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电子与信息工程毕业论文:光纤通信中衰减、色散及非线性特性的研究.doc

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本 科 毕 业 设 计光纤通信中衰减、色散及非线性特性的研究所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要光纤通信因其具有的损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点,备受业内人士青睐,发展非常迅速。目前,光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。为了使光纤通信能更好的发展,必须对其特点进行深入的研究。光纤材料的本征吸收和本征散射是光纤的固有衰减机理,光纤材料的本征散射主要指瑞利散射。光纤的损耗包括光纤自身的损耗和光纤通信中的插入损耗。色散是指不同频率的电波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理 。光纤的色散包括 色散、材料色散、波 色散。非线性 射率波 为 大 自相 , 相 以及 波 频 。非线性受 散射 为 ?散射和¢£散射?¥? 。本§currency1 了光纤衰减、色散、非线性的“?, ?了衰减、色散及非线性的机理、 、? fifl及 –??,· 对衰减、色散及非线性特性进行了?。?关键词 光纤通信;衰减;色散;非线性IABSTRACTThe loss of optical fiber communication because of its low transmissionfrequency bandwidth, large capacity, small size, light weight, resistance toelectromagnetic interference, crosstalk, etc. is not easy, much favored by the industryto develop very rapidly. Currently, optical fiber cable has been wired into all areas ofcommunications, including posts and telecommunications, radio communications,power communications and military communications. Fiber materials and the intrinsicabsorption of the intrinsic scattering is inherent attenuation mechanism of fiber,optical fiber materials, mainly refers to the intrinsic scattering of Rayleigh scattering.Fiber loss, including fiber loss and its insertion loss in optical fiber communication.Dispersion refers to the different frequencies of waves with different phase velocityand group velocity propagation in the medium of physical phenomena. Mode fiberdispersion including dispersion, material dispersion, waveguide dispersion. Nonlinearrefractive index fluctuation can be divided into three categories self-phasemodulation SPM, cross-phase modulation XPM and four wave mixing FWM.Nonlinear stimulated Brillouin scattering can be divided into two s of scatteringand Raman scattering. In this paper, fiber attenuation, dispersion, nonlinearity of thedefinition, analysis of the attenuation, dispersion and nonlinear mechanism,classification and suppression s, respectively, the attenuation, dispersion andnonlinear characteristics are simulated, and discusses some Advanced technology.Key words attenuation ;dispersion ;nonlinear ;optical fiber communication II目 录?”??‰ ”????光纤通信中的衰减特性研究 ? ? ”?光纤通信中的衰减 ? ? ??光纤自身的衰减 ? ?光纤通信′??的衰减 ˉ? ˉ?衰减对中?˙¨的 ? ? ?? ??光纤衰减 能量 ? ?? ??对光纤通信中衰减的? ˇ???光纤的色散特性研究 ? ” ”?色散机理 ” ??色散的 ” ? ”? 色散 ” ? ??材料色散 ”” ?波 色散 ”” ?色散对通信的 ?及对 ”” ”?色散对通信容量的 ”” ??色散 ? 及色散 ?fi ”? ˉ?光纤通信中的色散? ? ”?ˉ??光纤的非线性特性研究 ? ”?ˉ ”?非线性光 ”?ˉ ??受 色散及其对光纤通信的 ? ”?ˉ ? ”自相 ”?ˉ ? ?? 波 频 ”ˇˉ ? ?受 ?散射 ”ˇˉ ? ˉ?受 ¢£散射 ”ˇˉ ?非线性 射率 的非线性光 ” ˉ ˉ?非线性光 的? ” ˉ ?光线通信中非线性 的? ?? “?a 。III§ ??IV?”??‰自” ??以?,光纤通信迅速发展,?进了光纤的 用和o业 ,光纤的 量 指? ? 。 ‰是在? , 是在???? 了光纤,光线 已经 伸到了我们的办公桌和家中。光纤之所以在世界各国的各个领域得到广泛的 用,成为高质量信息传输的主要手段,是因为光线 传统的金属铜轴电缆相比,具有以下的优点 ” 通信容量大。由于光线的 用带宽较大,一般在”GHz以?,使光线通信系统具有较大的通信容量。而金属电缆存在的 电容和 电感实际 到了低通滤波器的作用,使传输频率、带宽以及信息承载能力受 。 代光纤通信系统能够将速率为几十Gb/s以?的信息传输?百英 ,允许大约 百万条话音和 据信道同时在一根光缆中传输。实验室 ,传输速率达Tb/s级的系统已研 成功。光纤通信巨大的信息传输能力,使其成为了信息传输的主体。? 传输˙¨长。光缆的传输损耗比电缆低,因而 传输更长的˙¨。光纤系统仅 要少量的中?器,而光缆 金属电缆的造价基本相同,少量的中?器使光纤通信系统的总成本比相 的金属电缆通信系统的要低。 抗电磁干扰。光纤通信系统避免了电缆间由于相互靠近 的电磁干扰。金属电缆发生干扰的主要原因就是金属 体向外泄漏电磁波。由于光纤的材料是玻璃或塑料,?不 电,因而不会o生电磁波的泄漏,也就不存在相互之间的电磁干扰。ˉ 抗噪声干扰。光纤不 电的特性 避免了光缆受到闪电、电机、荧光灯及其他电气源的电磁干扰 E I ,外部的电噪声也不会 ?广播的传输能力。此外,光缆不辐射射频 能力的特性也使它不会干扰其他通信系统,这在军事?的运用是非常理想的,而其它¥ 的通信系统在核武器的 ?下 电磁脉冲干扰 会遭到毁灭性的破坏。? 适 。光纤对 有较 的 抗能力。它比金属电缆更能适 度的 ,而 性的 体或气体对其 ? 小。? 重量轻, ,易? 。光缆的 和 比较 、 ,这是因为 ,玻璃或塑料?不 电, 有电 通 或电 的干扰 其 ,它 以在易 发的 体和气体 使用不必 会 ?¢或 £ ? ,它比相 的金属电缆体积小,重量轻,更?于机载¥作,而 它?用的存§currency1间小,运输也fi?。ˇ “。由于光纤不向外辐射能量,??用金属感 器对光缆进行?fi,因此,它比铜缆 “性 。这也是光纤通信系统对军事 用具有吸 力的fl一fi 。–?长。?· 有得到 实,? 以?,光线通信系统?比金属 ?的使用–?长,因为光缆具有更 的适 和抗 的能力。”?光纤系统也存在一不‰ ” ? 。在实际使用中, 要 的 ?器′将光纤 到??的电ˉ 备?。? 度?。光缆本身 同轴电缆相比抗¢ 度要低的˙。这 以通 使用??的光纤包¨ ?得到 –。 不能传输电力。有时 要为??的 ?或 生 备??电能,光缆ˇ?不能 ,在光缆系统中 必须使用金属电缆。ˉ 要 用的¥具、 备以及 。 要使用 用¥具 成光纤的 以及 要1用 备进行常? 量 光缆的 fl , 事光缆¥作 人 要通 相 的 · 一“的 业 能。? 经受长时间的?验。光纤通信系统的 及时间a, ‰够的时间 实它的 靠性。光纤系统′?的 ” ”所 。通信′?中?基本的 个?成部 是光发射机、光 收机和光纤′?。光发射机由 ?或 o电 ?、电 电 、光源和光源 光纤之间的 ?等?成。光纤是高 度的玻璃或塑料光纤,长˙¨大容量的光纤′? ? 用玻璃光纤,对于低速率a˙¨的传输系统 以 用塑料光纤。光 收器包括光纤 光?波器之间的 器′、光? 器、电 电 器、?大器和 ?或 o ?等 ” 。” ”光纤通信系统′?的 光纤是光纤通信系统中?重要的一部 ,光纤本身具有?˙的特点。光纤材料的本征吸收和本征散射是光纤的固有衰减机理,光纤材料的本征散射主要指瑞利散射。光纤的损耗特性主要包括光纤自身的损耗和通信系统的插入损耗等。色散是指不同频率的电波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理 。光纤的色散包括 色散、材料色散、波 色散。非线性 射率波 为 大 自相 , 相 以及 波 频 。非线性受 散射 为 ?散射和¢£散射?¥? 。光纤的损耗?“了光纤通信系统中的 中?传输˙¨,光纤的色散 光脉冲的展宽,而 ?个fi ?系统的传输性能,在传输˙¨一“的??下,色散 系统的传输速率 在传输速率一“的条′下色散 系统的传输˙¨。光纤的衰减 、色散 、非线性?重的 ?了光纤通信的质量 传输˙¨,所以对光纤的衰减 、色散 、非线性的研究,是对光纤通信的发展有重大 ?的。??本§ 这fi 发,在?一部 介 了光纤在传输中的衰减及其自身的一基本特性,·进行?,? 部 介 了光纤的色散特性对其 了比较细 的讨‰和?,? 部 介 了光纤的非线性特性以及一基本的? 和?。2电信号输入电 ? 电? 光源?′光纤跳线光线连 器中?器光缆线?盒光缆终端盒光纤连器光? ?′ ?大器 电 ?电信号输 光缆线?盒光缆终端盒????光纤通信中的衰减特性研究 ?? ”?光纤通信中的衰减 ?传输衰减是光纤?重要的一项光 性质,它在?大程度??“着传输系统的中?˙¨。损耗的降低依赖于¥艺的?高和对石英材料的研究。对于光纤来说,o生损耗的原因较 ,它不像金属波 那样容易计算衰减量的大小,衰减量的具体确“往往依赖于实验 量。 的说明衰减机理 ” 纤芯和包¨物质的吸收衰减,包括石英材料的本 吸收和 质吸收 ? 纤芯和包¨材料的散射衰减,包括瑞利散射衰减以及光线在 光场作用下诱发的受及喇£散射和受及 力源散射 由于光纤表 的随机畸 或粗糙所o生的波 散射衰减 ˉ 光纤弯曲所o生的辐射衰减 ? 外套衰减。这衰减机理fl 为不同的?? 一是石英光纤的固有衰减机理,像石英材料的本吸收和瑞利散射,这机理 了光纤所能达到的?小衰减 是由于材料和¥艺所 的非固有衰减机理,它 以通 ? 材料或 –¥艺而减小, 消除其 ?, 质的吸收、波 的散射等 ? 。? ??光纤自身的衰减光纤材料的本征吸收和本征散射是光纤的固有衰减机理。光纤材料的本征吸收有?个?个频带 一个在红外波段,其吸收峰在 ”?μm波长区域,对光纤通信 ?不大 另一个在紫外波段,其尾巴会拖到 ˇ” ”μm的波段,对于光纤通信o生一“的 ?。光纤材料的本征散射主要指瑞利散射,它是由于光线中 射率在微观?的随机 伏所的。石英光纤在加热¢ 程中,由于热骚 ,使原ˉ得到的 缩不均匀,这使物质的“度不均匀,进而使 射率不均匀,这¥不均匀性在冷却的 程中被固“下来。这¥不均匀度 波长相比是小尺寸的,因此o生的散射称为瑞利散射。瑞利散射按”/λ的比例o生衰减,在较长的波长?传输时,瑞利散射衰减大大减小。光纤中的 质对光纤的衰减特性o生重要 ?,尤其是OHˉ¨ˉ在” μm?有一个吸收峰,残存的OHˉ¨ˉ的吸收 光纤的通信波段在 ” ??μm范 内?成了 个衰减相对较低的窗?,即 ?μm、” ”μm和” ??μm。目前” ”μm?光纤衰减在 ˉd /km范 内,” ??μm?衰减已低于 ?d /km 除了石英玻璃以外, 以 用塑料作为光纤的材料。能的光纤结构有纤芯使用石英玻璃、包¨使用塑料 纤芯使用塑料而包¨则使用另一¥塑料。使用塑料作为光纤材料,其衰减要明ˇ 大于石英玻咯材料。在近红外波段,塑料包¨石英光纤的典型衰减值为 d /km左右,而 塑料的典型衰减值则 达到每千米几百 贝。?塑料光纤在a˙¨、中低传输速率系统中是?有竞争力的传输介质 。光纤有一“的曲率半径的弯曲时就会o生附加的辐射衰减,光纤 以 ? 弯曲 3①曲率半径比光纤直径大得˙的宏弯曲,例 ,光缆拐弯时就会o生此¥弯曲 ②光纤成缆时o生,沿轴向的随机性微弯曲,o生委婉的另一个重要原因是光纤材料 套¨材料的热膨胀系 不一 。光纤的弯曲?辐射 的能量取?于弯曲段的曲率半径 。曲率半径 越小,弯曲衰减越大。轻微的弯曲所o生的附加衰减非常小,基本?光 不到。为减小微弯曲衰减,一¥fifl是在光纤表 一¨弹性 ¨,”受外力作用时, ¨发生? 而光纤仍? 以 值直线状态。另外, 果是在昼夜、冬夏 度??大的高度区建 光纤线?,在 计计算中, ? 能将系统的功率富余度留得大一。这样就 以 室外气 骤? 时,系统仍? 以正常运行。? ?光纤通信′??的衰减光纤作为光波 遇到不连续点会o生光功率的衰减和反射。固“ 和 ?是光纤通??的一¥特“的不连续点,会 一“的功率衰减,称为插入衰减,“?为连 器输入功率 输 功率之比的 贝 。它是 量光纤连 器的主要指?之一。 光纤连 衰减的原因?˙,包括光纤的几 、光纤端 ??和光纤本身特性 的不 等。连 一般有以下几¥?? 轴向 、连 间 、 。这损耗 ? ”所 。? ”光纤 连 损耗轴向 b 连 间 轴向 即?根光纤连 ?有轴向 。其 损耗在 点几 贝到几个 贝之间, 4输入轴向 损耗输 a输入间 输 b输入损耗输 c ˙¨小于光纤直径的? ,则损耗一般 不计。?连 间 有时fl称端 ¨。 果?根光纤直 对 ,则必须 在一 ,光线 得越,广的损耗越大。 果?根光纤通 连 器连 ,则不必 ,因为连 器 o生的相互 会损坏光纤。? fl称 。 小于? ,则 损耗不会 ?d 。? ˉ衰减对中?˙¨的 ? ?在光纤通信系统中,光线线?的传输性能主要体 在其体 在其衰减特性和色散?。而这 是在光纤通信系统的中?˙¨ 计中所 的?个因 。? 直 传输速率有 , 传输??下 成为?“因 ,因此在高比特系统的 计 程中,必须对这?个因 的??currency1 。一个中?段?的传输衰减包括?部 内容,其一是光线本身的固有衰减, 就是光纤连 损耗和微弯曲带来的附加损耗。光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的 ?,低损耗实 ?˙¨光纤通信的前?。构成光纤损耗的原因? ,¢结 来主要包括?大 吸收损耗和散射损耗。除此之外, 光纤损耗的 有光纤弯曲o生的损耗以及纤芯和包¨中的损耗等。£ ,发 有许˙材料, ?石等在” ¥m附近损耗?小,色散也 近 发 在” ??¥m左右,损耗 降低到 ?d /km 果 理 计光纤, 以使色散在” ??¥m除达到?小。这对长˙¨、大容量通信??了比较好的条′ ˉ 。中?˙¨是光纤通信系统 计的一项主要 ?。在中?˙¨的 计中 衰减和色散这?个因 。在衰减受 系统中,中?˙¨越长,则光纤通信系统的成本越低,§得的 经currency1 越高。因而这个 ?一直受到系统 计 的重“。”前,广泛 用的 计fifl是IT??TG ??所建?的 值 计fl。在¥程 计中,一般光纤通信系统的中?˙¨ 以表 为 /T R CR P Ef s f CP P A P P MLA A L Ma- - - - - ??????????????? 2-1 中1/nf fiiA a n ????????????????????????? 2-2 1/ 1ns siiA a n - ?????????????????????? 2-3 ? ?光纤衰减 能量 ?所fiflˉ,是一¥特 脉冲波,是非线性波 fi程的一¥特 的不–散?。这¥波在传播中能 ??状不 ,· 相互· ?不 ?各自波型和传播。光纤 ??光flˉ,由于光flˉ在传播中 ??状不 , 用光flˉ作为信息载体,则 根本??色散对通信容量的 约,所以对光flˉ传输的研究一直是光通信领域的热点。光flˉ能够 ??状不 是以 光纤衰减为前?的。?实际的光纤是有衰减的,这会光脉冲能量的减少,不 ?‰flˉ条′,flˉ脉冲展宽[5]。5
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