實(shí)驗(yàn)一 單模光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

#實(shí)驗(yàn)一單模光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.掌握光纖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)；2.理解光纖結(jié)構(gòu)對(duì)其傳輸性能的影響；3.掌握OptiwaveOptiFiber軟件的安裝和使用。實(shí)驗(yàn)軟件：1.OptiFiber2.0光纖仿真軟件實(shí)驗(yàn)原理：一、光纖的結(jié)構(gòu)光纖實(shí)際上是一種高度透明的玻璃絲，由二氧化硅玻璃經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫桑淙Q(chēng)是光導(dǎo)纖維。從電磁波傳播的角度來(lái)看，光纖實(shí)際上是一個(gè)圓柱形波導(dǎo)，其橫截面基本由三部分組成，即折射率較高的芯區(qū)、折射率較低的包層和表面涂敷層。纖芯：纖芯提供傳輸光信號(hào)的通道，其成分是高純度的二氧化硅，有時(shí)還摻有極少量的摻雜物（如GeO2、P2O5）以提高纖芯的折射率。未摻雜的純石英光纖可以獲得盡可能低的光纖損耗。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。其材料也是含有極少量摻雜物（如B2O3、F）的高純度二氧化硅。摻雜物的作用是適當(dāng)降低包層的折射率，使之略低于纖芯的折射率，以滿(mǎn)足光傳輸?shù)娜珒?nèi)反射條件。涂敷層：保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n和n，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n>n。纖1212芯和包層的相對(duì)折射率差：n2—n2n—n△二T2U12-2n2n11單模光纖0.3%—0.6%，多模光纖為1%—2%。A越大，把光能量束縛在纖芯的能力越強(qiáng)，但信息傳輸容量卻越小。二、特種單模光纖為調(diào)整工作波長(zhǎng)或改善色散特性，在常規(guī)單模光纖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特種單

模光纖。色散移位光纖（DispersionShiftedFiber,DSF）我們知道單模光纖沒(méi)有模式色散所以具有很高的帶寬，那么如果讓單模光纖工作在1.55ym波長(zhǎng)區(qū)，不就可以實(shí)現(xiàn)高帶寬、低損耗傳輸了嗎？但是實(shí)際上并不是這么簡(jiǎn)單。常規(guī)單模光纖在1.31ym處的色散比在1.55gm處色散小得多。這種光纖如工作在1.55gm波長(zhǎng)區(qū)，雖然損耗較低，但由于色散較大，仍會(huì)給高速光通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。因此，這種光纖仍然不是理想的傳輸媒介。為了使光纖較好地工作在1.55gm處，人們?cè)O(shè)計(jì)出一種新的光纖，叫做色散移位光纖（DSF）。這種光纖可以對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，使光纖的零色散點(diǎn)從1.31gm處移到1.55gm附近。這種光纖又稱(chēng)為1.55gm零色散單模光纖，代號(hào)為G.653。G.653光纖是單信道、超高速傳輸?shù)臉O好的傳輸媒介?，F(xiàn)在這種光纖已用于通信干線(xiàn)網(wǎng)，特別是用于海纜通信類(lèi)的超高速率、長(zhǎng)中繼距離的光纖通信系統(tǒng)中。非零色散移位光纖（NZ-DSF）色散移位光纖雖然用于單信道、超高速傳輸是很理想的傳輸媒介，但當(dāng)它用于波分復(fù)用多信道傳輸時(shí)，又會(huì)由于光纖的非線(xiàn)性效應(yīng)而對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生干擾。特別是在色散為零的波長(zhǎng)附近，干擾尤為嚴(yán)重。為此，人們又研制了一種非零色散移位光纖即G.655光纖，將光纖的零色散點(diǎn)移到1.55ym工作區(qū)以外的1.60ym以后或在1.53ym以前，但在1.55ym波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)仍保持很低的色散。這種非零色散移位光纖不僅可用于現(xiàn)在的單信道、超高速傳輸，而且還可適應(yīng)于將來(lái)用波分復(fù)用來(lái)擴(kuò)容，是一種既滿(mǎn)足當(dāng)前需要，又兼顧將來(lái)發(fā)展的理想傳輸媒介。這種光纖在1.31gm到1.55gm整個(gè)波段上的色散都很平坦，接近于零。圖1典型特種單模光纖（（a）雙包層；（b）三角芯；（c）橢圓芯）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：、使用OptiFiber2.0軟件練習(xí)G.652光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)IIWQIIIVIIIQTOC\o"1-5"\h\ziI?iIi1.452131452-1.451-Mepu-⑴>-Dal1.451-Mepu-⑴>-Dal方cr1451448-一％一SCEmfcsKmpu-Cu>-Gns」%lx-s.32.2o.o.aooo5

JI1.447-D.D0DD0D?和-40?2D0204060Radial[Jistance[pm]二、使用OptiFiber2.0軟件練習(xí)色散移位光纖（DSF）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)光纖損耗機(jī)理的研究表明，光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km,幾乎接近光纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實(shí)現(xiàn)零色散和最低損耗傳輸?shù)男阅堋榇?，人們研制了色散移位光纖（G.653光纖）。設(shè)計(jì)思路是通過(guò)結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來(lái)加大波導(dǎo)色散，使零色散波長(zhǎng)從1310nm移到1550nm。DSF的折射率分布像W型，又稱(chēng)W光纖。適當(dāng)選取纖芯、內(nèi)包層和外包層的折射率n「n2、n3，調(diào)整a值，可以改變零色散波長(zhǎng)。1.45470r1.45230W—TOC\o"1-5"\h\z1.4499041.4475041.44510W12.500025.000037.500050.000062.5000112.500025.000037.500050.000062.50000.000000三、使用OptiFiber2.0軟件練習(xí)非零色散位移光纖NZ-DSF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DWDM和EDFA的迅速發(fā)展，1550nm波段的幾十個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)同時(shí)在一根光纖中傳輸，使光纖的傳輸容量極大地提高。然而，四波混頻FWM會(huì)引起復(fù)用信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響WDM的性能。FWM是一種非線(xiàn)性效應(yīng)，其效率與光纖的色散有關(guān)，零色散時(shí)混頻效率最高，隨著色散增加，混頻效率迅速下降。這種性質(zhì)使DSF光纖在WDM系統(tǒng)中失去了魅力。非零色散移位光纖NZ-DSF（G655光纖）應(yīng)運(yùn)而生。NZ-DSF在1530?1565nm（EDFA的工作波長(zhǎng)）區(qū)具有小的但非零的色散，既適應(yīng)高速系統(tǒng)的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纖芯采用三角形或梯形折射率分布，其色