光纤传输理论课件.ppt

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1、第三章 光纤传输理论,当光纤纤芯直径很小时，光纤内对给定工作波长只能传播一个模式，称为单模光纤（Single Mode Fiber,SMF）。纤芯直径较大的光纤可传输多个模式，称为多模光纤（Multimode Fiber,MMF）。单模光纤与多模光纤的外径（包层直径）均为125m，多模光纤芯径50m或62.5m，单模光纤芯径810m。,关键的名词和概念,可传播的模式数,阶跃折射率光纤中的传输模式数M取决于光纤纤芯半径a、纤芯折射率n1、包层折射率n2和光波长。,单模传输条件,单模光纤只能传输一个模式，即HE11模，称为光纤的基模。基模不会截止。,单模条件,截止波长：,光纤纤芯半径：,阶跃光纤纤

2、芯和包层的折射率分别是1.480和1.460，纤芯半径50m，光源波长0.85 m。请计算光从空气射入光纤的数值孔径、最大可接收角和所能支持的模式数量。,典型单模光纤的纤芯直径是8 m，折射率是1.46。其相对折射率差是0.3，包层直径是125 m，光源波长为0.85 m。请计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。,0.2*200=-10*lg(Pout/1mW),第四章 光纤特性,注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10nW，在1.3 m波段工作，光纤衰减系数0.4dB/km，请问无须中继器的最大光纤长度是多少？,一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25 m

3、，n1=1.5，相对折射率差1，长度 L1km。求（1）子午光线的最大时延差；（2）若将光纤的包层和表面涂层去掉，求裸光纤的数值孔径和最大时延差。,多模光纤,阶跃多模光纤的多模色散(模式色散、模间色散),单模光纤,色度色散(模内色散)包括材料色散和波导色散，不能用等号和加法,多模渐变折射率光纤,Raman scattering:inelastic scattering of a photon.拉曼散射源自光纤中光与二氧化硅硅分子振动之间的相互作用，使得一部分光子能量转化为分子自身的机械能，同时发出频率低于入射光的光子(Stoke波)，原因是部分能量已经损失掉。若分子已处于激发态，则可能产生频率

4、高于入射光的光子(反Stoke波)Brillouin scattering：inelastic scattering of a photon.是一种由材料密度变化引起的非弹性散射。材料密度变化可由声波或温度梯度引起。,相似之处：都是非弹性散射，都引起光波频移不同之处:原理不同阈值不同：要求的功率阈值对受激拉曼散射为100mW200mW，对受激布里渊散射为10mW。频移量不同，Raman大约10THz，Brillouin大约1-10GHz,一个22融锥光纤耦合器的性能指标：分光比40/60，60的信道的插入损耗为2.7dB,而40的信道的插入损耗为4.7dB。1，若输入功率是1mw，求两端口的输

5、出功率；2，求耦合器的额外损耗。,第五章 无源器件,5.3、考虑如图所示的融锥光纤耦合器中，耦合比为拉伸长度的函数。工作于1310和1540时的性能已经给出，如果拉伸长度分别在一下位置：A，B，C，D，E和F，试讨论各个波长耦合器的性能。,一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB/km，接头损耗0.5dB,若从一端注入功率为200 的光信号，求另一端输出功率。,总损耗：0.8dB/km*30km+0.5dB*2=25dB25dB=-10lg(Pout/200uW),光源光纤探测端,5.5、请简要说明光环形器的原理，同时采用光纤Bragg光栅和光环形器组成一个四波长的WDM合

6、波器。,光栅周期：=uv/2sin(/2)Bragg波长：,一光通信系统的通道间隔是200GHz，求通道间的波长间隔是多少(波长1550nm)？请问在1525nm1565nm波段可以容纳多少个通道？,输出能量不超过原有信号能量与注入的泵浦能量之和,功率转换效率,极限情况下泵浦光都用于放大信号光，那么此时：,EDFA的输入、输出功率可以用能量守恒原则表示：,第六章 有源器件,噪声指数为输入信噪比与输出信噪比的比值,NF反比于光频率，980nm噪声系数小,入射光子的能量必须大于或者等于半导体材料的禁带宽度，才能产生光生载流子。,截止波长,响应度:平均输出光电流与平均入射的光功率之比,量子效率,1.

7、015 A/W1.124 A/W,能带差E和发出光的振荡频率v之间有Ehv的关系。这里h是普朗克常数，等于6.62510-34焦耳秒。半导体发射波长由=c/v的关系式得出,E取决于半导体材料的本征值，单位是电子伏特(eV)，需转换单位,1.43 869nm0.96 1294nm,光电二极管的倍增因子,量子效率,42.5,81GHz,0.195nm,光纤的历史,1880-AlexandraGrahamBell发明光束通话传输 1960-电射及光纤之发明 1966-华裔科学家“光纤之父”高锟 预言光纤将用于通信。1970-美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤。1977-首次实际安

8、装电话光纤网路 1978-FORT在法国首次安装其生产之光纤电 1979-赵梓森拉制出我国自主研发的第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”1990-区域网路及其他短距离传输应用之光纤 2000-到屋边光纤=到桌边光纤 2005 FTTH(Fiber To The Home)光纤直接到家庭,光纤的分类,（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。（2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。（4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃

9、、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。,光纤的衰减,造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴（单模光纤同轴度要求小于0.8m），端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。,光纤传输优点,1、频带宽2损耗低3重量轻4抗干扰能力强5保真度高6工作性能可靠7成本不断下降,