现代光纤通信系统-第二章2

R A /
4
34
单模光纤损耗谱
1 00 50
OH－离子吸收峰
km 损耗 / (dB·
10 5 1 0 .5 0 .1 0 .0 5 0 .0 1
－1)
实验
红外 吸收
瑞利散射 紫外吸收 波导缺陷
0 .8
1 .0
1 .2 波长 / m
1 .4
1 .6
35
由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通 信系统的三个低损耗窗口：
① 第一低损耗窗口短波长0.85μm附近；
② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近； ③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近； 实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在 0.85μm 时 约 为 2.5dB/km ； 在 1.31μm 时 约 为 0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接 近理论值(理论极限为0.15dB/km)。
1 L
Po Pi
(km1 )
习惯上损耗系数的单位用dB/km
10 po lg 4.343 (km1 ) L pi 为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为 光功率的运算单位
(dB / km)
分贝毫瓦（dBm）：相对于1mW的功率电平，是绝 对功率值
P 功率电平 10 lg 1mW
4
例子
c c 1c
c c 1c
5
*时间延迟
3 2 y
c
c
1
l L x 纤芯n 1 包层n 2
1 z
2 3
o
1
n1l n1 L n1 L 12 sec1 (1 ) c c c 2
L 2 L n1L 2 c ( NA) 2n1c 2n1c c
输出光 和器件耦合 时的损耗
和器件耦合 时的损耗
瑞利 散射损耗
29
*损耗机理
30
吸收损耗
31
紫外吸收带：由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外(UV)区 (λ<0.4μm);
红 外 吸 收 带 ： 由分子 振 动引起 的 吸收带 发 生在红 外 (IR) 区
(λ>7μm);由于SiO2是非晶状材料，两种吸收带从不同方向伸 展 到 可 见 光 区 。 在 0.8~1.6μm 波 段 ， 小 于 0.1dB/km ， 在 1.3~1.6μm波段，小于0.03dB/km。 杂质吸收：光纤中的杂质主要有过渡金属(例如Fe2+、Co2+、 Cu2+)和氢氧根(OH-)离子，这些杂质是早期实现低损耗光纤的 障碍。由氢氧根离子(OH-)产生的吸收峰出现在0.95μm、1.24 μm和1.39 μm波长，其中以1.39μm的吸收峰影响最为严重。
r1
cos(Az)
0
8
*自聚焦效应
ri 0, z 0
r
r
0
An(0)
*
sin( Az )
o
ri 0
dz
i
dr
rm p
纤芯n(r)
r z
θ*=θ0cos(Az)
自聚焦周期
2 / A 2a / 2
*时间延迟
an(0) c 2
9
2.2.2 光纤传输的波动理论
包层n 2 r 纤芯n 1

z
y
设电磁场沿z方向传播
E E0 (r, )e j (t z )
H H 0 (r, )e j (t z )
写成分量形式： E ar Er a E az Ez
H ar H r a H az H z
1 ? W 1uW ? 1nW ?
0dBm 1mW
27
例 设有一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，从一端注入功率为200uW的光信号，求其输出 功率。
200106W Pin (W ) Pin (dBm) 10lg 10lg 1103W 7.0dBm 1m W
13
电场 HE1 1 HE2 1 磁场
TE0 1
TM 0 1
图 2.9 四个低阶模式的电磁场矢量结构图
14
15
n1 HE1 1 HM 0 1
1
/k
TE0 1
b HE3 1 EH1 2 HE4 1 TM 0 2 EH2 1
TE
02
EH1 1 HE2 1 0 1 2 3 V 4
n2
5
HE 2
2
6
Pout (dBm) P (dBm) L 7.0 0.8 30 31.0dBm in
P (30km) 1031.0 /10 (1mW) 0.79W out
28
引起衰减的原因
入射端 光纤 输入光 光 杂质 吸收 .... .... .... .... .... .... 光 吸收 损耗 材料密度不均匀 弯曲 引起折射率不均匀 泄露 。。 。。 。。。。 。。 。。 。。 。。。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 光 界面 不规则 光 弯曲产生 的损耗 对接 损耗 场分布 光纤 对接 出射端
12
*传播模式和传播条件
光纤中任意一个模式的传播条件是
n1 HE1 1
V Vc
2
c
1
2 a n12 n2
HM 0 1
/k
TE0 1
b HE3 1 EH1 2 HE4 1 TM 0 2 EH2 1
TE
02
EH1 1 HE2 1 0 1 2 3 V 4
n2
5
HE 2
2
6
0
若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线
NA n0 sin c n n n1 2
2 1 2 2
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接 收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损 耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大， 纤 芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大 经 光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。
/k
2
HM 0 1 TE0 1 b HE3 1 EH1 2 EH1 1 HE2 1 0 1 2 3 V 4 EH2 1 5 HE4 1 TM 0 2
TE
02
n2
HE 2
2
6
0
2.405Vc (TE01 , TM 01 , HE21 ) V2 3.832Vc ( HE31 , EH11 )
2.2 光纤传输原理
几何光学近似法 光波导理论
1
几何光学近似法
1. 突变型多模光纤
3 2
y
c
c
1
l L x 纤芯n 1 包层n 2
1 z
2 3
o
1
存在一个临界角θc，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射 2 的光束才能在光纤中传播。
3
*数值孔径(Numerical Aperture, NA)
0≤r≤a 2r≥a
*数值孔径
NA( r ) n ( r ) n
2
2 2
NA max n n
2 1
2 2
7
r
* o
ri 0 dzi源自drrm p纤芯n(r)
r z
射线方程一般形式为
d dp ( n ) n ds ds
r
θ*
cos(Az) =
-An(0) sin(Az)
1 sin( AZ ) An(0)
光导纤维
圆柱状的介质波导
波导中存在各种模式的电磁波： 传播模（导波模） 截止模（辐射模）
10
1. 光波导中的电磁场方程
矢量波动方程
2 2 E k0 n E 0 2 2 2 H k0 n H 0
2
2 2 k0 n2 0
标量波动方程
11
x
圆柱坐标系
B ( x y )


22
23
把两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍 长Lb
2 Lb
存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。 许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。一般 单模光纤B值虽然不大,但是通过光纤制造技术来消除它却十分 困难。合理的解决办法是通过光纤设计，人为地引入强双折射， 把B值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式， 实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振 保持光纤。
36
ITU-T对1.2~1.7um范围的低损耗区给出波段划分的统一标准 波段划分
37
全波光纤(all-wave fiber) 为了充分利用光纤带宽，开发了“消 水峰”光纤，将光纤中的过渡金属离子含量降低到其影响可以 忽略的程度。目前OH-的含量已经降低到10-9以下，1.39μm吸收 峰损耗也减小到0.5 dB/km以下。
0
19
20
*光强分布和模场半径 通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分
布近似为高斯分布
r 2 (r ) A exp 0
式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0 为高斯分布1/e点的 半宽度，称为模场半径。实际单模光纤的模场半径w0是用测 量确定的，常规单模光纤用纤芯半径a归一化的模场半径的 经验公式为
V 2a
n1 1 HE1 1 HM 0 1

2 n12 n2 2.405
/k
*截止波长
c V 2.405
TE0 1
b HE3 1 EH1 2 HE4 1 TM 0 2 EH2 1