光纖光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)-liangfeng

光纖及光通信技術(shù)簡(jiǎn)介梁鋒2004-04電磁波譜的劃分10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長(zhǎng)（m）電力、電話無(wú)線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛(wèi)星/微波AM無(wú)線電FM無(wú)線電頻段劃分傳輸介質(zhì)頻率Hz光通信用光波載運(yùn)信息，實(shí)現(xiàn)通信光纖通信以光波載運(yùn)信息，用光纖作傳輸媒體，實(shí)現(xiàn)通信光纖通信的優(yōu)點(diǎn)頻帶寬、信息容量大傳輸損耗低、無(wú)中繼距離遠(yuǎn)材料豐富抗電磁干擾光纖間串話小，保密性好耐腐蝕、耐高壓體積小、質(zhì)量輕光纖結(jié)構(gòu)纖芯包層涂敷層護(hù)套單模光纖內(nèi)徑：8.2μm多模光纖內(nèi)徑：50/62.5μm外徑：125μm尺寸規(guī)格：菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2結(jié)論：若要實(shí)現(xiàn)全反射，則必須有n1>n2n2n1n1>n2θ2θ1n1n2n1<n2θ1θ2Φmax=arcsin(NA)φn1n2入射出射纖芯可見，光纖的數(shù)值孔徑（NA）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對(duì)折射率差，而與光纖的直徑無(wú)關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的NA公稱值一般為0.2，對(duì)應(yīng)的孔徑角約為11.5o。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的NA公稱值一般為0.1～0.15，對(duì)應(yīng)的孔徑角約為5.7o~8.6o。光纖的損耗：造成光纖衰減的主要因素有：本征，彎曲，擠壓，雜質(zhì)，不均勻和對(duì)接等。本征：是光纖的固有損耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。彎曲：光纖彎曲時(shí)部分光纖內(nèi)的光會(huì)因散射而損失掉，造成的損耗。擠壓：光纖受到擠壓時(shí)產(chǎn)生微小的彎曲而造成的損耗。雜質(zhì)：光纖內(nèi)雜質(zhì)吸收和散射在光纖中傳播的光，造成的損失。不均勻：光纖材料的折射率不均勻造成的損耗。對(duì)接：光纖對(duì)接時(shí)產(chǎn)生的損耗，如：不同軸(單模光纖同軸度要求小于0.8μm)，端面與軸心不垂直，端面不平，對(duì)接芯徑不匹配和熔接質(zhì)量差等。光纖的色散特性光纖的色散引起傳輸信號(hào)的畸變，使通訊質(zhì)量下降，從而限制了通信容量和通信距離。光纖的色散可分為以下幾類：材料色散波導(dǎo)色散模式色散偏振色散光纖的色散特性1．模式色散又稱模間色散

光纖的模式色散只存在于多模光纖中。每一種模式到達(dá)光纖終端的時(shí)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(zhǎng)的光脈沖通過光纖傳輸時(shí)，光纖對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波會(huì)有不同的折射率，導(dǎo)致傳輸速度不同，就會(huì)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(shí)，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(dòng)，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(huì)引起光脈沖展寬，從而導(dǎo)致色散。

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?；?shí)際上是由兩個(gè)偏振方向相互正交的模場(chǎng)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(chǎng)是一個(gè)方向和瞬時(shí)幅度隨時(shí)間變化的非線性偏振，就會(huì)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(chǎng)的偏振方向?qū)⒀毓饫w的傳播方向隨機(jī)變化，從而會(huì)在光纖的輸出端產(chǎn)生偏振色散。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。光纖技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)

一些普通器件的介紹全波光纖

1998年，美國(guó)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1280～1625nm的全部波長(zhǎng)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(huì)大有作為。從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的角度來(lái)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(shí)仍可為網(wǎng)絡(luò)提供較大的帶寬，而與此同時(shí)，對(duì)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(yùn)營(yíng)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。聚合物光纖

目前通信的主干線已實(shí)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)（6～10μm），光纖的耦合和互接都面臨技術(shù)困難，因?yàn)樾枰呔鹊膶?duì)準(zhǔn)技術(shù)，因此對(duì)于距離短、接點(diǎn)多的接入網(wǎng)用戶是一個(gè)難題。而聚合物光纖（polymeropticalfiber，POF）由于其芯徑大（0.2～1.5mm），故可以使用廉價(jià)而又簡(jiǎn)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(jià)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SIPOF存在嚴(yán)重的模式色散,傳輸帶寬與對(duì)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GIPOF纖芯的折射率分布呈拋物線，因此模式色散大大降低，信號(hào)傳輸?shù)膸捲?00m內(nèi)可達(dá)2.5Gbps以上，近年來(lái)，GIPOF已成為POF研究的主要方向。最近，N.Tanio從理論上預(yù)測(cè)了無(wú)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.Giorgio等人報(bào)道了100m全氟GIPOF的數(shù)據(jù)傳輸速率已達(dá)到11Gbps。因此，GIPOF有可能成為接入網(wǎng)，用戶網(wǎng)等的理想傳輸介質(zhì)。光子晶體光纖

光子晶體光纖（photoniccrystalfiber，PCF）是由ST.J.Russell等人于1992年提出的。對(duì)石英光纖來(lái)說(shuō)，PCF的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)二維周期性的結(jié)構(gòu)，如果其中一個(gè)孔遭到破壞和缺失，則會(huì)出現(xiàn)缺陷，利用這個(gè)缺陷，光就能夠在其中傳播。PCF與普通單模光纖不同，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（holeyfiber）或微結(jié)構(gòu)光纖（micro-structuredfiber）之稱。PCF具有特殊的色散和非線性特性，在光通信領(lǐng)域?qū)?huì)有廣泛的應(yīng)用。

PCF引人注目的一個(gè)特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)合理，具備在所有波長(zhǎng)上都支持單模傳輸?shù)哪芰?，即所謂的“無(wú)休止單模”特性（endlesslysingle-mode），這個(gè)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(huì)與普通光纖一樣，在短波長(zhǎng)區(qū)會(huì)出現(xiàn)多?，F(xiàn)象。

PCF的另一個(gè)特點(diǎn)是它具有奇異的色散特性?，F(xiàn)在人們已經(jīng)在PCF中成功產(chǎn)生了850nm光孤子，預(yù)計(jì)將來(lái)波長(zhǎng)還可以降低。PCF在未來(lái)超寬WDM的平坦色散補(bǔ)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CrystalFiberA/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-guidingPhotonicBandgapFiber），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。光纖通信系統(tǒng)方框圖單信道全光中繼數(shù)字通信光--電--光中繼的數(shù)字通信From楊先輝現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)所需：May17th,2002

增加傳輸速率（容量）(bit/sec).

減小插入損耗(dB).

減小偏振相關(guān)損耗(PDL).

減小光器件的溫度依賴性.

減小光器件體積.

器件模塊（一體）化.DWDMVsTDMOctober17th,2000兩種技術(shù)方案可以提高光纖帶寬的利用率:增加單信道容量

(bitrate)TDMWDM2)減小信道間隔從而增加信道數(shù)目Currentgeneration:2.5–10Gbit/secNextgeneration:10-40Gbit/secCurrentgeneration:8-40ChannelsNextgeneration:8–196ChannelsFuturegeneration:8–1600Channels時(shí)分復(fù)用TDM－TimeDivisionMultiplexingSignal1Signal2SignalnSignal3MultiplexerDemultiplexer波分復(fù)用WDM－WavelengthDivisionMultiplexingDemultiplexerλ2λnλ1λ3λ1λ2λnλ3MultiplexerFig.1光纖光柵(FiberGrating)May17th,2002UVInterference布拉格光纖光柵（FBG）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(zhǎng)：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(bǔ)償，EDFA增益平坦等布拉格光纖光柵——上下話路器Add-DropMultiplexers(ADMs)環(huán)行器環(huán)行器光纖光柵與波長(zhǎng)相同，攜帶不同信息Fig.2

全光纖熔錐耦合器(FusedBiconicalTaper)