光纤光纤光学及技术第三章损耗

1、光纤的主要特性光纤的主要特性传输特性传输特性 损耗损耗 色散色散非线性非线性光学特性光学特性 折射率分布折射率分布 数值孔径数值孔径截止波长截止波长 芯径芯径 外径外径 偏心度偏心度椭圆椭圆度度同心度误差同心度误差几何尺寸几何尺寸机械特性机械特性温度特性温度特性2光纤在光纤通信系统的主要作用是完成光信号的传输，所以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。3损耗、色散和非线性损耗、色散和非线性对光信号传输的影响对光信号传输的影响衰减衰减损耗损耗输入信号输入信号输出信号输出信号时间时间时间时间色散色散脉冲展宽脉冲展宽频率频率非线性非线性新频率新频率4光纤损耗是通

2、信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。损耗系数定义:p(z)为z处的光功率，代表损耗系数，L是光纤长度，习惯上损耗系数通过下式用dB/km来表示：d ( )( )dP zP zz ( )(0)zP zPe5inoutPPLkmdB10log10)/(10( )lg(0)dBP LLP 10(0)lg10 lge4.34( )dBPzP z6【例3.1】 某光纤中z处的光功率 ，试求该光纤的损耗系数 、 以及5km这样的光纤的总损耗（dB）。解：0.1(0.2)( )10mwzP zedB0.20.1( )10(0)zzP zeeP

3、e所以 =0.1（1/km） 4.34dB0.434dB 5km这样的光纤的总损耗=LdB=0.4345=2.17（dB） 7即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括： 1. 吸收损耗吸收损耗2. 散射损耗散射损耗3. 弯曲损耗弯曲损耗损耗损耗8光纤损耗光纤损耗吸收损耗吸收损耗本征吸收本征吸收杂质吸收杂质吸收原子缺陷吸收原子缺陷吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收氢氧根（氢氧根（OH）吸收）吸收过渡金属离子吸收过渡金属离子吸收瑞利散射损耗瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗结构不完善引起的散射损耗散射损耗散射损耗弯曲损耗弯曲损耗光纤弯

4、曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗光纤微弯损耗9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10本征吸收：材料本身 (如SiO2) 的特性决定，即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收。原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成。非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子 (OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗。11紫外吸收紫外吸收： 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

5、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。12光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗，红外区表现强烈，因此称为红外吸收。晶格1314光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等15OHOH离子吸收：离子吸收：O-HO-H键的基本谐振波长为键的基本谐振波长为2.73 2.73 m m，与，与Si-OSi-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.391.39、

6、1.241.24、0.95 0.95 m m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口窗口。解决方法解决方法：(1) 光纤材料化学提纯，达到 99.9999999%的纯度(2) 制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热 ( 汽相轴向沉积法) OH离子含量降到0.8-1.0ppb时，在0.6-1.7mm范围内，吸收峰基本消失16光纤制造 - 材料受到热激励热激励 - 结构不完善强粒子辐射辐射 - 材料共价键断裂 - 原子缺陷导致光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗峰值吸收波长约为630nm，解决方案解决方案：提高制造工艺、不同的掺杂材料及

7、含量17散射损耗：光能辐射出光纤之外的一种损耗线性线性散射损耗散射损耗和非线性散射非线性散射损耗损耗线性散射损耗线性散射损耗： 任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。主要包括：1. 瑞利散射2. 波导散射18本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值波导在小于光波长尺度上的不均匀：- 分子密度分布不均匀- 掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射瑞利散射一般发生在短波长也是一种本征损耗，固有散射粒子尺寸比波长小得

8、多，与l-4成正比1920导致的原因是波导缺陷：缺陷尺寸大于光波波长- 纤芯和包层的界面不完备- 圆度不均匀- 残留气泡和裂痕等实际为结构不完善引起的模式转换或模式耦合目前的制造工艺基本可以克服波导散射传播波模变换后的传播波纤芯包层辐射模21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受激喇曼散射和受激布里渊散射受激布里渊散射。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。高功率传输时必须要考虑非线性损耗22受激拉曼散射受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中

9、的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特 性：方向性强，散射强度高。 受激布里渊散射受激布里渊散射也称声子散射声子散射，phonon scattering。 主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。可以利用受激布 里渊散射研究材料的声学特性和弹性力学特性。 23掺GeO2的低损耗、低OH含量石英光纤OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：逼近本征损耗单模：

10、本征损耗+OH吸收损耗常温且未暴露在强辐射下2425多模光纤的损耗大于单模光纤：- 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大)- 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤光纤弯曲光纤弯曲：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲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。26 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光纤轴产生微米级的弯曲称为纤轴

11、产生微米级的弯曲称为微弯微弯。其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。27宏弯（弯曲）：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲；微弯：光纤轴线微米级的弯曲消逝场消逝场q q q qc cq qR Rq q q qCladdingCladdingCoreCore场分布场分布Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模 v v低频光低频光2. 2. 色散系数色散系数D D为负：负色散为负：负色散v v高频光高频光 材料色散材料色散 波导色散波导色散 极化色散极化色散0多模光纤总色散：多模光纤总色散：单模光纤总色散单模光纤总色散22)(wmMwm821320wmDDD- 材料色散的影响一般大于

12、波导色散： |Dm| |Dw|- 波导色散系数通常为负值总色散系数 D Dm + Dw【例3.7】 某单模光纤在1550nm波长处的色散系数为3ps/kmnm,若光源的线宽为2.5nm，试确定2km长的这种光纤的色散。解：单模光纤的色散 ( )3 2.5 215(ps)DLll 将光纤看作一个传输系统 传输系统输入 输出 光纤传输系统模型 细化后的光纤传输系统模型 所以 可以随展成级数 0002323000023d1 d1 d( )()()()()d2 d6 d 23000000011()()()26 基带信号为 （表示功率）， 的频谱为 。经过频率为0的光信号 的调制，则调制后的信号为 其傅

13、里叶变换为 ( )f t( )f t()F 0jte0j( )( )etx tf t0( )()XF经过一段光纤的传输后进行傅立叶反变换由于光载波频率 也会产生相移，到终端为 j zj z0( )( )e()eYXFj t1( )( )2y tYedj()01()2tzFed0jte00j()tze经过解调输出信号为 00j()( )( )tzy tte00j()() 01()2tzFed 0j() 1()2tzFed 取一阶近似时则则或者( ) 00000( )() 0j()1( )()2tztFed0( )()tf tz0( )()tf tz0( )()tf tz说明：在一阶近似条件下，输

14、出光的包络信号时输入光的包络信号一致 。只是在时间上有一定的延迟。单位长度上的延迟为 ，故称为单位长度上的群时延，用 表示 0若输入信号为冲击信号 ，因此有 ( )( )f tt0( )()ttz冲击信号包络信号的演化 当输入信号为高斯脉冲输出包络为 22( )exp()tf t2021( )exp()ttz高斯脉冲包络信号的演化 包络信号的传输速度 ，即群速度定义无限大均匀介质中的群折射率为由于 011gv0ccgNv002cnnknl00000000ddddd()ccdddddknkNkkk0000ddddddddnnnNnknknkkllll 则注：色散会使脉冲形状 、幅度 、光载波频率

15、相位发生变化。220000000011( )()()22 2001j() 21( )( )2tztFed 以高斯脉冲为例频谱为 220( )exp()2tf tT2200( )exp2FTT221014222002401( )expexpj22()22211DDtzttTzzzTLLq其中 是经过时延后的新时延变量 为色散长度10ttz 200DLT22110222202401( )expexpjsgn()2221211DDDDttz LtTz LzzTLLq21222401( )exp211DDttzzTLL仍为高斯脉冲1、脉冲宽度增加的宽度用 衡量，由于 ，初始脉冲越窄， 越大，展宽就越多

16、。2、脉冲展宽与 的符号无关 3、输出光信号包络的幅度随着距离的增加而下降，其下降程度也由 衡量4、输出光产生了相位调制，瞬时频率的频移，即啁啾 Dz L200DLT00Dz L211102201( , )sgn()2221DDDtz Lzz ttgTLz L012210sgn()()1DDz LttTz L 脉冲展宽不满足叠加定理 和 分别是从光纤初始端面发出的无啁啾高斯脉冲到达z1点和z2点的脉冲展宽。 是在z1点出发的一个展宽为 的无啁啾高斯脉冲到达点的脉冲展宽 12211010z T2020zT122222020120101200()()zzzTzzTT1222022)1 (exp)(

17、TtjCtf)1 (2exp12)(2022120jCTjCTF02)1 (TC )1 ( 2)1 (exp)1 ()(0202002020jCzjTTjCjCzjTTt220022002011 TzTzCTT频谱半宽度结论：脉冲展宽取决于 与啁啾参量 之间的相对符号若二者同号 （ ），则高斯脉冲单调展宽 若二者异号 （ ），则高斯脉冲先变窄再展宽 0 C00 C00 C当光纤的长度为minzz 时，脉冲宽度最窄 02022min11 TCCLCCzD011min21TTTC106 光纤的色散和带宽对通信容量的影响光纤的色散和带宽对通信容量的影响光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。时域时域

18、: : 色散色散，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；频域：带宽频域：带宽频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减107光纤带宽光纤带宽的定义的定义： 通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带光纤的带宽宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB3dB光带宽光带宽。 ）（光光33. 3 30lg01dBPfPc光功率用光电子器件来检测，而光检测器输出的电流正比于被检测的光功率：3dB光带宽对应于6dB电带宽。 ）（光光电电电电34.3 60lg20

19、0lg200lg10dBPfPIfIPfPccc传输带宽指的是系统函数 时对应的 值若 21)(H2022exp)(Tttf2exp)(2020TTF输出信号为其频谱故1-222212200( )1+expT2()ttT2)(exp)(22020TT)2exp()()()(22FH令 ，则对于高斯脉冲，带宽与脉冲展宽之间的关系传输带宽与输入脉冲宽度成正比，输入脉冲宽度越窄，光纤传输带宽越小21)(H2ln2zTfc00187. 0187. 02 当光纤通信系统的码速大于当光纤通信系统的码速大于140Mb/s140Mb/s时，中继距离主要时，中继距离主要由色散决定。当仅考虑色散影响时，中继距离的

20、计由色散决定。当仅考虑色散影响时，中继距离的计算公式为算公式为 为与色散代价有关的系数。由光源类型来决定，若采用多纵模激光器，取为0.115；若采用单纵模激光器和半导体发光二极管，则取为0.306 DBLDl610【例3.8】 已知一个565Mb/s单模光纤传输系统，光纤的色散系数为2 ps/(nmkm)，光源光谱宽度为1.8nm。求最大中继距离为多少 解：由公式得 66D100.306 10L150kmBD565 1.8 2l (1)在1310nm 波长处的色散为零。(2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm 附近其具有较大色散系数，为17ps/(n

21、mkm)。(3) 工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。 单模光纤的工作波长在1.3m时，模场直径约9m，其传输损耗约0.3dBkm。此时，零色散波长恰好在1.3m处。 石英光纤中，从原材料上看1.55m段的传输损耗最小（约0.2dBkm）。 由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA）是工作在1.55m波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于1.55m波段的长距离传输。 巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可

22、使原在构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3m1.3m段的段的零色散，移位到零色散，移位到1.55m1.55m段也构成零色散，被命名段也构成零色散，被命名为色散位移光纤。为色散位移光纤。 （DSFDSF：Dispersion Shifted Dispersion Shifted FiberFiber） 在长距离的传输中，光纤色散为零是重要的，但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容易、成缆化容易和工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。DSF就是在设计中，综合考虑这些因素。- G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从

23、而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域, 非常适合于长距离单信道光纤通信系统。，G.653G.653单模光纤（单模光纤（DSFDSF）-1550nm1310nm色色散散p ps s/ /n nm m k km m普普通通光光纤纤( (S SM MF F) )非非色色散散位位移移光光纤纤（N ND DS SF F，G G. .6 65 52 2）已已有有光光纤纤的的 9 95 5% %波波长长 l l色色散散位位移移光光纤纤（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纤

24、纤（N NZ ZD DS SF F, ,G G. .6 65 55 5）180D DW WD DM M波波长长范范围围正常色散区正常色散区反常色散区反常色散区降低色散对光传输的限制 1）采用窄谱线光源 2）降低光纤传输窗口的色散值 由于并不需要在整个光纤上都保持好的波形 ，色散补偿是一种不错的选择1.1.色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCFDCF）要求作出负色散系数很大的光纤要求作出负色散系数很大的光纤 -100ps/ (nmkm)-100ps/ (nmkm) 的单模光纤已有超过-200 ps/ (nmkm）的光纤也研制出来但损耗很大双模色散补偿光纤 D高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF: 20m2 G-652: 80m2 ), 比标准光纤的非线性系数高 2-4个数量级非线性阈值低3-6dB较大的色散斜率(DCF:-15 -20 ps/nm2/k