光通信与光网络 - 光纤传输特性

光纤通信与光网络光纤传输特性3

光纤通信与光网络

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第三讲

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郝然

光纤传输特性❖

光纤的传输特性中，损耗和色散必须考虑❖

光纤通信发展初期，人们聚焦在解决损耗问题❖

随着技术的发展，缓解了损耗对系统设计带来的压力，损耗问题已不

是主要因素，系统设计必须考虑色散问题。4

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郝然

光纤的损耗：损耗系数

在光纤内传输的光功率P会随着距离z而减小。

设长度为L（Km）的光纤，输入功率为Pi，其输出功率满足：

其中

是损耗系数，它的单位是dB/Km损耗5

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郝然

附加损耗❖

光纤的损耗分为固有损耗和附加损耗❖

附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。在实际应用中，不可避

免地要将光纤一根接一根地接起来，光纤连接会产生损耗。❖

光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗，由于光纤纤芯中的传

输模式发生了变化。这些都是光纤使用条件引起的损耗。❖

附加损耗是可以避免的。6

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郝然

固有损耗❖

固有损耗中，散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，

在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。❖

搞清楚产生损耗的激励，定量地分析各种因素引起的损耗的大小，对

于研制低损耗光纤，合理使用光纤有着极其重要的意义。光纤通信与光网络

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郝然7吸收损耗制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。我们知道，物质是由原子、分子构成的，而原子又由原子核和核外电子组成，电子以一定的轨道围绕着原子核旋转。每一个电子都具有一定的能量，处在某一轨道上，或者说每一轨道都有一个确定的能级。距离原子核近的轨道能级较低，距原子核越远的轨道能级越高。轨道之间这种能级差别的大小就叫能级差。当电子从低能级向高能级跃迁时，就要吸收相应级别的能级差的能量。在光纤中，当某一能级的电子受到与该能级差相对应的波长的光照射时，位于低能级轨道上的电子将跃迁到能级高的轨道上，产生了光的吸收损耗。8

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郝然

吸收损耗本征吸收：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：光纤材料原子结构的不完整造成非本征吸收：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9

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郝然

二氧化硅的本征吸收制造光纤的基本材料SiO2本身就吸收光，一个叫紫外吸收，一个叫红外吸收。

(1)

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

起入射光的能量损耗，一般发生在短

波长范围

(2)

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

晶格光纤通信与光网络

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郝然10非本征吸收（金属杂质）石英玻璃中有一些过渡金属杂质，如铜、铁、锘、锰等。它们在光照射下，贪婪地吸收光能，造成了光能的损失。清除它们，对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，就可以大大降低损耗。OH－吸收峰

~

2

dB

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郝然

非本征吸收（氢氧根）石英光纤的另一个吸收源是氢氧根（OH－），人们发现它有三个吸收峰：0.95um,1.24um,和1.38um.

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)Chap.3111

rad(Si)

=

0.01

J/kg

12

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郝然

原子缺陷吸收光纤制造→材料受到热激励

→结构不完善强粒子辐射→材料共价键断裂→原子缺陷光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动

吸收光能，引起损耗光纤通信与光网络

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郝然辐射剂量参考Chap.313光纤通信与光网络

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郝然14材料的散射损耗

在黑夜里，用手电筒向空中照射，可以看到一束光束。人们也曾看到过夜空中探照灯发出粗大光柱。那么，为什么我们会看到这些光柱呢？这是因为许多烟雾、灰尘等微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些颗粒上，产生散射，就射向了四面八方。这个现象是由瑞利最先发现的，所以人们把这种散射命名为“瑞利散射”。

散射是怎样产生的呢？原来组成物质的分子、原子、电子等微小粒子是以某些固定频率进行震动的，并能释放出波长与该振动频率相应的光。粒子的振动频率由粒子的大小来决定。粒子越大，振动频率越低，释放出的光的波长越长；粒子越小，振动频率越高，释放出的光的波长越短。这种振动频率叫做粒子的固有振动频率。15

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郝然

材料的散射损耗

但是这种振动频率并不是自行产生的，它需要一定的能量。一旦粒子受到一定波长的光照射，而照射光的频率与该粒子固有振动频率相同，就会引起共振。粒子内的电子便以该振动频率开始振动，结果是该粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而转化为粒子的能量，粒子又将能量重新以光能的形式射出去。因此，对于在外部观察的人来说，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方散出去了。光纤通信与光网络

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郝然16瑞利散射

瑞利散射是指散射光波长等于入射光波长,而且散射粒子远远小于入射

光波长,没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。瑞利

散射规律是由英国物理学家瑞利勋爵（Lord

Rayleigh）于1900年发

现的，因此得名。

为了要符合瑞利散射的要求，微粒的直径必须远小于入射波的波长，

通常上界大约是波长的1/10（1-300

nm），此时散射光线的强度与

入射光线波长的四次方成反比，也就是说，波长愈短，散射愈强。另

外，散射的光线在光线前进方向和反方向上的程度是相同的，而在与

入射光线垂直的方向上程度最低。瑞利散射的三个例子：天空呈蓝色海水呈蓝色晚霞呈红色17

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郝然

材料的散射损耗

光纤内也有瑞利散射，由此而产生的光损就称为瑞利散射

损耗。

鉴于目前的光纤制造工艺水平，可以说瑞利散射损耗是无

法避免的。

但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比

，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以

大大减小。光纤通信与光网络

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郝然18散射

光纤结构不完善，如光纤中有气泡、杂质，或者粗细不均匀，特别是芯-包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。这种损耗是可以想办法克服的，那就是要改善光纤制造的工艺。

散射使光射向四面八方，其中有一部分散射光沿着与光纤传播相反的方向反射回来，在光线的入射端可接收到这部分散射光。光的散射使得一部分光能受到损失，这是人们所不希望的。但是，这种现象也可以为我们所利用，因为如果我们在发送端对接收到的这部分光的强弱进行分析，可以检查出这根光纤的断点、缺陷和损耗大小。这样，通过人的聪明才智，就把坏事变成了好事。19Z=0Z=L

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郝然

光纤的色散色散（Dispersion）：Different

components

of

light

travel

at

differentvelocities

in

the

fiber

and

arrive

at

different

times。色散是光纤的一个重要参数。色散使得光纤中传输的光脉冲发生展宽。

传播方向20

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郝然

光纤的色散随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽色散系数D（ps/km.nm）是光纤的一个重要传输参数。劣化的程度随数据率的平方增大

决定了电中继器之间的距离芯包层l1l2l3l1l2l3Km光纤通信与光网络

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郝然色散对传输的限制调制速率（Gbps）

21传输距离（）60022

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郝然信号在光纤中传输的眼图发射端接收端

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郝然

色散的分类

光纤的色散主要由模式色散、材料色散和波导色散组成。其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。

Intermodal

dispersion

Material

Dispersion

Waveguide

Dispersion

Polarization

Mode

Dispersion

(PDM)

23only

for

MMF

Chromatic

Dispersion24

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郝然

模式色散

在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。对模式色散进行的严密分析比较复杂，这里仅作简单讨论。我们知道，在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点所需的时间长，低次模到达终点需要的时间短。在同一条长度为L的光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。光纤通信与光网络

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郝然Modal

Dispersion

Lc/ncord模间色散产生的脉冲展宽：

Tmod

Tmax

Tmin

25光纤通信与光网络

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郝然26模式色散影响光纤时延差的因素有两个：纤芯-包层相对折射率差和光纤的长度。光纤的时延差与纤芯-包层相对折射率差成正比。n1是纤芯的折射率，折射率差越大，时延差就越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，希望较小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。光纤通信与光网络

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郝然27弱导光纤

从制造的观点看，小折射率差是个优点，因为芯与包层一般由相同的基本材料制成，为修改折射率剖面，可在基材中掺入一种或几种掺杂剂。这样折射率就容易获得，而不需要加入高浓度掺杂剂，避免了对玻璃材料的光学特性与稳定性的重大改变。

其次，单模传输要求归一化频率V尽可能小，所以在减小V而同时又保持适当的纤芯尺寸的选择中，就在于减小折射率差。光纤通信与光网络

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郝然28材料色散

材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波普宽度。当光在折射率n的介质中传播时，其速度v与空气中的光速C之间的关系为：v=C/n

光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源打出的光脉冲射入光线内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。光纤通信与光网络

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郝然29波导色散

光纤的第三类色散是波导色散。由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波普宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导结构引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。芯区的折射率分布（光波导结构）因光波长而变化。30

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郝然

三中色散的比较

一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：

模式色散>材料色散>波导色散

对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。

对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。

对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。31

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郝然

传输使用的三种不同类型的单模光纤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

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郝然G.652单模光纤（NDSF）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600km

10Gb/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：

不适用与10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s一下速率的DWDN。

32损耗限制最低，对色散不加限制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。

33

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郝然G.653单模光纤（DSF）

色散减为03413101550

nm

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郝然

单模光纤的色散优化设计G.653

色散位移光纤：损耗和色散最低点都在1550

nm

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

1550

nm普通商用光纤色散位移光纤35

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郝然

G.655单模光纤（NZ-DSF）

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。36

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郝然三种光纤色散情况比较180

色散Ps/nm·km反常色散区1310nm1550nm波长λ非零色散唯一光纤（NZDSF,G.655）

普通光纤（SMF）

非色散位移光纤（NDSF,G.652）

已有光纤的>95%正常色散区

DWDM

波长范围色散位移光纤（DSF,G.653）37

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郝然

G.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38

光纤通信与光网络

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郝然

Polarization

Mode

Dispersion(PMD)Single

mode

fiber

actually

transmits

two

modes

Modes

have

opposite

states

of

polarization

Severe

limitation

at

10Gb/s

over

distance>50kmPower

is

randomly

coupled

between

the

two

modes

PMD

of

a

link

fluctuates

significantly

over

time

θΔx

Varying

birefringence

along

the

fiber光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同

39

光纤通信与光网络

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郝然

Polarization

mode

dispersionImportant

in

WDM

systems,

long

spans

Initial

polarization

state

双折射效应导致了偏振模色散40

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郝然

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PMD补偿的难度比较大

光纤通信与光网络

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郝然PMD

对传输的影响PMD对>40-Gb/s传输系统的影响将更加显著

41

d

d

d

42

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郝然模内色散

-

群速度色散

(GVD)d

d

Lvg

LT

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：

L

2

d2

2dTd

T

d

L

Ld

vg

GVD

参数

1

d

d

群速率的定义：

vg

Chap.342lll43

l

2

c

22

c

l

l

LD

l

l

T

L

2

L

22

c

2

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郝然

群速度色散

(波长域表示)根据w和l之间的关系：代入dT中，那么可以得到：ps/(km·nm)标准单模光纤在1550nm处色散系数为~17ps/km·nm

22

c

2其中D(l)称为色散系数：

D(l)

43)

(l

D

2

l光纤通信与光网络

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郝然44正色散、负色散和零色散22

c1.

色散系数D为正：负色散

2

<

0v高频光

>

v低频光2.

色散系数D为负：正色散

2

>

0v高频光

<

v低频光3.

色散系数D为零：零色散45

光纤通信与光网络

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郝然还没有很好的方法能完全解决色散问题，但是人们尝试了各种方法

常见的色散应对方法

1310-

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

46

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郝然

标准单模光纤总的模内色散总色散系数

D

≈

Dm

+

Dw

D

Dm

Dw47

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郝然

在发射端：1.

渐变啁啾结构，让传输慢的光频率优先通过。2.

采用频率调制的方法如频移键控调制FSK，可把系统中的色散转为

幅度调整，在幅度上进行消除3.

多级编码

在接收端：1.

将光转为电，然后再把电整形。2.

在光域用马赫泽德调制器补偿色散。3.

啁啾光栅总色散

(ps/km·

nm)传输光纤100

050100150200TXRX

传播长度正负色散率搭配使系统累积色散为零

48

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郝然在传输线路上：

色散补偿光纤

(DCF)

色散补偿光纤光纤通信与光网络

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郝然49中途谱反转技术

非线性

器件等长、色散性质相同的光纤在传输线路上：低频分量123高频分量

T

T注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件

50

光纤通信与光网络

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郝然在传输线路上：

利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿51

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郝然

光纤制造

光纤的材料是高纯度的玻璃，按玻璃内所含化学元素组成的不同，可分为石英玻璃光纤和多组分玻璃光纤。目前通信用的光纤基本上是以石英为主体材料的石英玻璃制造成的。为了得到低损耗光纤，这些材料都是