光纤复习资料.ppt

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1、12 V= C/ n where C=speed of light in vacuum, V= speed of light in medium, and n=refractive index of mediumn的典型值: 1.00 for air, 1.33 for water, 1.50 for glass. Snells Lawn1sin f1 = n2sin f2临界角 fcsin fc = n2/n1全反射条件when f1 fcBasic Optical Laws (Ray Optics View)3 为简便起见，以的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。 设和折射率分

2、别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致， 如图2.4。 光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。1. 阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 图 2.4 阶跃型多模光纤的光线传播原理4 改变角度，不同相应的光线将在与交界面发生反射或折射。 根据全反射原理全反射原理， 存在一个临界角m。 当m时，相应的光线将在交界面折射进入并逐渐消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为m的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 5 根据这个传播条件，定义临界角m的正弦为(Numerical Aperture, NA)。根据定义和 NA=n0sinm=n1cosc ， n1sinc =n2s

3、in90 (2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为与。 ，NA(或m)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的越高。 对于无损耗光纤，在m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。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 212221nnnNA(2.3)6 根据图2.4，入射角为的光线在长度为L的光纤中传输，所经历的路程为l, 在不大的条件下，其传播时间即为 式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到(=m)和(=0)的光线之间差差近似为 211111sec(

4、1)2nln Ln Lccc(2.4)22111()22mn LLLNAncncc(2.5) 这种时间延迟差在时域产生，或称为。 由此可见，的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其不同而产生的。7介质平板波导的总模数一般情况下一个波导能够同时传输奇模和偶模。 综合起来，在一个波导中能传输的总模数量为 总模数 V2 如果一个波导能传输两个以上的模式（包括两个），称为多模。如果只能传输一个模式就被称为单模。 波导只能传输一个模式 57. 12V当35. 02nndn光学尺寸 （18）89单模条件和截止波长单模条件和截止波长 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V

5、值减小时，不断发生， 逐渐减少。 特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。 HE11称为，由两个偏振态简并而成。 由此得到为 V=2.405 或c= c405. 2V 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为。由此得到405. 222221nnaV(2.36)10)exp(0LPPT343. 4log10)/(10inoutPPLkmdB111213 色散（色散（Dispersion) Dispersion) l 模式色散模式色散 (intermodal dispersio

6、n) ： 多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因而形成模式色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但以模式色散为主。而单模光纤不存在模式色散。 l模内色散模内色散 （intramodal dispersion） 材料色散材料色散 波导色散波导色散 偏振模色散偏振模色散14材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。对于谱线宽度为的光波，经过长度为L的光纤后，由材料色散引起的时延差为该式也可写成 式中，C = 3108m/s,是真空中的光速, 是光源的谱线宽度22dndCLc mc15 n由于单

7、模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了与波导结构有关的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式的传播常数（ ）是a/的函数(a纤芯半径， a/是光纤相当于波长的尺度).16ddLvLg17光脉冲展宽(1)n光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。LLdddd222222dd18光脉冲展宽(2)n以色散参数Dps/(nm. km)表达脉冲展宽 D的定义为：LD122211cLLDLD192021n波导色散DW对D(2)的影响

8、依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。220.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.65317ps/nm.kmG.652230.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.65317ps/nm.kmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDMWDM信号传输速度相近信号传输速度相近四波混频四波混频FWMFWM严重严重

9、24nNZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。nNZ-DSF的色散可正可负。若零色散波长小于1530nm则色散为正；若零色散波长大于1565nm则色散为负。从而实现长距离的色散管理。2517ps/nm.km0.10.20.30.40.50.61600170014001300120015001100 20 10 0-10-20G.653G.65226 光与物质相互作用的三种基本方式n自发辐射无外界激励而高能级电子自发跃迁到低能级，同时释放出光子。n受激辐射高能级电子受到外来光作用，被迫跃迁到低能级，同时释放出光子，

10、且产生的新光子与外来激励光子同频同方向，为相干光。n受激吸收低能级电子在外来光作用下吸收光能量而跃迁到高能级。 2728Rste = WstN2 Wst = C3 ( ) / (8 n3h 3 sp) B ( ) 光子与感应光子是相干的，为光子与感应光子是相干的，为全同光子；全同光子；光得到放大。光得到放大。 2930 受激辐射受激辐射是受激吸收受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件波尔条件，即 E2-E1=hf12 f12为吸收或辐射的光子频率。 受激辐射受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光相干光。

11、 自发辐射自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光非相干光。 31粒子数反转N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子粒子(电子电子)数反转分布数反转分布。问题： 受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质吸收物质。 如果N2N1，即受激辐射受激辐射大于受激吸收受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质激活物质。32

12、激光振荡的产生：激光振荡的产生： 粒子数反转分布粒子数反转分布（必要条件)+激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择=连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成(如图3.4所示)，并被称为法布里 - 珀罗(FabryPerot, FP)谐振腔。光学谐振腔是激光高方向性和高单色性的原因 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光自发辐射光作为入射光。33L= q qnLn22或(3.4)式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模模数。 34 式中，th 为阈值增益系数，为谐振腔内

13、激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21时，1，所以为提高量子效率，I层的厚度w要足够大。 （1）量子效率量子效率和和响应度响应度取决于材料的特性和器件的结构。 假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略， 在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率量子效率可以近似表示为)(exp1w44n受激散射效应n受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS）n受激布里渊散射（受激布里渊散射（SBS）n克尔效应n自相位调制（自相位调制（SPM）n交叉相位调制（交叉相位调制（XPM）n四波混频（四波混频（FWM）45光放大器的分类光放大器的分类基于电子的受激辐射效应基于电子

14、的受激辐射效应基于受激散射效应基于受激散射效应掺杂光纤放大器掺杂光纤放大器半导体光放大器半导体光放大器喇曼光纤放大器喇曼光纤放大器布里渊光纤放大器布里渊光纤放大器EDFATDFAPDFA46光放大器的增益n增益G是描述光放大器对信号放大能力的参数。定义为：nG与光放大器的泵浦功率、掺杂光纤的参数和输入光信号有很复杂的关系。insoutsPPdBG,10log10)(4748帧结构的分区帧结构的分区010110110111000110101011011011011011011111001119261270净负荷净负荷（Payload）RSOHAU PTRMSOH帧重复周期帧重复周期125 s12

15、3456789STM-1帧结构帧结构49n 以字节为基础的矩形块状帧结构以字节为基础的矩形块状帧结构n 纵向纵向9行，横向行，横向270 N列列n 由左到右、由上到下顺序排成串行码流依次由左到右、由上到下顺序排成串行码流依次传输传输n 传输一帧需传输一帧需125s，每秒，每秒8000帧帧n STM-N传输速率：传输速率： N 8 9 270 8000 = N 155.520 Mbit/s 其中其中N取取1, 4, 16, 64, 256,SDH帧结构的特点帧结构的特点50n段开销段开销n再生（传输）段开销再生（传输）段开销n复用段开销复用段开销n通道开销通道开销n高阶通道开销高阶通道开销n低阶

16、通道开销低阶通道开销开销功能开销功能51段开销段开销(SOH)净负荷净负荷(Payload)管理单元指针管理单元指针(AU PTR)功能功能n帧定位帧定位n性能检测性能检测n维护信息维护信息n管理通路管理通路业务传输业务传输指示净负荷区域指示净负荷区域内信息首字节在内信息首字节在STM-N帧内的准帧内的准确位置确位置位置位置(19) N列列RSOH 13行行MSOH 59行行 l9行行 (10270) N列列第第4行行l9列列容量容量(STM-1)72字节字节/帧帧4.608Mbit/s2349字节字节/帧帧150.336Mbit/sSDH帧结构的功能区域帧结构的功能区域52(a) STM-N段开销（段开销（SOH：Section Overhead）区域）区域 指为保证信息正常、灵活、有效地传送所必须附加的字节，它主指为保证信息正常、灵活、有效地传送所必须附加的字节，它主要用于网络的运行、管理、维护及指配（要用于网络的运行、管理、维护及指配（OAM&P）（如公务通信、）（如公务通信、误码监测、自动倒换信息等）。误码监测、自动倒换信息等）。 可分为可分为再生段开销再生段开销（RSOH）和