光纤通信技术教案Word格式.docx

1、 渐变型光纤 纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。 2.按照纤芯中传输模式的多少来分 单模光纤 定义：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。 尺寸：纤芯直径约为410m。 多模光纤 定义：在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。纤芯直径约为50m。 用射线理论分析光纤的导光原理 分析光纤导光原理有两种基本的研究方法： 射线理论法 波动理论法 光学基础知识 1.折射率：n?cv 2.反射定律：1= ?3 3.折射定律：n1sin?1= n2sin?2 4.全反射：sin?c?n2n1 阶跃型光纤的导光原理 1

2、.相对折射指数差 定义：n1和n2的相差程度 公式： ?n1?n22n1222 ?n2n1弱导波光纤n1n2 2.阶跃型光纤中的光射线种类 子午射线 轴心线：OO 子午面：过轴心线的平面 子午线：过轴心线，在同一个子午面内。 斜射线：不过轴心线，不在同一个子午面内。 3.子午线的分析 折射定律：n0sin?2?n1sin（?sin?n1n0cos?1?n1n0?1）?n1cos?1 21?1 全反射定律：1n2n1 将公式代人公式得，sin?4.数值孔径 定义：光纤捕捉光射线能力 公式：NA?n1n01?（n2n1）?n1?n2 222n1?n2?n12? 22渐变型光纤的导光原理 1.渐变型

3、光纤中的子午线 渐变型光纤中的射线，也分为子午线和斜射线两种。 渐变型光纤于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线不是直线，而是曲线。不同入射条件的子午线，在芯子中，将有不同轨迹的折射曲线。 渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 图 渐变型光纤中的子午线 于渐变型光纤芯子中的折射指数n1随半径r变化，因此可将纤芯分成若干层折射指数不同的介质。射线轨迹与芯子中折射率分布n（r）有关，也和射线的入射条件有关。 2.子午线的轨迹方程 图子午线的行进轨迹 渐变型光纤子午线的轨迹方程 Z?n0N0n（r）?nN22020dr?c 3.渐变型光纤的最佳折射指数分布 在渐变型光纤

4、中，于芯子中的折射指数分布不均匀，因此光射线的轨迹将不再是直线而是曲线。当射线的起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。 如果选用合适的n（r）分布，就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可减小光纤中的模式色散。 光纤的自聚焦 渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的现象称为自聚焦现象，这种光纤称为自聚焦光纤。 具有不同起始条件的子午线，如果它们的空间周期长度相同，则这些子午线将同时到达终端，就可以在光纤中产生自聚焦。这种可使光纤中产生自聚焦时的折射率分布，称为最佳折射指数分布。 图 射线轨迹 最佳折射指数分布的形式 ?表达式：n（r）?n（0）1?（）g?ar12 4. 渐变型光纤

5、相对折射指数差?r?n2222n?n22 5. 渐变型光纤数值孔径NA（r）?n（r）2? 当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。 用波动理论分析光纤的导光原理 波动理论有两种分析方法： 矢量解法：有大小，有方向。 标量解法：有大小，无方向。 1.标量近似解法 在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。 弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直。 把E和H处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即TEM波。 于E近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变的标量E。 因此，它将满足标

6、量的亥姆霍兹方程，通过解该方程，求出弱导波光纤的近似解。这种方法称为标量近似解法。 2.标量解的场方程的推导思路 首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程 将式在圆柱坐标中展开得出 用分离变量法求解横向场Ey 根据麦氏方程中E和H的关系可得出横向磁场Hx的解答式 根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量EZ、HZ的解答式 3.标量解的场方程 坐标选取 直角坐标系 圆柱坐标系 解场方程 场方程中的参数 导波径向归一化相位常数U=n1k 导波径向归一化衰减常数W?2220?a 2202?n2ka 归一化频率V?n1k0a2?Jm?1（U）Jm（U）2?n1a2?0Km?1（W）Km（W） 4.标

7、量解的特征方程 U?wUJm?1（U）Jm（U）?WKm?1（W）Km（W） 5.阶跃型光纤标量模特性的分析 标量模的定义 极化：就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。 线极化：如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线时，就把这种极化称为直线极化。 弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波，以LP表示。在这种特定条件下传播的模式，称为标量模，或LPmn模。 截止时标量模的特性 截止的概念 形成导波的条件：90? k2k1 当?k2=k0n2时，导波截止的临界条件。 当?k2=k0n2时，光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。

8、截止时的特征方程：1（U）?0 截止情况下LPmn模的归一化截止频率Vc 阶跃型光纤的单模传输条件 LP01模 Vc=Uc=0 LP11模 Vc=Uc= 单模传输的条件是：0V 远离截止时标量模的特性 远离截止 当V时，即为远离截止。 远离截止时标量模的特征方程：Jm（U）?0 远离截止时LPmn模的U值 6.阶跃光纤中导模数量的估算 条件：当0当V时，为多模光纤。 公式：M?V22 单模光纤 单模光纤的折射率分布 1阶跃型单模光纤折射率分布形式 于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中，它们相互向对方扩散，渗透，使得在纤芯和包层的交界r=a处，折射率n1逐渐变化到n2，呈“圆形”变化，如图。

9、图 阶跃型单模光纤折射率分布 于在预制棒制作过程中，形成纤芯r=0处，折射指数下陷，这就是通常所说的MCVD制造工艺所引起的一种典型缺陷，如图。 2下凹型单模光纤折射率分布形式 在纤芯和包层之间设立折射率比包层折射率还低的中间层，或称为内包层。采用这种结构形式是为了减小单模光纤的色散，可以使材料色散和波导色散相互抵消。 单模传输的理论分析 1单模传输的条件：0UJ?1（U）J0（U）J1（U）J0（U）?WK?1（W）K0（W）K1（W）K0（W） U?W 3单模光纤的特征参数 衰减系数 ?10LlogPiP0 截止波长?an1Vc 模场直径d模场直径是描述光纤横截面上，基模场强分布的物理量。

10、 单模光纤的双折射 理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上，在单模光纤中有两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的两个模式。它们的极化方向互相垂直，这两种模式分别表示为LP01y和LP01x。 在理想的轴对称的光纤中，这两个模式有相同的传输相位常数，它们是相互简并的。但在实际光纤中，于光纤的形状、折射率及应力等分布得不均匀，将使两种模式的值不同，形成相位差，简并受到破坏。这种现象叫做双折射现象。 1.线偏振、椭圆偏振和圆偏振 偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。 如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差/2，则合成的电场矢量将随着时间t的变

11、化而围绕着传播方向旋转，其端点的轨迹是一个圆，称为圆偏振，如图所示。 如果电场强度的两个分量空间方向相互垂直，且振幅和相位都不相等，则随着时间t的变化，合成矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振，如图所示。 2.单模光纤的双折射 双折射的概念 在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时，这种现象称为模式的双折射。 双折射的分类 线双折射 在单模光纤中，如果两正交方向上的线偏振光的相位常数不相等，引起的双折射称为线双折射。 圆双折射 在传输媒质中，当左旋圆偏振波和右旋圆偏振波有不同的相位常数时，将引起该两圆偏振光不同的相位变化，称为圆双折射。 椭圆双折

12、射 当线双折射和圆双折射同时存在于单模光纤中时，形成的双折射称为椭圆双折射。 双折射对偏振状态的影响 单模光纤中，光波的偏振状态是沿传播方向作周期性变化的。双折射对偏振状态的影响如图2-17所示。 LB?x?y?2式中=x-y，称为偏振双折射率。 光纤的传输特性 光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。 光纤的损耗特性 1.吸收损耗 吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。 本征吸收 本征吸收是光纤基本材料固有的吸收，并不是杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特

13、定材料的吸收的下限。 吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。 杂质吸收 杂质吸收是玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH离子，在光波激励下离子振动产生的电子阶跃吸收光能而产生的损耗。 2.散射损耗 于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。 散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射，非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。 3.弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直

14、径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。 4.光纤损耗系数 定义：传输单位长度（1km）光纤所引起的光功率减小的分贝数。 表达式：10LlgP1P2?dB/km? 光纤的色散特性 1.光纤色散的概念 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。 2.光纤色散的表示方法 色散的大小用时延差来表示。 时延 时延即指信号传输单位长度时，所需要的时间，用表示。 时延差 不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差

15、，用表示。 时延差可不同的频率成分引起，也可不同的模式成份引起。时延并不代表色散的大小，色散的程度应用时延差表示，时延差越大，色散就越严重。 3.材料色散 于光纤材料本身的折射指数n和波长呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。 4.波导色散 光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。 5.模式色散 光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数mn不同，它所引起的色散称为模式色散。 光纤的非线性效应 受激光散射效应 瑞利散射： 一种线性散射，仅仅改变光的传播方向，而散射光的频率是不变的。 受激散射： 一种非线性散射，

16、能量从入射波转移到另一个波。在此过程中低频率处的具有小能量差的散射波以声子的形式释放。 入射波可被看成是一种泵浦波，散射波被称为斯托克斯波. 受激散射的结果：使得承载信息的入射光信号衰减 1。受激喇曼散射（SRS）: 散射光（stokes）主要向前移动，其频率属于光频范围。 单信道时SRS阈值功率较大，因此在单信道系统（如SDH）中可以忽略；但在WDM系统中，SRS会造成功率从短波长信道到长波长信道的转移,会引发BER和系统性能下降。 SRS的有效频率范围较宽（f10THz），从而在许多信道中都会发生SRS，进一步降低系统性能。 2.受激布里渊散射 （SBS）： 散射光（stokes）主要向后

17、移动，其频率属于声频范围。 单信道时SBS阈值功率较小,因此对单信道系统是个问题。 SBS的有效频率范围很窄（f20MHz），对WDM几乎没有影响。 光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应 光纤在强光作用下折射率的表达式。 n?n0?n2E2此时光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性参量。式中n2称为非线性克尔系数。折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是自相位调制，交叉相位调制及四波混频。 1. 自相位调制 在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。 这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频谱发生变化，这个变

18、化的频率称为啁啾。 把光脉冲在传输过程中于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。 SPM因色度色散引起脉冲展宽；对于进入光纤时的高传播功率，SPM可以压缩脉冲。 SPM主要影响单信道系统。 2. 交叉相位调制 当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，于光纤非线性效应的存在，它们之间将相互作用。 光纤中于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其它光波的相位调制。 这种光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。 在WDM系统中将发生XPM。 3.四波混频 当三个EM波（1,2,3）同时在光纤中传播时，因光纤

19、的电极化率包含非线性部分而产生了第四个EM波（123）,从某种意义上说不是一个波而是多个波。 第四个光波的频率可以是三个入射光波频率的各种组合，把这种现象称之为是非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。 第四个光波的功率在频率接近零色散波长时达到峰值。 四波混频现象对系统的传输性能影响很大，包括增系统误码率和信道之间的串扰。 光孤子通信 1光孤子 ? 从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光学的一个特殊产物。 ? 孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长距离、无畸变传输的电磁波。 光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此称其为孤立子。 2光孤立子的产生机理 ? 折射率n与相位之间存在确

20、定的关系。 ? 一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤中光信号的相位增大，随之造成光信号的频率降低，进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前沿传输速度降低。 如果所传信号是强的光脉冲，则光纤非线性效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应使脉冲展宽的影响。 那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个一个孤立的粒子那样传输，故称孤立子。 3光纤损耗对光孤子传输的影响 损耗对光孤子宽度的影响 ? 即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响情况下的展宽相比要小的多，因此对光纤通信系统来说，非线性影响是有益的。 如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论。而且在8Gbit/s

21、传输速率、光孤子的峰值功率为3mW条件下，预计中继距离可增加两倍。 利用光孤子放大补偿光损耗 为克服光纤损耗的影响，需要对光孤子周期性地放大，以便恢复其最初的宽度和峰值功率。 集中光孤子放大 分布放大 第3章 光纤通信器件 光源 激光器的物理基础 1.光子的概念 光具有二重性，即波动性和粒子性。 不同频率的光子具有不同的能量。 一个光子具有的能量为：E=hf 2.费米能级 原子能级 物质是原子组成的，而原子是原子核和核外电子构成的。原子核带正电，电子带负电。正负电荷数相等，整个原子呈中性。 当原子中电子的能量最小时，整个原子的能量最低，这个原子处于稳态，称为基态；当原子处于比基态高的能级时，称

22、为激发态。通常情况下，大部分原子处于基态。 费米能级 当T0k时：EEf ： f（E）1212，能级E被电子占据几率小。 ，能级E被电子占据几率大。 当T0K时： E f（E）=0 E光和物质的相互作用有自发辐射、受激吸收和受激辐射三种。 自发辐射：物质在在无外来光子激发下，高能级E2上的电子，于不稳定，自发地向低能级E跃迁，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程叫做自发辐射。 受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收。 受激辐射：处于高能级E2的电子，当受到外来光子的激发而跃迁到低能级E1时，放出一个能量为hf的光

23、子。于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做受激辐射。 激光器的工作原理 1.粒子数反转分布 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用大于受激吸收作用，也就是必须使N2N1。这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。 2.激光器的基本组成 激光振荡器必须包括以下三个部分：激光工作物质、泵浦源、光学谐振腔。 3.光学谐振腔 光学谐振腔的结构。 在增益物质两端，适当的位置，放置两个反射镜M1和M2互相平行，就构成了最简单的光学谐振腔。如果反射镜是平面镜，称为平面腔；如果反射镜是球面镜，则称为球面腔。 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，如M1的反射系数r=1；另一个为部分反射，如

24、M2的反射系数r在激光器中，首先泵浦源激励激光工作物质，产生粒子数集居反转分布。同时，于自发辐射也将产生自发辐射光子。这些光子辐射的方向是任意的，它们之中凡是沿与谐振腔轴线夹角较大的方向传播的光子，将很快逸出腔外，只有那些沿与谐振腔轴线夹角较小的方向传播的光子流，才有可能在腔内沿轴线方向来回反射传播，在腔内的激活物质中来回穿行。受激辐射连锁反应，象雪崩般的加剧，当光功率达到一定程度时，在部分反射镜M2的一侧输出一个高功率的平行光子流。在这一过程中于受激辐射跃迁而产生大量的全同光子，这就是激光。 4.激光器的参量 损耗系数 增益系数G 阈值条件Go 相位平衡条件半导体激光器 1.半导体激光器的结

25、构 半导体激光器的结构有两种：F-P腔激光器和DFB-分布反馈型激光器。 F-P腔激光器从结构上可分为同质、单异质和双异质半导体激光器三种。 2.半导体激光器工作原理 本征半导体的能带分布：未掺杂的半导体 P型半导体和N型半导体 在重掺杂情况下，P-N型结的能带分布。 P-N结外加正偏压后的能带分布以及激光的产生。 3.半导体激光器的工作特性 阈值特性 对于半导体激光器，当外加正向电流达到某一值时，输出光功率将急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流值称为阈值电流，用It表示。 光谱特性 半导体激光器的光谱随着激励电流的变化而变化。 温度特性 激光器的阈值电流和光输出功率随温度变化的特性为温度特

26、性。 转换效率 半导体激光器是把电功率直接转换成光功率的器件，衡量转换效率的高低常用功率转换效率来表示。 光电检测器 光电检测器是将光信号转换为电信号。 常用的半导体光电检测器有PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管两种。 半导体的光电效应 半导体光电效应：第一步，当光照射到半导体的P-N结时，若光子能量足够大，则价带中的电子吸收光子，获得能量的电子跃迁到导带，同时在价带中留下了空穴，即光电子-空穴对，又称光生载流子。第二步，光生载流子在外加偏置电压和内建电场的作用下，电子-空穴对的运动形成了电流，这个电流常称为光生电流。 图 半导体材料的光电效应 当光照射在某种材料制成的半导体光电二极管上时

27、，若有光电子空穴对产生，显然必须满足如下关系，即 E?hf?hc?Eg 其中，E为一个光子的能量，Eg为禁带的宽度。 截止频率：fc?EghhcEg 截止波长： 【结论】只有入射光波长PIN光电二极管的结构如图所示。在高掺杂的P型和N型半导体之间，生长一层低掺杂的N型半导体，因为这一层的掺杂浓度很低，近乎本征半导体，故称I层。 在PIN管结构中P+和N+区非常薄，而低掺杂的I区很厚，外加负偏压进一步驱除了I区的载流子，常常使得耗尽几乎占据了整个PN结，从而使光子在零电场区被吸收的可能性很小，而在耗尽区里被充分吸收。即吸收区近似等于作用区光电转换效率提高。 图 PIN光电二极管结构和能带图 雪崩光电二极管 雪崩光电二极管，又称APD。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。 的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，