第二章光纤的特性

1、第二章第二章 光纤传输损耗光纤传输损耗 光纤传输损耗是光纤最光纤传输损耗是光纤最重要特性参量之一。它重要特性参量之一。它在很大程度上决定了中在很大程度上决定了中继站之间的距离。继站之间的距离。材料吸收损耗材料吸收损耗本征吸收本征吸收非本征吸收非本征吸收散射损耗散射损耗线性散射损耗线性散射损耗非线性散射损耗非线性散射损耗结构损耗结构损耗弯曲损耗弯曲损耗微弯损耗微弯损耗模式耦合辐射损耗模式耦合辐射损耗泄漏模泄漏模光纤损耗的来源光纤损耗的来源光纤损耗的来源光纤损耗的来源(1)(2) 水峰本征吸收本征吸收石英组分中的一种或数种元素造成的吸收石英组分中的一种或数种元素造成的吸收氧化硅（石英）氧化硅（石英

2、）紫外吸收在高能激发下，石英材料产生了电子受激辐紫外吸收在高能激发下，石英材料产生了电子受激辐射射（电子）电子）红外吸收因光子同石英分子振动之间交换能量红外吸收因光子同石英分子振动之间交换能量造成造成的（声子），如的（声子），如SiO键的红外吸收峰出现在键的红外吸收峰出现在9.2 氧化锗、氧化硼氧化锗、氧化硼氧化锗、和降低折射率的氧化硼的吸收峰分别在氧化锗、和降低折射率的氧化硼的吸收峰分别在11 、8.1 和和7.2 光波波长。光波波长。 这两种本征吸收损耗在波长这两种本征吸收损耗在波长0.8至至1.7是低损耗是低损耗窗口窗口矢量方程矢量方程石英组分中的数种杂质元素造成的吸收石英组分中的数种杂

3、质元素造成的吸收金属元素杂质金属元素杂质克服方法：采用汽相沉积工艺近红外吸收克服方法：采用汽相沉积工艺近红外吸收如如10-9 浓度的铜元素可造成近红外区高达浓度的铜元素可造成近红外区高达1dB/km的损耗的损耗氢氧根（水峰）氢氧根（水峰）吸收峰在吸收峰在1.37、1.23、0.95、0.72 光波长光波长克服方法：氢氧根离子的浓度减低至克服方法：氢氧根离子的浓度减低至10-7非本征吸收非本征吸收散射损耗散射损耗-线性散射损耗线性散射损耗传导模式的一部分甚至全部转化为另一辐射传导模式的一部分甚至全部转化为另一辐射或泄漏模式：光频率或泄漏模式：光频率(波长波长)不变不变瑞利散射瑞利散射由与光波波长

4、相比拟的不均匀性造成由与光波波长相比拟的不均匀性造成瑞利散射造成的散射损耗反比于瑞利散射造成的散射损耗反比于4米氏散射米氏散射非圆对称、芯区同包层区界面不规则、芯区同包层区折射非圆对称、芯区同包层区界面不规则、芯区同包层区折射率差不能保持各处一致、光纤直径起伏、应力不均匀、微小率差不能保持各处一致、光纤直径起伏、应力不均匀、微小气泡等不均匀性因素，散射体的线度大于光波波长。基本上气泡等不均匀性因素，散射体的线度大于光波波长。基本上是前向散射是前向散射克服方法：认真设计、严格控制加工工艺克服方法：认真设计、严格控制加工工艺散射损耗散射损耗非线性散射损耗非线性散射损耗传输功率密度高过一定限度，造成

5、非正比例传输功率密度高过一定限度，造成非正比例的衰减（非线性）：光频率改变的衰减（非线性）：光频率改变受激布里渊散射受激布里渊散射声子光子作用声子光子作用PB（W）4.4 103d2 2; d光纤芯直径，光纤芯直径，工作波长，工作波长， 光纤损耗（光纤损耗（dB/km)，光源带宽（光源带宽（GHz），），背向散射的频漂最大，前向散射的频漂为零背向散射的频漂最大，前向散射的频漂为零受激拉曼散射受激拉曼散射同受激布里渊散射相似。产生的光子、声子频率较布里渊同受激布里渊散射相似。产生的光子、声子频率较布里渊散射要高得多散射要高得多PB（W）5.9 102d2拉曼放大拉曼放大结构损耗弯曲损耗结构损耗弯

6、曲损耗)exp(21RCCr r 弯曲辐射损耗弯曲辐射损耗系数，系数，R为光纤弯为光纤弯曲的曲率半径，曲的曲率半径，C1及及C2是同是同R无无关的常数。弯曲关的常数。弯曲曲曲率半径大于光纤外率半径大于光纤外径的径的150倍倍 结构损耗微弯损耗结构损耗微弯损耗光纤芯轴的局部曲扭，光纤芯轴的局部曲扭，或其表面的局部折皱或其表面的局部折皱邻近模式间的耦合邻近模式间的耦合 AT&T 抗弯曲损耗凹陷包层光纤抗弯曲损耗凹陷包层光纤 抗弯曲损耗光纤抗弯曲损耗光纤第二部分第二部分 光纤色散光纤色散光纤色散是光纤最重要光纤色散是光纤最重要特性参量之一。它在很特性参量之一。它在很大程度上决定了信号传大程度上决定了

7、信号传输质量输质量脉冲与脉冲线宽脉冲与脉冲线宽= 为光源的线宽为光源的线宽，为脉冲的脉宽为脉冲的脉宽？色散对光纤传输信号频带的限制色散对光纤传输信号频带的限制 色散方程色散方程截至波长截至波长背对背背对背 眼图眼图 传输传输50公里眼图公里眼图色散的限制色散的限制色散的限制色散的限制50km普通单模光纤色散可调谐补偿的系统装普通单模光纤色散可调谐补偿的系统装置图置图可调谐光纤光栅+环形器EDFAEDFA PC可调谐激光器 50km SMF可调衰减器LiNbO3调制器带通滤波器接收机可调衰减器误码仪时钟色散的限制色散的限制-23-22-21-20-19-1810-5Bit Error Rate

8、Recieved Optical Power (dbm) Back-to-Back Compensation for 50km 10-1210-1110-1010-910-710-810-650km可调谐补偿实验系统误码测试曲线 群速与群延时群速与群延时ddVg群速群速 的表示：的表示：群延时：群速群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即行进单位长度所花费的时间，即ddVgg1002nnk022cf 00200020001222dndnccdndnddddddg光纤内的群延时光纤内的群延时ps/nmLDLMLdndcLMggmm020200000)()(ggmVLL0020202020 d

9、ndcMDDMdndcLMMM材料色散参量材料色散参量(ps/nm/km)材料色散参量材料色散参量材料色散参量材料色散参量波导色散波导色散WeffWDMdndcL 02020类推得到波导色散类推得到波导色散短波长短波长 =0.82 m处处 材料色散材料色散M=110：波导色散波导色散M=2 ps/nm/km材料色散材料色散：难调整难调整波导色散波导色散： 比较容易调整比较容易调整单模光纤的色散单模光纤的色散MMMt常规常规SI单模光纤单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)ZMD：零色散点零色散点ZMD1.3 m 0=1.55 m D17ps/nm/km 0.2dB/km 零色散

10、位移光纤零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)ZMD1.55 m非零色散位移光纤非零色散位移光纤 (Nonzero Dispersion Shifted Fiber) 其他类型单模光纤其他类型单模光纤色散平坦光纤色散平坦光纤 (DFF-Dispersion Flattened Fiber) 1.3-1.6 mm 范围内，D 2 ps/nm/km低色散斜率光纤低色散斜率光纤(Reduced Slop Fiber)1.565-1.620 mm 范围内，将色散斜率降低到原来的1/3大芯径光纤大芯径光纤(LCF-Large Core Fiber or La

11、rge-effective-area Fiber)芯区面积比SMF大了30。光功率密度，非线性效应色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF-Dispersion Compensating Fiber)单模光纤色散比较单模光纤色散比较单模光纤色散比较单模光纤色散比较 偏振模弥散偏振模弥散水平偏振基模与垂直偏振基水平偏振基模与垂直偏振基模的群速不同造成的脉冲模的群速不同造成的脉冲即即 x y22)()(弥散色散Total 多模光纤色散多模光纤色散SI光纤的模式色散光纤的模式色散 1211nnncnLSI GRIN ( =2)光纤的的模式色散光纤的的模式色散单位长度脉冲展宽为单位长度脉冲展宽为SIGRINL

12、cnL 2221举例举例n1=1.48,，n2=1.473；L0.3km = 0.0047kmpskmnsLGRIN/155/321481kmnsLSI/23pspsGRIN473 . 0155 材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速不同导致的脉冲展宽。不同导致的脉冲展宽。 模式色散模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同是由于光脉冲由同一波长光的不同模式运载，因不同模式的群速不同导。模式运载，因不同模式的群速不同导。 偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展宽。的脉冲展宽。各种色散导致脉