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1、光纤通信中的 光纤原理及前景应用,Optical fiber,第一部分：引言,高锟，华裔物理学家，为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（Father of Fiber Optic Communications），曾任香港中文大学校长。2009年，与博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享诺贝尔物理学奖。,光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。高锟和George A.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009诺贝尔物理学奖,第二部分：工作原理 光纤,第二部分：工作原理 结构,光纤的工
2、作原理与具有圆柱对称的其他波导工作原理相似。这是光纤结构与制造的基础。光纤由缓冲涂层，覆层和纤芯组成（如左图），它的结构是高折射率的纤芯被低折射率包围层所包围。,第二部分：工作原理 结构,。,注意：通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。,第二部分：工作原理 光传输,光缆中的光在纤芯中通过不断反射到覆层来进行传播，这就是全内反射（sin入射角=n1/n2）的原理。由于覆层并不会从纤芯中吸
3、收任何光，因此光波能够传播很远的距离。（然而，有些光信号在光纤内会发生衰减，这主要是由于玻璃中含有杂质。信号衰减的程度由玻璃的纯度和传输的光的波长决定。）,第二部分：工作原理 光纤通信系统,最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的信号；光发射机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器EDFA等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。,第二部分 工作原理 光纤分类,第二部分 工作原理
4、阶跃光纤,n0、n1、n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，c-芯包界面全反射临界角,数值孔径(NA),相对折射率差,第二部分 工作原理 阶跃光纤,所有大于临界角C的光线都被限制在纤芯内,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（脉冲速率）。,模间色散,第二部分 工作原理 阶跃光纤,经历最短和最长路径的两束光线间的时差:,传输容量限制:,B-信号比特率,第二部分 工作原理 渐变光纤,渐变（梯度）光纤,渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振
5、荡形式向前传播。,确定传输模式的参数。可由波动方程导出。,归一化频率V,a为纤芯半径，为光波波长，为折射率差。参量V决定了光纤中能容纳的模式数量。如果V2.405，则它只容纳单模单模光纤。,第二部分 工作原理,一般而言，单模光纤的NA为0.1；多模光纤的NA为0.20.3,第二部分 工作原理,光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的数量不同多模光纤 2a=50 m单模光纤 2a=410 m,外径：2b=125m,一般而言，单模光纤的NA为0.1；多模光纤的NA为0.20.3,第二部分 工作原理 光纤特性,衰减定义:,POUT-出纤光功率Pin-入纤光功率,光纤的衰减（损耗）特性,光纤衰
6、减是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，衰减的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。,若P0是入射光纤的功率，则传输功率PT为：,这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：,第二部分：工作原理 光纤衰减,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗(dB/km),波 长(nm),OH离子吸收峰,衰减主要机理：材料吸收、瑞利散射和弯曲损耗,第二部分：工作原理 光纤衰减,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,色散类型
7、模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）波导色散()：传播常数随频率变化材料色散 n()：折射率随频率变化偏振模色散PMD,波长（模内）色散,第二部分 工作原理 光纤 色散,群速度,沿z方向传输的单色波：是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）。群速度：表征光信号包络的传输速度,群时延,群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。,群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。,单模光纤的色散,零色散波长,D=DM+DW,第二部分 工作原理 非线性效应,一、受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效 应。
8、包括：受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的效应。包括：自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)和四波混频(FWM),分类,一、SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。二、SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。,效应概述,第三部分 前景及应用,传输容量需求的增加继续驱动传输技术领域的进步，随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术，包括掺铒光纤放大
9、器（EDFA）、分布喇曼光纤放大器（DRFA）、半导体放大器（SOA）和光时分复用（OTDM）技术的发展和广泛应用，光纤通信技术不断向着更高速率、更大容量的通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。2002年OFC会议上报道了速率高达10.92Tbps的27340Gbps和10.2Tbps的DWDM系统。DWDM、OTDM、EDFA、DRFA、SOA以及与各种新型光纤和先进信号处理技术的结合将把光纤通信传输容量推向一个更高的水平。,第三部分 前景及应用,光纤具有频带宽，损耗低，重量轻，抗干扰能力强，保真度高，工作性能可靠，成本低廉等优点。于是，多股光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传
10、输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话；可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像。如与敏感元件组合或利用本身的特性,则可以做成各种传感器,测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在能量传输和信息传输方面也获得广泛的应用。高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等，同时也用在装饰显示、广告显示。,第四部分 结束语,谢谢,
