光纤的特征参数与测试技术课件

第五章光纤的特征参数与测试技术限制光纤通信发展的三个重要因素：损耗：光在传输时引起能量的损耗，需中继器进行能量补充，传输距离短；色散：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；非线性：引起DWDM传输信道串扰。

1第五章光纤的特征参数与测试技术限制光纤通信发展的三个重要§5.1光纤的损耗2§5.1光纤的损耗2§5.1光纤的损耗重要数据:0.5dB~0.9;1dB~0.8; 2dB~.6;3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.01定义：单位长度光纤光功率衰减分贝数。损耗的来源：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连接与耦合损耗3§5.1光纤的损耗重要数据:0.5dB~0.9光纤的损耗分类4光纤的损耗分类4§5.1.1光纤材料的吸收损耗1.基质材料的本征吸收2.杂质吸收3.原子缺陷吸收5§5.1.1光纤材料的吸收损耗1.基质材料的本征吸收51.基质材料的本征吸收紫外本征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λ→0.7～1.6μmα→0.05dB/km61.基质材料的本征吸收紫外本征吸收6晶格红外本征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，从而引起的损耗振动或声子吸收带

λ→9.1、12.5、21μm峰值α→1010dB/kmα<0.01dB/km7晶格红外本征吸收7本征吸收曲线8本征吸收曲线82.杂质吸收杂质：由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，例如：过渡金属离子（Fe、Mn、Ni、Cu、Co、Cr等）和OH根离子。欲使杂质吸收带中心波长处的损耗低于20dB/km，要求过渡金属离子相对含量低于10-9。

OH吸收峰1.39μm、1.24μm、0.95μm光纤通信三个窗口：0.85μm、1.3μm、1.55μm处于OH-吸收谷区解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到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)92.杂质吸收解决方法：(2)制造工艺上改进，如避免使用光纤的损耗谱OH－吸收峰~2dB10光纤的损耗谱OH－吸收峰103.原子缺陷吸收材料受热辐射或光辐射引起的吸收。损耗可达几百甚至几万dB/km。为此，光纤材料一般选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收。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->结构不完善强粒子辐射->材料共价键断裂->原子缺陷吸收光能，引起损耗113.原子缺陷吸收光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制OpticalFiberAttenuation12OpticalFiberAttenuation12不断拓展的光纤窗口波长2004年13不断拓展的光纤窗口波长2004年13§5.1.2散射损耗

1.瑞利散射TheLordRayleighJohnWilliamStrutt,3rdBaronRayleigh

Rayleighscatteringismoredramaticaftersunset.Thispicturewastakenaboutonehouraftersunsetat500maltitude,lookingatthehorizonwherethesunhadset.

特点：不可能消除的损耗Figureshowingthegreaterproportionofbluelightscatteredbytheatmosphererelativetoredlight.

14§5.1.2散射损耗1.瑞利散射TheLordRay瑞利散射的机制在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起光的散射。是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。A，B是与石英和掺杂材料有关的常数。∆是相对折射率差λ0是工作波长λ0=1.55μm∆=0.3%0.16dB/kmλ0=1.3μm0.32dB/km本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值15瑞利散射的机制在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例如标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/kmAllWavefiberAllWave：逼近本征损耗单模：本征损耗+OH¯吸收损耗常温且未暴露在强辐射下16标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤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17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单模光2.受激喇曼散射与受激布里渊散射特点：非线性散射产生新的频率分量机理：光新光波长+声子散射非线性的散射。即当光功率超过某一阈值时，才能激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输较低的系统中可以不考虑，但在传输较高（Gb/s）的系统中要考虑。182.受激喇曼散射与受激布里渊散射特点：非线性散射§5.1.3光纤的弯曲损耗

光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。

宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲

过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲19§5.1.3光纤的弯曲损耗光纤是柔软的，物理机制光纤发生弯曲全反射条件破坏约束能力下降导摸转化为辐射摸能量逸出光功率损失损耗机理20物理机制光纤发生弯曲全反射条件破坏约束能力下降导摸转化为辐射2121高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！22高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！221.宏弯损耗231.宏弯损耗232.过渡弯曲损耗直弯曲模场不匹配导摸与漏模之间相互耦合功率损失242.过渡弯曲损耗直弯曲模场不损耗分析损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相互耦合,并损失功率。损耗分析：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传播常数产生相移exp(-iβLz)满足波导场方程r增加导致ne(r)增加，场分布拓展导模向漏模转化,引起功率泄漏造成“过渡损耗”。损耗计算公式：25损耗分析损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波导弯曲损耗与模场直径的关系P包层1<P包层2Loss模场直径小<Loss模场直径大Loss低阶模<Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环26弯曲损耗与模场直径的关系P包层1<P包层2Loss模场直3.微弯曲损耗单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差Δ和纤轴的畸变。经验公式：模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升273.微弯曲损耗单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 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的不同导致的后果： 造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生微弯损耗28微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：高阶模功率损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l增加，V减少，W0越大长波长处附加损耗显著29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l增加，宏弯带来的应用局限：Verizon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30宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮组Verison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31新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalF柔性光纤的优点对光的约束增强在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强32柔性光纤的优点对光的约束增强32光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。光纤损耗的度量33光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：光纤损损耗的补偿办法：放大电放大 光

电光2.5×0.6×0.6m3全光放大 EDFA 拉曼放大器0.05×0.3×0.2m3掺铒光纤放大器34损耗的补偿办法：放大电放大掺铒光纤放大器34§5.2光纤的色散与带宽随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽劣化的程度随数据速率的平方增大决定了电中继器之间的距离模间色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)35§5.2光纤的色散与带宽随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽36363737色散定义

38色散定义38§5.2.1阶跃型弱导光纤的色散

波导色散模间色散单色弥散材料色散分类：1.模内色散-材料色散-波导色散2.模间色散3.偏振模色散39§5.2.1阶跃型弱导光纤的色散波导色散模间色散单色弥散1.材料色散纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波长而变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射率随波长变化就一定导致材料色散。401.材料色散纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长光纤的折射率是波长的函数n(l)，不同的波长的传播函数b不同：可以得到传播了L后由Dl所带来的群延时差为：Dm为材料色散系数。材料色散减小材料色散：选择谱宽窄的光源41光纤的折射率是波长的函数n(l)，不同的波长的传播函数b不同群速度色散(GVD)正常色散区反常色散区正常色散区:长波长光传播快，短波长光传播慢!（负色散值）反常色散区:短波长光传播块，长波长光传播慢!（正色散值）42群速度色散(GVD)正常色散区反常色散区正常色散区:长波G.652光纤的色散正色散光纤llonglshort43G.652光纤的色散正色散光纤llonglshort44444信号分量的群速率是频率/波长的函数：即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，频率分量w经历的延时为：对于一个谱宽为Dw的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：模内色散-群速度色散(GVD)GVD参数45信号分量的群速率是频率/波长的函数：模内色散-群速度色散通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽。根据w和l之间的关系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数： ps/(km·nm)标准单模光纤在1550nm处色散系数为~17ps/km·nm群速度色散46通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽。根据w和l之间的关系：群速正色散、负色散和零色散1.色散系数D为正：负色散b2<0v高频光>v低频光2.色散系数D为负：正色散b2>0v高频光<v低频光3.色散系数D为零：零色散47正色散、负色散和零色散1.色散系数D为正：负色散b2<2.波导色散波导结构影响光波群速度，因为导模场分布实际上是在纤芯和包层中都存在的，因此光波群速度取决于两者的比例。通常长波长光的场分布在包层中延伸更远。因此长波长光“经历”的材料折射率更小，其群速度就会比短波长光更大一些。因此考虑波导色散，长波长光传播快，短波长光传播慢。482.波导色散波导结构影响光波群速度，因为导模场分布实际上假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于：可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为：其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：波导色散其中49假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D=(n1总色散总色散系数D≈Dm+Dw-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm|>|Dw|-波导色散系数通常为负值50总色散总色散系数D≈Dm+Dw-材料色散的影响一5151模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源Dl比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在1550nm的系统，光源谱宽为15nm，使用标准单模光纤D=17ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：

BL<1Gb/s·km带宽距离积：52模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源Dl比较大的时候，单模光纤模内色散对传输带宽的影响不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系结论：1)光源线宽越宽色散越严重2)零色散光纤对提高系统性能作用明显对于高速光链路(>40Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一53模内色散对传输带宽的影响不同线宽下的系统色散所允对于高速光链G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655大有效面积G.655三种不同类型的单模光纤54G.652单模光纤（NDSF）G.653单模光纤（DSF）GG.652标准单模光纤标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，国际电信联盟（ITU－T）把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大，约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。

55G.652标准单模光纤标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652单模光纤的应用56大多数已安装的光纤G.652单模光纤的应用56G.653单模光纤(DSF)针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1.3μm移到1.55μm的色散位移光纤（DSF，Dispersion－ShiftedFiber）。ITU把这种光纤的规范编为G.653。

然而，色散位移光纤在1.55μm色散为零，不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤（NZ－DSF）G.655。57G.653单模光纤(DSF)针对衰减和零色散不在同一工作波长低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。G.653单模光纤的应用58低损耗零色散小有效面积G.653单模光纤的应用5G.655单模光纤(NZ-DSF)针对色散位移光纤在1.55μm色散为零，会产生四波混频，导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM系统的问题，如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一特点，人们研制了非零色散光纤（NZ－DSF）。非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm处。非零色散光纤削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。

59G.655单模光纤(NZ-DSF)针对色散位移光纤在1.55在1530－1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。可以有正的或负的色散——海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。为DWDM系统的应用而设计的G.655单模光纤的应用结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。60在1530－1565nm窗口有较低的损耗G.655单模光纤的三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区61三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区61单模光纤的色散优化设计1550nm13201550nmG.653色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550nm办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动普通商用光纤色散位移光纤62单模光纤的色散优化设计1550nm13201550nmGG.656色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤63G.656色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/km·nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零缺点：(1)高损耗；(2)短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于WDM系统64色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤01005010中途谱反转技术非线性器件等长、色散性质相同的光纤65中途谱反转技术非线性等长、色散性质相同的光纤65利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件66利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：FBG是一种可以反射特3.模间色散在多模光纤中,脉冲展宽主要决定于多模群延时差Δτm产生原因来自于各个不同导模的群速不相同模间色散并不是由于频率不同引起的,故称其为"单色弥散"似乎更为合适673.模间色散在多模光纤中,脉冲展宽主要决定于多模群延时差Δ4.偏振模色散(PMD)基模两个相互正交的偏振模的传播速度不同导致光脉冲的展宽，称之为偏振模色散.通常其大小为：0.5ps/nm/km.低速通信系统（10Gbps以下）通常不考虑PMD的影响.G.652光纤高速（10Gbps以上，例如40Gbps）长距离通信需要考虑PMD的影响，研究PMD补偿技术。684.偏振模色散(PMD)基模两个相互正交的偏振模的传播速偏振模色散(PMD)双折射效应导致了偏振模色散光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同69偏振模色散(PMD)双折射效应导致了偏振模色散光纤对传播模PMD的外部因素及其特点外部因素：环境变化如振动、温度、应力等特点：具有很强的不稳定性和突发性因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论70PMD的外部因素及其特点外部因素：环境变化如振动、温度、应力PMD对传输的影响PMD对>40-Gb/s传输系统的影响将更加显著71PMD对传输的影响PMD对>40-Gb/s传输系统的影响将色散值计算标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度6nm，传输10公里距离，色散脉冲展宽值为: D=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps对于1Gbps速率的光脉冲，脉宽约为1ns.如果脉冲展宽达到脉宽的20％，则系统将不能工作。上述情形显然不适合于1Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100％；但是对于155Mbps速率系统没有问题，因为其脉冲宽度为6.5ns，20％的展宽为1300ps。如果采用线宽为300MHz的DFB激光器，在1Gbps调制速率下光谱被展宽2GHz，即光源谱宽为2,300MHz或.02nm(1500nm波长).则传输10公里距离，色散脉冲展宽值为:

D=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps显然这种情形下，1Gbps速率光通信系统没有任何问题。72色散值计算标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度6nm，传哪些因素限制光通信传输距离？一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率为2.5mW时，输入光功率为多少？为什么光纤在1.55mm的波长损耗比1.3mm波长小?光纤的损耗能否降为零？为什么？三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散大？为什么？简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？习题：5.45.55.19课堂练习73习题：5.45.55.19课堂练习73§5.3单模光纤模场半径模场半径是单模光纤的一个极为重要的参数。由模场半径可以导出等效阶跃光纤的构成参数,还可估算单模光纤的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的色散值,因而被称之为单模光纤的万用参数。单模光纤的模场半径不仅因测量方法的不同而异,而且还受模场半径定义的影响。已提出多种模场半径的定义,应用较广泛的有:(1)功率传输函数定义模场半径wT;(2)最大激发效率定义模场半径wη;(3)近场二阶矩定义模场半径wrms;(4)远场二阶矩定义模场半径wL。74§5.3单模光纤模场半径模场半径是单模光纤的一个极为重功率传输函数定义模场半径wT75功率传输函数定义模场半径wT757676最大激发效率定义模场半径Wη当以场分布为g(r)的光源激发单模光纤时,激发效率(耦合效率)η以及不重叠度ξ可分别表示为:

f(r)是光纤的近场分布;G(q)和F(q)分别是光源和光纤的远场分布;q＝sinθ/λ0

定义g(r)为高斯分布函数:

77最大激发效率定义模场半径Wη当以场分布为g(r)的光源激发单确定Wη的四种数学等效方法测出光纤的近场分布f(r),改变高斯函数的WG使η为最大,此时WG即为Wη;测出f(r),改变WG使ξ为最小,此时的WG亦为Wη;测出光纤的远场分布F(q),改变WG使η为最大,此时WG为Wη;测出F(q),改变WG使ξ为最小,亦可求得Wη。78确定Wη的四种数学等效方法测出光纤的近场分布f(r),改变高模场半径的其它定义79模场半径的其它定义79模场半径定义的比较80模场半径定义的比较80§5.4单模光纤截止波长

(样品光纤长度取2米)81§5.4单模光纤截止波长(样品光纤长度取2米)81§5.5光纤参数测试技术

光纤损耗（谱）折射率分布带宽(色散与基带频率响应)*数值孔径模场直径截止波长几何参数*82§5.5光纤参数测试技术光纤损耗（谱）82ITU-T建议的测试方法参数RTMATM衰减系数切断法插入损耗法;背向散射法折射率分布折射近场法近场法基带响应时域法;频域法色散系数相移法;脉冲时延法数值孔径折射近场法远场法模场直径(无)传输场法;横向偏移法截止波长