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光通信技术基础总复习


光纤基本参数
光纤基本结构参数:
芯子半径 a,包层半径 b 折射率分布:阶跃型光纤和渐变型光纤 通信光纤的包层直径统一为125μm,涂覆层直径统一为250μm 普通单模光纤(G.652, SMF-28)芯径~9μm,多模光纤芯径~50 或62.5μm
光纤基本光学参数和工作参数:
芯子折射率 n1,包层折射率 n2;相对折射率差 Δ 归一化工作频率V 数值孔径NA及其物理意义与计算方法 光纤中的模式数=V2/2(包含相互正交的同一模式在内)
二、电磁理论与一维平面光波导
电磁理论基础 一维平面光波导的几何光学结果 波动光学的结果
电磁理论基础
无源区域Maxwell方程组的频域形式:
∇ × E = − jωμ 0 H ∇ × H = jωε E ∇ ⋅ E = −(∇ ln ε ) ⋅ E
∇⋅ H = 0
弱导近似(∇ε ≈ 0)下电磁场的波动方程:
四、单模光纤
光纤的单模截止波长λc 模场直径 等效阶跃折射率近似 单模光纤的主要类型 偏振保持光纤的双折射参数与拍长
五、光纤色散
阶跃多模光纤色散的计算 单模光纤色散的计算 光纤的频率响应 脉冲在色散光纤中的传输演化 光纤色散补偿 偏振模色散的概念和特点
六、光纤中的光学非线性
SPM啁啾效应与谱展宽 SPM与GVD共同作用下脉冲的传输 XPM效应的效果 FWM的频率关系与相位匹配关系 FWM与色散及频移量之间的关系 SBS与SRS的区别 色散致脉冲走离对非线性的抑制作用
通信光电子器件
主要的通信光电子器件:
光源:半导体激光器(LD)、发光二极管(LED) 光电探测器:PIN、APD 光纤放大器:EDFA
需要掌握的内容:
PN结电致发光基本原理 PN结光电效应 激光器三要素:增益介质、反馈机制(谐振腔)、泵浦机构 双异质结构激光器的优点:载流子限制,光限制 光子能量和波长的关系:E(eV)=1.24/λ(μm), 即E=hc/λ EDFA基本结构和原理
弱导光纤中的线偏振模
线偏振模的场分布与特征方程的求解方法 LP模的简并性,与矢量模的对应关系 模式的功率限制因子 基模LP01模(≡HE11模),单模条件V < 2.40483
线偏振模 LP0n LP1n LPmn (m > 1)
矢量模 HE1n TE0n, TM0n, HE2n EHm-1,n, HEm+1,n
光纤的基本传输特性:损耗
光纤损耗的描述:
光纤损耗系数:P(z)=P(0)e-αz, α 单位:[1/km] 损耗系数的分贝表示:α[dB/km]=4.343α[1/km] 光功率的分贝表示:P[dBm]=10log10P[mW], 例:0dBm=1mW 输出功率计算: Pout[dBm]= Pin[dBm]- α[dB/km]L[km]
导模的特征方程(相干加强条件或横向谐振条件): 2k0 n1h cosθ + ϕ 2 + ϕ 3 = 2mπ 一维平面光波导中的模
波长一定时,同时满足上述两个条件的光线(θ 值)只有有限个,每 一种光线(m值)对应于一个可以在一维平面光波导内传播的模式。 每一个θ 值又存在两种正交的偏振态,TE和TM。 一维平面光波导内的模式可标记为TEm模与TMm模,m=0, 1, 2, …
模间色散:不同模式的传输速度不同,是多模光纤色散的主要来源 材料色散:不同频率光波材料的折射率不同,导致传播速度不同 波导色散:模式的有效折射率随频率变化,导致传播速度不同 偏振模色散:不同偏振态传播速度不同,起源于光纤的随机双折射 多模光纤色散主要是模间色散(用时延差 Δτ 表示,单位[ps/km]) 材料色散和波导色散合称色度色散或群速色散,是单模光纤色散的 主要来源(β2=dτ/dω 单位[ps2/km],或 D=dτ/dλ 单位[ps/km⋅nm]) D=-(2πc/λ2)β2,单模光纤色散可通过改变光纤结构调节波导色散 的方法进行设计
电磁波
电磁场平均能流密度矢量的复数形式:
P= 1 Re E × H * 2
(
)
ω 2 n2
c2
自由空间中的单色平面波:
E(r ) = E0 exp(− jk ⋅ r )
2
H(r ) = H0 exp(− jk ⋅ r )
2 2 2
k = kxex + k yey + kz ez , k = kx + k y + kz = ω2εμ0 =
∇ 2 E + k02 n 2 E = 0 ∇ 2 H + k02 n 2 H = 0 n = εr k0 = ω ε 0 μ 0 = ω c = 2π λ
电磁场在两介质分界面上的边界条件:电磁场切向分量连续 横场与纵场: E=Et+ ezEz
∂ ∇ = ∇t + ez ∂z
H=Ht+ezHz
∂2 ∇ 2 = ∇ t2 + 2 ∂z
简并度 2 4 4
归一化截止频率 Vc μ1,n-1 μ0n μm-1,n
模式的普遍性质
模式完备性和正交性的含义 标量模正交性的证明
微扰法基本思想
已知一个光波导结构中各模式的场分布和传输常数 如果一个难于求解的光波导与已知解的波导结构只存在微小的差 别,则可以用已知解构造出难解问题的近似解。 横向问题和纵向问题
纵向均匀光波导中场的纵横关系
E (r ) = E (u, v)e − jβ z
∂ = − jβ ∂z
H (r ) = H (u, v)e − jβ z
∇× E = − jωμ0H ∇× H = jωε E
得到:场的横向分量可用纵向分量求出
阶跃折射率光纤的严格分析方法-矢量模
先求解Ez和Hz,场沿ϕ方向为驻波解,在包层内为径向衰减解 Ez和Hz为切向分量,在 r=a 界面上连续 由纵横关系得到其余四个横向场分量 Eϕ和Hϕ为切向分量,在r=a 上连续给出光纤内导模的特征方程 特性曲线所包含的信息 矢量模分类:TE0n、TM0n、EHmn、HEmn(m>0) TE0n、TM0n模为一重简并,无正交偏振态 EHmn、HEmn(m>0)均存在正交偏振态,为二重简并 光纤中的基模为HE11模,单模工作条件 V < 2.40483 模式参数:U, V, W, β, neff,b 近截止和远离截止下的模式参数 各模式的特征方程事实上是一个关于各模式传输特性的方程
平面波的特点: P =
E0
2
2ωμ 0
k=
H0
2
2ωε 0
k
∇ ⇒ − jk
k × E 0 = ωμ 0 H 0
k × H 0 = −ωεE 0
k ⋅ E0 = k ⋅ H 0 = 0
E、H、k相互正交,且组成右手系,为TEM波
一维平面光波导
Snell定律
θ1 = θ1 , n1 sin θ1 = n2 sin θ 2
光纤的基本传输特性:非线性
光纤非线性的来源:
强场情况下介质的非线性极化 光子的受激非弹性散射(光子与声子的相互作用) 光纤的低损耗和高光功率密度使得光纤中的非线性效应较为显著
光纤中的光学非线性现象:
自相位调制(SPM) 交叉相位调制(XPM) 四波混频(FWM) 受激拉曼散射(SRS) 受激布里渊散射(SBS) 色散对非线性有非常明显的抑制作用
光波载频高~1015Hz,潜在通信带宽大~100Tbit/s 光波波长短~μm量级,器件尺寸小,功耗低
技术基础:
1960’s 激光器出现 1970’s 光纤达到实用化水平,4dB/km @ 850nm 1980’s 光纤制造水平提高,OH-浓度下降,长波长低 损耗窗口:0.35dB/km @ 1310nm; 0.2dB/km @ 1550nm
光纤的基本结构与制造技术
光纤基本结构:
由芯子、包层和涂覆层组成 通常,包层为纯石英(SiO2)材料;芯子为掺锗石英(Ge:SiO2) 具有较高折射率;包层为树脂材料,用于增加光纤的机械强度
光纤制造技术:
包括制棒和拉丝两个基本的过程 光纤预制棒的结构是一个放大的光纤 预制棒制造技术:MOCVD;OVD;AVD;PECVD 预制棒的体积=拉丝后所得到的光纤的体积
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 引论 电磁理论与一维平面光波导 光纤模式理论 单模光纤 光纤色散 光纤中的光学非线性
一、引论
光通信的必要性与技术基础 光纤基本结构与制造技术 光纤基本参数 光纤的基本传输特性 通信光电子器件 光纤通信系统与网络技术的发展
光通信的必要性与技术基础
优点和必要性:
光纤通信系统和网络技术的发展
光纤通信系统的发展:
三个通信窗口:850nm,1310nm,1550nm 光纤:多模光纤系统(<600Mb/s), 单模光纤系统(2.5~10Gb/s) 再生中继:光-电-光方式,全光中继(EDFA+DCF) 复用技术:DWDM,OTDM
光纤通信网络技术的发展:
第一代光纤通信网:光纤传输,中继与交换均采用光-电-光方式 在电域实现 下一代光纤通信网:全光网,中继与交换的全光化,光纤到户
波动光学分析
掌握一维平面光波导的波动理论分析方法:
场的正交分解 亥姆霍兹方程的通解 导模条件:ψ(x)|x→±∞=0, 包层内应为衰减解 电磁场的所有切向分量连续给出模式的场分布与特征方程 近截止与远离截止
三、光纤模式理论
纵向均匀光波导中电磁场的纵横关系 阶跃折射率光纤的严格解法与矢量模 弱导光纤中的线偏振模 模式的性质 微扰法的基本思想
全内反射
n sin θ i > sin θ c = 2 n1

H E
k
E H TM
k
n2 TE θ2 n1 θ1 θ1’
Goos- Haenchen位移 δ
波动特性——穿透深度 入射点与反射点的位移 反射相位损失 ϕ
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