光纖通信第一章 光纖的基本理論.pptx

1、光纖通信B,授課老師：覃國車 Email： 2015年秋,教材：顧畹儀，光纖通信（第2版），人民郵電出版社，2011。,參考書： 1.Joseph C. Palais，光纖通信（第5版），電子工業(yè)出版社，2015。 2.王輝 等，光纖通信(第3版)電子工業(yè)出版社，2014。 3.馬麗華 等，光纖通信系統(tǒng)北京郵電大學(xué)出版社，2009。,第1章 光纖的基本理論,1.光纖的結(jié)構(gòu)與分類 2.光纖的射線光學(xué)分析 3.光纖的波動光學(xué)理論 4.光纖的損耗 5.光纖的色散 6.光纖的非線性效應(yīng),一、光纖的結(jié)構(gòu),一、光纖的結(jié)構(gòu),纖芯：位于光纖中心，直徑2a為575m, 作用是傳輸光波。,包層：位于纖芯外層，直徑

2、2b為100150m,作用是將光波限制在纖芯中。,纖芯和包層即組成裸光纖，兩者采用高純度二氧化硅（SiO2）制成。,如何將光波限制在纖芯中傳播？,一、光纖的結(jié)構(gòu),為了使光波在纖芯中傳送，應(yīng)對材料進(jìn)行不同摻雜，使包層材料折射率n2比纖芯材料折射率n1小，即光纖導(dǎo)光的條件是n1n2。,一、光纖的結(jié)構(gòu),一次涂覆層,纖芯 包層,套層,一次涂覆層 包層 纖芯,套層,一、光纖的結(jié)構(gòu),一次涂覆層 包層 纖芯,套塑層,一次涂敷層是為了增強(qiáng)裸光纖的柔韌性而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為 30150m。,套塑層又稱二次涂覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。一次涂覆層和套塑層之間填

3、充了緩沖材料以提高裸光纖的機(jī)械強(qiáng)度。,光纖芯線,一、光纖的結(jié)構(gòu),為了使光纖能在各種環(huán)境中使用，必須把光纖與其他元件組合起來構(gòu)成光纜，使其具有良好的傳輸性能以及抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭曲等機(jī)械性能。光纜一般由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。,一、光纖的結(jié)構(gòu),纜芯：由單根或多根光纖芯線組成，有緊套和松套兩種結(jié)構(gòu)。,加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時可承受的負(fù)荷。一般是金屬絲或非金屬纖維。,護(hù)層：具有阻燃、防潮、耐壓、耐腐蝕等特性，主要是對已成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù)。 根據(jù)敷設(shè)條件可用鋁帶、聚乙烯等，護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層。,二、光纖的分類,(一)按光纖橫截面折射率分布分類,階躍型：纖芯折射率為常數(shù)n1，

4、包層折射率為常數(shù)n2,且n1n2,纖芯和包層相對折射率差為1%2% 。,二、光纖的分類,(一)按光纖橫截面折射率分布分類,漸變型：纖芯折射率在中心處為常數(shù)n1，隨著半徑的增大而逐漸減小，在纖芯和包層界面處減小至n2，包層折射率為常數(shù)n2。,二、光纖的分類,(一)按光纖橫截面折射率分布分類,W型：在纖芯與包層之間設(shè)有一折射率低于包層的緩沖層，使包層折射率介于纖芯和緩沖層之間。,二、光纖的分類,(二)按光纖中的傳導(dǎo)模式數(shù)量分類,模式：通常將光波信號在光纖中的電磁場分布圖稱為“模式”。P21 圖1-11,光纖中可以傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量取決于光纖的工作波長、光纖橫截面折射率的分布和光纖的參數(shù)結(jié)構(gòu)。,二、光纖

5、的分類,(二)按光纖中的傳導(dǎo)模式數(shù)量分類,單模光纖在給定的工作波長上只傳輸單一基模。在單模光纖中光線沿著平行于纖芯軸線的方向傳播。 2b=125m 2a 10 m。,多模光纖纖芯內(nèi)傳輸多個模式的光波。在多模光纖中光線在纖芯和包層的界面來回全反射曲折向前傳播，不同模式沿不同的路徑傳播。2b=125m 2a =50 m, 62.5 m,二、光纖的分類,(三)按光纖構(gòu)成的原材料分類,石英系光纖 多組分玻璃光纖 塑料包層光纖 全塑光纖,射線光學(xué)理論：當(dāng)光波導(dǎo)尺寸遠(yuǎn)大于光波長時，可忽略光波長用光射線代表光能量傳輸路線的方法。,光纖的分析方法,波動光學(xué)理論：求解滿足邊界條件的麥克斯韋方程組的光場。,三、多

6、模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,全反射 光纖的相對折射率差 光纖的數(shù)值孔徑 最大群時延差,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,（一）全反射,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,階躍光纖的子午光線,1.入射角 = 最大入射角,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,階躍光纖的子午光纖,2.入射角 最大入射角,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,階躍光纖的子午光線,3.入射角 最大入射角,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,階躍光纖的子午光線,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,（三）數(shù)值孔徑,NA越大，光纖的集光能力越強(qiáng),三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,越大，光纖的集光能力越強(qiáng),越

7、大就越好，是真的嗎？,（三）相對折射率差,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,（四）最大群時延差,越大，模式色散越大， 限制光纖傳輸帶寬,三、多模階躍型光纖的射線光學(xué)理論分析,集光性與帶寬真的像“魚和熊掌不能兼得”嗎？,四、漸變折射率光纖的射線光學(xué)理論分析,包層,n1,n11,n12,n2,包層,n11,n12,n2,四、漸變折射率光纖的射線光學(xué)理論分析,1.同樣的入射角，傳輸路徑變短（入射角為零除外），從而減小最大群時延差。,與階躍型光纖比較,2.離軸心越遠(yuǎn)，傳播速度越快（v=c/n）,進(jìn)一步減小最大群時延差。,適當(dāng)選擇折射率分布，可以使不同入射角的光線有大致相等的光程。,四、漸變折射率光

8、纖的射線光學(xué)理論分析,不同模式的光波呈現(xiàn)周期性的重新匯聚,四、漸變折射率光纖的射線光學(xué)理論分析,用射線方程可以證明，當(dāng)折射率分布取雙曲正割函數(shù)時，所有的子午線都具有完善的自聚焦性質(zhì)。,四、漸變折射率光纖的射線光學(xué)理論分析,漸變光纖中引入本地數(shù)值孔徑的概念 光纖端面上某一點的數(shù)值孔徑 ，體現(xiàn)了改點聚集光線的能力。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,入射角位于0,max所有光線都能在光纖中傳輸嗎？,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,根據(jù)波動光學(xué)理論可知，若光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)（a,n,等）給定，則在特定波長上只有某些特定的傳播模式存在。,只有特定入射角的光波 才會在光纖中傳遞能量,Why?,五、階躍折射

9、率光纖的波動光學(xué)理論,光波由高速震蕩的電場和磁場組成，這些場以波的形態(tài)高速傳播。,電磁波,電場峰值幅度,光波角頻率,傳播因子 k=/v (rad/m),光波頻率,光波傳播方向,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,電磁波,t = t1,t = t2,t = t3,z,相位,光波傳播距離z后產(chǎn)生的相移,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,如何才能形成穩(wěn)定的干涉模式？,t1,t2,t3,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,如何才能形成穩(wěn)定的干涉模式？,駐波圖形,L,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,如何才能形成穩(wěn)定的干涉模式？,L,Z,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,如何才能形成穩(wěn)定的干涉模式？,通過改

10、變光線的入射角來改變光程，使得總相移等于2的整數(shù)倍，從而可以產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉波。,滿足上述條件的入射角為若干個離散值，每個值對應(yīng)的入射光為一種特定傳播模式。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,麥克斯韋方程組,光纖是一種無傳導(dǎo)電流、無自由電荷且各向同性的介質(zhì)光波導(dǎo)。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程,若電磁場做簡諧振蕩，由波動方程可以推導(dǎo)出均勻介質(zhì)中的矢量亥姆霍茲方程：,傳播因子,介質(zhì)折射率,真空中的傳播因子,真空中的光波波長,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程,在直角坐標(biāo)系中，電場和磁場的x、y、z分量均滿足標(biāo)量的亥姆霍茲方程,求上述亥姆霍茲方程滿足邊界條件的解，即可得

11、到光纖中的場的解答。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,假設(shè)光纖為弱導(dǎo)波光纖（很小），則可認(rèn)為光纖里的橫向電磁場的幅度滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程，因此可求出近似解，即為標(biāo)量階。,很小,光線幾乎是與光纖的軸線平行傳播，類似于一個橫電磁波（TEM波）,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,圓柱坐標(biāo)系代替直角坐標(biāo)系,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,選擇橫向電場的偏振方向沿y軸，則它滿足標(biāo)量亥姆霍茲方程：,在圓柱坐標(biāo)系中展開,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,采用分離變量法求解得：,常數(shù),電場強(qiáng)度沿光纖徑向變化狀態(tài),電場強(qiáng)度沿圓周

12、方向變化狀態(tài),電場強(qiáng)度沿光纖軸向變化狀態(tài),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,電場強(qiáng)度沿z向呈行波狀態(tài)：,k,h,纖芯和包層界面全反射角,縱向傳播因子/相位常數(shù),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,電場強(qiáng)度沿圓周方向呈駐波狀態(tài)：,m表示場沿著圓周方向變化出現(xiàn)最大值的對數(shù)，例如m=1,在0,2有1對最大值和最小值。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,將Ey=R(r)()Z(z) 代入標(biāo)量亥姆霍茲方程，得：,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,M階貝塞爾函數(shù),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,光場在纖芯內(nèi)

13、服從貝塞爾函數(shù)振蕩傳播,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,m階第2類修正貝塞爾函數(shù),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,亥姆霍茲方程標(biāo)量解,光場在包層中服從第二類修正貝塞爾函數(shù)迅速衰減,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解幾個重要參數(shù),歸一化徑向相位常數(shù)U：,歸一化徑向衰減常數(shù)W：,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解幾個重要參數(shù),光纖歸一化頻率V：,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解,纖芯中的波阻抗,包層中的波阻抗,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解的特征方程,五、階躍折

14、射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量解的特征方程,通過任一特征方程解出U(或W)，進(jìn)而確定W (或U)和相位常數(shù)，從而確定光纖中的場及其特性。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,1.V值情況下,相當(dāng)于光在折射率為n1的無限大空間中傳播,k,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,1.V值情況下,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,U=mn為使得Jm(x)=0的第n個根。,1.V值情況下,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,U=mn為使得Jm(x)=0的第n個根。,1.V值情況下,m,n確定，U=mn確定， ，對應(yīng)的傳播模式確定，記為LPmn模。,五

15、、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,U=mn為使得Jm(x)=0的第n個根。,1.V值情況下的幾點結(jié)論,W: W0，光纖導(dǎo)波,V: 場完全集中在纖芯中，包層中的場為零。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,2.LPmn模的截止條件，歸一化截止頻率和單模傳輸條件,如果n2k0，光線如何在光纖中傳播呢？,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,2.LPmn模的截止條件，歸一化截止頻率和單模傳輸條件,以歸一化衰減常數(shù)W的取值作為衡量標(biāo)準(zhǔn),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,2.LPmn模的截止條件，歸一化截止頻率和單模傳輸條件,以歸一化衰減常數(shù)W的取

16、值作為衡量標(biāo)準(zhǔn),歸一化截止頻率,截止時的歸一化徑向相位常數(shù),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,2.LPmn模的截止條件，歸一化截止頻率和單模傳輸條件,LPmn模的截止頻率Vc=Uc, 為m-1階貝塞爾函數(shù)的根,結(jié)論：對于某一光纖，每個模式都有一個相應(yīng)的截止頻率，當(dāng),五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,2.LPmn模的截止條件，歸一化截止頻率和單模傳輸條件,結(jié)論：對于某一光纖，每個模式都有一個相應(yīng)的截止波長，當(dāng)光波波長小于截止波長c時，該模式可傳輸。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,2.LPmn模的截止條件，歸一化截止頻率和單模傳輸條件,LP01模

17、式單模傳輸,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,標(biāo)量模及其特性,結(jié)論：光纖的芯徑越大，纖芯的折射率越大，相對折射率差越大，工作頻率越高，支持的傳輸模式數(shù)量越多。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,矢量解,求滿足邊界條件的矢量亥姆霍茲方程的解即為矢量解。,在圓柱坐標(biāo)系中出Ez，Hz外，其他橫向分量都不滿足標(biāo)量的亥姆霍茲方程。,矢量解法從Ez，Hz的標(biāo)量亥姆霍茲方程入手，再通過場的橫向分量與縱向分量的關(guān)系求解其他分量。,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,矢量解,TE模和TM模,五、階躍折射率光纖的波動光學(xué)理論,矢量解,EH模和HE模,六、光纖的損耗,光纖對光波產(chǎn)生的衰減作用稱為光纖的損耗。,六、光纖

18、的損耗,產(chǎn)生損耗的原因,吸收,本征吸收,非本征吸收,紅外吸收,紫外吸收,雜質(zhì)吸收,過渡金屬離子,OH根離子,原子缺陷,六、光纖的損耗,產(chǎn)生損耗的原因,散射,本征散射,非本征散射,瑞利散射,波導(dǎo)散射,玻璃密度不均勻,各種氧化物成分分布不均勻,六、光纖的損耗,產(chǎn)生損耗的原因,其他,光纖彎曲引起的輻射損耗,非線性效應(yīng)引起受激散射,連接損耗、耦合損耗,六、光纖的損耗,損耗系數(shù),損耗系數(shù)定義為單位長度（km）光纖引起的光功率衰減。,光纖輸入功率,光纖輸出功率,六、光纖的損耗,損耗系數(shù),七、光纖的色散,色散是指介質(zhì)的折射率n隨波長而變化的現(xiàn)象.即n=f()。,正常色散：介質(zhì)的折射率n隨波長的增加而減小的色

19、散。,反常色散：介質(zhì)的折射率n隨波長的增加而增加的色散。,七、光纖的色散,光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘栯S傳輸距離增加，由于不同頻率成分或不同傳播模式的光傳輸時延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。,色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。,產(chǎn)生色散的原因,七、光纖的色散,模式色散,在光纖中同一波長光波（速度相等）由于傳播模式不同使得光程不同，不同模式到達(dá)時間不同造成色散。,七、光纖的色散,材料色散,材料色散是由于光纖的折射率隨波長變化而使模式內(nèi)不同波長的光時間延遲不同產(chǎn)生的色散。,七、光纖的色散,波導(dǎo)色散,材料色散是由于同一模式的相位常數(shù)隨波長變化而使模式內(nèi)不同波長的光時延不同產(chǎn)生的色散

20、。,七、光纖的色散,光纖色散的表示方法,1.色散系數(shù)D():單位光譜線寬光源在單位長度光纖上所引起的時延差。,單位長度光纖上的時延差，單位是ps/km,光源的光譜寬度,七、光纖的色散,光纖色散的表示方法,2.最大時延差:描述光纖中速度最快和最慢的光波成分的時延之差。, 越大，色散越大,七、光纖的色散,光纖色散的表示方法,3. 光纖帶寬B:光纖每公里傳輸帶寬。光脈沖在光纖中傳輸后，光波的幅度隨著調(diào)制頻率增加而減小，因此可以將光纖視為一個低通濾波器。,單位長度光纖上的時延差，單位是ns/km,八、光纖的非線性效應(yīng),八、光纖的非線性效應(yīng),受激散射效應(yīng),受激散射效應(yīng)是光通過光纖介質(zhì)時，有一部分能量偏離預(yù)定的傳播方向，且光波的頻率發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為為受激散射效