光纤通信第3章光纤的传输特性.ppt

第三章 光纤的传输特性,光纤的传输特性,光纤在光纤通信系统的主要作用是完成光能量的传输，所以在光纤通信原理课程里我们最关心光纤的传输特性。 光纤的传输特性主要有两部分，光纤的损耗特性和色散特性。,一、 光纤的损耗特性,光纤损耗,吸收损耗,本征吸收,杂质吸收,原子缺陷吸收,紫外吸收 红外吸收,氢氧根（OH）吸收 过渡金属离子吸收,瑞利散射损耗 结构不完善引起的散射损耗,散射损耗,弯曲损耗,光纤弯曲损耗 光纤微弯损耗,1.吸收损耗,本征吸收,吸收损耗,紫外吸收 红外吸收,氢氧根(OH)吸收 过渡金属离子吸收,原子缺陷吸收,杂质吸收,紫外吸收：,光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起光信号的损耗。 这种损耗对于波长小于0.4m的紫外区中的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带。它的吸收损耗曲线已延伸到光纤通信波段(即0.81.7m波段)。在短波长范围内，引起光纤损耗小于0.1dB/km。,红外吸收：,光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起光信号的损耗。 这种吸收损耗对于红外区中2m以上的光波表现得特别强烈。,SiO2-GeO2材料制成的单模光纤，在1.55m波长处测得的损耗仅为0.2dB/km,光纤中的铁、钴、镍、铜、锰、铬等和氢氧根(OH) 在光纤传输的电磁场(光波)的作用下产生振动，因而吸收一部分光能，引起损耗。 它们的影响可以随杂质浓度的降低而减小，直到清除。降低材料中的过渡金属离子比较容易，目前已可以使它们的影响减小到最小程度。,杂质吸收：,OH振动吸收影响较大。在0.62.73m的波长范围内产生若干吸收峰。当降到0.81.0ppb(10-9 )时，在整个0.71.6m波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如图虚线所示的曲线。1.31m波长 窗口和1.55m波长 窗口不再被OH吸 收峰隔开因而得到 一个很宽的低损耗 波长窗口，有利于 波分复用。,OH吸收损耗,0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 (m),原子缺陷吸收：,通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量使之减小到可以忽略不计的程度。,2.散射损耗,线性散射损耗,散射损耗,非线性散射损耗,瑞利散射,结构不完善散射,瑞利散射 ：,在光纤的制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀性或压缩性的起伏，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这些不均匀尺寸比光波长还小。当光纤中传播的光照在这些不均匀微粒上时，就会向各个方向散射，这种造成散射的粒子尺寸比波长小得多时的散射称为瑞利散射。瑞利散射引起的损耗与4成正比。,结构不完善引起的散射：,在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。,非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。 在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。 系统采用波分复用和掺铒光放大器（EDFA）时，一定要考虑这两种散射损耗的影响。,3.弯曲损耗,光纤弯曲时会造成模式转换，如低阶模变为高阶模时，传输路径增加，损耗增大；若导模转换为辐射模时，造成辐射损耗。为了尽量减小这种损耗，施工过程中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不计的程度。,光纤弯曲：,曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯就叫弯曲。,光纤微弯：,由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的光纤轴产生微米级的弯曲称为微弯。其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。,典型光纤损耗曲线,4.光纤损耗系数,传输单位长度（1Km）光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单位是dB/Km,二、光纤的色散,色散是一个古老的物理概念。在物理学中，它是指不同颜色的光经过某种透明介质后被分散开的现象。,光纤的理论损耗：,光纤的色散,在光纤中，光信号是由很多不同的成份（如不同模式、不同频率）组成的，由于信号的不同成份的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成份之间出现时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散。,脉冲展宽,光脉冲信号中的不同成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。, 光纤色散效应对传输的影响,1 0 1 0 1 0 1 1 0 1,1 0 1 0 1 0 1 1 0 1,Input,Output,脉冲展宽 (ps) = D(ps/ nm*km) * (nm) * L(km),Time,Time,脉冲展宽 1/4 比特周期时会引起误码,色散的分类,模式色散 材料色散 波导色散 极化色散 多模光纤中以模式色散为主，单模光纤中不存在模式色散,1.模式色散,时延差越大，色散越严重，所以常用时延差来表示色散的程度,阶跃型光纤模式色散,C,n1,n2,L,阶跃型光纤的模式色散,如果1%，石英的纤芯折射率n11.5，则L1Km长的光纤的模式色散(模时延差)M50ns,阶跃型光纤模式色散,渐变型光纤模式色散,抛物型光纤（2）：,最小的时延是光线沿光纤轴心（即00）传播时所需的时间，即：,T,啁啾效应,直接调制激光器输出信号带有较大的啁啾，使得脉冲频谱展宽并在前后沿产生频谱红移和蓝移，在光纤色散的作用下，引起脉冲的快速展宽和信号劣化。,2.材料色散,定义归一化传播常数b为：,式中：,纤芯和包层的群折射率,弱导光纤：,同时：,得：,D（）分为两部分，第一项是由于纤芯材料的折射率随波长的变化而变化，故称为材料色散系数，用Dm（）表示,一根光纤的色散系数可能是正数，也可能是负数。,材料色散：,其中是光源谱宽，L为传播的距离， 为材料色散,如果入射到光纤的是一窄脉冲，() 用以表示群时延，则,这就是光纤色散补偿原理,3.波导色散,波导色散(W)是由光纤的几何结构决定的色散，故也称为结构色散。,4.偏振模色散PMD,光纤中的光传输可描述成完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴振动或一些光在两轴上的振动。 每个振动轴代表一个偏振“模” 两个偏振模的到达时间差偏振模色散PMD,光纤PMD,环境因素和工艺缺陷引起的纤芯椭圆及应力是引起PMD的主要因素,PMD引起脉冲展宽（随机性）,光纤PMD,由光纤的双折射引起,诸如应力、弯曲、扭绞、温度等随机引入 产生信号间干扰; 偏振相关损耗产生的二次效应可能产生PMD与色度色散之间的耦合，从而增加色散的统计分量; 解决办法之一是改进光纤工艺或在系统输入输出端插入偏振控制器。,PMD产生机理及解决方法,总色散,模式色散 材料色散 波导色散PMD,多模光纤：,单模光纤：,色散容限,色散对系统传输距离的影响由色散容限参数值（Ds)表示。 Ds/D为受限距离: 如:光源色散容限值Ds=12800ps/nm,SMF（G.652）光纤的色散参量值取D=20ps/km/nm，则该光源的色散受限距离为640 km。,三、光纤带宽,光纤的色散和带宽描写的是光纤的同一特性。色散是这一特性在时域中的表现，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间座标轴上展宽了多少。带宽是这一特性在频域中的表现。,光纤的色散和带宽对通信容量的影响,0.5,1,3dB光带宽对应于6dB电带宽,1、色散与带宽的关系,h（t）接近高斯函数,定义半高全宽度为信号的脉冲宽度,也可以用光纤输入端的脉冲半高全幅宽度和光纤输出端的脉冲半高全幅宽度2来近似表示:,脉冲展宽也可以用光纤中的总色散来表示:,练习题,1、P68第2题。 2、一光纤通信系统的发射功率1mW，最小接收功率（灵敏度）1uW，根据图3-5估算1310和1550两种波长的最大传输距离。 3、Consider a single mode optical fiber as in the figure, excited b