光纖光學(xué)基礎(chǔ)知識-liangfeng

1、Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纖及光通信技術(shù)簡介光纖及光通信技術(shù)簡介梁鋒梁鋒2004-04Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.電磁波譜的劃分電磁波譜的劃分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（自由空間波長（m）電力、電話電力、電話無線電、電視無線電、電視微波微波

2、紅外紅外可見光可見光雙鉸線雙鉸線同軸電纜同軸電纜光纖光纖衛(wèi)星衛(wèi)星/微波微波AM無線電無線電FM無線電無線電頻段頻段劃分劃分傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)頻率頻率 HzShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光通信光通信用光波載運信息，實現(xiàn)通信用光波載運信息，實現(xiàn)通信光纖通信光纖通信以光波載運信息，用光纖作傳輸媒體，實現(xiàn)通信以光波載運信息，用光纖作傳輸媒體，實現(xiàn)通信n光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 頻帶寬、信息容量大頻帶寬、信息容量大 傳輸損耗低、無中繼距離遠(yuǎn)傳輸損耗低、無中繼距離遠(yuǎn) 材料豐富材料豐富 抗電磁干擾抗電磁干擾 光纖間串話小，

3、保密性好光纖間串話小，保密性好 耐腐蝕、耐高壓耐腐蝕、耐高壓 體積小、質(zhì)量輕體積小、質(zhì)量輕Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)纖纖 芯芯包包 層層涂敷層涂敷層護(hù)護(hù) 套套單模光纖內(nèi)徑：單模光纖內(nèi)徑：8.2m多模光纖內(nèi)徑：多模光纖內(nèi)徑：50/62.5m外徑：外徑：125m尺寸規(guī)格：尺寸規(guī)格：Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.菲涅耳定律：菲涅耳定律：n1sin1=n2sin2結(jié)論：若要實現(xiàn)全反射，則必須有結(jié)論：若要實現(xiàn)全反射，則

4、必須有n1n2n2n1n1n221n1n2n1n212Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.nnnNA212221max=arcsin(NA)n1n2入射出射纖芯Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc. 可見，光纖的數(shù)值孔徑（可見，光纖的數(shù)值孔徑（NA）僅取決于纖）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差，芯的折射率的大小及包層相對折射率差，而與光纖的直徑無關(guān)。而與光纖的直徑無關(guān)。 標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的NA公稱值一般為公稱值一般為0.

5、2，對應(yīng)，對應(yīng)的孔徑角約為的孔徑角約為11.5。 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的NA公稱值一般為公稱值一般為0.10.15，對應(yīng)的孔徑角約為對應(yīng)的孔徑角約為5.78.6。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纖的損耗：光纖的損耗：造成光纖衰減的主要因素有：造成光纖衰減的主要因素有： 本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對接等。不均勻和對接等。本征：本征： 是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。等。彎曲：彎曲： 光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉

6、，光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成的損耗。造成的損耗。擠壓：擠壓： 光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。光纖受到擠壓時產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。雜質(zhì)：雜質(zhì)： 光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。的損失。不均勻：不均勻： 光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。對接：對接： 光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸光纖對接時產(chǎn)生的損耗，如：不同軸( (單模光纖同單模光纖同軸度要求小于軸度要求小于0.8m)0.8m)，端面與軸心不垂直，端面不平，端面與軸心不垂直，端面不平，對接芯徑不匹配和熔接質(zhì)量差等

7、。對接芯徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纖的色散特性光纖的色散引起傳輸信號的畸變，使通訊光纖的色散引起傳輸信號的畸變，使通訊質(zhì)量下降，從而限制了通信容量和通信距質(zhì)量下降，從而限制了通信容量和通信距離。離。光纖的色散可分為以下幾類：光纖的色散可分為以下幾類：材料色散材料色散波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散模式色散模式色散偏振色散偏振色散Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纖的色散特性1模式色散又稱模間色散 光纖的模式色散只存在

8、于多模光纖中。每一種模式到達(dá)光纖終端的時間先后不同，造成了脈沖的展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。 2材料色散 含有不同波長的光脈沖通過光纖傳輸時，光纖對不同波長的電磁波會有不同的折射率，導(dǎo)致傳輸速度不同，就會引起脈沖展寬，導(dǎo)致色散。 3波導(dǎo)色散又稱結(jié)構(gòu)色散 它是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，其中光纖的橫截面積尺寸起主要作用。光在光纖中通過纖芯與包層界面時，受全反射作用，被限制在纖芯中傳播。但是，如果橫向尺寸沿光纖軸發(fā)生波動，除導(dǎo)致模式間的模式變換外，還有可能引起一少部分高頻率的光線進(jìn)入包層，在包層中傳輸，而包層的折射率低、傳播速度大，這就會引起光脈沖展寬，從而導(dǎo)致色散。 Shanghai FOCI Fi

9、ber Optic Communications Equipments, Inc.光纖的色散特性4、偏振模色散（PMD） 單模光纖只能傳輸一種基模的光。基模實際上是由兩個偏振方向相互正交的模場HE11x和HE11y所組成。若單模光纖存在著不圓度、微彎力、應(yīng)力等，HE11x和HE11y存在相位差，則合成光場是一個方向和瞬時幅度隨時間變化的非線性偏振，就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即x和y方向的折射率不同。因傳播速度不等，模場的偏振方向?qū)⒀毓饫w的傳播方向隨機(jī)變化，從而會在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振色散。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc

10、.光纖的色散特性多模光纖：模式色散、波導(dǎo)色散、和材料色散，以模式色散為主單模光纖：材料色散、波導(dǎo)色散，以材料色散為主。偏振色散是單模光纖所特有。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光纖技術(shù)發(fā)展的趨勢一些普通器件的介紹Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.全波光纖全波光纖1998年，美國朗訊公司研制了一種新的光纖制造技術(shù)，它能消除光纖玻璃中的OH離子，從而使光纖損耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被“壓平”了，從而使光纖在128016

11、25nm的全部波長范圍內(nèi)都可以用于光通信。全波光纖在城域網(wǎng)建設(shè)中將會大有作為。從網(wǎng)絡(luò)運營商的角度來考慮，有了全波光纖，就可以采用粗波分復(fù)用技術(shù)，取其信道間隔為20nm左右，這時仍可為網(wǎng)絡(luò)提供較大的帶寬，而與此同時，對濾波器和激光器性能要求卻大為降低，這就大大降低了網(wǎng)絡(luò)運營商的建設(shè)成本。全波光纖的出現(xiàn)使多種光通信業(yè)務(wù)有了更大的靈活性，由于有很寬的波帶可供通信之用，我們就可將全波光纖的波帶劃分成不同通信業(yè)務(wù)段而分別使用。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.Shanghai FOCI Fiber Optic Communi

12、cations Equipments, Inc.聚合物光纖聚合物光纖 目前通信的主干線已實現(xiàn)了以石英光纖為基質(zhì)的通信,但是，在接入網(wǎng)和光纖入戶(FTTH)工程中，石英光纖卻遇到了較大的困難。由于石英光纖的纖芯很細(xì)（610m），光纖的耦合和互接都面臨技術(shù)困難，因為需要高精度的對準(zhǔn)技術(shù)，因此對于距離短、接點多的接入網(wǎng)用戶是一個難題。而聚合物光纖（polymer optical fiber，POF）由于其芯徑大（0.21.5mm），故可以使用廉價而又簡單的注塑連接器，并且其韌性和可撓性均較好，數(shù)值孔徑大，可以使用廉價的激光源，在可見光區(qū)有低損耗的窗口，適用于接入網(wǎng)。聚合物光纖是目前FTTH工程中最有

13、希望的傳輸介質(zhì)。聚合物光纖分為多模階躍型SI-POF和多模漸變型GI-POF兩大類，由于SI POF存在嚴(yán)重的模式色散,傳輸帶寬與對絞銅線相似,限制在5MHz以內(nèi)，即便在很短的通信距離內(nèi)也不能滿足FDDI、SDH、B-ISDN的通信標(biāo)準(zhǔn)要求，而GI POF纖芯的折射率分布呈拋物線，因此模式色散大大降低，信號傳輸?shù)膸捲?00m內(nèi)可達(dá)2.5Gbps以上，近年來，GI POF已成為POF研究的主要方向。最近，N.Tanio從理論上預(yù)測了無定形全氟聚丁烯乙烯基醚在1300nm處的理論損耗極限為0.3dB/km，在500nm處的損耗可低至0.15dB/km，這完全可以和石英光纖的損耗相比擬。G.Gio

14、rgio等人報道了100m全氟GI POF的數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)到11Gbps。因此，GI POF有可能成為接入網(wǎng)，用戶網(wǎng)等的理想傳輸介質(zhì)。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.光子晶體光纖光子晶體光纖 光子晶體光纖（photonic crystal fiber，PCF）是由ST.J.Russell等人于1992年提出的。對石英光纖來說，PCF的結(jié)構(gòu)特點是在其中間沿軸向均勻排列空氣孔，這樣從光纖端面看，就存在一個二維周期性的結(jié)構(gòu)，如果其中一個孔遭到破壞和缺失，則會出現(xiàn)缺陷，利用這個缺陷，光就能夠在其中傳播。PCF與普通單模

15、光纖不同，由于它是由周期性排列空氣孔的單一石英材料構(gòu)成，所以有中空光纖（holey fiber）或微結(jié)構(gòu)光纖（micro-structured fiber）之稱。PCF具有特殊的色散和非線性特性，在光通信領(lǐng)域?qū)袕V泛的應(yīng)用。PCF引人注目的一個特點是，結(jié)構(gòu)合理，具備在所有波長上都支持單模傳輸?shù)哪芰?，即所謂的“無休止單?！碧匦裕╡ndlessly single-mode），這個特性已經(jīng)有了很好的理論解釋。這需要滿足空氣孔足夠小的條件，空氣孔徑與孔間距之比必須不大于0.2?？諝饪纵^大的PCF將會與普通光纖一樣，在短波長區(qū)會出現(xiàn)多模現(xiàn)象。PCF的另一個特點是它具有奇異的色散特性?，F(xiàn)在人們已經(jīng)在PC

16、F中成功產(chǎn)生了850nm光孤子，預(yù)計將來波長還可以降低。PCF在未來超寬WDM的平坦色散補償中可能扮演重要角色。世界領(lǐng)先的PCF產(chǎn)品商業(yè)化的公司丹麥Crystal Fiber A/S最近推出了新的光子晶體光纖產(chǎn)品系列。一種是中空的“空氣波導(dǎo)光子能帶隙晶體光纖”（air-guiding Photonic Bandgap Fiber），此晶體光纖的纖芯是中空的，利用空氣作為波導(dǎo)，使光可以在特殊的能帶隙中傳輸。Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.Shanghai FOCI Fiber Optic Communication

17、s Equipments, Inc.光纖通信系統(tǒng)方框圖光纖通信系統(tǒng)方框圖單信道全光中繼數(shù)字通信單信道全光中繼數(shù)字通信光光-電電-光中繼的數(shù)字通信光中繼的數(shù)字通信FromShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)所需：現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)所需：May 17th, 2002 增加傳輸速率（容量）增加傳輸速率（容量） (bit/sec). 減小插入損耗減小插入損耗 (dB). 減小偏振相關(guān)損耗減小偏振相關(guān)損耗 (PDL). 減小光器件的溫度依賴性減小光器件的溫度依賴性. 減小光器件體積減小光器件體積. 器件模塊（一體）化器件模塊（一

18、體）化.Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.DWDM Vs TDMOctober 17th, 2000兩種技術(shù)方案可以提高光纖帶寬的利用率兩種技術(shù)方案可以提高光纖帶寬的利用率 :1)1) 增加單信道容量增加單信道容量 (bit rate)TDMWDM2)減小信道間隔從而增加信道數(shù)目減小信道間隔從而增加信道數(shù)目Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.時分復(fù)用時分復(fù)用TDMTime Division MultiplexingShanghai FOC

19、I Fiber Optic Communications Equipments, Inc.波分復(fù)用波分復(fù)用WDMWavelength Division MultiplexingShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.May 17th, 2002UV InterferenceShanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.布拉格光纖光柵布拉格光纖光柵（FBG）4321,3421,摻鍺光纖芯經(jīng)紫外光曝光，折射率改變（1978年）窄帶帶阻濾波器（反射型）反射波長：布拉格條件 ；相位匹配工作原理：相干疊加，正向模與反向模模式耦合effBn20122調(diào)諧：溫度或外力拉伸形變損耗 0.1dB；信道間隔/隔離度 1.6nm/22dB；帶寬 0.2nm；調(diào)諧范圍 10nm；調(diào)諧速率 2ms.應(yīng)用：光纖激光器，色散補償，EDFA增益平坦等Shanghai FOCI Fiber Optic Communications Equipments, Inc.布拉格光纖光柵布拉格光纖光柵上下話路器上下話路器Add-Drop Multiplexers (ADMs)4321,334321, ,環(huán)行器環(huán)行器光纖