光纤通信(第二版)刘增基编-复习.ppt

光纤通信的优点光纤通信系统的基本组成数字通信系统的优点：
①抗干扰能力强，传输质量好。②可以用再生中继，传输距离长。
③适用各种业务的传输，灵活性大。
④容易实现高强度的保密通信。便于加密
⑤易于集成，实现小型化，可降低成本。
数字通信系统的缺点：
占用频带较宽，系统的频带利用率不高。但是光纤通信的频带很宽，足够克服数字通信的缺点。2.1光纤结构和类型纤芯高纯度SiO2，有极少量的掺杂(如GeO2，P2O5)，用来提高纤芯对光的折射率n1，以传输光信号。
包层：掺杂的高纯度SiO2。掺杂剂(如B2O3)用来适当降低n2。光纤种类很多，作为通信用的由高纯石英光纤主要有三种。图2.2三种基本类型的光纤
(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤多模光纤：允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。
优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源
缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输

单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。
优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。
缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。图2.3典型特种单模光纤
(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯存在θc对应ψc
θ<θc，全反射n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)
θ=θc，光线沿交界面向前传播。
θ>θc，光线在界面折射,随着传播迅速衰减。只有θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播时间延迟——光线在光纤中的传播时间问题2.渐变型多模光纤自聚焦效应当光线从中轴线(z=0,ri=0)入射，得多模光纤信号畸变小的定性解释
渐变型多模光纤中各光线的时间延迟近似相等。入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，入射角小的光线情况正好相反，其路程较短，但速度较慢。所以这些光线的光程差别小，时间延迟近似相等。归一化传输常数每条曲线表示一个传输模式的随V的变化，所以方程(2.26)又称为色散方程。电磁波分类
所谓模式是指电磁场的不同分布形式，
按照是否为横波可分为以下3类：
1.横电模(TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z
2.横磁模(TM)：z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z
3.混合模(HEorEH)：z方向上的电场和磁场都不为0
HE(Ez>Hz)相反EH(Ez<Hz)3.多模渐变型光纤的模式特性
传输常数普遍公式单模条件和截止波长
光场分布和模场半径2.3.1光纤色散
1.色散、带宽和脉冲展宽色散的影响及表示方法。
模拟调制信号:色散限制带宽；～3dB光带宽f3dB
数字脉冲信号:色散产生脉冲展宽。～脉冲展宽Δ。
——脉冲展宽Δ=(Δ2n+Δ2m+Δ2w)1/2
下标nmw指模式色散、材料色散和波导色散3dB带宽和Δ是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为ns。
输入脉冲一般不是δ函数。设输入和输出脉冲都为高斯函数，其rms脉冲宽度分别为1和2，频率响应分别为H1(f)和H2(f)，根据傅里叶变换特性得到
(2.48)
由此得到，信号通过光纤后产生的脉冲展宽=
或Δ=，Δ1和Δ2分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHM。
光纤3dB光带宽f3dB和脉冲展宽Δ、的定义示于图2.11。图2.11光纤带宽和脉冲展宽的定义吸收损耗由光纤材料引起的固有吸收和杂质、缺陷吸收产生。
电子跃迁～紫外(UV)区(<0.4m)，
分子振动～红外(IR)区(>7m)图2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤由图2.16看到：
从(SIF),(GIF)到(SMF)光纤，损耗依次减小。
在0.8~1.55m波段内,除吸收峰外,损耗随波长增加迅速减小。
在1.39mOH-吸收峰两侧1.31m和1.55m存在两个损耗极小的波长“窗口”。
另一方面,从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。
石英单模光纤的零色散波长在1.31m，还可以把零色散波长从1.31m移到1.55m，实现带宽最大损耗最小的传输。正因为如此，光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85m)“窗口”发展到长波(1.31m和1.55m)“窗口”，使系统技术水平不断提高。后向散射法——测量光纤的后向散射光功率
瑞利散射光功率与传输光功率成比例。分母中的2表示来回两次传输。图2.24是后向散射功率曲线的示例，图中
(a)输入端反射区；
(b)恒定斜率区，用以确定损耗系数；
(c)连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；
(d)介