第10讲-第五章

1、 第五章第五章光纤的特征参数与测试技术光纤的特征参数与测试技术三个限制因素三个限制因素限制光纤通信发展的三个重要因素：限制光纤通信发展的三个重要因素： 损耗：损耗：光在传输时引起能量的衰耗，需中继器光在传输时引起能量的衰耗，需中继器 进行能量补充，传输距离短；进行能量补充，传输距离短； 色散：色散：作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间 串扰，误码率增加造成失真；串扰，误码率增加造成失真； 非线性：非线性：引起引起DWDMDWDM传输信道串扰。传输信道串扰。 1.1.光纤的损耗光纤的损耗 光纤损耗限制了光信号到达接受机的光功率，同时也限制了光纤损耗限制了光信号到达

2、接受机的光功率，同时也限制了 光通信系统两中继站之间的距离光通信系统两中继站之间的距离; ; 光纤的损耗由光纤的损耗由19731973年的年的20dB/Km20dB/Km下降至下降至19931993年的年的0.2dB/Km0.2dB/Km 光纤的损耗与光纤中传输的光波长有关，因此决定了光纤通光纤的损耗与光纤中传输的光波长有关，因此决定了光纤通 信的不同传输窗口。信的不同传输窗口。损耗的定义及来源损耗的定义及来源 定义：定义：单位长度单位长度(km)(km)光纤光功率衰减分贝数；光纤光功率衰减分贝数； 数学表达式：数学表达式： 单位：单位：dB/kmdB/km 光纤通信系统中光功率的单位通常用光

3、纤通信系统中光功率的单位通常用dBmdBm来表示来表示 损耗另一表达式损耗另一表达式1010log ()/outinPPL 1010log ()dBmP mW()()()outinPdBmP dBmL km 常用重要数据常用重要数据2mW3dBm1mW0dBm0.5mW-3dBm10mW10dBm100mW20dBm50mW?光纤的衰减系数光纤的衰减系数光纤的衰减系数光纤的衰减系数 f定义：定义：单位：单位： km-1光纤的衰减系数与损耗的光纤的衰减系数与损耗的关系关系：常用数据：常用数据：a Pout/PinfLoutinPP e1010log ( )4.34ffeP81错误更正1010lo

4、g ()/outinPPL 光纤的损耗来源光纤的损耗来源 光纤材料的吸收与散射损耗；光纤材料的吸收与散射损耗； 光纤的微弯与宏弯损耗；光纤的微弯与宏弯损耗； 光纤的连接与耦合损耗。光纤的连接与耦合损耗。吸收与散射损耗来源吸收与散射损耗来源本征吸收损耗本征吸收损耗 紫外吸收：紫外吸收：光纤材料的电子吸收紫外光能量，跃迁到光纤材料的电子吸收紫外光能量，跃迁到高能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波高能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围。长范围。红外本征吸收：红外本征吸收：光波与光纤晶格相互作用，一部分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，从而引起损

5、耗。光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起损耗。0.7 1.6;1.31.55um0.05/umdB km吸收带，109.1,12.5,2110/1.55,0.01/umumumdB kmumdB km吸收峰，峰值；(1) 紫外吸收紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围z晶格光传播方向kEx(2) 红外吸收红外吸收 光波与光纤晶格相互作光波与光纤晶格相互作 用，一部分光波能量传用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加递给晶格，使其振动加

6、 剧，从而引起的损耗剧，从而引起的损耗本征吸收损耗本征吸收损耗 0.71.6;1.31.55um0.05/umdB km吸 收 带，109.1,12.5,2110/1.55,0.01/umumumdB kmumdB km吸收峰，峰值；光纤的损耗谱光纤的损耗谱OHOH离子吸收谷区对应三个离子吸收谷区对应三个通信窗口，极限损耗由瑞通信窗口，极限损耗由瑞利散射决定！利散射决定！杂质吸收损耗杂质吸收损耗 杂质吸收杂质吸收机械谐波吸收机械谐波吸收 由于材料不纯净及工艺不完善引入，由于材料不纯净及工艺不完善引入，指指过渡金属离子过渡金属离子 (Fe(Fe、 MnMn、 N Ni i、 Cu Cu、 Co

7、Co及及 Cr Cr等等 ) ) 和和 OH OH根离子根离子。 欲使杂质吸收带中心波长处的损耗低于欲使杂质吸收带中心波长处的损耗低于20dB/km, 20dB/km, 要要求过渡金属离子相对含量低于求过渡金属离子相对含量低于l0l09 9 三个吸收峰三个吸收峰：1.391.39u um m、1.241.24u um m和和0.950.95u um, m, 光纤通信三个窗口光纤通信三个窗口： 0.85 0.85u um m 、1.31.3u um m和和 1.55 1.55u um m 对应对应OHOH根离子吸收谷根离子吸收谷解决方法：解决方法：(1)(1)光纤材料化学提光纤材料化学提纯，比如

8、达到纯，比如达到99.9999999%99.9999999%的纯度；的纯度；(2) (2) 制造工艺上改制造工艺上改进，如避免使用氢进，如避免使用氢氧焰加热氧焰加热( ( 汽相轴汽相轴向沉积法向沉积法) )解决方法解决方法散射损耗散射损耗 散射损耗机制：散射损耗机制：在光纤材料中，由于某种远小于波在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性（例如折射率不均匀，掺杂粒子浓度不均长的不均匀性（例如折射率不均匀，掺杂粒子浓度不均匀等）引起光的散射，构成光纤损耗。匀等）引起光的散射，构成光纤损耗。这是光纤的固有本征损耗，也是降低光纤损耗的最终限这是光纤的固有本征损耗，也是降低光纤损耗的最终限制因素。制因

9、素。 瑞利散射（漫反射）：瑞利散射（漫反射）：是一种是一种线性散射线性散射，不产生，不产生新的频率，与在光纤中传输光强度无关。新的频率，与在光纤中传输光强度无关。40000(1) (/),:1.55,0.16/ km1.3,0.32/ kmSRSRSRABdB kmA BumdBumdB与石英和掺杂材料有关的常数； :工作波长；瑞利散射是目前不能被消除的瑞利散射是目前不能被消除的损耗，决定光纤损耗极限值！损耗，决定光纤损耗极限值！ 受激布里渊散射和受激拉曼散射：受激布里渊散射和受激拉曼散射： 是一种是一种非线性非线性散射，产生新的频率分量。而且当光功散射，产生新的频率分量。而且当光功率率超过某

10、一阈值超过某一阈值时，才能激励受激喇曼散射与受激布时，才能激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输率较低的系统中可以不考虑，但在里渊散射。在传输率较低的系统中可以不考虑，但在传输率较高（传输率较高（GbGb/s/s）的系统中要考虑。例如：）的系统中要考虑。例如：1.061.06u um m波长波长，7575u um m芯经，芯经，4dB/km4dB/km损耗的损耗的多模多模光纤，光纤，受激受激喇曼散射喇曼散射与受激布里与受激布里渊散射的功率阈值分别为渊散射的功率阈值分别为500W500W与与2.5W2.5W。1.061.06u um m波长波长， 7.5 7.5u um m芯经，芯经，0.4d

11、B/km0.4dB/km损耗的单模光纤，损耗的单模光纤，受激受激喇曼散喇曼散与受激布里与受激布里渊散射的功率阈值分别降为渊散射的功率阈值分别降为50OmW50OmW与与2.5mW2.5mW。NoticeNotice：非线性散射对光通信不利，但这种波长（频率）：非线性散射对光通信不利，但这种波长（频率）迁移可做光放大器。迁移可做光放大器。不断拓展的光纤窗口波长不断拓展的光纤窗口波长 光纤衰减(dB)10.05.02.01.00.51982 年1980 年1978 年0.8 1.0 1.3 1.5 1.7波长 (m)全波光纤全波光纤通信窗口：由通信窗口：由0.850.85m m、1.311.31m

12、 m、1.551.55m m扩展到扩展到可利用的波长资源可利用的波长资源 O-band (Original) 1260-1360 nm E-band (Extended) 1360-1460 nm S-band (Short) 1460-1530 nm C-band (Conventional) 1530-1565 nm L-band (Long) 1565-1625 nm U-band (Ultralong) 1625-1675 nm波长资源波长资源 光纤的弯曲损耗光纤的弯曲损耗 1xxRVVppx110102020122,PpxpxccVVn kn kn kVn knnxRRnRx在纤芯中

13、导模相速度满足若转化为辐射模，则:功率约束界限:越过界限的功率形成辐射损耗，因此 减小， 也减小损耗增加P83错误更正高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！原因：原因：高阶模在纤芯中被限制较弱，与在纤轴处传输的基模相高阶模在纤芯中被限制较弱，与在纤轴处传输的基模相比更靠近包层。由色散曲线知，给定光纤（比更靠近包层。由色散曲线知，给定光纤（V V一定），一定），高阶模的高阶模的值较小，因此纤轴相速度值较小，因此纤轴相速度V Vp1p1较大，导致导模较大，导致导模约束功率界限更小，导模更容易转化为辐射模。也即同约束功率界限更小，导模更容易转化为辐射模。也即同样弯曲

14、半径下更多高阶模光功率被损耗掉。样弯曲半径下更多高阶模光功率被损耗掉。单模光纤弯曲损耗小，多模光纤弯曲损耗大！因此单模单模光纤弯曲损耗小，多模光纤弯曲损耗大！因此单模光纤被用作长途网络的主要传输链路。光纤被用作长途网络的主要传输链路。弯曲损耗分类弯曲损耗分类 宏弯损耗与弯曲半径成反比。当光纤弯曲时，高宏弯损耗与弯曲半径成反比。当光纤弯曲时，高 阶模式首先消逝。阶模式首先消逝。对于多模光纤，高阶模式比低阶模式到达纤芯包层对于多模光纤，高阶模式比低阶模式到达纤芯包层 边界的次数更多，所以受微弯损耗影响的几率大于边界的次数更多，所以受微弯损耗影响的几率大于 低阶模式。低阶模式。宏弯损耗宏弯损耗 22

15、2122102exp2tanh1/10log8.68,6WeeeeWUWWeRaWVaaRaWmeRRWdB k对于一般的多模光纤，10cm就可以不考虑弯曲损耗；对于一般的单模光纤，单位长度损耗系数当以cm就可以不考为单位表征弯曲损耗时，有：可见，减小，即弯曲变强烈，则 增加场集中在虑弯芯区，曲耗；损。,场延伸很远，。P86错误更正过渡弯曲损耗过渡弯曲损耗 直 弯曲模场不匹配导模与漏模之间相互耦合功率损失机理分析机理分析 等效折射率方法：等效折射率方法：弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤满足波导场方程满足波导场方程等效折射率沿曲率半

16、径正方向等效折射率沿曲率半径正方向 随随r r增大而增大，导致场分布增大而增大，导致场分布 向此方向偏移，结果是导模向向此方向偏移，结果是导模向 漏模转化漏模转化, ,引起功率泄漏。引起功率泄漏。 损耗计算公式：损耗计算公式：P88错误更正弯曲损耗与模场直径的关系弯曲损耗与模场直径的关系P包层1 P包层包层2Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模低阶模 Loss高阶模高阶模微弯曲损耗微弯曲损耗 微弯的原因：微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均；光纤的生产过程中的带来的不均； 成缆时受到压力不均；成缆时受到压力不均； 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩或受到应力不同；使用过程

17、中由于光纤各个部分热胀冷缩或受到应力不同； 导致的后果：导致的后果： 光在纤芯和包层交界面上引起散射（光在纤芯和包层交界面上引起散射（“漫反射漫反射”），导），导 致导模功率横向泄漏，造成能量辐射损耗。致导模功率横向泄漏，造成能量辐射损耗。 单模光纤微弯损耗单模光纤微弯损耗, ,主要取决于模场半径主要取决于模场半径W W0 0, ,相对折射相对折射率差率差和纤轴的畸变。和纤轴的畸变。 经验公式：经验公式：2202201102002()()(/)exp(3.343.28 )exp(2.453.31 )(1.52.5)pn k WdB kmn k WWWaVWWaVVW结论：模场半径的微小变化将引

18、起微弯损耗的大幅上升！损耗补偿方法损耗补偿方法光纤通信系统中传递的信息总是以光脉冲的形式在光光纤通信系统中传递的信息总是以光脉冲的形式在光纤中传输。纤中传输。随着光脉冲在光纤中传输，随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽，称为脉冲的宽度被展宽，称为色散。色散。2.2.光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽 光纤色散损害光纤色散损害光纤色散种类光纤色散种类 模间色散 材料色散 波导色散 偏振模色散多模光纤色散（适用于局域网）单模光纤色散（适用于骨干网）材料色散：频率材料色散：频率变化引起折射率变变化引起折射率变化而导致化而导致变化；变化；波导色散：频率波导色散：频率变化引起波导径向变化引起波导径向参

19、量参量U U和和W W的变化，从而导致的变化，从而导致变化变化这种色散并不是由这种色散并不是由频率不同引起，称频率不同引起，称之为之为单色弥散单色弥散。这种色散与光频率有关，即这种色散与光频率有关，即与光的颜色有关，合称之为与光的颜色有关，合称之为色度色散色度色散。色散概念色散概念 色散在传输信号的反映上即为色散在传输信号的反映上即为群延时群延时。群延时：光脉冲行进单位轴向距离所需的时间。群延时：光脉冲行进单位轴向距离所需的时间。群速度：群速度：群延时：群延时：群延时差：群延时差：多模光纤：各个不同导模间的群速度不同而引起多模群延时多模光纤：各个不同导模间的群速度不同而引起多模群延时单模光纤：

20、仅存在材料色散单模光纤：仅存在材料色散 和波导色散和波导色散gdVdgnwm 011ggddVdc dknwmm色散定义色散定义 色散定义：色散定义：即光源谱宽为即光源谱宽为1nm1nm时，光脉冲信号传播时，光脉冲信号传播1km1km所引起的脉冲展所引起的脉冲展宽的宽的psps数。数。数学表达式：数学表达式：色散单位：色散单位：由色散可以估计光脉冲的展宽：由色散可以估计光脉冲的展宽：例如：例如：标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度 6 nm，传输，传输10 公里距离，公里距离，色散脉冲展宽值为色散脉冲展宽值为 : = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 psgdDdpskm nm