光纖的傳輸特性PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱(chēng)為光纖的損耗稱(chēng)為光纖的損耗 。 即便是在理想的光纖中都存在損耗即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損本征損耗。耗。 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于：損耗主要取決于：1. 1. 吸收損耗吸收損耗2. 2. 散射損耗散射損耗3. 3. 彎曲損耗彎曲損耗第1頁(yè)/共44頁(yè)v原子缺陷吸收：原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)由于光纖材料的

2、原子結(jié)構(gòu)的不完整造成。的不完整造成。v非本征吸收：非本征吸收：由過(guò)渡金屬離子和氫氧根離由過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子子 ( (OHOH) )等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗。等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗。v本征吸收損耗：本征吸收損耗：由制造光纖材料本身由制造光纖材料本身 ( (如如SiOSiO2 2) ) 的特性所決定，的特性所決定，包括紫外吸收、紅外包括紫外吸收、紅外吸收吸收。即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含。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。任何雜質(zhì)也會(huì)存在本征吸收。第2頁(yè)/共44頁(yè) 在光纖的制造過(guò)程中光纖材料受到某種在光纖的制造過(guò)程中光纖材料受到某種熱激勵(lì)熱激勵(lì)造成結(jié)構(gòu)的

3、造成結(jié)構(gòu)的不完善或在使用時(shí)暴露在強(qiáng)粒子的不完善或在使用時(shí)暴露在強(qiáng)粒子的光輻射光輻射下將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)下將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630 630 nmnm左右。左右。1 rad(Si) = 0.01 J/kg第3頁(yè)/共44頁(yè) 原材料將在光纖的制造過(guò)程中引入雜質(zhì)，帶來(lái)原材料將在光纖的制造過(guò)程中引入雜質(zhì)，帶來(lái)較強(qiáng)的非本征吸收。有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子較強(qiáng)的非本征吸收。有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳

4、、銅、錳、鉻等金屬離子和，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等金屬離子和OHOH。OHOH吸收峰吸收峰解決方法：解決方法：(1)(1)對(duì)制造光纖的材料對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行嚴(yán)格的進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)提純化學(xué)提純，比如材料達(dá)到比如材料達(dá)到99.9999999%99.9999999%的純度的純度(2)(2)制造工藝制造工藝上改進(jìn)，上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱如避免使用氫氧焰加熱( (汽相軸向沉積法汽相軸向沉積法) )第4頁(yè)/共44頁(yè)(1) (1) 紫外吸收紫外吸收 光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲿?huì)將光纖材料中的電子從低能級(jí)激光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲿?huì)將光纖材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，同時(shí)光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。發(fā)到

5、高能級(jí)，同時(shí)光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。(2) (2) 紅外吸收紅外吸收 由于光纖中傳播由于光纖中傳播的光波與晶格相互作的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。的損耗。z晶格晶格光傳播方向光傳播方向kEx第5頁(yè)/共44頁(yè)摻摻GeOGeO2 2的低損耗、低的低損耗、低OHOH含量石英光纖含量石英光纖OH0.154 dB/km幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較第6頁(yè)/共44頁(yè) 光纖中由于密度不均、

6、折射率的變化以及結(jié)構(gòu)上光纖中由于密度不均、折射率的變化以及結(jié)構(gòu)上的不完善，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。的不完善，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。v瑞利散射：瑞利散射：尺度小于光波長(zhǎng)的材料密度的不均勻?qū)Τ叨刃∮诠獠ㄩL(zhǎng)的材料密度的不均勻?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生的本征散射，短波長(zhǎng)的光容易發(fā)生這種散入射光產(chǎn)生的本征散射，短波長(zhǎng)的光容易發(fā)生這種散射射 造成原因造成原因 分子密度分布不均勻；摻雜分子導(dǎo)致折分子密度分布不均勻；摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻射率不均勻v波導(dǎo)散射：波導(dǎo)散射：由波導(dǎo)缺陷導(dǎo)致的散射由波導(dǎo)缺陷導(dǎo)致的散射 造成原因造成原因 纖芯和包層的界面不完整、圓度不均勻纖芯和包層的界面不完整、圓度不均勻以及殘留氣泡和裂痕等引起的散射（目前的制

7、造工藝以及殘留氣泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射）基本可以克服波導(dǎo)散射）本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值第7頁(yè)/共44頁(yè)多模光纖的損耗大于單模光纖：多模光纖的損耗大于單模光纖：- - 為獲得較大的數(shù)值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高為獲得較大的數(shù)值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高- - 由于纖芯由于纖芯- -包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗模式損耗多模光纖多模光纖單模光纖單模光纖第8頁(yè)/共44頁(yè)宏彎：宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲微彎：

8、微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的高頻彎曲光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的高頻彎曲高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時(shí)可用彎曲的辦高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時(shí)可用彎曲的辦法濾掉高階模法濾掉高階模消逝場(chǎng)消逝場(chǎng)q qq qq q q qcq qRCladdingCore場(chǎng)分布場(chǎng)分布宏彎：宏彎：當(dāng)曲率半徑減小時(shí)，當(dāng)曲率半徑減小時(shí)， 輻射損耗呈指數(shù)增加輻射損耗呈指數(shù)增加第9頁(yè)/共44頁(yè)微彎的原因：微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過(guò)程中的帶來(lái)的不均光纖的生產(chǎn)過(guò)程中的帶來(lái)的不均成纜時(shí)受到壓力不均成纜時(shí)受到壓力不均使用過(guò)程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同使用過(guò)程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果：導(dǎo)致的后果：造

9、成能量輻射損耗造成能量輻射損耗高階模功率損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模低階模功率耦合到高階模減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護(hù)套減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護(hù)套第10頁(yè)/共44頁(yè)彎曲損耗隨模場(chǎng)直徑增加顯著增加彎曲損耗隨模場(chǎng)直徑增加顯著增加光纖彎曲帶來(lái)額外損耗光纖彎曲帶來(lái)額外損耗宏彎損耗宏彎損耗微彎微彎損耗損耗基本損耗基本損耗NAannaV222/12221 增加，增加，V減少減少第11頁(yè)/共44頁(yè) 前面的討論說(shuō)明多種導(dǎo)致光纖損耗的原因。一般來(lái)說(shuō)前面的討論說(shuō)明多種導(dǎo)致光纖損耗的原因。一般來(lái)說(shuō)光信號(hào)在光纖中傳播的時(shí)候，其功率隨距離光信號(hào)在光纖中傳播的時(shí)候，其功率隨距離

10、 L L 的增加呈指的增加呈指數(shù)衰減：數(shù)衰減：那么，評(píng)價(jià)光纖損耗特性可以通過(guò)損耗系數(shù)來(lái)衡量。光纖那么，評(píng)價(jià)光纖損耗特性可以通過(guò)損耗系數(shù)來(lái)衡量。光纖的的損耗系數(shù)定義為：損耗系數(shù)定義為：其中其中L為光纖長(zhǎng)度，為光纖長(zhǎng)度，Pin和和Pout分別為輸入和輸出光功率。一分別為輸入和輸出光功率。一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550 nm的損耗系數(shù)為的損耗系數(shù)為0.2 dB/km。LinoutePPKmdBPPLoutin/log10第12頁(yè)/共44頁(yè)第二傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗口第一傳輸窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紅外吸收紅外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.2

11、2.52.5損損 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 長(zhǎng)長(zhǎng) (nm)(nm)OHOH離子吸收峰離子吸收峰第三傳輸窗口第三傳輸窗口在在1.551.55 m m處處最小損耗約最小損耗約為為0.20.2dB/kmdB/km常用單模光纖的損耗常用單模光纖的損耗第13頁(yè)/共44頁(yè)光纖的色散光纖的色散第14頁(yè)/共44頁(yè)模內(nèi)色散模內(nèi)色散 ( (群速率色散群速率色散) ) - - 材料色散：材料色散：每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對(duì)不同每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對(duì)不同 的頻率成分的折射率不同，從而不同的頻率成的頻率成分的折射率不同，從而不同的頻率成 分在光纖中傳播的群速度不同。分在光纖中傳播的

12、群速度不同。 - - 波導(dǎo)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，從而導(dǎo)致色散。它的大小取不同的傳播速度，從而導(dǎo)致色散。它的大小取 決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的折射率差。決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的折射率差。模間色散：模間色散：不同傳播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和不同傳播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和速率，造成模間色散。速率，造成模間色散。偏振模色散：偏振模色散：環(huán)境因素造成光不同偏振態(tài)的傳播時(shí)延差。環(huán)境因素造成光不同偏振態(tài)的傳播時(shí)延差。第15頁(yè)/共44頁(yè)fA(1) (1) 光源輸出都有一定的譜寬光源輸出都有一定的譜寬 1

13、 2 3 1 2 3(2)(2)單模光纖中傳播模單模光纖中傳播模80%80%能量在纖芯能量在纖芯 20% 20%能量在包層能量在包層色散的直接后果是色散的直接后果是產(chǎn)生碼間干擾，給產(chǎn)生碼間干擾，給信號(hào)的最后判決造信號(hào)的最后判決造成困難成困難第16頁(yè)/共44頁(yè) 信號(hào)分量的群速率是頻率信號(hào)分量的群速率是頻率/ /波長(zhǎng)的函數(shù)：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 L，頻率分量頻率分量w w經(jīng)歷的延時(shí)為：經(jīng)歷的延時(shí)為：假設(shè)輸入脈沖的譜寬假設(shè)輸入脈沖的譜寬D Dw w不太寬，那么脈沖展寬的多少可以不太寬，那么脈沖展寬的多少可以由下

14、式?jīng)Q定：由下式?jīng)Q定：1212cvgddLvLTg222LddLvLddddTTgGVD 參參數(shù)數(shù)第17頁(yè)/共44頁(yè) 通常光源的譜寬用通常光源的譜寬用 來(lái)表示來(lái)表示。根據(jù)根據(jù) 和和 之間的關(guān)系之間的關(guān)系代入代入 T中，那么可以得到：中，那么可以得到：其中其中D( )稱(chēng)為色散系數(shù)稱(chēng)為色散系數(shù)： ps/(kmnm)222cc DLLT2222)(cD第18頁(yè)/共44頁(yè)1. 1. 色散系數(shù)色散系數(shù)D D為正：負(fù)色散為正：負(fù)色散v高頻光高頻光 v低頻光低頻光2. 2. 色散系數(shù)色散系數(shù)D D為負(fù)：正色散為負(fù)：正色散v高頻光高頻光 |Dw|第23頁(yè)/共44頁(yè) 多模光纖中不同導(dǎo)模具有不同的傳播路徑和速度導(dǎo)致

15、了多模光纖中不同導(dǎo)模具有不同的傳播路徑和速度導(dǎo)致了模間色散。模間色散。對(duì)于子午光纖，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度對(duì)于子午光纖，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度L L后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展寬為：展寬為： L為兩種模式的光程差。為兩種模式的光程差。cLnTTT1minmaxmod第24頁(yè)/共44頁(yè)雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散PMD PMD 受環(huán)境受環(huán)境( (如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等) )影響非常顯著，跟模內(nèi)影響非常顯著，跟模內(nèi)色散相比具有不穩(wěn)定性和突發(fā)性。因此，色散相比具有不穩(wěn)定性和突發(fā)性。因此，PMDPMD補(bǔ)償?shù)碾y度比補(bǔ)償?shù)碾y度比較大，關(guān)于補(bǔ)償?shù)姆椒壳吧袩o(wú)定論。

16、較大，關(guān)于補(bǔ)償?shù)姆椒壳吧袩o(wú)定論。第25頁(yè)/共44頁(yè)第26頁(yè)/共44頁(yè) GHz4/14/1SMFLDTB比較大的時(shí)候，單模光纖帶寬：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)帶寬和距離乘積帶寬和距離乘積： BL 1 (Gb/s)km假設(shè)1550 nm為系統(tǒng)的零色散波長(zhǎng)，系統(tǒng)的BL值為： BL 40 40 Gb/sGb/s高速系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，色散成為首要考慮的因素之一高速系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，色散成為首要考慮的因素之一。第27頁(yè)/共44頁(yè)GHz4/12SMFLB比較小的時(shí)候，單模光纖帶寬：比較小的時(shí)候，單模光纖帶寬：不同線寬下的系統(tǒng)色散所允不同線寬下的系統(tǒng)色散所允許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系0 nm：展寬遠(yuǎn)小于一個(gè)比特：展寬遠(yuǎn)小于一個(gè)比特 時(shí)的光源線寬時(shí)的光源線寬結(jié)論：結(jié)