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光纤光缆,讲 义武汉大学 电子信息学院 何对燕,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,2,一、引言,电子和光子的特点：电子具有电荷和质量，而光子却没有；电子遵循费米狄拉克统计学规律，而光子则遵循波色爱因斯坦统计学规律；电子仅可通过串行方式处理，而光子则可以通过并行方式处理；运动的电子产生电磁场和波，而光子却不能；电子可以承受电磁干扰，而光子却不能。电子在自由空间不能自由传输且需要导线传输，而光子却可以在波导器件和自由空间传播,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,3,一、引言,固态电子学，微电子学信息技术革命计算机科学技术、通信技术、自动控制、电子技术等的关键基础光电子技术的迅速发展，已渗入到信息技术领域的各个方面，如超大容量信息流传输；多媒体宽带综合服务的信息交换互连网络；高密度信息量存储；信息的超快实时处理；信息的获取读出和显示等,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,4,二、超大容量信息传输领域的光电子技术,以电磁波(或电子)作为信息载体的技术已走到极限，价格昂贵的同轴电缆的传输容量为500MHz，容量有限，难以达到Tb/s级超大容量传输的需要光波的本征带宽高达200THz，低损耗石英光纤在1.55um波长处的窗口带宽也可达到25THz目前光纤通信系统单通道传输容量已达到40Gb/s,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,5,二、超大容量信息传输领域的光电子技术,要达到Tb/s级超大容量传输的需要，必须应用光电子技术：高速率响应（100GHz)、窄线宽(100KHz)集成化半导体激光器,全光中继的半导体激光泵浦掺铒光纤放大器(EDFA)，波导光栅阵列波分复用与解复用器等光源：DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件，最高调制带宽：40GHz,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,6,问题：石英光纤在波长1.55um处的色散率为2ps/nmKM，而10Gb/s的传输码率相应的码宽为100ps，即使激光器的线宽能做到0.01nm；当传输100KM距离时的色散延迟也有2ps问题：存在光纤的非线性效应，如四波混频等突破50Gb/s单信道传输容量十分困难,二、超大容量信息传输领域的光电子技术,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,7,二、超大容量信息传输领域的光电子技术,光孤子技术：光纤非线性（16mW）自相位调制自洽补偿1.55um窗口波长光纤的反常色散（10ps）实现无延迟的光孤子传输DFB半导体激光器与量子阱EA电光调制器单片集成器件可使光孤子的传输码率达到40Gb/s更高重复率（100GHz）的光孤子激发，必须利用锁模技术实现，量子阱半导体锁模激光器是最可实用化的一类,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,8,二、超大容量信息传输领域的光电子技术,Tb/s级传输容量是信息化社会的标志，复用技术是关键，主要有时分复用（TDM）和波分复用（WDM）TDM的问题：Tb/s级超大容量的传输光脉冲宽度要压窄到100fs以下WDM技术提供了重要的扩充传输容量的途径，关键有波长稳定精确可控的光源，量子阱结构DFB或DBR长波长（1.55um）半导体激光器的集成化要求较高,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,9,二、超大容量信息传输领域的光电子技术,Tb/s级超大容量传输技术：输运能力由时间和光谱的测不准原理所限定。测不准原理(1/2)限制了同步采用高速和高密度信号处理。和分别代表光通信信号的时间和光谱宽度。与组合用于相对长的脉冲,不考虑光纤类型或长度,获得的最大比特率是2.3/,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,10,.1 光纤的优点,带宽极大；直径小、重量轻；并行光纤之间没有串扰；不受感应的干扰；低价传输信号的潜力；较大的安全性；较大的保险性；更长的使用寿命；,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,11,.1 光纤的优点（续）,对温度腐蚀性液体及气体的高耐抗性；更高的可靠性及易维护性；无信号辐射泄露；系统易于扩容；使用常见的天然资源；,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,12,.2 光纤的类型,光纤的结构,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,13,.2 光纤的类型（续）,阶跃折射率(SI)光纤：纤芯折射率恒定,芯-包层界面的折射率有阶梯性跃变；渐变折射率(GI)光纤：纤芯折射率连续变化；多模(MM)光纤：多种模式传输，包层直径125m，芯径50100m；单模(SM)光纤：一种模式传输，包层直径125m，芯径8m；,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,14,.2 光纤的类型（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,15,.2 光纤的类型（续）,光纤的归一化频率(V)：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,16,.3 光传播理论,光线理论：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,17,.3 光传播理论（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,18,.3 光传播理论（续）,子午光线的数值孔径(NA)：NA表征光纤采集或接收光的能力，其典型值为0.10.2，对应的接收角为5.7 11.5，,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,19,.4 模式理论,对称平板波导中几种低阶导模的电场分布：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,20,.4 模式理论（续）,用柱坐标系分析光纤中电磁波的传播：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,21,.4 模式理论（续）,低阶LP模的组成：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,22,.4 模式理论（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,23,.5 光纤衰减,吸收损耗：传输光与光纤材料相互作用，导致光子跃迁，这些光子跃迁到其他波长或以机械振动（热）的形式释放或吸收能量，传输光会损失能量。主要的吸收：过度金属杂质(Fe+，Cr+，Co+，Cu+等)引起可见光及近红外光吸收。OH根离子在1.4um，0.95um，0.725um波长处的光吸收。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,24,.5 光纤衰减（续）,散射损耗：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,25,.5 光纤衰减（续）,辐射损耗：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,26,.6 光纤色散,色散：由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真，被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠，使得信号无法分辨。(ISI)色散种类：模间色散、材料色散、波导色散、偏振色散。群时延差：不同速度的信号传过同样的距离所需的时延不同。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,27,.6 光纤色散（续）,模间色散：信号中不同模式成分传输速度不同。材料色散：光纤材料折射率是光频（波长）的函数，信号中不同频率成分传输速度不同。波导色散：模式的传播常数是光频（波长）的函数，信号中相同模式不同传播常数的成分传输速度不同。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,28,.6 光纤色散（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,29,.6 光纤色散（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,30,.6 光纤色散（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,31,.6 光纤色散（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,32,.6 光纤色散（续）,材料色散：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,33,.6 光纤色散（续）,波导色散：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,34,.7 光纤的设计与选择,标准单模光纤(G.652)：零色散波长在1.3m窗口的单模光纤,系统的传输距离只受光纤衰减所限制,在1.3m波段的损耗较大，约为0.3dB/km0.4dB/km；在1.55m波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在1.3m波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段的损耗较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,35,.7 光纤的设计与选择（续）,色散位移光纤(DSF G.653)：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,36,.7 光纤的设计与选择（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,37,.7 光纤的设计与选择（续）,衰减最小光纤(G.654)：为了满足海底缆长距离通信的需求，人们开发了一种应用于1.55m波长的纯石英芯单模光纤，它在该波长附近上的衰减最小，仅为0.185dB/km。G.654光纤在1.3m波长区域的色散为零，但在1.55m波长区域色散较大，约为（1720）ps/（nmkm）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,38,.7 光纤的设计与选择（续）,非零色散光纤(G.655)：实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55m，而是在1.525m或1.585m处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,39,.7 光纤的设计与选择（续）,色散平坦光纤(DFF 全波光纤)：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,40,.7 光纤的设计与选择（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,41,.7 光纤的设计与选择（续）,色散补偿光纤(DCF)：光纤色散系数D为负数，纤芯搀杂比例比普通光纤高，因此光纤衰减系数增大。定义FOM为光纤色散系数与衰减系数之比,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,42,.7 光纤的设计与选择（续）,保偏光纤：光纤偏振状态不变。,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,43,.8 光纤的制造,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,44,.8光纤的制造（续）,光纤预制棒：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,45,.8光纤的制造（续）,改进的化学汽相沉积法（MCVD）：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,46,.8光纤的制造（续）,包层化学方程式：SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2 2CF2Cl2+SiCL4+2O2 高温氧化 SiF4+2Cl2+2CO2 芯层玻璃化学方程式（GeCl4）：SiCL4+O2 高温氧化 SiO2+2Cl2 GeCL4+O2 高温氧化 GeO2+2Cl2,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,47,.8光纤的制造（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,48,.8光纤的制造（续）,管外汽相轴向沉积法（VAD）：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,49,.8光纤的制造（续）,棒外汽相沉积法（OVPO）：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,50,.8光纤的制造（续）,溶胶-凝胶法（Sol-Gel）：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,51,.8光纤的制造（续）,拉丝装置：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,52,.8光纤的制造（续）,双坩埚拉丝装置：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,53,.8光纤的制造（续）,光纤涂覆装置：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,54,.8光纤的制造（续）,光纤套塑装置：,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,55,.8光纤的制造（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,56,.9光缆的结构,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,57,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,58,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,59,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,60,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,61,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,62,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,63,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,64,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,65,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,66,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,67,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,68,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,69,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,70,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,71,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,72,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,73,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,74,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,75,.9光缆的结构（续）,00-10-10,武汉大学 电子信息学院,76,.9光缆的结构（续）,谢谢！,
