第3章光纤的传输特性

1、光纤的传输特性光纤的传输特性o 光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号衰减和畸变的主要原减小，而且波形要展宽。产生信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在因是光在光纤中传输时存在损耗损耗和和色散色散等性能劣化。等性能劣化。o 损耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系损耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系统的传输距离和传输容量统的传输距离和传输容量光纤的损耗光纤的损耗o 光纤的损耗光纤的损耗

2、n 定义：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，定义：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗光纤的损耗。 光纤的损耗是衡量光纤性能的关键指标之一，它决定光纤的损耗是衡量光纤性能的关键指标之一，它决定了光纤通信系统的传输距离长短和中继距离的选择。一般了光纤通信系统的传输距离长短和中继距离的选择。一般可定义为每单位长度光纤光功率衰减分贝数，即：可定义为每单位长度光纤光功率衰减分贝数，即：10lg/7 1outinPdB kmLP 光纤通信系统中，光功率常用光纤通信系统中，光功率常用dBmdBm来表示，来表示，dBmdBm和和

3、mWmW之间的换算关系之间的换算关系 10lg()72dBmP mW 这样，损耗又可以表示为另外一种形式这样，损耗又可以表示为另外一种形式73()outinPdBmPdBmL km 74fLoutinPP e 除此之外，光纤的损耗还可以用光纤的损耗系数除此之外，光纤的损耗还可以用光纤的损耗系数 来表示来表示 ，即，即 f光纤的损耗光纤的损耗10lg/7 1outinPdB kmLP即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗本征损耗(吸收损耗吸收损耗)。 比较比较1 1和和4 4式，可看到光纤的损耗和损耗系数有如下关式，可看到光纤的损耗和损耗系数有如下关系系 lg75f

4、e 光信号在光纤中传输过程中的损耗主要来自以下几个光信号在光纤中传输过程中的损耗主要来自以下几个方面：方面： 1) 1) 光纤材料的吸收与散射损耗；光纤材料的吸收与散射损耗； 2) 2) 光纤的微弯与宏弯辐射损耗；光纤的微弯与宏弯辐射损耗； 3) 3) 光纤的连接与耦合损耗；光纤的连接与耦合损耗； 光纤的损耗光纤的损耗n损耗的种类损耗的种类 1) 1) 吸收损耗；吸收损耗； 本征吸收：材料本身特性决定的，即使光纤结构非常完美且材料不本征吸收：材料本身特性决定的，即使光纤结构非常完美且材料不 含任何杂质，此吸收也会存在。含任何杂质，此吸收也会存在。 根据机理的不同，还可分为紫外本征吸收和红外本征

5、吸收。根据机理的不同，还可分为紫外本征吸收和红外本征吸收。 在紫外波段，构成光纤的基质材料会产生紫外电子跃迁吸收带，这在紫外波段，构成光纤的基质材料会产生紫外电子跃迁吸收带，这种紫外吸收带很强，达到单模光纤总损耗的种紫外吸收带很强，达到单模光纤总损耗的1/31/3，因此必须加以消除；，因此必须加以消除； 而在红外波段，光纤基质材料将产生振动或多声子吸收带，这种吸而在红外波段，光纤基质材料将产生振动或多声子吸收带，这种吸收带在红外很强，构成了石英光纤工作波长的上限。总的影响要比紫外收带在红外很强，构成了石英光纤工作波长的上限。总的影响要比紫外吸收带小。吸收带小。 光纤的损耗光纤的损耗紫外吸收紫外

6、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 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红外吸收红外吸收 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，从而引起的损耗光纤的损耗光纤的损耗 杂质吸收：杂质吸收：这里的杂质不是指光纤中的掺杂物，而是指这里的杂质不是指光纤中的掺杂物，而是指由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质。由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质。 主要是主要是过渡金过渡金属离子属离子（如铁、钴、镍、铜、锰、铬等）和（如铁、钴、镍、铜、锰、铬等）和OHOH离子离子。OH吸收峰 2 dB 在低损耗光纤中，甚至一切吸收都可以归于

7、OH离子的吸收，它构成了三个吸收峰1.39m、 1.24m和0.95m；而光纤的三个低损耗窗口0.85m、1.31m和1.55m正好是OH离子吸收谱的谷口。光纤的损耗光纤的损耗 它不是普遍存在的，只在某些环境中才有。损耗可以很大，达到几百dB/Km，甚至几万dB/Km。为此，光纤材料一般需要选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收。光纤的损耗光纤的损耗吸收光能，引起损耗光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造 - 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 - 原子缺陷原子缺陷吸收损耗：原子缺陷吸收损耗： 2) 2) 散射损耗散射损耗 散射损耗是由于光纤材

8、料中某种远小于波长的不散射损耗是由于光纤材料中某种远小于波长的不均匀性均匀性( (如：折射率不均匀、掺杂浓度不均匀如：折射率不均匀、掺杂浓度不均匀) )引起光引起光的散射而构成的损耗。是光纤的固有本征损耗，它的的散射而构成的损耗。是光纤的固有本征损耗，它的降低成为光纤损耗降低的最终限制因素。降低成为光纤损耗降低的最终限制因素。n 瑞利散射：瑞利散射：线性散射线性散射( (不产生频率的变化不产生频率的变化) )n 受激拉曼散射和受激布里渊散射受激拉曼散射和受激布里渊散射n 波导散射波导散射光纤的损耗光纤的损耗n 瑞利散射瑞利散射 是一种不可能被消除的损耗，它的特点是与波长是一种不可能被消除的损耗

9、，它的特点是与波长的四次方成反比，可表示为的四次方成反比，可表示为01/76SRABdB km光纤的损耗光纤的损耗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本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值n 受激喇拉曼散射和受激布里渊散射受激喇拉曼散射和受激布里渊散射 仅当光纤中传输功率大于某一阈值才能产生。室温仅当光纤中传输功率大于某一阈值才能产生。室温下，芯径较粗的多模光纤不容易出现，而单模光纤就可下，芯径较粗的多模光纤不容易出现，而单模光纤就可能存在受激布里渊散射和受激拉曼散射。能存在受激布里渊散射

10、和受激拉曼散射。n 波导散射波导散射导致的原因是波导缺陷- 纤芯和包层的界面不完备- 圆度不均匀-残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射目前的制造工艺基本可以克服波导散射光纤的损耗光纤的损耗 综合来看石英光纤的吸收、散射损耗分析，其损耗综合来看石英光纤的吸收、散射损耗分析，其损耗谱如下图示。谱如下图示。OHOH离子吸收的存在，使石英光纤低损耗区离子吸收的存在，使石英光纤低损耗区形成了三个窗口，而瑞利散射决定了损耗的最低极限值形成了三个窗口，而瑞利散射决定了损耗的最低极限值。光纤的损耗光纤的损耗商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于

11、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的损耗光纤的损耗 3) 3) 弯曲损耗弯曲损耗 光纤在实际使用中不可避免地光纤在实际使用中不可避免地要发生弯曲，这就伴随着产生光纤要发生弯曲，这就伴随着产生光纤的弯曲辐射损耗。的弯曲辐射损耗。 构成这种损耗的原因是当光纤构成这种损耗的原因是当光纤发生弯曲时，原来在纤芯中以导模发生弯曲时，原来在纤芯中以导模形式传播的功率将部分地转化为辐形式传播的功率将部分地转化为辐射模功率并就逸出纤芯形成损耗射模功率并就逸出纤芯形成损耗。 弯曲损耗进一步可以分为宏弯损

12、耗、过渡弯曲损耗弯曲损耗进一步可以分为宏弯损耗、过渡弯曲损耗和微弯损耗三种。和微弯损耗三种。光纤的损耗光纤的损耗 宏弯损耗：它是由光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等宏弯损耗：它是由光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等 引起的宏观弯曲导致的损耗；它是曲率半径引起的宏观弯曲导致的损耗；它是曲率半径 比光纤的直径大得多的弯曲引起的损耗。比光纤的直径大得多的弯曲引起的损耗。消逝场q qcqRq qCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加光纤的损耗光纤的损耗P包层1 P包层2Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模 Loss高阶模弯曲损耗与模场直径的关系光纤的损耗光纤的损耗过

13、渡弯曲损耗：这种损耗的机理是由于光纤由直突然变过渡弯曲损耗：这种损耗的机理是由于光纤由直突然变 “ “弯曲弯曲”不一致，引起模场的不匹配，导致不一致，引起模场的不匹配，导致 导模与辐射模之间相互耦合，并损失功率。导模与辐射模之间相互耦合，并损失功率。 这种弯曲损耗的机理可通过所谓这种弯曲损耗的机理可通过所谓等效折射率的概念解释，它是把弯等效折射率的概念解释，它是把弯曲光纤中的场看成一等效折射率分曲光纤中的场看成一等效折射率分布下的直光纤的场。布下的直光纤的场。 分析后可发现，光纤弯曲越大分析后可发现，光纤弯曲越大，损耗越大；光场伸展越远，损耗，损耗越大；光场伸展越远，损耗也越大；光纤也越大；光

14、纤值越大，损耗越大值越大，损耗越大光纤的损耗光纤的损耗 微弯曲损耗：微弯曲是因为光纤在制造过程中内部的应微弯曲损耗：微弯曲是因为光纤在制造过程中内部的应 力没有完全释放而造成的，也可能是使用力没有完全释放而造成的，也可能是使用 过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 而导致的后果。而导致的后果。 这种弯曲损耗主要是光在纤芯和包层 交界面上引起的散射，它也是由于弯曲而 引起的导模功率的横向泄漏。高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模光纤的损耗光纤的损耗 理论分析表明，对于单模光纤，微弯曲损耗主要取决于模场半径W0，相对折射率和纤轴畸变程度。而且，模场半径的微小增加

15、都会引起微弯损耗的大幅度上升。光纤的损耗光纤的损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯损耗基本损耗NAannaV222/12221l增加，V减少，W0越大62/30879. 2619. 165. 022VVaW长波长处附加损耗显著光纤的损耗光纤的损耗宏弯带来的应用局限：宏弯带来的应用局限：VerizonVerizon的烦恼的烦恼Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减光纤的损耗光纤的损耗新技术：抗宏弯的柔性光纤新技术：抗宏弯的柔性光纤Ph

16、otonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康宁公司帮组Versions解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装日本NTT也完成了这种光纤的研制光纤的损耗光纤的损耗 4) 4) 光纤光纤- -光纤连接损耗光纤连接损耗 前面的都是光纤本身的损耗特性，然而实际应用的光纤系统都是由许多根光纤连接构成的，而两根光纤间的连接远不如两根金属导线之间的连线那么简单，需要精心设计的光纤连接技术，往往会引起一定程度的损耗，这种光纤-光纤的连接损耗通常要占光纤通信系统总损耗的30%左右。光纤的损耗光纤的损耗 内部损耗因子包括纤芯的半径a，相对折射率差，和折

17、射率分布参数g。 外部损耗因子主要包括光纤端面质量、光纤的横向、角向与纵向偏移以及端面间折射率匹配和光纤焊接中的纤芯轴畸变等。光纤的损耗光纤的损耗 各种损耗因子对于光纤连接的总损耗的贡献是不一样的。各种损耗因子对于光纤连接的总损耗的贡献是不一样的。 在多模光纤中，内部损耗因子的a和的偏差会引起较大的损耗，而g的变化则影响较小。而且由内部因子引起的损耗是非互易的，如：较小的的光纤到较大的的光纤的连接基本无损耗，而相反的连接方式就会产生很大的损耗。 外部损耗因子中，横向与角向失准对连接损耗的影响远比纵向失准影响大。光纤的损耗光纤的损耗 在单模光纤中，内部损耗因子引起的连接损耗相对模光纤要小的多。

18、而对于外部损耗因子，因为单模光纤纤径小，对于横向偏移与角向偏移都极为敏感。为保证连接损耗小于0.5dB，要求光纤对准调整误差在十分之几微米之内。因此单模光纤的连接要比多纤光纤困难的多。光纤的损耗光纤的损耗损耗的补偿办法：放大电放大光电光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器光纤的色散光纤的色散o 光纤的色散光纤的色散： 定义：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同造成传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同的模式 到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。o 光纤色散

19、的种类光纤色散的种类 模式色散 材料色散 波导色散 偏振色散n 在单模光纤中不存在模式色散，只有材料色散、波导色散和偏振色散。o 模式色散模式色散 多模光纤中各模式在同一频率下以不同的群速度传输，从而使各模式间存在时延差，这种色散称为模式色散。n 最大时延差：cLn/1max n 可以证明，阶跃光纤由模式色散引起的脉冲展宽为：n 对于渐变光纤而言例1：某阶跃光纤n1=1.5，=0.01 则可求得 m=50ns/km。例2：某渐变光纤n1=1.5，=0.01，则可求得m=0.25ns/km。n 可见渐变光纤的模式色散要比阶跃光纤小得多。cnm/1)2/(21cnmo 材料色散材料色散 由于光纤材

20、料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速度不同，从而引起的色散称为材料色散n 单模光纤受材料色散的影响；多模光纤虽然也受材料色散的影响，但模式色散对其影响最大，因此多模光纤一般只考虑模式色散的影响。n 可以证明，由材料色散引起的脉冲展宽为： 为光源的谱线宽度（nm）， 为石英光纤的材料色散系数（s/kmnm）Lm)()(mo 波导色散波导色散 是由光纤波导结构引起的色散。光纤中的导波在纤芯和包层中传播，由于纤芯和包层的折射率不同，从而造成脉冲展宽的现象，称为波导色散。n 对多模光纤而言，其波导色散的影响甚小。3.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类o 单模光纤的色散 对单模光纤来说由

21、于不存在模式色散，材料色散和波导色散就比较重要。 单模光纤的色散与光波长之间的关系图n 在 附近，材料色散为0；n 在 ，材料色散与波导色散互相抵消，总色散为0m27. 1mm4 . 13 . 1o 单模光纤的分类单模光纤的分类n 渐变型多模光纤渐变型多模光纤( GIF ) G.651：信号畸变小 n 常规单模光纤常规单模光纤 (SMF) G.652：零色散点在 1310nm附近n 色散位移光纤色散位移光纤 (DSF) G.653：零色散点移动到1550nm 。既有低损耗，又有低色散，适合在损耗最低窗口传输高速率信号n 低损耗光纤低损耗光纤G.654：零色散点在 1310nm附近，降低了在15

22、50nm处的衰减。n 非零色散位移光纤非零色散位移光纤(NZDF)G.655：在1.55um附件有很小色散。适用于WDM系统3.5 单模光纤的非线性特性o 非线性折射率o 自相位调制o 四波混频o 受激拉曼散射o 受激布里渊散射o 非线性折射率n 克尔效应n 通过极化强度的推导，得出光纤的折射率除了一个线性部分外，还有一个与外加光强成正比的非线性修正项o 自相位调制n 由于光纤具有非线性的折射率，从而使相位因子受到光强调制的现象，称为自相位调制n 自相位调制导致光信号在传输过程产生附加的非线性位移，在正常色散条件下，会导致光脉冲的加速展宽o 四波混频四波混频 指多个不同波长的光波相互作用而导致

23、在其它波长上产生混频成分，或在边带上产生新的光波效应。 n 由四波混频过程产生的新的频率，可能与其他光载波频率相等或相近，导致多波长通信系统中，不同波长通道之间的串扰和额外的功率损耗n 解决方法：采用非零色散光纤（NZDF）和大有效面积光纤（LEAF）n 非零色散光纤：使四波混频的相位条件难以满足n 大有效面积光纤：减小纤芯单位面积上的光功率o 受激散射受激散射 受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为为受激散射效应。n 受激拉曼散射n 受激布里渊散射o 受激拉曼散射受激拉曼散射 分子内部粒子间的相对运动导致分子感应电偶极矩随时间的周期

24、性调制，从而对入射光产生散射作用。这种现象称做受激拉曼散射。 n 光纤中的受激拉曼散射是泵浦光在光纤中传输时把能量转移给斯托克斯光的非线性现象，斯托克斯光的频移与光纤材料的振动激发态有关，这种现象只有泵浦光超过一定阈值时才发生。n 光纤拉曼激光器和拉曼光纤放大器都是基于光纤受激拉曼散射原理实现的。o 受激布里渊散射o 布里渊散射是布里渊于1922年提出的，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发 光缆的结构和种类o 光缆光缆 光

25、纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆. 一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。n 光缆设计的任务：为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。n 光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光纤的衰耗。 因此，在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构形式的光缆，使其具备一定的机械强度，以承受敷设时所施加的张力，并能在各种环境条件下使用，而且保证传输性能的稳定、可靠。o