損耗的最終限制因素。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.3 散射損耗,,,瑞利散射：線性散射，散射光頻率不變。常溫下的常用光纖通信系統(tǒng)中，主要考慮瑞利散射的損耗。瑞利散射的強度和波長的四次方成反比。,瑞利散射是損耗的最終極限，對于給定材料，無論如何改進(jìn)工

24、藝不可能制造出比這個損耗值更低的光纖。,非線性散射：受激拉曼散射和受激布里淵散射，僅當(dāng)傳輸?shù)墓夤β蚀笥谀骋婚撝祷蛘邷囟群艿偷臅r候才表現(xiàn)出來。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.4 外部損耗,,,彎曲損耗主要包括宏觀和微觀兩種。宏觀彎曲損耗主要是光纖在實際應(yīng)用中纏繞、曲折造成的損耗以及不同曲率半徑彎曲的過渡時模式耦合帶來的損耗。微觀損耗主要是涂敷包層和成纜的時候引起光纖微觀形變而帶來的損耗。,除了彎曲等幾何效應(yīng)外，光纖與光纖的連接點，光纖與光器件的連接，光源與光纖的耦合等地方都會帶來損耗。,5.3 光纖的損耗與色散,

25、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.5 光纖通信波段,,,0.85mm為中心,1.3mm為中心,1.55mm為中心,利用脫水等工藝可以降低OH離子濃度，使得光纖在1.26mm 1.675mm波段之間都可以用于通信，這樣的光纖稱為全波光纖。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.5 光纖通信波段,,,國際電信聯(lián)盟（ITU）的波段劃分標(biāo)準(zhǔn),,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.6 光纖中損耗的測

26、量,,,,首先用探測器測量整卷光纖的輸出功率P1。然后從該卷光纖想截下一小段（2m左右），在同樣輸入條件下測量該段光纖的輸出功率P0。由于截下的一段很短，損耗可以忽略，P0可以認(rèn)為就是輸入功率。這樣根據(jù)定義就可以測得該卷光纖的損耗。這種方法很直接，而且精度高，但是缺點是對光纖進(jìn)行了破壞，而且只適合不是很長的光纖。,截斷法,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.6 光纖中損耗的測量,,,,插入法,先選擇一段和待測線路光纖一樣的光纖，測量好其輸出功率P0，作為輸入功率。然后將它接入到待測系統(tǒng)中測量輸出功率P1作為總的輸出功

27、率，這樣根據(jù)公式就可以測得光纖的損耗。用這種方法測量光纖損耗的時候要注意減去將小段光纖接入線路是的連接器的損耗。這種方法優(yōu)點是測量方便，適合實際線路中實時測量。但是由于連接處的損耗通常不準(zhǔn)確，所以導(dǎo)致最終測量結(jié)果沒有截斷法準(zhǔn)確。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.6 光纖中損耗的測量,,,,背向散射法,向光纖中注入大功率的窄脈沖，由于光纖中處處都存在瑞利散射，所以各點的背向瑞利散射形成一個連續(xù)的回波信號，這樣就可以在同一端接受回波信號，進(jìn)行分析得到光纖中的損耗信息。背向散射法就可以測量光纖線路中損耗的詳細(xì)信息，而且

28、只需要在光纖一端進(jìn)行，不需要破壞線路，重復(fù)性較好。此外，這種方法還可以測量光纖連接點的損耗以及光纖中缺陷斷裂的位置。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,在光纖通信系統(tǒng)中，有時候雖然損耗低光信號功率大，但是信號波形會發(fā)生嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致無法還原成原始信號，這樣即使功率再大也是沒有意義的。造成這種現(xiàn)象的一個重要原因就是光纖的色散。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,色散是指光纖中不同頻率或不同模

29、式的成分在傳播過程中到達(dá)終點的時間不一致，在數(shù)字系統(tǒng)中使得光脈沖展寬，產(chǎn)生誤碼。由于色散，光脈沖被展寬，相鄰的脈沖之間發(fā)生交疊就會引起誤碼。,光纖中的色散主要包括材料色散，波導(dǎo)色散和模間色散。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,和之前講過的模間色散類似，通常用群延時差來表示光纖中的色散,群速度：光脈沖的軸向運動速度為,,群延時：光脈沖經(jīng)過單位軸向距離所用的時間,,其中b為軸線傳播常數(shù)，k0=2p/l0是真空中的傳播常數(shù)，l0是光源的波長。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,

30、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,,在單模光纖中，由于只有基模傳輸，所以沒有模間色散。,材料色散：不同波長的光在纖芯中折射率不一樣，因此軸傳播常數(shù)b不一樣，造成群延時差。 波導(dǎo)色散：不同波長的光橫向傳播參數(shù)U和W不一樣，進(jìn)而影響b，造成群延時差。,,,,,,,,材料色散,波導(dǎo)色散,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,,,,,,材料色散引起的單位長度上脈沖展寬,,波導(dǎo)色散引起的單位長度上脈沖展寬,,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,

31、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,,,,,,,零材料色散（ZMD）點的實際位置會隨摻雜情況的變化而變化，一般都會在1.2mm-1.4mm之間的某個位置。因此，一般來說在光纖通信系統(tǒng)中使用1.3mm的工作波長可以減小材料色散影響。但此時波導(dǎo)色散仍然存在，總色散不為零。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.7 光纖中的色散,,,,,,,,,,在波長為1.3mm附近材料色散和波導(dǎo)色散為負(fù)剛好正負(fù)抵消。對于1.3mm-1.7mm間的任何工作波長，都可以通過合理設(shè)計光纖

32、的參數(shù)，使得該工作波長處總色散接近與0。這就是色散位移光纖的原理 。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.8 常用單模光纖,,,,,,,,,,根據(jù)工作在不同的通信波段以及相應(yīng)的損耗和色散情況，常用單模光纖主要有常規(guī)單模光纖、色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖和色散補償光纖幾種。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.8 常用單模光纖,,,,,,,,,,常規(guī)單模光纖的零色散波長在1.3mm附近，最低損耗在1.55mm附近。ITU-T建

33、議的G.652和G.654光纖都是常規(guī)單模光纖。但是常規(guī)單模光纖在1.55mm附近，具有較高的正色散。,色散位移光纖（DSF）：通過改變光纖的尺寸、折射率分布、參雜等參數(shù)，可以增大1.55mm附近的波導(dǎo)色散大小，從而使得1.55mm附近波導(dǎo)色散和材料色散抵消，零色散波長就移到了1.55mm，同時實現(xiàn)低損耗和零色散。ITU-T建議的G.653光纖就是色散位移光纖。使用色散位移光纖配合光放大器可以實現(xiàn)超長距離的傳輸。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.8 常用單模光纖,,,,,,,,,,非零色散位移光纖（NZDSF）就

34、是通過改變折射率分布，使得零色散波長在1.53mm 1.565mm 之間，但1.55mm處色散不是剛好為零，而是某個很小的值。ITU-T建議的G.655光纖就是非零色散位移光纖。在C波段上，非零色散位移光纖具有很低的損耗和色散，同時可以有效抑制非線性效應(yīng)，可采用波分復(fù)用技術(shù)和摻鉺光纖放大器實現(xiàn)大容量長距離的傳輸。,當(dāng)色散位移光纖中傳輸多波長光信號再采用放大器的時候，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的四波混頻非線性效應(yīng)，不適合波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的使用。,5.3 光纖的損耗與色散,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.3.8 常用單模光纖,,,,,,,,,,色散平坦光

35、纖（DFF）：這是通過設(shè)計纖芯和包層的折射率分布來實現(xiàn)全波段（1.3mm 1.6mm）的低色散,色散補償光纖（DCF）：通過加入一段光纖來抵消原本線路的色散。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,在光纖通信系統(tǒng)中，光源是用于產(chǎn)生載波的。電信號被調(diào)制到光源發(fā)出的光上面，光攜帶著這些信息在光纖內(nèi)傳輸，從而實現(xiàn)信息的傳播。發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）是光纖通信系統(tǒng)中最常見的兩種光源。,尺寸小，容易和光纖尺寸匹配耦合。 功耗低且工作穩(wěn)定。 發(fā)光的波長處于光纖低損耗波段，線寬窄色散小。 線性

36、好，易于調(diào)制,優(yōu)點,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,半導(dǎo)體激光器LD發(fā)光的原理是受激輻射，只有注入電流大于閾值電流It的時候才會發(fā)出激光。,優(yōu)點：發(fā)光的線寬非常窄且發(fā)射功率大，色散小，可以用于長距離傳輸。,缺點：閾值電流對溫度敏感，影響線性特性，需要做溫度反饋控制。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,LD的調(diào)制,數(shù)字調(diào)制,模擬調(diào)制,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

37、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,LD和光纖耦合,半導(dǎo)體激光器常用于單模光纖，單模光纖的數(shù)值孔徑非常小，同時激光器輸出光場和光纖輸出光場又不匹配，所以如果將半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光高效率的耦合到光纖中效率會很低，必須使用透鏡或透鏡組提高耦合效率。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,發(fā)光二極管LED工作的基本原理是自發(fā)輻射，發(fā)出的光是非相干光。,缺點：線寬較大，功率較小，發(fā)散角大，耦合效率低，因此不利于長距離高帶寬的傳輸。 優(yōu)點：線性度比半導(dǎo)體激光器好，而且

38、不容易受到溫度影響，便于調(diào)制；同時LED的功耗低，成本低，且壽命遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體激光器。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,LED的調(diào)制,LED是非閾值器件，不需要偏置電流。,數(shù)字調(diào)制,模擬調(diào)制,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,,,,,,,LED和光纖耦合,球端面尾纖設(shè)計,微透鏡設(shè)計,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.1 光源,,,,

39、,,,,,,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.2 光探測器,,,,,,,,,,在光發(fā)射端電信號被調(diào)制到光載波中，然后在光纖中傳播。然而接收端最終需要將很快速的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后進(jìn)行處理這就需要用到光探測器。,光纖通信系統(tǒng)中常用的光探測器是半導(dǎo)體光探測器，其工作原理是半導(dǎo)體光電效應(yīng)。常見的半導(dǎo)體光探測器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。,APD的靈敏度高，適用于長距離通信系統(tǒng)。 PIN光電二極管成本低，對溫度不敏感，響應(yīng)速度和APD幾乎沒有差別，所以中短距離系統(tǒng)中實際應(yīng)用中PIN更受歡迎。,5.4 光通信

40、器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.2 光探測器,,,,,,,,,,實際應(yīng)用中要根據(jù)傳播距離、光功率、工作波長以及成本等綜合因素來選擇使用PIN還是APD。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,光纖通信系統(tǒng)中，損耗是不可能絕對消除的。隨著傳播距離的增大，如果不對信號進(jìn)行放大，信號就會衰減到低于光探測器的靈敏度，從而導(dǎo)致波形失真或誤碼率上升。,早期光通信系統(tǒng)中的放大是通過中繼器來實現(xiàn)的。中繼器的工作模式是：先將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再對電

41、信號進(jìn)行放大，最后將放大的電信號再轉(zhuǎn)化為光信號輸出。,缺點：只能適用于單一波長的短距離系統(tǒng)，對于多波長，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，成本高。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,光放大器不需要進(jìn)行多次光電和電光轉(zhuǎn)化，而直接對的光信號放大，而且是多波長同時放大。,原理：受激輻射和受激散射。,光放大器和激光器的區(qū)別在與正反饋的量不同。激光器正反饋較大，要在諧振腔內(nèi)振蕩，最后輸出激光；而光放大器的正反饋小或沒有，需要抑制振蕩，最終只有光信號放大，沒有相干光的輸出。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,

42、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,光放大器主要有兩種，一種是半導(dǎo)體光放大器，一種是光纖放大器。半導(dǎo)體光放大器（SOA）實際上就是一個沒有反饋機制的半導(dǎo)體激光器，原理和半導(dǎo)體激光器一致。光纖放大器有兩種，一種是非線性光纖放大器，以拉曼光放大器（SRA）為代表；一種是參稀土光纖放大器，以摻鉺光纖放大器（EDFA）為代表，這是現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的光放大器。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,摻鉺光纖放大器（EDFA）的工作原理

43、,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,影響EDFA效率的一個重要因素就是受激吸收。現(xiàn)代EDFA的泵浦光源一般是980nm或1480nm，不容易造成受激吸收。,EDFA的增益是指輸出功率和輸入功率的比例。由于增益飽和效應(yīng)的存在，使得EDFA的輸出和輸入之間不是簡單的正比關(guān)系，而是會存在一個極限的輸出功率。,EDFA中的噪聲來源主要是自發(fā)輻射。EDFA的噪聲用噪聲系數(shù)來衡量，它就是輸入信號信噪比和輸出信號信噪比的比例。,通常，EDFA的增益大于30dB，噪聲系數(shù)約5dB，輸出功率約14dBm以上

44、，17dBm以內(nèi)。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,EDFA系統(tǒng)組成：摻鉺光纖、泵浦光源、光耦合器、光隔離器。,同相泵浦,反相泵浦,雙相泵浦,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,EDFA優(yōu)點： 工作于1550nm波段，低損耗。 可以在1550nm附近30nm內(nèi)同時實現(xiàn)多波長的光信號放大。 本身就是一段光纖很容易加入到線路中。,EDFA是光纖通信系統(tǒng)，尤其是波分復(fù)用系統(tǒng)中常用的光放大器，

45、既可以作為功率放大器，也可以作為線路放大器和前置放大器。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.3 光放大器,,,,,,,,,,EDFA缺點： 工作波段并不是特別寬。 工作范圍內(nèi)增益不平坦，需要使用特殊的技術(shù)使其增益平坦才能用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 不具備波形調(diào)整功能，而傳統(tǒng)的光電中繼器具有此功能。因此實際線路中需要將EFDA和光電中繼器配合使用。,摻稀土光纖放大器除了EDFA外，還有工作于1300nm的摻鐠光纖放大器（PDFA）以及工作于1400nm的摻銩光纖放大器（TDFA）。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,

46、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,,連接器的必要性： 光纖制造商通常只會制造有限長度規(guī)格的光纖，因此在長達(dá)幾km的的線路中，必須要將很多段光纖連接起來。 采用中等長度的光纖在穿過管道、架空等方面也有優(yōu)勢。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,,連接損耗的來源： 兩段光纖的錯位、端面不平整、連接處端面分離等相對位置因素都會使得一段光纖輸出的光不能全部被另一段光纖接收。 兩段光纖的直徑和數(shù)值孔徑不同也會引起損耗。這

47、種損耗是單向的，從直徑小或數(shù)值孔徑小的光纖到直徑大或數(shù)值孔徑大的光纖沒有這種損耗，反過來就有這種損耗。,從大數(shù)值孔徑光纖到小數(shù)值孔徑光纖引起的損耗為,,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,,,光纖的連接通常有永久連接和非永久連接兩種方式。,永久連接是指通過熔接、粘連、套管連接等方式使兩段光纖形成永久的固定連接。,光纖熔接機示意圖,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,

48、,,非永久連接是指通過活動連接器將光纖連接起來，根據(jù)需要可以不破壞系統(tǒng)隨時斷開和恢復(fù)連接。,活動連接器應(yīng)該滿足以下要求： 1、插入損耗?。ú怀^0.5dB）； 2、性能穩(wěn)定，插拔重復(fù)性好（插拔5000次損耗增量不超過0.2dB）； 3、安裝使用方便； 4、強度高，環(huán)境適應(yīng)性好，壽命長，成本低； 5、有較大的回波損耗（不小于25dB），以防止連接器反射光對光源的影響。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,,,由于插入損耗和反射損耗的影響，使用活動光纖連接器總損耗要大于永久連接。但是

49、活動光纖連接器使用方便，可以隨時斷開和連接，這是永久連接做不到的。,精密對接式：利用連接器高精度的幾何設(shè)計來確保光纖準(zhǔn)確對接。 透鏡擴(kuò)束式：利用透鏡的準(zhǔn)直與聚焦作用來連接兩根光纖。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,,,ST型連接器,BC型連接器,透鏡擴(kuò)束式連接器,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.4 光纖連接器和光纖耦合器,,,,,,,,,,,光纖耦合器是一種無源器件，其主要功能是實現(xiàn)將光信號由一路向多

50、路傳送或者將M路光信號先合并再像N路分配傳播。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.5 其他光通信器件,,,,,,,,,,,光濾波器是一種波長選擇器件。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，每個接收機就是靠光濾波器來選擇所需的信道。光濾波器有固定波長濾波器和可調(diào)諧濾波器兩種。固定波長濾波器利用的是平行薄膜干涉，和增透膜增反膜的原理類似，它只能允許一種波長的光信號通過?？烧{(diào)諧濾波器可以調(diào)整允許光信號通過的波段，常見的可調(diào)諧光濾波器有光纖法布里-帕羅濾波器和馬赫-澤德干涉濾波器。,5.4 光通信器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

51、,,,,,,,,,,,,,,,,,5.4.5 其他光通信器件,,,,,,,,,,,光隔離器是一種只允許光單方向通過的期間。由于激光器、光放大器等器件對于來自連接器、熔接點等地方的反射光很敏感，反射光容易造成這些器件的性能惡化，因此這些的輸出段經(jīng)常需要配備光隔離器以阻止反射光的影響。,光環(huán)行器實際上就是一種多輸出端口的光隔離器。它可以使輸入光信號只能從指定端口輸出。,本章小結(jié),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,光纖通信系統(tǒng)是目前世界通信系統(tǒng)的主要模式，本章主要介紹光纖通信系統(tǒng)的相關(guān)知識。 首先介紹光纖的基本原理和背景知識，然后分別從幾何光學(xué)以及波動光學(xué)的角度詳細(xì)闡述使用光纖傳播光信號的原理，并且進(jìn)一步討論光纖參數(shù)的知識，尤其是關(guān)于光纖中損耗和色散的分析、計算、測量、補償以及應(yīng)用的相關(guān)問題。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步詳細(xì)介紹光纖通信系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)規(guī)范，常見光通信器件的原理、特性以及它們在光纖通信系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。,