光纤通信概论第二章2课件.ppt
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统：是各分量互不相干的独立贡献一分耕耘，一分收获！否则称为非线性系统！非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不同于线性叠加的增益或亏损。在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功率依赖。如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非线性的,线性与非线性,光信号在线性系统中传输各频率成分独立传输信号畸变来自于色散频谱不变，只是对脉冲所包含的频率成分重新安排信号功率衰减主要来自于吸收损耗和瑞利散射损耗光信号在非线性系统中传输信号畸变来自于色散和非线性有新频率产生不同频率之间相互作用影响:信号光功率损失 WDM信道串音应用:波长转换、信号的整形与再生,光纤中非线性的重要性,光纤非线性的形成,单信道系统，功率水平10mw,速率不超过2.5Gb/s时，光纤可以作为线性介质处理，即：光纤的损耗和折射率都与信号功率无关WDM系统中，即使在中等功率水平和比特率下，非线性效应也很显著。非线性相互作用取决于传输距离和光纤横截面积,光纤本身不是一种良好的非线性材料,其非线性折射率系数很小,但是由于光纤的低损耗、小光斑尺寸，使得光纤中的光功率密度大,作用距离长，非线性效应显著。,石英光纤中的非线性现象,四波混频(FWM)效应的影响,FWM过程新产生频率的数量=N2(N-1)/2，N为原始信号的频率（波长）数。对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰(同频串扰)，严重影响系统的性能。,四波混频(FWM)效应的影响,FWM效率依赖于：信道间隔(f)有效面积(Aeff)色度色散D()信号功率(P)信道数增加时，会产生更多的FWM项,光纤的色散特性,色散的一般概念色散对信号的影响光纤色散的概念及分类模式色散概念模式色散的克服色度色散概念几种常用的不同色散特性的光纤单模光纤色散的克服偏振模色散,自然光的色散,自然光色散：不同波长光经历的有效折射率不同折射角不同空间光色散,光纤的传输特性色散,色散定义：物质对不同波长光表现出不同折射率大小（n()），从而使不同波长光具有不同传输速度！,色散引起的脉冲展宽示意图,光纤的传输特性色散,光纤色散：光信号能量中的各种分量在光纤中具有不同传输速度！影响：由于光脉冲中的不同分量在光纤中的速度不同，它们到达光纤终端有先有后，将引起光脉冲展宽和码间干扰，最终影响通信距离和容量。起因：不只是材料折射率的波长依赖性还有波导效应（波导各区域的折射率不同）,色散对信号的影响,相当于信号中的不同分量,由于色散的存在，各分量到达传输终点的时间不同，引起信号的时域展宽,色散对光通信系统的影响,信号畸变 引起误码,色散是限制光纤传输容量和距离的重要因素之一！,12,色散对光通信系统传输性能的影响,0 km,60 km后,120 km后,180 km后,10Gb/s非归零码(NRZ)经过普通单模光纤传输后的眼图(D=17ps/nm/km),叠加,13,色散容限,按常用的普通单模光纤色散系数D=17ps/nm/km计算，色散容限分别为940km,58km,3km,内容回顾,损耗起源，影响损耗系数，相关计算光纤的低损耗接续方式：熔接，损耗最低跳线(带有连接器的光纤)+法兰盘 非线性影响：信号光功率损失；WDM信道串音分类：自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)，受激散射(SBS，SRS)对WDM系统影响最大的一种非线性效应FWM,色散的分类,模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有色度色散(Chromatic Dispersion)：材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同，传输速度不同波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同)引起的色散效应偏振模色散：不同偏振态不同传输速度,通常简称的色散概念！,模式色散：以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽模式色散的表示单位长度光纤上，模式的最大时延差，即传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差,core,cladding,模式色散,关于多模光纤的NA,NA越大越好吗？NA越大，越容易耦合，微弯敏感性越小NA越大，能够在多模光纤中传输的模式越多，（不同路径传输的光束为不同的模式）模式色散越严重，影响传输,光线中的子午线和斜射线,模式色散的计算几何光学,包层n2,芯区n1,传输最快的子午线,传输最慢的子午线,对于，单位长度光纤传输的时延：,对于，单位长度光纤传输的时延：,多模光纤的模式色散为：,仅考虑子午线的情况,常用单位是ps/km,对模式色散的第一种解决方案渐变折射率光纤,通过改变纤芯的折射率使传输距离最长的光束以最高速度传播，而传输距离最短的光束以最低速度传播,在制作时，一层层的沉积具有给定折射率的薄层，每一薄层可以引起光传播方向的微小变化，如果薄层越做越薄，就可以近似实现折射率的渐变,对模式色散的第二种解决方案单模光纤,单模光纤没有模式色散，但仍有其他色散色度色散！色度色散光信号的不同频率分量在光纤中传播速度不同引起的现象色度色散的表示色散系数：D，单位：ps/nm/kmD代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延色度色散引起的脉冲展宽：其中L表示以km为单位的光纤长度,表示以nm为单位的光信号的光谱宽度包括材料色散和波导色散,任何光源发出的光都不是单一频率的，都是由一定频率分量构成的。激光经调制成为信号脉冲光以后，光谱宽度会进一步的增加，光谱宽度用来衡量光信号对应频域上的光波长范围的大小,色度色散(一)材料色散,材料色散DM纤芯材料折射率随波长的变化导致了这种色散即使不同波长的光经历完全相同的路径传输，也会发生脉冲展宽,色度色散(二)波导色散,波导色散DW由于单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播，包层较低的折射率，使在其中传播的光信号分量速率更大一些，这样就出现了色散波导色散的大小取决于光纤的设计,20,0,1270,1310,1550,波长(nm),色散(ps/nm.km),波导色散,材料色散,材料色散与波导色散,在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范围内，材料色散和波导色散符号相反材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可以相比拟，普通单模光纤在1.31m处这两个值基本相互抵消,制造色散补偿光纤或色散位移光纤的原理！,单模光纤的色散D=DM+DW,色散位移,波导色散DW对D的影响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,光纤分类标准(ITU-T),G.651 多模光纤G.652 普通单模光纤(SMF)D=17ps/km/nm1550nm G.653 色散位移单模光纤(DSF)G.654 截止波长位移单模光纤（海缆）G.655 非零色散位移单模光纤(NZ-DSF)G.656 低色散斜率NZ-DSF,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),损耗与色散谱,G.652单模光纤,在已安装光纤中所占比例最高色散大，损耗较低，有效面积较大色散受限距离短结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。升级扩容需要解决的关键问题：克服色散的影响色散补偿,G.653单模光纤（DSF）,损耗较低，1550nm处零色散，有效面积小1550nm处同时具有低损耗和零色散适用于长距离、单信道超高速EDFA系统用于多通道系统时，四波混频（FWM）是主要问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。,G.655单模光纤（NZ-DSF）,在15301565nm窗口有较低的损耗工作窗口具有较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。兼顾色散和非线性,为DWDM系统的应用而设计纤芯的折射率分布多为多包层结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，但在长距离、高速率传输系统中仍然需要进行色散补偿。,10Gb/sNRZ信号在G.655光纤无色散补偿传输240km后,Sumitomo Pure Guide,Lucent Truewave,Alcatel Teralight,武汉长飞大保实光纤,几种G.655光纤的折射率剖面,G.652&G.655光纤比较,长距离光传输系统必须补偿光纤色散！,色散补偿技术,常用的色散补偿方法：利用具有负色散的色散补偿光纤或色散补偿模块来抵消传输光纤的正色散！色散补偿光纤啁啾光纤光栅色散补偿模块,2.5Gb/s光脉冲色散补偿前后的波形对比,激光光源发出的原始光脉冲，脉冲宽度为36.78ps：,光信号传输100公里后的脉冲形状,未加补偿，脉冲宽度为150ps：,光信号传输100公里后的脉冲形状,加补偿，脉冲宽度为38.23ps：,色散补偿技术一色散补偿光纤,DCF-Dispersion Compensated fiberDCF具有大的负色散的光纤。DCF是目前使用较普遍和较实用化的一种在线补偿方案，其技术日趋成熟DCF法是指在标准单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)中插入一段或几段与其色散相反的DCF，传输一定距离后色散达到一定的均衡，从而把系统色散限制于规定范围内DCF的长度、位置与系统需要补偿色散的量和其自身性能有关。,DCF的典型参量,1.长度、色散关系,光纤长度,色散,2.品质因数FOM(ps/nm.dB),负色散值,传输损耗系数,色散补偿光纤（DCF）的应用,以模块式插入线路中,信号两次通过DCF,色散补偿量加倍,色散补偿光纤（DCF）的应用,直接铺设到线路中,色散补偿光纤的应用,补偿原则（不考虑非线性的情况下）：正负色散搭配使系统累积色散为零,三包层型DCF光纤折射率剖面 示意图,制作：通过纤芯与包层折射率分布以及尺寸大小的变化来改变光纤色散，主要是包层尺寸与折射率分布的改变,DCF的制作,高质量DCF多采用三包层结构,DCF存在的问题,高损耗(0.5dB/km)有效面积小(典型值DCF:20mm2 Vs.G.652:80mm2)比标准光纤的非线性系数高2-4个数量级,非线性阈值低3-6dB与普通光纤的色散斜率不匹配短波长和长波长色散补偿效果不同。,能够对色散和色散斜率同时进行补偿的“双补偿”光纤也在研制中,Chirped periodic refractive Index variation,色散补偿技术二啁啾光纤布拉格光栅,啁啾光纤布拉格光栅Chirped Fibre Bragg Gratings,啁啾光栅用作色散补偿,长度很短的啁啾光纤光栅可以获得很大的色散！5cm长的线性啁啾光栅可以补偿300km的G.652(光栅谱宽0.1nm)传输线的色散，约5100ps/nm,Dispersive fiber,Dispersed pulse,Circulator,光环行器，在AB,BC之间具有单向导通特性,A,B,C,幅度差,相位差,只有横波才具有偏振性，光波是横波，具有偏振性,E,Ex,Ey,消去参数t,电场矢量端点在xy平面内随时间变化的轨迹方程,光的偏振,电矢量E,随时间改变,线偏振光,椭圆偏振光,圆偏振光,自然光,部分偏振光,随时间不变,光的偏振,光的偏振,不同相位差对应的电场矢量轨迹,(a)线偏振光(b)右旋圆偏振光(c)左旋圆偏振光(d)非偏振光,偏振光,定义：在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。理想状态下，这两个偏振模式会以相同的速度传播到光纤终端，如果由于某种因素使这两个正交的偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加会使信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。,单模光纤中的偏振模色散,偏振模色散（PMD）,偏振模色散(PMD),50,偏振模色散的产生原因,理想的单模光纤,实际的,偏振模色散对信号的影响,偏振模色散影响的克服,利用保偏光纤,光纤色散特性的小结,色散分类：模式色散，色度色散，偏振模色散色散的影响：主要是脉冲展宽光纤的发展：多模光纤（多模阶跃光纤多模渐变型光纤)单模光纤（G.652 G.653 G.655）色散补偿：色散补偿光纤啁啾光纤光栅,单模光纤的发展与演变总结(1),在光纤通信发展的近30年中，单模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤)零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演着重要的角色。色散位移光纤DSF(G.653光纤)出现。光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了DSF设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来改变波导结构，进而加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm,单模光纤的发展与演变总结(2),非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655光纤)应运而生90年代后，DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高四波混频(FWM)的影响凸显。FWM是一种非线性效应，会引起复用信道之间的串扰，严重影响WDM的性能,其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使DSF光纤在WDM系统中失去了魅力。NZ-DSF(G.655光纤)应运而生。NZ-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。,单模光纤的发展与演变总结(3),NZ-DSF光纤的缺点是模场直径小，有效面积小，使光纤中功率密度更高，容易加剧非线性效应的影响大有效面积NZ-DSF光纤出现。如康宁公司研制的三角形外环结构和双环结构光纤。各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。Discovery is a winding road!光纤传输技术的发展过程，其实就是人们对光纤特性认识不断深入的过程！,小结,损耗起源，影响损耗系数，相关计算非线性影响，分类对WDM系统影响最大的一种非线性效应FWM色散影响模式色散：多模光纤特有，色散大小的衡量，克服途径色度色散材料色散+波导色散，色散系数D，色散补偿偏振模色散：起源,第二章 光纤与光缆,2.1光纤概述2.2光纤的传输特性 损耗、色散和非线性效应2.3光纤制造技术和光缆,直接加工和制造光纤 难度非常大,利用熔融玻璃的特性，将加工尺寸放大！,拉丝(Drawing)：在高温下将预制棒拉制成光纤，且保持原有的芯包结构,制备光纤预制棒（Preform)预制棒与要获得的光纤具有相同物理和材料结构的大尺寸石英棒,原料：主料：SiCl4;O2 掺杂料：GeCl4;CF2Cl2;载运气体：Ar;He,光纤制造技术,光纤制造技术预制棒的制备,预制棒制备工艺非气相工艺：双坩埚法溶胶凝胶法管棒法粉末机械成形法，.气相工艺：改进的化学气相沉积法（MCVD）,AT&T Bell Lab等离子体激活化学气相沉积法PCVD Phillips轴向气相沉积法（VAD）NTT管外化学气相沉积法（OVD）.Corning,化学气相沉积工艺：指把含有构成沉积物元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成沉积物的过程，是用于批量化生产的更为成熟的工艺，常用于镀膜,MCVD:Modified Chemical Vapor Deposition,MCVD工艺（1974年，美国AT&T）：利用氧气鼓泡携带氯化物（SiCl4）蒸汽进入石英管，在高温下生成氧化物设备简单，反应于管内进行，易于降低杂质浓度，尺寸受限,预制棒制备方法MCVD工艺,关键步骤（一）沉积：反应生成的固体颗粒由于热泳现象会附着在石英管壁上（处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用会向低温区运动）先沉积包层，再沉积芯层,化学反应,预制棒制备方法MCVD工艺,预制棒制备方法MCVD工艺,关键步骤（二）烧结：沉积过程结束后，获得一个中心带小孔的石英棒，通过加大火焰降低火焰移动速度进行烧结，可以使棒缩为实心。,预制棒制备方法MCVD工艺,MCVD法预制棒生产设备照片,PCVD:Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD（1976年，荷兰Philips）使用微波在石英管内产生高温等离子，使得原料发生反应。由于气体电离不受石英管热容量限制，微波加热腔可以沿石英管做高速往复运动，PCVD 法效率高，速度快，每层厚度薄,预制棒制备方法PCVD工艺,OVD 工艺（1970年，美国Corning）用火焰水解法沉积芯层和内包层，制成疏松体附着于靶棒上与MCVD顺序相反，先沉积芯层再沉积包层。速度快，效率高，可做大棒！化学反应不同！,OVD-Outside Vapor Deposition,预制棒制备方法OVD工艺,烧结,水解反应,预制棒制备方法OVD工艺,此时的SiO2是水解产物呈烟雾状，沉积在靶面上,火焰水解反应：四氯化硅，四氯化锗等原料由喷灯喷出，在经过火焰时，产生火焰水解反应，形成玻璃微颗粒而沉积在衬棒上 芯棒沉积结束后，要把使用的靶棒（氧化铝棒）从疏松体中抽出疏松棒材的脱水烧结,VAD:Vapor Axial Deposition,预制棒制备方法VAD工艺,VAD（1977日本NTT）和OVD工艺相似，使用火焰水解沉积疏松体，然后烧结不同点在于：没有靶棒、沉积方向为沿轴向沉积。,预制棒制备工艺比较,MCVD：设备相对简单，成本低，光纤特性较好预制棒尺寸受限，速度慢，沉积效率低PCVD：沉积效率高，速度快，适于制作多模光纤尺寸受限OVD：速度快，几何精度高，可做大棒，适合大规模生产氢氧根含量低占有最高市场份额！VAD:速度快，沉积效率高，可做长棒适于制作无水峰光纤工艺程序多，影响成品率,光纤结构设计,各种不同的结构、特性参数和折射率分布的光纤，可分别用于不同的场合。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。纤芯掺入Ge和P 折射率包层掺入B和F 折射率,光纤拉丝工艺,利用熔融玻璃特性，高温软化后可将预制棒拉制成玻璃纤维丝，在折射率分布上是预制棒的小型复制品！拉丝原理：质量守恒体积守恒！,设拉丝长度l(mm)，直径为d(um)，预制棒长度L(mm)，直径为D(um)预制棒体积 Vpreform=D2L/4 光纤体积 Vfiber=d2l/4,d=125 umVpreform=Vfiber l=6.410-5D2L(km),拉丝工艺,拉丝工艺,预制棒,炉子,外径监控,涂敷,牵引辊,光纤,拉丝塔（Drawing Tower）,光波所的拉丝塔,拉丝的关键技术,为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护送棒机构与牵引辊的速度必须相应，以保持光纤外径的均匀性激光测径，外径的波动控制在0.5微米之内涂覆材料的紫外固化拉丝的速度可以调整，600m/min1000m/min,光缆,需要将光纤制成光缆，以构成实用线路,光缆的技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬,应用中的光纤怕什么？弯折，扭曲，侧向压力水分,光缆结构,光缆的基本结构缆芯加强元件护层*光缆中必须有防潮层，并填充油膏！缆芯作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能套塑方法紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向,光缆结构,加强元件要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度（强度/重量）低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性材料钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区高强度非金属材料，芳纶纤维,深海结构光缆,护层作用：保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度不同敷设方式不同要求管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振动与虫咬架空：环境的影响，防弹层水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力护层结构填充层：PVC填充物，固定各单元位置内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力外护套：PVC，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆,光缆结构,光缆分类,根据缆芯结构不同,层绞式中心加强件承受张力，光纤环绕在加强件周围，按一定节距进行绞合，光纤没有活动余地，经受侧向压力能力弱，通常用松套光纤,骨架式中心加强件的外面有带槽骨架，光纤置于槽内，油膏填充，机械性能和抗冲击性能优良，微弯损耗小，工艺复杂,层绞式,骨架式,光缆分类,带状,束管式,带状将光纤带按一定方式扭绞而成，空间利用率高，可快速接续，工艺要求高,束管式中心无加强元件，缆心充油膏，光纤浮于油中，加强件置于管外。抗弯，抗压，纵向密封性好，工艺比较简单,根据光缆结构不同,各种光缆的实物图片,管道带状式光缆,松套层绞式带状光缆,中继光缆低损耗，宽带宽；市内，城市间，长途,海底光缆低损耗，宽带宽，高机械性能，高可靠性；海底,用户光缆高密度，宽带宽，中低损耗；计算机网，光纤到户,局内光缆体积小，重量轻，柔软；局内,无金属光缆低损耗，抗电磁干扰；电力，石化，交通,复合光缆低损耗；电力,.,根据应用场合不同,光缆分类,小结,光纤制造技术中的两个关键步骤 预制棒制备MCVD、PCVD、OVD、VAD几种制作方法的关键技术及各自特点拉丝拉丝原理拉丝工艺光缆的制造技术光缆的基本结构光缆的分类及技术要求,
