《光纤通信光纤》PPT课件.ppt

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1、第2章 光纤-光纤导光原理及其特性,光纤的结构及分类光纤导光原理光纤的模式理论光纤的损耗特性光纤的色散光纤的非线性效应常用光纤,纤芯,包层,涂覆层,芯线,1、光纤的结构,2.1光纤的结构及分类,典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和 涂覆层,纤芯、包层-裸光纤,纤芯、包层+涂覆层-芯线,纤芯、包层-光学区,涂覆层-保护区,材料：SiO2,纤芯n1 包层n2,纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)包层:SiO2+B2O5(F),涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。,涂覆层的主要作用是为光纤提供保护,2、

2、光纤的分类,1）按制造光纤所使用的材料分,2）按工作波长来分,3）根据光纤中传输模式分,4）根据折射率分布分,有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。,短波长光纤长波长光纤,单模光纤和多模光纤,有阶跃型光纤 Step Index SI渐变型(梯度型)光纤 Graged Index GI W型光纤等,阶跃型光纤 SI Step Index,渐变型(梯度型)光纤GI Graged Index,W型光纤,3、光缆制造,1、原材料提纯,去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。,2、制棒,将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。,将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。,3、拉丝,4、套

3、塑,为保证光纤的机械性能将光纤涂覆层外加一层热塑材料。,5、成缆,目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。,方法：精馏吸附精馏,精馏塔,活性吸附物质,二级精馏,活性吸附物质,精料槽,SiCl4 HO-Cu2+_,氧化铝或活性硅胶,SiCl4,材料提纯,熔炼制棒,化学反应方程,MCVD法（改进的化学汽相沉积法）,纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)包层:SiO2+B2O5,拉丝,目的：将具有一定的折射率分布的预制棒 拉制成折射率分布不变的光纤。,1,2,3,4,6,7,8,9,1-光纤预制棒2-高温炉3-测温仪4-炉温控制5-激光测径仪6-调速系统7-涂覆器8-固化炉9-收丝轮,5,光纤经过

4、涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。,成缆,一、对光缆的要求,1、机械性能好：保证光纤经得起拉伸、冲击、弯曲等影响。,2、防护性能好：使光纤防水，防潮，防雷，防腐。,3、传输性能好：避免工程中带来的附加损耗或色散。,4、填料 防止水气进入。要求：抗水性好，温度性能好，无毒，不易燃。,5、铠装 增加机械强度，防鼠，防虫，防人为损伤。,二、光缆的基本结构,按成缆光纤类型 多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构 中心束管、层

5、绞、骨架和带状 按加强件和护层 金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合 长途/室外、室内、水下/海底等 按敷设方式 架空、管道、直埋和水下,3、光缆的分类,4、光缆的结构（成缆方式）,层绞式 骨架式中心束管式带状式,光纤,油膏,加强件,护套,松套管,中心管式光缆,-套管式光缆是将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中，管中填冲油膏，光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理、重量轻、体积小、价格便宜。,层绞式结构光缆,加强芯,纤芯,套塑,填充料,防潮层,内护套,铠装,外护套,-层绞式光缆是将若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起的一种结构，这种结构适用于芯线数较少的的光缆。,骨架式结构光缆,-沟槽式

6、光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是加强元件。这种结构的光缆的抗侧压性能好，单制造工艺复杂。,2.2 光纤导光原理,光纤导光原理的分析方法：射线理论，几何光学法 波动理论、模式理论,1、内全反射,折射定律,一、SI光纤射线分析,非子午面光线,Snell定律,临界角,临界角对应的捕光角,捕光角,内全反射,导光原理,内全反射的条件,相对折射率差,3、模式及时延差,传导模,辐射模,2、数值孔径NA(Numerical Aperture),光源与光纤的耦合效率高,光纤里有很多条光线,和轴线夹角相同的一簇光线称作一个模式,模式有两类：,最大时延差,模式时延,两条路径,脉冲展宽：,不引起码间干扰的

7、脉冲间隔：,码元速率（带宽）：,不同模式的时延差使光脉冲展宽,提高带宽的方法：,例：,求光脉冲传1公里的扩展和最大比特率。,解：,1）减少模式的最大时延差-采用GI光纤,2）只允许一个模式传输-单模光纤,二、GI光纤射线分析,g=2 抛物线型,n3,n2,n1,n1,n4,n2,n4,n3,n5,n5,a,光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示,式中：r是轨迹上某一点的位置矢量；s为射线的传输轨迹；ds是沿轨迹的距离单元，n表示折射率的梯度。,将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，讨论平方律分布的光纤中的近轴子午光线，即和光纤轴线夹角很小，可近似认为平行于光纤轴线(z轴)的子午光线。由于光纤中的

8、折射率仅以径向变化，沿圆周方向和z轴方向是不变的。因此，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：,式中，r是射线离开轴线的径向距离。,对平方律分布，有,对近轴光线，,，,2.3 光纤的模式理论,谐方程,Bessel方程,当,令,当,令,指数增加,Bessel函数,虚宗量Bessel函数,当,当,在纤芯中,在包层中,求u、w、的值,先推导u、w、满足的方程,归一化频率V,下面由边界条件得到u和w的另一关系,弱导近似,给定V值，代入求u、w,分3种情况求解联立的超越方程：,1）,2）,3）,光纤中的模式：,混合模,传导模和辐射模,满足以上条件的模式是传导模,当不满足,即,包层中的波和纤芯中的类似就是辐

9、射波,传导模,辐射摸,求,归一化截止频率,传导模,辐射摸,归一化截止频率,计算,求,2.4048,5.5201,8.6537,传导模,（1）模和 模,令，可得到 模和 模有相同特征方程,为,当模式截止时，由第二类变型的贝塞尔函数的递推关系及渐进公式，可以得到,所以截止状态下的特征方程为,的根有 2.4048,5.5201,8.6537,它们分别对应着，模的截止频率。就是说，若归一化频率 2.4048,则 模就能在光纤中存在；反之，若归一化频率 2.4048，模就不是导模。对其他模式可以次类推。,（2）模,令，可得到 模特征方程,为,由贝塞尔函数的递推公式,当模式截止时，可得到,所以截止状态下

10、的特征方程为,当 1时，得到一族 模，其=3.8317,7.0156,10.1745,（3）模,令，可得到 模特征方程,为,由贝塞尔函数的递推公式,当 时，截止状态下 的特征方程为,所以,的根有 0,3.8317,7.0160,10.1735,它们分别对应着,模式的截止频率。在所有的导模中，只有 模式截止频率为零，亦即截止波长为无穷大。模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，成为主模或基模，是单模光纤的工作模。,当 时，截止状态下 的特征方程整理后为,当 2时，的根有 2.4048,5.5201,8.6537,它们分别对应着,，模，模在截止时与、简并。,光纤中的场和模式,归一化截止频率Vc,

11、几个模式的场图,线偏振模,Linearly Polarized(LP)modes,通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为,在多模阶跃光纤中，多个导模同时传输，光纤的归一化频率V愈大，导模数愈多，导模数M可按下式计算,在多模渐变光纤中,导模总数为,例：,已知,求导模数,解：,模功率分布,导模在光纤中传输时，功率集中在纤芯和包层中。对于不同模式，光功率在纤芯和包层的分配比例不同，包层中的光功率易受各种因素的影响而失掉。在弱导近似下，LP模的横向场只有Ey和Hz分量，所以导模携带的光功率在纤芯和包层中分别为,将LPmn模的场分布代入，可得,单模光纤,单模光纤应满足单模条件,截止波长,单模光纤应满足单

12、模条件,工程上截止波长由测量得到。,光纤只传播基模HE11模,单模光纤的截止波长,单模光纤工作模式HE11的电场分布为零阶Bassel函数，可近似为指数分布，,主模LP01(HE11)的模场分布,单模光纤中工作波长超过截止波长时的光功率分布,模场直径（Mode-field diameter MFD）,单模光纤的模场直径(MFD)定义为电场下降为1/e时的半径的2倍;模场直径还有其它定义.多模光纤的模场直径与纤芯几乎相等，但单模光纤的模场直径一般不等于模场直径。,误差小于1%,一般取,2.4光纤的损耗特性(衰减特性Attenuation）,引起光的损耗的机理是光纤对光的损耗,吸收损耗,1.本征吸

13、收,2.杂质吸收,3.原子缺陷吸收,散射损耗,1、线性散射瑞利散射2、非线性散射 瑞利散射 布里渊散射,弯曲损耗,1.光纤弯曲,2.光纤微弯,一、光纤损耗的系数,当光信号在光纤中传播时，其功率随着距离的增加以指数形式衰减。如果在起始处（z0）的信号功率为P(0)，则在光纤中经过距离z的传播后，其功率值为：,为衰减指数。,损耗系数定义为：,单位 dB/km,二、吸收损耗：,吸收损耗是由于光纤本身和光纤中的杂质对光的吸收损耗。,1、本征吸收：,光纤材料本身对光的吸收（sio2）。,(1)红外吸收带,（2）紫外吸收带,当光在物质中传播时，物质内部吸收了一部分光的能量，从而造成光功率的损失。吸收损耗有

14、三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。,对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域，其中，,（1）红外吸收,机理：由于材料本身的原子之间的化学键形成形成晶格，当光纤中的光的波长与晶格 相键长相当时，光的能量向晶格传递，引起损耗。,吸收带：1.5um，向红外延伸,波长 um,损耗 dB/km,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,影响：对长波光通信影响较大,红外区的中心波长在 8m12m 范围内，对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。,（2）紫外吸

15、收,机理：光纤中的光子流将光纤材料中的电子激发到 高能级，从而使得光子的能量发生转移。,吸收带：1.6um,向紫外延伸,波长 um,损耗 dB/km,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,影响：对短波长通信影响较大,紫外区中心波长在0.16m附近，尾部拖到lm左右，已延伸到光纤通信波段(即0.8m1.7m的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dBkm。在长波长范围内，引起的光纤损耗小0.1dBkm。,（1）光纤中含有铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。

16、为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到 10-8以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。,2、杂质吸收,机理：主要由于光纤材料的不纯净引起的。,（2）水的氢氧根离子的振动，基波振动在 2.73m波长，二次谐波振动在1.39m，三次谐波振动在0.95m，它们的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6m2.73m的范围内，产生若干个吸收。,Cu Al Fe Ge Ni(可以消除),OH,波长 um,损耗 dB/km,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,（影响较大）,0.91.01.21.31.331.5,3、原子缺陷吸收,机理：光纤制造过程中受到热激励或辐

17、射使得一部分共价键断裂，容易吸收光的能量。,原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线的照射下，可能引起损耗高达20000dBkm。但是有些材料受到影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，对于4300rad的辐射，仅在波长0.82m 引起损耗16dBkm。宇宙射线也会对光纤产生长期影响，但影响很小。,影响：通过工艺和材料使之减少到忽略不记的程度。,吸收损耗：,本征 吸收,红外吸收,紫外吸收,杂质吸收,有色金属,OH根的吸收,原子缺陷吸收,图3.3掺杂,三、散射损耗,机理：由于光纤的折射率分布以及光纤

18、材料的不均匀 使得光在光纤传播过程中发生散射，光向其他 方向散开造成的损耗。,非线性散射损耗,线性散射损耗,受激喇曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射,瑞利(Rayleigh)散射,1、瑞利散射损耗,阻碍粒子比光波长可相比时产生的散射叫瑞利散射。,机理：密度不均匀的微粒产生的瑞利散射,影响：对短波长的光影响较大（与4 呈反比）,波长 um,损耗 dB/km,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,红外吸收,紫外吸收,瑞利散射,光纤的结构不完善产生的损耗（波导散射损耗）,机理：制造工艺的缺陷引起的残留气泡或芯包交界面 不均匀造成的散射。（比波长大得多）,残留气泡引起的散

19、射损耗,影响：对所有的波长一样,波长 um,损耗 dB/km,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,红外吸收,紫外吸收,瑞利散射,波导散射,（四）、光纤的弯曲损耗,1、宏弯损耗,曲率比光纤的半径大得多的损耗,弯曲曲率半径减小，损耗按指数方式增加。弯曲损耗可以定性的由摸场分布来解释。纤芯中传播的模式都有一个尾部延伸到包层中的消逝场，而消逝场的大小随着到纤芯距离的增加而以指数形式下降。当距纤芯的距离到达某一临界距离处时，消逝场的尾部的运动速率必须大于光速才能跟上纤芯中的场，这是不可能的，因而在该距离之外的尾部场就丢失了，其中所含的能量也随之损失掉了。,光纤的最小弯曲半径的经验法则是：,对

20、于长期应用，光纤的弯曲半径应超过包层直径的150倍；,对于短期应用，光纤的弯曲半径应超过包层直径的100倍；,对于硅光纤，包层直径是125微米，对应的弯曲半径分别为19和13毫米,2、微弯损耗,光纤的轴产生的微米级的弯曲产生的损耗,侧压力使得纤芯微小弯曲产生模式变换,微弯引起光纤中的传导模与漏模或非传导模之间能量的反复耦合。微观弯曲使高阶模漏出并使得低阶模的功率耦合到高阶模上,波长 um,损耗 dB/km,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,红外吸收,紫外吸收,瑞利散射,波导散射,OH吸收,0.85,1.31,1.55,光纤的损耗谱,光纤损耗测试,两种方法：1）光源+光功率计 2）

21、光时域反射计（OTDR）,光时域反射计,2.5 光纤的色散(Dispersion),1、色散的分类,模间色散(Mode Dispersion)色度色散(Cromatic Dispersion)偏振色散(Polarization Mode Dispersion),模内色散,材料色散波导色散,什么是色散：,当电磁波在一媒质中波传播时，波的不同成分速度不同这种现象称为色散。,（1）模间色散,机理：多模光纤中同时存在多个传导模式，不同模 式的轴向传输速度不同，使得它们到达 终端 有先有后，引起脉冲展宽。,脉冲展宽：,码元速率（带宽）：,（2）材料色散,机理：光源发出的光不是单一波长的光，而是具有 一定

22、的谱线宽度，而不同波长的光在光纤中 的传播速率不同，因而导致同一个模式的光 在光纤中传播也有时延差，输出脉冲产生畸 变。,（3）波导色散（结构色散）,机理：光在光纤中传播时，由于光纤的结构引起不 同波长的光在光纤中的传播速度不同，因而 导致同一个模式的光在光纤中传播也有时延 差，输出脉冲产生畸变。,色散使得脉冲的宽度被展宽，传输速率降低,色散对光通信的影响,2、色度色散,光通信的光源包含许多频率成分,群速,群速,2）群时延（GVD）,3）群时延差,色散系数,单位是ps/(nmkm),2）群时延（GVD）,a)材料色散系数,材料色散是由于折射率是光波长的函数，对于单模光纤和LED系统，材料色散显

23、得尤为重要，因为LED输出光波的带宽比LD输出的光波带宽要宽得多.假设在无限大介质中传播的平面波其折射率n()等于纤芯的折射率，传播常数为：,由材料色散引起的群时延为,如果光源带宽为(rms)，带宽展宽可表示为：,材料色散系数,波导色散是由于传播常数是光波长的函数。在考虑导波色散时近似认为光纤的材料折射率与波长无关。用归一化的传播常数b来表示群时延，其定义为：,b)波导色散系数,模式传播常数通常用归一化频率V表示的：,用V代替k，则可以得到,对于单模光纤，导波色散的量值可能与材料色散在同一个量级上，光源谱宽为 时的脉冲展宽，导波色散可表示为,对于最低阶模（主模）HE11，b（V）可表示为：,单

24、模光纤的最佳设计,折射率剖面设计,色散位移光纤(DSF Dispersion-Shifted Fiber),非零色散位移光纤(NZDSF Non zero Dispersion-Shifted Fiber),色散补偿光纤(DCF Dispersion-compensating Fiber),色散平坦光纤(DFF Dispersion-flattened Fiber),3、偏振模色散PMD(Polarization Mode Dispersion),光信号中不同偏振状态的双折射现象时导致脉冲展宽的另一个因素。,由于实际光纤本身存在缺陷，例如纤芯的几何形状不规则和内部应力不均匀等，此外，存在外在因

25、素如光纤的弯曲，扭曲，挤压也使光纤产生双折射，所以单模光纤存在偏振模色散（PMD）。,双折射沿着光纤长度方向发生变化：每一个偏振模传播的速率稍有差别偏振方向也会发生旋转在经过距离L后两种偏振模式分量所产生的时延差为：,PMD与系统传输速率以及最大传输距离的关系,光纤的带宽,1.光纤带宽与色散的换算公式,光纤带宽与色散的换算公式有两个：,第一个为采用时域法测量光纤带宽时所采用的计算式；第二个为计算光纤通信系统所要求的计算式。,光纤带宽时域响应；,光纤带宽频域响应,光脉冲波因色散而展宽后仍为高斯形，为高斯形脉冲波的半高全宽，即g(t)/g(0)=1/2时的全宽，亦即光功率降低一半时的色散。,经过高

26、斯形函数傅里叶变换，可得光纤带宽的第一个计算式为,【例 1】设已知单模光纤色散系数为6 ps/(nmkm)，而光源谱线宽为nm，求光纤带宽。,=D=6310-12=1810-12ps/km,解,令为高斯形脉冲波在g(t)/g(0)=1/e时的全宽，由高斯形脉冲波的表达式可得，式中为高斯波形的宽度参数，称为脉冲均方根(rms)宽度，在系统设计时用此参数以表征光纤色散，经推证可得光纤带宽的第二个计算式为,光纤带宽以km为单位，但当光纤长度为L km时，其全长总带宽并不一定与长度L成反比。,式中，E称为带宽长度系数。,2.带宽与长度的关系,设光纤每千米带宽为B，而在L km全长的总带宽为B，则,对多

27、模光纤，E为0.50.9；对单模光纤，E为1。这是因为光脉冲在光纤中传播时会产生模式变换，因而模间色散得以减轻，故其有效长度要减小。对单模光纤而言，因无模间色散，故E为1。,【例 8.2】设多模光纤中继段长为23km，测得其全长总带宽为134 MHz，求光纤每千米带宽。,解 设E取0.7，则由式,B=BLE=134230.7=1200 MHzkm,光纤色散对光脉冲传输的影响,脉冲宽度由均方根宽度 表示,chirp高斯脉冲,C 频率chirp 系数,宽光源光谱,比较大,色散斜率,2.6光纤的非线性效应,当光纤中传输的功率很大时，就会有非线性效应,光纤的非线性效应包括,光纤的非线性散射,光纤的非线

28、性折射率,受激拉曼散射（SRSstimulated Raman scattering）,强光功率在光纤中传输时，SRS使得多波长系统中较短波长（高频）光的能量向较长波长（低频）的光转移。,影响：引起波分复用系统的串话,1、非线性散射,受激布里渊散射（SBSstimulated Brillouin scattering）,阈值功率,增益系数,对于,（1）自相位调制（SPMself-phase modulation）,2、非线性折射,在大功率光信号的作用下，光固有的折射率将随光的强度发生变化，新的折射率为：n1=n0+p/Aeff,由于光的非线性效应的影响，光场自身引起的相位变化，叫自相位调制。,

29、（2）交叉相位调制（XPM）,某一信道的光场由于非线性效应受到来自相邻信道的光场的影响而发生相移。,影响：形成串扰,（3）四波混频（FWM）,相距很近的波长之间发生耦合，在其间隔产生新的无用波长。,f1,f2,f3,f0,f0=f1+f3-f2,四波混频的抑制：,1、降低光功率（不可行）,2、加大通光面积（可行）,3、增大信道间隔（不可行）,4、保持一定的色散（可行）,2.7常用光纤,目前ITU-T规定的光纤代号有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）。,根据我国国家标准规定，

30、光纤类别的代号应如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写 A表示多模光纤，B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤。,INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION,多模光纤类型,单模光纤类型,ITU-TG.651TELECOMMUNICATION(03/93)STANDARDIZATION SECTOROF ITUTRANSMISSION MEDIA CHARACTERISTICSCHARACTERISTICS OF A 50/125 umMULTIMODE GRADED INDEX OPTICALFIBRE CABLEITU-T Rec

31、ommendation G.651(Previously“CCITT Recommendation”),ITU-TG.652TELECOMMUNICATION(03/93)STANDARDIZATION SECTOROF ITUTRANSMISSION MEDIA CHARACTERISTICSCHARACTERISTICS OF A SINGLE-MODE OPTICAL FIBRE CABLEITU-T Recommendation G.652(Previously“CCITT Recommendation”),ITU-TG.653TELECOMMUNICATION(03/93)STAND

32、ARDIZATION SECTOROF ITUTRANSMISSION MEDIA CHARACTERISTICSCHARACTERISTICS OFA DISPERSION-SHIFTED SINGLE-MODEOPTICAL FIBRE CABLEITU-T Recommendation G.653,SERIES G:TRANSMISSION SYSTEMS AND MEDIA,DIGITAL SYSTEMS AND NETWORKSTransmission media characteristics Optical fibre cablesCharacteristics of a non

33、-zero dispersion shifted singlemode optical fibre cable,纤芯直径,包层直径,纤芯不圆度,包层不圆度,同心度误差,NA,衰减系数,色散系数,1、G.651,多模光纤,工作频率,应用：小容量，短距离，局域网，校园网,2、G.652光纤,常规单模光纤或色散未位移光纤（第一代单模光纤）,应用：我国干线主要采用G.652,缺点：低损耗和低色散不能兼有,大多数已安装的光纤低损耗 大色散分布 大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于

34、10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。,G.652单模光纤（NDSF）,3、G.653光纤,色散位移光纤（第二代单模光纤）,工作窗口：1550nm 通过制造工艺将零色散转移到1550nm处，使得光纤在1550处同时具有零色散和最小 损耗。,应用：长距离全光中继传输,缺点：1550nm 的零色散带来严重的非线形效应，不利于密集波分复用。,4、G.654光纤,最低耗单模光纤(在G.652光纤的基础上将1550nm处的损耗进一步降低),工作窗口：1550nm,应用：海底长距离无中继传输,5、G.655光纤,非零色散光纤（NRDSF）,色散移位光纤在1550nm处的色

35、散为零，采用密集波分复用技术产生四波混频效应；将1550nm处的零色散向1525或1585nm处转移，1550处的微小色散来控制非线形效应。,工作波长：1550nm,应用：DWDM系统,色散平坦光纤的性能指标与要求,色散补偿光纤DCF的性能指标与要求,三种光纤色散情况比较,正常色散区,反常色散区,Calculating Dispersion,in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km:Dispersion=17ps/nm/km 6 nm 1

36、0 km=1020 psAt 1 Gbps a pulse is 1 ns long.So the system would not work.(20%is a good guideline for the acceptable limit.)But it would probably work quite well at a data rate of 155 Mbps(a pulse length of 6.5 ns).A narrow spectral width laser might produce only one line with a linewidth of 300 MHz.M

37、odulating it at 1 Gbps will add 2 GHz.2,300 MHz is just less than.02 nm(at 1500 nm).So now:Dispersion=17ps/nm/km.02 nm 10 km=3.4 psIn this case,dispersion just ceased to be a problem.,色散补偿技术,控制光源线宽色散位移光纤色散补偿光纤中途谱反转啁啾光纤光栅,Control of Spectral Width,Simple FP laser:over 5 nm;External cavity DBR laser:.

38、01 nmModulation adds to the bandwidth of the signal,by twice the highest frequency present in the modulating signal(1 Gbps,.04 nm)!Using more complex signal coding rather than simple OOK.Using WDM(a 2.5 Gbps signal has 1/4 of the problem with dispersion as a 10 Gbps signal).,Dispersion Shifted Fibre

39、,dispersion shifted fibre is designed with a dispersion zero point at around 1550 nm.However,it is not always possible or indeed desirable：In many cases we cant have DSF because the fibre we must use is already installed.four-wave mixing effectively prohibit the use of DSF.,Dispersion Compensating F

40、ibre,Balancing Dispersion on a Link,DCF存在的问题,高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20mm2 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较大的色散斜率(DCF:-15-20 ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。,Mid-Span Spectral Inversion,The concept here is to use a device in the middle of the link to invert the spectrum.This

41、process changes the short wavelengths to long ones and the long wavelengths to short ones.When the pulse arrives it has been re-built exactly-compensated for by the second half of the fibre.,Balancing Dispersion on a Link,DCF存在的问题,高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20mm2 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-

42、6dB较大的色散斜率(DCF:-15-20 ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。,Mid-Span Spectral Inversion,The concept here is to use a device in the middle of the link to invert the spectrum.This process changes the short wavelengths to long ones and the long wavelengths to short ones.When the pulse arrives i

43、t has been re-built exactly-compensated for by the second half of the fibre.,Principle,This spectral inversion is performed by a process called“optical phase conjugation”.Devices that change the wavelength using either 4-Wave Mixing or Difference requency Generation invert the spectrum as a biproduc

44、t of their wavelength conversion function.These can be used as spectral inverters if we can tolerate the wavelength shift involved.,Chirped Fibre Bragg Gratings,To compensate for 100 km of standard(17 ps/nm/km)fibre the chirped grating needs to be 17 cm long for every nm of signal bandwidth!In this instance a WDM system with channels spread over(say)20 nm would need a chirped FBG(20 x 17)340 cm long!,