光纖通信系統(tǒng)課件：第三講 光纖波導(dǎo)

第三講光纖波導(dǎo)羅正錢第二講光纖與光纜光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖的工作原理光纖的分類光纖特性參數(shù)——損耗、數(shù)值孔徑傳統(tǒng)光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖的全稱是光導(dǎo)纖維（OpticalFiber），是一種傳輸光能量的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所傳光的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域。光纖是由近似于透明的介質(zhì)材料構(gòu)成的柔軟的纖維。光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)。纖芯中的折射率分布可以是均勻的或是漸變的，也可以是更復(fù)雜的分布。光纖由纖芯、包層、涂敷層及套塑層四部分組成。2022/11/204光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)纖芯材料主要成分為摻雜的SiO2，含量達(dá)99.999%，其余成分為極少量的摻雜劑如GeO2等，以提高纖芯的折射率。纖芯直徑約為8m~100m。包層材料一般也為SiO2，外徑為125m，作用是把光強(qiáng)限制在纖芯中。為了增強(qiáng)光纖的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性，還在包層外增加一層涂覆層，其主要成分是環(huán)氧樹酯和硅橡膠等高分子材料。光能量主要集中在纖芯傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離,并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。雙包層光纖光子晶體光纖，

Photonic-crystalfiber（PCF）特殊光纖Howopticalfiberworks？光纖的基本工作原理光纖是圓柱形的介質(zhì)波導(dǎo)，應(yīng)用全反射原理來(lái)傳導(dǎo)光線。為了要局限光信號(hào)于芯層，包層的折射率必須小于芯層的折射率。光纖的工作原理根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光纖分為階躍型（SI）和漸變型（GI）兩種;階躍(SI,StepIndex)多模光纖折射率n1在纖芯保持不變，到包層突然變?yōu)閚2漸變(GI,GradedIndex)多模光纖折射率不像階躍多模光纖是個(gè)常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)閚22022/11/2010a光纖的纖芯半徑、

=(n1n2)/n1為光纖的相對(duì)折射率差、為剖面指數(shù)。

時(shí)，光纖為階躍型光纖；當(dāng)

=2時(shí)，光纖為拋物線型光纖；當(dāng)?shù)娜≈导s等于2時(shí)，光纖即稱為梯度型或漸變型光纖。

階躍型光纖的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。目前商用光通信系統(tǒng)中采用的主要都是階躍型單模光纖。

漸變型光纖的信號(hào)失真（色散）比階躍型光纖的信號(hào)失真小，因而其通信容量較大、中繼距離較長(zhǎng)。光纖的折射率分布：光纖的工作原理光纖的工作原理兩種不同的光纖及其信號(hào)傳輸光纖的工作原理常用光纖規(guī)格-單模光纖：8/125微米；9/125微米；10/125微米-多模光纖：50/125微米--歐洲標(biāo)準(zhǔn)；62.5/125微米--美國(guó)標(biāo)準(zhǔn);工業(yè)、醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)：100/140微米，200/230微米;-塑料光纖：98/1000微米用于汽車控制、顯示業(yè)。階躍多模光纖、漸變多模光纖和階躍單模光纖的特性比較2022/11/2014

由于各光線的入射角不同，并非所有的光線都能在光纖中滿足全反射條件，而只有那些滿足全反射條件的光線才能在光纖中有效傳輸。

顯然，能夠滿足全反射條件的光線，在空間形成了一個(gè)立體角，光纖的數(shù)值孔徑(NA)直接反映了這個(gè)立體角的大小，從而描述了光纖接收光的能力。數(shù)值孔徑NA代表光纖接收光的本領(lǐng)2022/11/2015設(shè)入射光A滿足傳輸條件，應(yīng)有：sin

n2/n1

，

的最小值為：

sin=n2/n1

=arcsin(n2/n1)根據(jù)折射定律，在光纖的入射端面上：其中n0=1，則： sin0=n1

cos由圖可見(jiàn)，0的最大值反映了光纖對(duì)光能量的接收能力，數(shù)值孔徑NA2022/11/2016只有那些與光纖軸線夾角小于0

的入射光，才能在光纖中全反射，形成傳導(dǎo)模而長(zhǎng)距離傳輸。sin0就稱為光纖的數(shù)值孔徑NA。

引入近似條件：n1+n2

2n1，以及相對(duì)折射率差=(n1

n2)/n1，則有：數(shù)值孔徑NANA越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)無(wú)損耗光纖，在內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信號(hào)展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。數(shù)值孔徑NA2022/11/2018光纖的越大，則各光線的群速度差就越大。群速度vg1與vg2的差值越大則色散越嚴(yán)重。即，增大會(huì)使光纖的色散指標(biāo)和帶寬指標(biāo)惡化。實(shí)用光纖的相對(duì)折射率差

<1%，通常稱為弱導(dǎo)光纖。國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)規(guī)定：光纖的數(shù)值孔徑NA的取值范圍是0.15~0.24，允許誤差為的0.02。vg1=c

vg2=csinc=cn2/n1

=c(1

)

數(shù)值孔徑NA光纖衰減損耗衰減光纖的損耗光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km2022/11/2021引起光纖損耗的因素較多，主要?dú)w結(jié)為兩大類：材料的吸收損耗和散射損耗光纖的損耗機(jī)制2022/11/2022材料的本征吸收Si-O鍵的紅外吸收損耗光纖石英的SiO鍵在波長(zhǎng)為9.1m，12.5m和21m處有振動(dòng)吸收現(xiàn)象，峰值可達(dá)1010dB/km。光通信系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為0.85m，1.3m和1.5m，遠(yuǎn)離SiO鍵的紅外吸收波長(zhǎng)，因此SiO鍵的紅外吸收對(duì)光纖通信的影響不大。在光波長(zhǎng)為1.5m處，紅外吸收損耗小于0.01dB/km。光纖的損耗機(jī)制2022/11/2023電子躍遷的紫外吸收損耗光纖材料的原子系統(tǒng)中，一些低能態(tài)的電子會(huì)吸收光能量而躍遷到高能態(tài)。這個(gè)過(guò)程也將造成光功率的損耗，損耗的中心波長(zhǎng)在0.16m的紫外光區(qū)。當(dāng)光波長(zhǎng)為1.3~1.5m時(shí)，紫外吸收損耗約為0.05dB/km。紫外吸收損耗對(duì)波長(zhǎng)為0.85m的短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)有一定的影響。光纖中材料本征吸收是SiO2的固有特性，我們無(wú)法減小它，只能盡量避開其峰值。例如，在1.5m波長(zhǎng)附近，石英系光纖的材料本征吸收有最小值，該值約為0.06dB/km。光纖的損耗機(jī)制2022/11/2024

雜質(zhì)吸收損耗金屬離子的吸收：光纖中的主要金屬離子有：鐵Fe、銅Cu、釩V、鉻Cr、錳Mn、鎳Ni、鈷Co等。由于現(xiàn)代工藝已經(jīng)將金屬雜質(zhì)的相對(duì)濃度降到109以下，故對(duì)光纖損耗的影響已經(jīng)不大顯著。OH－根離子的吸收損耗光纖材料中氫氧根離子的振動(dòng)吸收損耗是造成光纖在其通信波長(zhǎng)范圍內(nèi)損耗的主要根源，OH

根離子的振動(dòng)吸收峰波長(zhǎng)為：2.78m、1.39m、1.24m和0.95m。光纖的損耗機(jī)制2022/11/2025原子缺陷吸收損耗光纖材料由于熱輻射或光輻射的作用可以產(chǎn)生原子缺陷吸收，其吸收損耗幅度可達(dá)102~104dB/km。由于石英系光纖材料對(duì)熱輻射或光輻射不敏感，所以石英系光纖的原子缺陷吸收損耗非常小。光纖的損耗機(jī)制2022/11/2026散射損耗光纖的損耗機(jī)制瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理、固有的、極限損耗由于制造過(guò)程中沉積到熔石英中的隨機(jī)密度變化引起的，導(dǎo)致折射率本身的起伏，使光向各個(gè)方向散射。大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長(zhǎng)區(qū)。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.12~0.16dB/km

，是該段損耗的主要原因。2022/11/2027非線性效應(yīng)散射損耗主要是由于受激喇曼散射和受激布里淵散射引起的。受激喇曼散射和受激布里淵散射都是非彈性散射，散射光中有新的頻率分量。

其中受激喇曼散射的散射機(jī)制是與介質(zhì)光學(xué)特性有關(guān)的、頻率較高的“光學(xué)聲子”；而布里淵散射的散射機(jī)制是與介質(zhì)宏觀彈性特性有關(guān)的、頻率較低的“聲學(xué)聲子”。光纖的損耗機(jī)制2022/11/2028fifo為受激拉曼散射光光學(xué)聲子ffi=fo+f；

f~13.2THz在光波頻段閾值較大（條件~600mW）fifo為受激布里淵散射光聲學(xué)聲子ffi=fo+f；f~10GHz在聲波頻段閾值較?。l件~1mW）光纖的損耗機(jī)制光纖的性能參數(shù)色散光纖色散：信號(hào)能量中的各種光分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。光纖的性能參數(shù)材料色散DM，纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化導(dǎo)致了這種色散，這樣即使不同波長(zhǎng)的光經(jīng)歷過(guò)完全相同的路徑，也會(huì)發(fā)生脈沖展寬。波導(dǎo)色散DW

，由于單模光纖中只有約90％的光功率在纖芯中傳播，10％在包層中傳播的光功率其速率要更大一些，這樣就出現(xiàn)了色散。波導(dǎo)色散的大小取決于光纖的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟Ｊ絺鞑コ?shù)是a/的函數(shù)(a纖芯半徑，a/是光纖相當(dāng)于波長(zhǎng)的尺度).光纖的性能參數(shù)單模光纖的色散零色散波長(zhǎng)17ps/nm.km@1550nmD=DM+DW為了使現(xiàn)已敷設(shè)的1.3μm光纖系統(tǒng)采用WDM/EDFA技術(shù)，就必須將光纖的工作波長(zhǎng)從1.3μm改為1.55μm。而標(biāo)準(zhǔn)光纖在1.55μm波長(zhǎng)的色散不是零，而是正的17~20ps/(nm.km),并且具有正的色散斜率，所以必須在這些光纖中加接具有負(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖，進(jìn)行色散補(bǔ)償，以保證整條光纖線路的總色散近似為零，從而實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、長(zhǎng)距離的通信。光纖的分類光纖的性能參數(shù)波導(dǎo)色散DW對(duì)D(2)的影響依賴于光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，如纖芯半徑和芯－包層折射率差。根據(jù)光纖的這種特性，可改變光纖的色散情況，進(jìn)行色散位移。光纖的性能參數(shù)NZ-DSFDFFDSF光纖的性能參數(shù)G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652光纖的性能參數(shù)G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非線性大色散非常小@1550nm窗口不同信道的WDM信號(hào)傳輸速度相近四波混頻FWM嚴(yán)重Problem光纖的性能參數(shù)G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655光纖的性能參數(shù)SMF,G.652,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖DSF,G.653,色散位移光纖N