1、2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 1 光纤通信2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 2 2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 3 1 Most common permanent fiber connection Very high performance and reliability Insertion loss 0.01 to 0.1 dB, no reflection Automated splicing tool costs $10k to $50k 主要手段之一 Protective sleeve Splice 端面处理技术！ 2010-
2、3-25 Chapter 2 光纤和光缆 4 端面处理 Dont stare into the laser beam (with your remaining eye)2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 5 端面处理2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 6 端面处理 Pure Cotton Swabs Isopropyl Alcohol Filtered Air Variety of cleaning methods in use today Example: Clean connector tips with Isopropyl (96% medical alc
3、ohol) using adhesive free cotton swabs Immediately dry it with dust-free, non residue compressed air2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 7 光纤熔接机产品2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 8 三大熔接核心技术2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 9 LID系统：本地光注入检测 Local Injection and Detection2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 10 CDS系统：可视化纤芯检测2010-3-25 Chapte
4、r 2 光纤和光缆 11 L-PAS系统：透镜成像轮廓对准 包层对准2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 12 2 V 3 、 Epoxy2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 13 主要手段之二 2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 14 Connector Technology Ultra-high precision Optical axis aligned to better than 1 m (single-mode) Connector cleanliness is paramount special cleaning and inspect
5、ion required Sleeve Ferrule Fiber Key 插针套筒 2.499（0.0005 ）mm, 内径为0.125（0.001）mm 套管(sleeve) 的内径=2.48 2.49mm2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 15 Issues Of Connecting Fibers Offset Angular Misalignment Separation Core Eccentricity Core Ellipticity Reflections 光纤测试：光源、光功率计、可变光衰减器、光时域反射仪、光谱分析仪、极化模色散分析仪; 光传输测试仪201
6、0-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 22 光功率计 测量光功率大小 种类繁多 原理 使用要点2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 23 光时域反射计 光通信中的“万用表” 原理 使用要点2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 24 光纤输入端耦合器件产生的菲涅尔反射； 斜率为常数的区间； 由于局部缺陷、连接或耦合造成的不连续； 波导缺陷引起的反射； 光纤尾端产生的菲涅尔反射。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 25 深入思考 单端测试 Pulse Width(1020000ns)2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 26 光谱分
7、析仪（OSA） O :Optical S :Spectrum A :Analyzer The OSA is filtering one channel The ANT-20 test per-channel BER2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 27 光谱分析OSA（Optical Spectrum Analyzer）是测量光信号光谱的仪表，它的显示器纵坐标表示功率，用dBm刻度定标，横坐标表示波长，用nm刻度来定标，它可以用来显示和测量光纤中一个或多个波长的光信号特性，在WDM系统中应用较多。 光谱分析仪的主要指标有波长范围，波长读出分辨率，带宽，动态范围，电平测量范围等
8、。 光谱分析仪（OSA）2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 28 2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 29 测量内容 特性参量测量 机械性能 环境性能 我们关注的重点?2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 30 特性参量 光学性能参数 折射率分布数值孔径模场尺寸 截止波长 几何尺寸 传输特性参数 损耗系数带宽色散系数2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 31 用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现。 测量系统一般包括：发射光源、注入装置和接收与数据处理部分。 各
9、部分要求稳定、可靠，并有足够的精确度。测量的详细技术规范由国际标准（ITU-T）或国标确定。 测量的共同特点2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 32 损耗测量 在使用的时候，要特别注意两点： 1、假设光纤沿轴向是均匀的，即与轴向位置无关。 2、对多模光纤必须达到平衡模分布。 只有这样，测得的衰减系数才能进行线性相加。 ITU-T G.650和ITU-T G.651都规定截断法为基准测量方法，插入法和背向散射法（OTDR法）为替代测量方法。 10 () l g ( / ) i o P dB km LP 2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 33 损耗测量：截断法 截
10、断法:直接利用衰减系数定义的测试方法 测试精度高 注入条件不变 一个波长或多个波长，或一个波长范围2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 34 损耗测量：截断法 BIAS 光源 注入系统 检测器 Amp. 电平测量 待测光纤 良好的实验习惯 1 2 2m2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 35 损耗测量：截断法 测试系统主要包括光源、光注入系统、光检测器及信号处理部分等单元。 光源选择取决于测量类型、或是激光器、发光二极管，或是卤素灯。在测量过程中，光源的位置、强度和波长应保持稳定。 光检测器要能收集所有的辐射光，频响应与光源的谱特性匹配，灵敏度应线性。2010-3
11、-25 Chapter 2 光纤和光缆 36 损耗测量：截断法 衰减谱测试系统的光源要有足够宽的波长范围，如卤素灯。 为了保证高精度的测量，要求： 1、测试系统高度稳定； 2、有合适的注入条件； 3、有高质量的光纤端面。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 37 损耗测量：截断法 注入条件：对多模光纤衰减的测量，这点尤为重要。多模光纤中可以激励成百上千个模，由于耦合条件不同，个模携带的初始能量不同。 在传播中，由于模变换、模耦合和模衰减，各模携带的能量的比例不断变化，只有经过很长的传输距离后，各模传输能量的比例才能固定下来，即达到平衡模分布或稳态模分布。 随着光纤轴向的均匀性的差
12、异和光纤所处的状态的不同，达到平衡模分布的长度也不同，一般从几百米到几千米不等。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 38 损耗测量：背向散射法 背向散射法: 替代法非破坏性方法 机理 后向散射的光提取信息 采集信息量大 单端测试 光时域反射计(OTDR) B A AB AB P P l km dB lg 2 10 1 22 TcT LV n Optical Time Domain Reflectometer2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 39 光纤模场直径（MFD）测量 横向位移法 远场扫描测试法 近场扫描测试法 可变孔径法 刀口扫描法 单模光纤模场直径测量
13、实验教学内容的改革和创新实验技术与管理2009.82010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 40 色散是单模光纤的重要传输参数 色散的表征 色散测量 t t2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 41 1时域法。这种方法是以确定沿光纤长度方向传输的光脉冲展宽量为基础的。通常用窄脉冲调制光源做为光纤的测试信号源，故又称为脉冲法。 2频域法。这种方法是根据被测光纤基带频响的幅频特性确定其带宽，然后确定色散系数。此方法采用频率连续可调的正弦被调制光源做为测试信号源，故也称为正弦波法或相移法 。 色散测量的两种方法2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 42 时域法和
14、频域法的比较 时域法测光纤色散是观察经脉冲调制的光信号通过光纤后的时间延迟或脉冲展宽 频域法是使用不同频率的正弦波调制光信号测得光纤的基带响应。 时域法要求产生和探测极窄的脉冲，而频域法需要一个从低频到高频(GHz)的可调信号源用以驱动激光器或发光管，并要有相应的探测装置：2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 43 参考书:Nonlinear Fiber Optics & Applications of Nonliear Fiber Optics Govind P.Agrawal2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 44 光纤的非线性效应 光纤-线性系统，传输特性与
15、光功率无关。 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。 利用非线性现象产生有用的效应。导致新的学科分支非线性光纤光学。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 45 受激散射效应 受激拉曼散射(SRS) 受激布里渊散射(SBS) 自相位调制(SPM) 交叉相位调制(XPM) 四波混合(FWM) 光纤的非线性效应 折射率扰动 折射率与光强相关产生的效应 传输时, 部分能量偏离预定的传播方向,且光波的频率发生改变. 非弹性散射2010-3-25 Chapter
16、2 光纤和光缆 46 所有这些非线性中的任意一种效应引起信号损伤时，需要获得一些附加功率，以维持BER与原先无非线性效应时一样。这部分附加功率就是相应非线性效应的功率代价。 非线性效应与传输距离和纤芯内场强有着密切的关系，为此引入两个基本参量：有效(相互作用)长度和有效面积。 非线性效应概述2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 47 1. 有效长度L eff ： 当 当L L 很大时， 很大时，L L eff eff 1/ 1/ 非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是，由 非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是，由于光纤损耗而带来信号功率连续下降，需要对上述说法进行
17、于光纤损耗而带来信号功率连续下降，需要对上述说法进行修正。实际上，可以采用一个简单而足够精确的模型来假定 修正。实际上，可以采用一个简单而足够精确的模型来假定功率在一段光纤长度内为常数 功率在一段光纤长度内为常数。 。 1 exp( )/ eff LL ：光纤衰减系数； L ：实际传输距离 两个基本参量2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 48 2. 有效面积A eff : r r eff rdrd r I rdrd r I A , , 2 2 模场分布为高斯分布时 模场分布为高斯分布时 , , A Aeff eff= = w w 2 2 普通单模光纤的 Aeff80 m 2 色
18、散位移光纤的 Aeff55 m 2 色散补偿光纤的 Aeff20 m 2 普通单模光纤的 普通单模光纤的 A Aeff eff 80 80 m m 2 2 色散位移光纤的 色散位移光纤的 A Aeff eff 55 55 m m 2 2 色散补偿光纤的 色散补偿光纤的 A Aeff eff 20 20 m m 2 2 A Aeff eff 非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光 非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积 纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积。 。由于光功率在光纤纤 由于光功率在光纤纤芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面
19、积 芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积A Aeff eff表示 表示。 。 两个基本参量2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 49 受激光散射 受激光散射：一个高能量光子被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子。散射光频率降低，光场把部分能量传递给介质。 受激布里渊散射（SBS）：参与的能量子为声频声子，只发生在后向 斯托克斯光vs. Pumping Light 受激拉曼散射（SRS）：参与的能量子为光频声子，以前向散射为主，但也有后向散射 形成了一种损耗机制2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 50 SRS和SBS
20、的区别 SRS是和介质光学性质有关，频率较高的“光学支”声子参与散射，频移有几十THz；而SBS是和介质宏观弹性性质有关，频率较低的“声学支”声子参与散射，频移只有十几GHz； SBS只发生在反向，而SRS在两种方向均能发生，主要是前向； SRS的阈值功率大于SBS的阈值功率。 受激光散射机理2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 51 受激布里渊散射（SBS） 1) Effect and consequences In an intensity modulated system using a source with narrow linewidth, significant o
21、ptical power is transferred from the forward propagating signal to a backward propagating signal when the SBS power threshold (around 5 to 10 mW) is exceeded. This limits the amount of transmitted light. 2) Counteractions to adopt techniques for increasing the SBS power thresholds, such as pilot ton
22、es, .2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 52 1) Effect and consequences SRS causes a signal wavelength to behave as a “pump” for longer wavelengths, either other signal channels or spontaneously scattered Raman-shifted light. The shorter wavelengths is attenuated by this process, which amplifies longer wavelen
23、gths SRS takes place in the transmission fiber 2) SRS could be exploited as an advantage By using suitable Raman Pumps it is possible to implement a Distributed Raman Amplifier into the transmission fiber. This helps the amplification of the signal (in co-operation with the localized EDFA). The pump
24、s are depleted and the power is transferred to the signal f f Transmission Fiber 受激拉曼散射（SRS）2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 53 非线性折射率 在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为： 2 2 2 ) , ( E n n E n 光场幅度的有效值或均方根 线性折射率 非线性折射率或Kerr系数 光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。 光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 54 1、自相位调制SPM 折射率非线性分量的出现
25、将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项： eff A n 2 2 光纤有效截面积 由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为自相位调制，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。 P 线性传输时的传播常数 非线性系数 光纤中传输的功率2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 55 非线性相移 in eff eff eff in L NL P A L n L P dZ Z P ) / 2 ( ) ( 2 0 非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越大，非线性效应越强。 SPM不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率
26、，即出现频率啁啾，引起光脉冲的频谱展宽。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 56 2、交叉相位调制XPM 在多波长系统中（WDM），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。XPM是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。 特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第j信道的相移可写为： M j m m j eff NL j P 2 P L M ：信道总数；P j：信道功率（j1M）；因子2表明在同样功率下XPM的影响是SPM的两倍，这样总相移就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图形而变化。 交叉相位调制在多信道系统中是主要的功率限制因素2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 57 3、 四波混频FWM FWM ： 光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。 对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 58 END OF SECTION TWO2010-3-25 Chapter 2 光纤和光缆 59 Questions? Thank you! S
