光電子技術(shù)-光纖

1、光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ),第四章,光 纖,,,第四章 光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ),光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無(wú)失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性，任何信號(hào)均能以相同速度無(wú)損無(wú)畸變地傳輸。?但實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度較高時(shí)還存在非線性。？在實(shí)際系統(tǒng)中，光信號(hào)到底如何傳輸？其傳輸特性、傳輸能力究竟如何？——本章討論的要點(diǎn)。,4.1光纖概述4.2 光纖的損耗特

2、性4.3光纖的色散特性及色散限制,第四章 光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ),4.1 光纖概述,60年代，光纖損耗超過(guò)1000dB/km1970年出現(xiàn)突破，光纖損耗降低到約20dB/km (1?m附近波長(zhǎng)區(qū))1979年，光纖損耗又降到0.2dB/km (在1.55 ?m處) －－低損耗光纖的問(wèn)世導(dǎo)致了光波技術(shù)領(lǐng)域的革命，開創(chuàng)了光纖通信的時(shí)代。,光纖的基本知識(shí)（ ）,階躍折射率光纖: 為常數(shù)，折射率僅在 、

3、 分界面上發(fā)生突變，漸變折射率光纖: 是光纖半徑r的函數(shù)，即從中心到r＝a折射率是漸變的單模光纖: 芯徑約10微米, 光在其中幾乎沿軸向傳輸，傳輸帶寬10GHz多模漸變型光纖: 芯徑約50微米，光的傳輸軌跡近似為正弦型，傳輸帶寬從數(shù)百M(fèi)Hz 到數(shù)GHz；多模階躍型光纖: 芯徑約62.5微米，光傳輸軌跡為“之”字形，傳輸帶寬10MHz到50MHz。石英光纖: 損耗小、性能好，常用于通信塑料光纖損耗大、易于耦合

4、、制作容易，用于短距離能量傳導(dǎo)等, 未來(lái)希望向光纖入戶與局域網(wǎng)方向發(fā)展。 考慮到目前情況，本章主要介紹石英光纖。,光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),(1)直徑: 纖芯直徑2a、包層直徑2b細(xì)要求：1 成本，光纖直徑應(yīng)盡量小， 2 機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，石英光纖很脆，粗則易斷；粗要求：對(duì)接、耦合、損耗平衡要求：總粗小于150μｍ。 典型單模光纖芯徑約10μｍ（多取9μｍ），包層直徑125μｍ

5、 多模階躍光纖芯徑62.5μｍ，包層直徑125μｍ 多模漸變型光纖芯徑約50μｍ，包層直徑125μｍ,光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),于是得,,N.A.代表光纖接收入射光的能力，只有 的光錐內(nèi)的光才可能在光纖中發(fā)生全反射而向前傳播。對(duì)于波長(zhǎng) 處典型值 ， ，可算得

6、 。,,,,,,光纖界面光傳輸情況,,,,(2)數(shù)值孔徑: N.A.,光纖可能接受外來(lái)入射光的最大受光角( )的正弦與入射區(qū)折射率的乘積。,全反射要求：,,光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),(3)相對(duì)折射率Δ,相對(duì)折射率Δ定義為纖芯折射率同包層折射率的差與纖芯折射率之比：,,一般 只略大于 ：?jiǎn)文９饫w ，多模光纖

7、 ，于是,,,(4)歸一化頻率(V),表示在光纖中傳播模式多少的參數(shù)，定義為,,它與平板波導(dǎo)中的歸一化頻率定義一致。a和 N.A.越小，V越小，在光纖中的傳播模式越少。一般地，當(dāng) 時(shí)，只有基模能傳播；而當(dāng) 時(shí)，為多模傳輸態(tài)。,,,,,,,光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù),纖芯折射率分布通式為：,,為纖芯中心折射率，r取值范圍為0≤r≤a，α為折射率分布系數(shù)。α取值不同，折射率分布不同：,α ＝∞

8、時(shí)，折射率為階躍型分布。α＝2時(shí)，折射率為平方律分布(漸變型分布的一種)。α＝1時(shí)，折射率為三角型分布。,,,,(5)折射率分布n(r),4.1.1 光纖的結(jié)構(gòu),光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫伞９饫w?中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點(diǎn)：ncore>nclad ?光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。,根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可

9、分為：,不同的折射率分布，傳輸特性完全不同,-數(shù)值孔徑(NA),,,,相對(duì)折射率差,n0、n1、n2--分別是空氣、纖芯、包層折射率，?c--芯包界面全反射臨界角,1. 階躍光纖,代表光纖接收光的本領(lǐng),（示意圖，比例不符）,,,? 大 ?,,以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)入射并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時(shí)間卻不同，出現(xiàn)了時(shí)間上的分散，導(dǎo)致脈沖嚴(yán)重展寬。,模間色散,,,所有?大于臨界角?C的光線都被

10、限制在纖芯內(nèi)。,1. 階躍光纖,core,cladding,1. 階躍光纖,經(jīng)歷最短和最長(zhǎng)路徑的兩束光線間的時(shí)差:,-傳輸容量限制:,B--信號(hào)比特率,,1. 階躍光纖,-傳輸容量限制:,對(duì)于無(wú)包層的特殊光纖，n1=1.5，n2=1.0(空氣)，?=0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km減小?值，BL能提高很多。一般?<0.01。當(dāng)?=0.002時(shí)，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率傳輸10k

11、m，適用于一些局域網(wǎng)。,2. 漸變光纖,漸變光纖的芯區(qū)折射率不是一個(gè)常數(shù)，從芯區(qū)中心的最大值逐漸降低到包層的最小值。光線以正弦振蕩形式向前傳播。入射角大的光線路徑長(zhǎng),由于折射率的變化,光速在沿路徑變化,雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短,但軸線上折射率最大,光傳播最慢.通過(guò)合理設(shè)計(jì)折射率分布, 使光線同時(shí)到達(dá)輸出端，降低模間色散。,2. 漸變光纖,優(yōu)化設(shè)計(jì)的漸變光纖，其BL積達(dá)約10(Gb/s).km，比階躍光纖提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。第一代光波

12、系統(tǒng)就是使用的漸變光纖。單模光纖能進(jìn)一步提高BL積，需要采用電磁導(dǎo)波和模式理論來(lái)討論。,確定傳輸模式的參數(shù)?？捎刹▌?dòng)方程導(dǎo)出。,,歸一化頻率V：,a為纖芯半徑，?為光波波長(zhǎng)，?為折射率差。參量V決定了光纖中能容納的模式數(shù)量。如果V<2.405，則它只容納單模——單模光纖。,模折射率（有效折射率）：,單模光纖的截止波長(zhǎng)： 使得V=2.405時(shí)的光波長(zhǎng).,模式,一個(gè)模式是由它的傳播常數(shù)?唯一確定的.由?可引入一

13、個(gè)很有用的量.,,按照光纖傳輸模式的多少分： 單模光纖 多模光纖按照光纖截面折射率分布分： 階躍型光纖 梯度型光纖(多模光纖) 雙包層（W型） 三角分布--色散位移光纖(DSF G.653),非零色散位移光纖(NZ-DSF G.655),4.1.2 光纖的分類(1),ITU-T標(biāo)準(zhǔn)光纖G.652：普通單模光纖（SMF）G.653：色散位移光纖(DSF)G.655：非零色散位移光纖(NZ-DSF),產(chǎn)品：

14、康寧LEAF；長(zhǎng)飛：大保實(shí)特種光纖:保偏光纖（PMF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）摻鉺光纖（EDF）等,4.1.2 光纖的分類(2),光纖的種類,光纖的芯徑、折射率差（?）、所使用波長(zhǎng)?可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖 2a=50 ?m單模光纖? 2a=4~10 ?m,外徑：2b=125?m,,模場(chǎng)直徑MFD,對(duì)單模光纖，2a與?處于同一量級(jí)，由于衍射效應(yīng)，模場(chǎng)強(qiáng)度有相當(dāng)一部分處于包層中，不易精確測(cè)出2a的精確

15、值，因而只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的意義，在應(yīng)用中并無(wú)實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中常用模場(chǎng)直徑2w，即光斑尺寸表示，近似為：,,2a,2w,,,電場(chǎng)強(qiáng)度降到峰值的1/e,E0/e,e=2.71828,三種主要類型光纖的比較,4.1.3 光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造,各種不同的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和折射率分布的光纖，可分別用于不同的場(chǎng)合。纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過(guò)在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。纖芯摻入Ge和P ?折射率?包層摻入B ?折射率?

16、,光纖光纜的制作,用氣相沉積法制作具有所需折射率分布的預(yù)制棒（典型預(yù)制棒長(zhǎng)1m,直徑2cm）使用精密饋送機(jī)構(gòu)將預(yù)制棒以合適的速度送入爐中加熱成纜--光纜預(yù)制棒制作技術(shù) －改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）、棒外氣相沉積法（OVD）和軸向氣相沉積法（VAD）,制造光纖預(yù)制棒的MCVD流程示意圖,光纖拉絲裝置示意圖,塑料光纖,聚合物(塑料)光纖(POF)：用于用戶接入。盡管塑料光纖與玻璃光

17、纖相比有更大的信號(hào)衰減，但韌性好，更為耐用直徑大10~20倍，連接時(shí)允許一定的差錯(cuò)，而不致犧牲耦合效率廉價(jià)的塑料注入成形技術(shù)，可用于制造光連接器、光分路器和收發(fā)設(shè)備。,光纖性能是有限制的，隨著信道數(shù)據(jù)率和傳輸距離的增加，光纖不再是一個(gè)透明管道.傳輸特性損耗(dB/km)，直接影響中繼距離；色散(ps/nm.km)，將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_ ，最終影響通信距離和容量；非線性效應(yīng),光纖的傳輸性能,為維持誤碼率不變，需提高接

18、收功率，所需增加相應(yīng)的功率稱為功率代價(jià)。（Power Penalty）,4.1光纖概述4.2 光纖的損耗特性4.3光纖的色散特性及色散限制,第四章光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ),,損耗定義:,POUT--出纖光功率 Pin--入纖光功率,4.2 光纖的損耗特性,光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。,若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：,這里?代表光纖損耗，L

19、是光纖長(zhǎng)度，習(xí)慣上光纖的損耗通過(guò)下式用dB/km來(lái)表示：,示例,對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實(shí)際中這是不可能的。實(shí)際的低損耗光纖在900nm波長(zhǎng)處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號(hào)光功率將損失50％，2km后損失達(dá)75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進(jìn)行運(yùn)算，是因?yàn)橛梅重惐硎镜膿p耗具有可加性。,,,,,1300,1550,850,,,紫外吸收,,紅外吸收,,瑞利散射,,0.2,2.5,

20、損 耗 (dB/km),波 長(zhǎng) (nm),,OH離子吸收峰,光纖損耗譜特性,損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗,,,,,,AllWave® 光纖,范崇澄 FS-89,光纖的損耗機(jī)理(1),材料吸收紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73 ?m，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.

21、24、0.95 ?m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰---全波光纖（AllWave 康寧）,光纖的損耗機(jī)理(2),瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理。由于制造過(guò)程中沉積到熔石英中的隨機(jī)密度變化引起的，導(dǎo)致折射率本身的起伏，使光向各個(gè)方向散射。大小與?4成反比， ?R＝C/ ?4（dB/km）因而主要作用在短波長(zhǎng)區(qū)。瑞利散射損耗對(duì)光纖來(lái)說(shuō)是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.5

22、5 ?m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.12~0.16 dB/km ，是該段損耗的主要原因。,光纖的損耗機(jī)理(3),輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，二是光纖成纜時(shí)軸向產(chǎn)生的隨機(jī)性微彎。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場(chǎng)拖尾）于纖芯中的場(chǎng)一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，離中心較遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部須以較大的速度行進(jìn)，以便與纖芯中的場(chǎng)一同前進(jìn)。這有可能要求離纖芯遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部以大于光速的速度前進(jìn)，由于這是不可能的，

23、因此這部分場(chǎng)將輻射出去而損耗掉。,4.1光纖概述4.2 光纖的損耗特性4.3光纖的色散特性及色散限制,第四章 光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ),4.3.1 光纖的色散特性,光纖色散：信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。,色散類型模間色散：不同模式對(duì)應(yīng)有不同的模折射率，導(dǎo)致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導(dǎo)色散 ?(?)：傳播常數(shù)隨頻率變化材料色散 n(

24、?)：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD,波長(zhǎng)色散,,群速色散(GVD),由光源發(fā)射進(jìn)入光纖的光脈沖能量包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過(guò)程中必將出現(xiàn)脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為群速色散（GVD）、模內(nèi)色散或簡(jiǎn)言之光纖色散。包括材料色散和波導(dǎo)色散。,Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to travel

25、at different speeds in fiber, resulting in pulse spreading,群速度,沿z方向傳輸?shù)膯紊ǎ??是角頻率（弧度/秒）；?是傳播常數(shù)（m-1）。群速度：表征光信號(hào)包絡(luò)的傳輸速度,,群時(shí)延是頻率的函數(shù)，因此任意頻譜分量傳播相同距離所需的時(shí)間都不一樣。這種時(shí)延差所造成的后果就是光脈沖傳播時(shí)延隨時(shí)間的推移而展寬。而我們所關(guān)心的就是由群時(shí)延引入的脈沖展寬程度。,群時(shí)延：

26、頻率為?的光譜分量經(jīng)過(guò)長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖時(shí)的時(shí)延。,群時(shí)延,光脈沖展寬(1),光脈沖展寬：由于光脈沖包含許多頻率分量，因而群速度的頻率相關(guān)性導(dǎo)致了脈沖傳輸過(guò)程中展寬，不再同時(shí)到達(dá)光纖輸出端。,為群速色散（GVD）,脈沖展寬同?2、光纖長(zhǎng)度L和信號(hào)譜寬??成正比,?2決定了脈沖在光纖中的展寬程度,光脈沖展寬(2),以色散參數(shù)D[ps/(nm. km)]表達(dá)脈沖展寬 D的定義為：,D代表兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為1nm的光波傳輸1km距離后的時(shí)延

27、,脈沖展寬：,??以波長(zhǎng)單位表達(dá)的光信號(hào)譜寬,單模光纖的色散,材料色散DM，纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化導(dǎo)致了這種色散，這樣即使不同波長(zhǎng)的光經(jīng)歷過(guò)完全相同的路徑，也會(huì)發(fā)生脈沖展寬。波導(dǎo)色散DW ，由于單模光纖中只有約80％的光功率在纖芯中傳播，20％在包層中傳播的光功率其速率要更大一些，這樣就出現(xiàn)了色散。波導(dǎo)色散的大小取決于光纖的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟Ｊ絺鞑コ?shù)?是a/?的函數(shù)(a纖芯半徑， a/?是光纖相當(dāng)于波長(zhǎng)的尺度).,單模光纖的色散,零色

28、散波長(zhǎng),,17ps/nm.km@1550nm,,D=DM+DW,Dispersion of “Standard” Single-Mode Fiber,?0, D<0 紅快蘭慢光脈沖的較高的頻率分量（蘭移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)寐??> ?D 反常色散區(qū)?20蘭快紅慢光脈沖的較高的頻率分量（蘭移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)每?D,波導(dǎo)色散DW對(duì)D(?2)的影響依賴于光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，如纖芯半徑和芯－包層折射率差?

29、。根據(jù)光纖的這種特性，可改變光纖的色散情況，進(jìn)行色散位移。,色散位移,G.653色散位移光纖,,,,,,,,,,,,,,,,,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,,衰減 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波長(zhǎng)(nm),,,,,,G.653色散位移光纖,,,,,,,,,,,,,,,,,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,,衰減 (dB/km),1600,1700,

30、1400,1300,1200,1500,1100,波長(zhǎng)(nm),,,,,,G.655非零色散位移光纖,,,,,,,,,,,,,,,,,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,,衰減 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波長(zhǎng)(nm),,,,,,SMF, G.652, 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖DSF, G.653, 色散位移光纖NZ-DSF, G.655, 非零色散位移光纖DFF, 色散平

31、坦光纖LEAF, 大有效面積光纖DCF, 色散補(bǔ)償光纖NDF, 負(fù)色散光纖,Large Effective-Area Fiber: 如LEAF Fiber(康寧) Aeff:,Dispersion Compensating Fiber:? -100ps/nm.km & 0.5dB? 芯徑小，非線性嚴(yán)重? 雙折射，PMD嚴(yán)重,單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(1),在光纖通信發(fā)展的近30年中，單模光纖的結(jié)構(gòu)和性能

32、也在不斷發(fā)展和演變。最早實(shí)用化的是常規(guī)單模光纖SMF(G.652光纖)，零色散波長(zhǎng)在1310nm，曾大量敷設(shè)，在光纖通信中扮演者重要的角色。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)男阅埽瑸榇?，人們研制了色散位移光纖DSF(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

33、1310nm移到1550nm。,單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(2),90年代后，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。非零色散位移光纖NZ-DSF(G.

34、655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，其色散可正可負(fù)。若零色散波長(zhǎng)小于1530nm則色散為正；若零色散波長(zhǎng)大于1565nm則色散為負(fù)。從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的色散管理。,單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(3),NZ-DSF光纖的缺點(diǎn)是模場(chǎng)直徑小，容易加劇非線性效應(yīng)的影響，為此人們又研究了大有效面積

35、NZ-DSF光纖。如康寧公司研制的三角形＋外環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)光纖，三角形和內(nèi)環(huán)纖芯的作用是將零色散波長(zhǎng)移向1550nm，外環(huán)的作用是把光從中心吸引出來(lái)一部分，增大有效面積。各種光纖性能不斷提高，各種新型光纖層出不窮，無(wú)所謂好壞，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇最合適的光纖。,高階色散效應(yīng),因?yàn)樵?＝?0處色散并未完全消失，尚存在高階色散，光脈沖仍會(huì)展寬。D不能使中心波長(zhǎng)位于?0的光脈沖包含的所有波長(zhǎng)都為零，D＝0并不意味著色散不隨波長(zhǎng)而變，D的

36、波長(zhǎng)相關(guān)性或高階色散將引起脈沖展寬。高階色散取決于色散斜率S：高階色散效應(yīng)只有在脈沖波長(zhǎng)?趨近于零色散波長(zhǎng)且差別只有幾個(gè)nm時(shí)才需考慮。,當(dāng)單模光纖工作在零色散波長(zhǎng)?0時(shí)，D＝0，其BL積可無(wú)限增大？,實(shí)際上是不可能的,模式雙折射,理想條件下（光纖為嚴(yán)格的圓柱形&材料各向同性），X方向偏振態(tài)的模式不會(huì)與正交的Y方向偏振態(tài)的模耦合，兩正交偏振模簡(jiǎn)并。實(shí)際光纖形狀略偏離圓柱形以及材料各向異性的微小起伏，破壞了模式簡(jiǎn)并，導(dǎo)致兩偏

37、振態(tài)混合。模傳播常數(shù)?對(duì)于X,Y方向偏振模稍有不同，光纖的這種性質(zhì)稱為模式雙折射。雙折射程度B:,雙折射效應(yīng)破壞了模式簡(jiǎn)并，將導(dǎo)致光功率在兩偏振分量之間周期性地發(fā)生轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期“拍長(zhǎng)”：,對(duì)于典型的單模光纖： 保偏光纖：,在常規(guī)單模光纖中，由于纖芯形狀的波動(dòng)和不均勻應(yīng)力作用，B沿軸并不是常量，而是隨機(jī)變化的，這會(huì)使注入到光纖的線偏振光很快成為任意偏振光。 偏振的不確定性，對(duì)于采用直接檢測(cè)接收技術(shù)的光波系統(tǒng)一般影響

38、不大，但對(duì)于相干通信系統(tǒng)將產(chǎn)生影響，因而在相干光波系統(tǒng)中必須使用對(duì)偏振不靈敏的相干接收機(jī)或采用特別設(shè)計(jì)的保偏光纖。,Polarisation Maintaining Fiber,設(shè)計(jì)中故意引入大量雙折射?？燧S、慢軸若入射光的偏振方向與光纖的快軸或慢軸一致，則光在傳輸過(guò)程中其偏振態(tài)保持不變。若入射光的偏振軸與光纖的快慢軸成一夾角，則在傳輸過(guò)程中將以“拍長(zhǎng)”為周期，連續(xù)地周期性地改變其偏振態(tài)。,在理想的單模光纖中，基模是由兩個(gè)相互垂直的

39、簡(jiǎn)并偏振模組成。如果由于某種因素使這兩個(gè)偏振模有不同的群速度，出纖后兩偏振模的迭加使得信號(hào)脈沖展寬，從而形成偏振模色散。,偏振模色散(PMD),單模光纖中的偏振模色散,本征光纖雙折射隨機(jī)的偏振模耦合雙折射的光通信器件,偏振模色散產(chǎn)生的原因？,+,外界的擠壓 光纖的彎曲、扭轉(zhuǎn) 外界環(huán)境溫度的變化等,EDFA ，F(xiàn)BG ，DCF Isolators , Couplers , Filters etc.,一、基本傳輸方程,假

40、設(shè)條件：1、線偏振光，2、光載波為譜寬??<<?0的 準(zhǔn)單色光 3、忽略高階色散,色散導(dǎo)致的脈沖展寬不僅與光源譜寬有關(guān),而且與輸入脈沖的寬度和形狀有關(guān)。,4.3.2 色散導(dǎo)致的脈沖展寬,脈沖展寬是由?的頻率依賴性引起的，不同頻率分量的光場(chǎng)將以不同的?(?)傳輸,?(?)=?-?0 ?m=(dm?/d?m),場(chǎng)振幅,傳輸方程,F(x,y)--光纖模場(chǎng)分布，A(z,t)--光脈沖

41、包絡(luò),傳輸方程的解：,?1=1/vg, vg為群速度；?2為群速色散(GVD)，與色散參數(shù)D有關(guān)；?3為高階色散，與色散斜率S有關(guān)。,決定光脈沖在光纖中傳輸演變的基本方程，表明了在光脈沖傳輸過(guò)程中，其波形如何受光纖色散的影響。,,A0--光脈沖振幅峰值，T0--1/e光強(qiáng)度半寬度，C--啁啾(chirp)參量，代表產(chǎn)生光脈沖時(shí)引入的附加線性調(diào)頻，說(shuō)明光脈沖的載頻隨時(shí)間變化。C>0，從脈沖前沿到后沿瞬時(shí)頻率線性增加（正啁啾或

42、上啁啾），C<0，負(fù)啁啾或下啁啾。,二、高斯輸入脈沖的展寬,光通信系統(tǒng)中大都采用半導(dǎo)體激光器作為光源，一般它產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)是高斯型的，且伴隨有不同程度的啁啾分量。,高斯脈沖振幅,（4）,C=0時(shí)，高斯脈沖的波形,,高斯脈沖：,傅氏變換,,1/e強(qiáng)度處的頻譜半寬度:,無(wú)啁啾C＝0的光脈沖，其脈寬譜寬積滿足關(guān)系：??T0 ＝1 ，這種脈沖譜寬最窄，稱為變換極限脈沖。出現(xiàn)啁啾時(shí)，譜寬增加(1+C2)1/2倍。,經(jīng)光纖傳輸后的脈沖：（對(duì)

43、（4）式求傅立葉變換，代入（3）式）,上式表明：高斯脈沖經(jīng)光纖傳輸后，仍保持為高斯脈沖，而脈寬則隨z而變化。,輸出脈寬（1/e強(qiáng)度半寬度）T1為：,結(jié)論：1.對(duì)于無(wú)啁啾脈沖，無(wú)論?2符號(hào)如何，色散將導(dǎo)致脈沖展寬 2.對(duì)于有啁啾脈沖，脈沖的展寬依賴于?2和C的相對(duì)符號(hào) 當(dāng)?2C>0，高斯脈沖單調(diào)展寬 當(dāng)?2C<0，脈沖有一個(gè)初始窄化階段，而后迅速展寬。

44、 在距離Zmin 時(shí)達(dá)到最小寬度T1min,式中：,--色散長(zhǎng)度,,推導(dǎo)公式,入射無(wú)啁啾高斯脈沖,光纖內(nèi)z＝2LD和z＝4LD處由色散所致高斯脈沖的展寬，仍保持為高斯脈沖，但脈寬卻隨z而增加。,啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離的變化,啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離的變化,,高階色散:起因: 色散斜率的存在；光源譜寬的存在特點(diǎn)：只在工作波長(zhǎng)位于零色散點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)突出。,群速色散和高階色散

45、對(duì)脈沖形狀的影響,輸入高斯脈沖,用更具普遍意義的均方根（rms）脈寬?0表示脈沖寬度，考慮到光源的譜寬（rms譜寬??）（6）式修正為：,對(duì)高斯脈沖:,脈沖展寬不僅與色散有關(guān)，而且與光源譜寬有關(guān)，在相同的色散限制條件下，光源譜寬不同，色散對(duì)脈沖展寬的影響也不同。,,,三、光纖色散對(duì)系統(tǒng)的限制,光纖通信系統(tǒng)中，信息是通過(guò)編碼脈沖序列在光纖中傳輸?shù)模饷}沖的寬度由系統(tǒng)的比特率B決定，因而不希望色散展寬而產(chǎn)生誤碼。但實(shí)際上群速度色散GVD總是

46、會(huì)引起脈沖展寬，脈沖展寬會(huì)導(dǎo)致相鄰比特周期的信號(hào)重疊，產(chǎn)生ISI（Intersymbol Interference），從而限制了光纖通信系統(tǒng)的比特率B和傳輸距離L，而BL積是評(píng)價(jià)系統(tǒng)傳輸性能的基本參數(shù)（稱為通信容量）。,下面針對(duì)無(wú)啁啾高斯脈沖進(jìn)行推導(dǎo)，可推廣到啁啾脈沖。系統(tǒng)對(duì)脈沖寬度的限制(判據(jù))：為防止色散展寬導(dǎo)致相鄰脈沖重疊，展寬脈沖應(yīng)限制在所分配的比特時(shí)隙（TB）內(nèi)，而TB ＝1/B。,B--傳輸碼率?---與所允許的功率

47、代價(jià)有關(guān),,1、窄譜光源脈沖,考慮無(wú)啁啾脈沖（C=0），系統(tǒng)遠(yuǎn)離零色散波長(zhǎng),利用（6）式，有,脈沖展寬與初始脈寬有關(guān)，存在優(yōu)化的初始脈寬使輸出脈寬最小,根據(jù)系統(tǒng)對(duì)脈寬的限制，有：,作業(yè)：推導(dǎo)公式。,,,對(duì)于 D=17 (ps/nm.km),?=1550nm的系統(tǒng),通常采用經(jīng)驗(yàn)公式: B2L<6000 (Gb/s)2.km,當(dāng)B=2.5Gb/s時(shí),L<960km當(dāng)B=10Gb/s時(shí),L<60km,2、寬譜光源脈沖,利

48、用公式(7)，以及C=0，,系統(tǒng)遠(yuǎn)離零色散波長(zhǎng),可得,利用系統(tǒng)對(duì)脈寬的限制,得,對(duì)于很窄的輸入脈寬:,得:,??為均方根光源譜寬,,3、實(shí)際系統(tǒng)的光脈沖不一定是高斯脈沖，采用“超高斯函數(shù)”描述,m為脈沖形狀參數(shù)，m＝1代表高斯啁啾脈沖，隨者m增大，脈沖變?yōu)榫哂卸盖蜕仙睾拖陆笛氐慕凭匦蚊}沖。,z＝0處入射的超高斯脈沖在z＝LD和z＝2LD處的脈沖形狀,盡管高斯脈沖在傳輸時(shí)其形狀不變，但超高斯脈沖不僅展寬得快且其形狀也發(fā)生畸變。這是由于