光纖的損耗和色散

1、第三章第三章 光纖的損耗和色散光纖的損耗和色散主要內(nèi)容光纖的損耗色散及其引起的信號(hào)失真單模光纖的色散優(yōu)化3.1 光纖的損耗光纖的損耗 即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗。 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。這些損耗主要包括： 1. 吸收損耗2. 散射損耗3. 彎曲損耗損耗吸收損耗原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成非本征吸收： 由過渡金屬離子和氫氧根離子 (OH)等雜 質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗本征吸收： 材料本身 (如SiO2) 的特性決定，即便波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會(huì)存在 本征吸收 本征吸收(1) 紫外吸收紫外吸收 光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級(jí)

2、，同時(shí)引 起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長(zhǎng)范圍晶格(2) 紅外吸收紅外吸收 光波與光纖晶格相互作 用，一部分光波能量傳 遞給晶格，使其振動(dòng)加 劇，從而引起的損耗本征吸收曲線非本征吸收光纖制造過程引入的有害雜質(zhì)帶來較強(qiáng)的非本征吸收OH吸收峰 2 dB解決方法：解決方法：(1) 光纖材料化學(xué)提純，比 如達(dá)到 99.9999999%的 純度OH和過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等(2) 制造工藝上改進(jìn)，如避 免使用氫氧焰加熱 ( 汽 相軸向沉積法)原子缺陷吸收1 rad(Si) = 0.01 J/kg800人死亡光纖晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)光纖制造 - 材料受到熱激勵(lì)熱激勵(lì) - 結(jié)

3、構(gòu)不完善強(qiáng)粒子輻射輻射 - 材料共價(jià)鍵斷裂 - 原子缺陷吸收光能，引起損耗散射損耗光纖的密度和折射率分布不均及結(jié)構(gòu)上的不完善導(dǎo)致散射現(xiàn)象1. 瑞利散射2. 波導(dǎo)散射瑞利散射波導(dǎo)在小于光波長(zhǎng)尺度上的不均勻：- 分子密度分布不均勻- 摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻?qū)е虏▽?dǎo)對(duì)入射光產(chǎn)生本征散射瑞利散射一般發(fā)生在短波長(zhǎng)本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值波導(dǎo)散射導(dǎo)致的原因是波導(dǎo)缺陷- 纖芯和包層的界面不完備- 圓度不均勻- 殘留氣泡和裂痕等 目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射標(biāo)準(zhǔn)單模光纖損耗曲線摻GeO2的低損耗、低OH含量石英光纖OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：

4、逼近本征損耗單模：本征損耗+OH吸收損耗常溫且未暴露在強(qiáng)輻射下商用的多模光纖與單模光纖的損耗譜比較多模光纖的損耗大于單模光纖：- 多模光纖摻雜濃度高以獲得較大的數(shù)值孔徑 (本征散射大)- 由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲消逝場(chǎng)q qcqRq qCladdingCore場(chǎng)分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數(shù)增加彎曲損耗與模場(chǎng)直徑的關(guān)系P包層1 P包層2Loss模場(chǎng)直徑小 Loss模場(chǎng)直徑大Loss低階模 Loss高階模模式剝離器：將光纖纏繞成環(huán)微彎：微米級(jí)的高頻彎曲微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均成纜時(shí)受到

5、壓力不均使用過程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果：造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模與宏彎的情況相同，模場(chǎng)直徑大的模式容易發(fā)生宏彎損耗宏彎和微彎對(duì)損耗的附加影響宏彎損耗微彎損耗基本損耗NAannaV222/12221增加，V減少，W0越大62/30879. 2619. 165. 022VVaW長(zhǎng)波長(zhǎng)處附加損耗顯著宏彎帶來的應(yīng)用局限：Verizon的煩惱Verizon鐘愛光纖：花費(fèi)230億美元配置了12.9萬公里長(zhǎng)的光纖，直接連到180萬用戶家中，提供高速因特網(wǎng)和電視服務(wù)光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號(hào)衰減新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖Photonic Cry

6、stal FiberPhotonic Bandgap Fiber康寧公司幫組Verison解決了問題：可彎曲、折返、打結(jié)，已在2500萬戶家庭中安裝日本NTT也完成了這種光纖的研制柔性光纖的優(yōu)點(diǎn)對(duì)光的約束增強(qiáng)在任意波段均可實(shí)現(xiàn)單模傳輸：調(diào)節(jié)空氣孔徑之間的距離可以實(shí)現(xiàn)光纖色散的靈活設(shè)計(jì)減少光纖中的非線性效應(yīng)抗側(cè)壓性能增強(qiáng)光纖損耗的度量LinoutePP光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：可以通過損耗系數(shù)來衡量光纖鏈路的損耗特性：其中L為光纖長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)在1550 nm的損耗系數(shù)為0.2 dB/km。dB/kmlog10outinPPL損耗的補(bǔ)償辦法：放大電放大光

7、電光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器主要內(nèi)容光纖的損耗色散及其引起的信號(hào)失真單模光纖的色散優(yōu)化3.2 色散引起的信號(hào)失真色散引起的信號(hào)失真光信號(hào)包含不同的頻率、模式、偏振分量f光源輸出有一定譜寬： 100 KHz10 MHz信號(hào)具有不同的頻譜分量色散的定義色散的定義分類：1. 模內(nèi)色散 - 材料色散 - 波導(dǎo)色散2. 模間色散3. 偏振模色散色散使信號(hào)不同的成分傳播速度不同，使信號(hào)在目的端產(chǎn)生碼間干擾，給信號(hào)的最后判決造成困難123123模內(nèi)色散：材料色散光纖材料對(duì)不同的頻率成份折射率(傳播速率)不同單模光纖中傳播

8、模80%能量在纖芯 20%能量在包層模內(nèi)色散：波導(dǎo)色散信號(hào)光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有不同的傳播速度模內(nèi)色散 - 群速度色散 (GVD)ddLvLTg信號(hào)分量的群速率是頻率/波長(zhǎng)的函數(shù)：即不同的頻率分量間存在群時(shí)延差。信號(hào)在傳輸了距離L后，頻率分量經(jīng)歷的延時(shí)為：對(duì)于一個(gè)譜寬為D的脈沖，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：DDDDD222LddLvLddddTTgGVD 參數(shù)1ddddvg群速度色散DD222cc DDDDDLcLLT2222通常在波長(zhǎng)域習(xí)慣用D來表示譜寬。根據(jù)和之間的關(guān)系：代入DT中，那么可以得到：其中D()稱為色散系數(shù)： ps/(kmnm)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550 nm處

9、色散系數(shù)為17 ps/kmnm222)(cD正色散、負(fù)色散和零色散222)(cD1. 色散系數(shù)D為正：負(fù)色散 2 v低頻光2. 色散系數(shù)D為負(fù)：正色散 2 0v高頻光 |Dw|- 波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負(fù)值總色散系數(shù) D Dm + Dw模內(nèi)色散影響下的光纖帶寬：寬譜光源 LDTBDD4/14/1SMFD比較大的時(shí)候，單模光纖帶寬：例：考慮一個(gè)工作在1550 nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15 nm，使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖D = 17 ps/kmnm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積： BL 40 Gb/s)，色散成為首要考慮的因素之一模間色散多模光纖中不同模式具有不同的傳播路徑導(dǎo)致了模間色散對(duì)于子午光線，經(jīng)過長(zhǎng)度L后模間

10、色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展寬為：DL為兩種模式的光程差cordncLTTT/minmaxmodD偏振模色散 (PMD)雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散光纖對(duì)傳播模式的兩個(gè)偏振分量的傳播速度不同PMD的外部因素及其特點(diǎn)外部因素：環(huán)境變化如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等特點(diǎn)：具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性和突發(fā)性因此，PMD補(bǔ)償?shù)碾y度比較大，補(bǔ)償方法目前尚無定論P(yáng)MD 對(duì)傳輸?shù)挠绊慞MD對(duì)40-Gb/s傳輸系統(tǒng)的影響將更加顯著主要內(nèi)容光纖的損耗色散及其引起的信號(hào)失真單模光纖的色散優(yōu)化3.5 單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計(jì)單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計(jì)1550 nm13201550 nmG.653 色散位移光纖：讓損耗和色散最低點(diǎn)都在1550 nm辦法：材料色散不變，通過改變折射率剖面形狀來增大波導(dǎo)色散，使零色散點(diǎn)往長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)普通商用光纖色散位移光纖G.656 色散平坦光纖在較大的范圍內(nèi)保持相近的色散值，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)普通商用光纖色散平坦光纖色散補(bǔ)償光纖 (DCF)