光纖傳輸特性

關(guān)于光纖傳輸特性第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.1損耗

1、損耗的定義：當(dāng)光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。

2、損耗一般用損耗系數(shù)α表示：

(單位：dB/km)損耗大小影響光纖的傳輸距離長短和中繼距離的選擇，影響光纖通信系統(tǒng)的成本第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、損耗的種類吸收損耗散射損耗其他損耗第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收損耗本征吸收損耗是由于光纖材料本身吸收光能量產(chǎn)生的。主要存在紅外波段的分子振動吸收和紫外波段的電子躍遷吸收。紅外吸收對長波長有影響，紫外吸收對短波長有影響。雜質(zhì)吸收損耗主要是由于光纖中含有的各種過渡金屬離子和氫氧根（OH-）離子在光的激勵下產(chǎn)生振動，吸收光能量造成。（OH-）離子的吸收對光通信的長波長影響比較大（主要在1.38um)。第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月散射損耗散射損耗是指在光纖中傳輸?shù)囊徊糠止庥捎谏⑸涠淖儌鬏敺较?，從而使一部分光不能到達收端所產(chǎn)生的損耗。主要包含瑞利散射損耗、非線性散射損耗和波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗。瑞利散射損耗是由于光纖材料折射率分布小尺寸的隨即不均勻性所引起的本征損耗。瑞利散射損耗與波長的四次方成反比，即波長越短，損耗越大。因此對短波長窗口影響較大。非線性散射損耗是當(dāng)光強度大到一定程度時，產(chǎn)生非線性喇曼散射和布里淵散射，使輸入光信號的能量部分轉(zhuǎn)移到新的頻率成分上而形成損耗。因此非線性散射損耗是隨傳播頻率變化的。在常規(guī)光纖中由于半導(dǎo)體激光器發(fā)送光功率較小，該損耗可忽略。但在DWDM系統(tǒng)中，由于總功率很大，就必須考慮其影響。波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗是由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷引起的損耗，與波長無關(guān)。光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷主要由熔煉和拉絲工藝不完善造成。第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月其他損耗主要是連接損耗和彎曲損耗和微彎損耗。連接損耗是由于進行光纖接續(xù)是端面不平整或光纖位置未對準(zhǔn)等原因造成接頭處出現(xiàn)損耗。其大小與連接使用的工具和操作者技能有密切關(guān)系。彎曲損耗是由于光纖中部分傳導(dǎo)模在彎曲部位成為輻射模而形成的損耗。它與彎曲半徑成指數(shù)關(guān)系，彎曲半徑越大，彎曲損耗越小。微彎損耗是由于成纜時產(chǎn)生不均勻的側(cè)壓力，導(dǎo)致纖芯與包層的界面出現(xiàn)局部凹凸引起。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月連接與耦合損耗：軸偏角度偏第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月彎曲損耗（宏彎損耗和微彎損耗）

單模光纖中的宏彎損耗：a)光纖中的模場分布b)彎曲光纖中的模場分布第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月微彎損耗第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

宏彎損耗第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月彎曲損耗是光信息傳輸所受衰減的主要原因之一，它與光纖敷設(shè)的彎曲半徑有關(guān)，最小彎曲半徑常作為光纖的一項參數(shù)給出。彎曲半徑應(yīng)超出光纖包層直徑的150倍；對短期應(yīng)用，應(yīng)超過包層直徑的100倍。如果包層直徑為125μm的話，這兩個數(shù)值分別19mm和13mm。利用光纖的彎曲損耗特性，可以在光纖鏈路上引入一些可控的衰減。在需要對光進行可控衰減時，通過將光纖繞上幾圈就可以實現(xiàn)，所繞圈數(shù)和半徑均可控制衰減量。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4光纖的損耗波譜曲線損耗dB/km一般測試曲線長波長窗口瑞利散射波導(dǎo)缺陷吸收紫外吸收紅外吸收短波長窗口第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月光纖通信所使用的三個低損耗窗口:0.85um約為2.5dB/km1.31um約為0.5dB/km1.55um約為0.2dB/km第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.2光波導(dǎo)中信號失真1什么是色散，色散的分類名詞：色散信號在光纖中是由不同的頻率成份和不同的模式成份攜帶的，這些不同的頻率成份和模式成份有不同的傳播速度，使得光纖輸出波形在時間上產(chǎn)生展寬。色散種類：模內(nèi)色散（色度色散）和模間色散，偏振模色散（單模光纖中）。第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2模內(nèi)色散（色度色散）模內(nèi)色散包括材料色散和波導(dǎo)色散材料色散：纖芯的材料的折射率隨波長的變化導(dǎo)致色散。折射率隨波長的變化,使不同波長的群速度不同，造成時延差,發(fā)生脈沖展寬。在1.27um處最小波導(dǎo)色散：原因是由于光纖中只有80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播，由于包層中傳播速率大于纖芯，就出現(xiàn)色散。波導(dǎo)色散的大小取決于光纖的設(shè)計第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月色度色散第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3偏振模色散第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4模間色散模間色散產(chǎn)生的原因：即使在同一頻率的光，不同的模式群速率不一樣，也產(chǎn)生色散。它主要取決于光纖的折射率分布。模間色散主要存于多模光纖中。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

5光纖各種色散對傳輸?shù)挠绊懀篍-E+E-E+

模間色散

材料色散

偏振模色散第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月6色散效應(yīng)對高速通信系統(tǒng)的影響10Gb/s40Gb/s第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

7階躍型光纖的模式色散

在階躍型光纖中，當(dāng)光線端面的入射角小于端面臨界角時，將在纖芯中形成全反射。若每條光線代表一種模式，則不同入射角的光線代表不同的模式，不同入射角的光線，在光纖中的傳播路徑不同，而由于纖芯折射率均勻分布，纖芯中不同路徑的光線的傳播速度相同，因此不同路徑的光線到達輸出端的時延不同，從而產(chǎn)生脈沖展寬，形成模式色散。第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

漸變型光纖中光線的傳播路徑是近似于正弦形曲線，其中正弦幅度大的光線傳播距離長，而正弦幅度小的光線傳輸路程短，但由于漸變型光纖纖芯折射率分布在軸心處最大并沿徑向逐漸減小，所以正弦幅度最大的光線由于離軸心遠(yuǎn)，折射率小而傳播速率高，而正弦幅度最小的光線由于離軸心近，折射率大而傳播速率低，結(jié)果在到達輸出端時相互之間的時延差近似為零，從而使?jié)u變型多模光纖的模式色散較小。一般漸變型多模光纖的每公里長度上的最大時延差為

8漸變型光纖的模式色散第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

9單模光纖：色度色散和偏振模色散色度色散兩類：材料色散波導(dǎo)色散

色度色散參數(shù)為波長的函數(shù)；第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月偏振模色散：兩個偏振模式因光纖的不完善而出現(xiàn)傳輸常數(shù)的差異時產(chǎn)生的色散偏振模色散與色度色散相比相對較小

第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月表2-7PMD與系統(tǒng)傳輸速率

以及最大傳輸距離的關(guān)系

PMD/(ps/km1/2)最大傳輸距離/km2.5Gbit/s10Gbit/s40bit/s3.018011<11.0160010060.56400400250.116000010000625第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.3光纖的帶寬和沖激響應(yīng)光纖色散的大小除了用輸出脈沖的展寬來表征外，還可以用光纖的帶寬來表征。在被測光纖上輸入一個單色光，并對它進行強度調(diào)制，改變調(diào)制頻率，觀察光纖的輸出光功率與調(diào)制頻率的關(guān)系，從而得到光纖的頻率響應(yīng)。第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月1.光纖的帶寬

帶寬的表示可用光帶寬和電帶寬兩種表示方法。因為

表示經(jīng)光纖傳輸后，輸出光功率下降3dB，此時稱fc為光纖的光帶寬。光檢測器輸出的電流是正比于被檢測的光功率，因此可用電流來表示：

此時稱fc為光纖的電帶寬。顯然，我們所說的-3dB光帶寬和-6dB電帶寬，實際上是光纖的同一帶寬。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.4光纖中的非線性效應(yīng)1.受激拉曼散射（SRS）閥值較高,高頻率信道的能量可能通過受激拉曼散射向低頻率信道的信號的轉(zhuǎn)移,多出現(xiàn)在波分復(fù)用WDM系統(tǒng)中.2.受激布里淵散射（SBS）增益譜很窄（約10～100MHz）只要對信號載頻設(shè)計得好，可以很容易地避免SBS引起的干擾第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.4光纖中的非線性效應(yīng)3.交叉相位調(diào)制（XPM）多出現(xiàn)在相干檢測方式中，4.四波混頻（FWM）當(dāng)傳輸光工作在光纖的零色散波長附近時，四波混頻的相位條件可能得到滿足第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6.5單模光纖性能介紹色散平坦光纖：充分利用1.3um至1.55um整個波段，可以大幅度提高通信容量色散位移光纖（DSF）:將零色散點移至1.55um處，與光纖最低損耗波段一致，從而得到最低損耗和最低色散。但不利于多信道傳輸（主要有四波混頻的影響，如有少量色散FWM反而干擾減少）非零色散位移光纖（NZ－DSF）：是一種改進的色散位移光纖，在光纖制作中，適當(dāng)控制摻雜量，大到足以抑制DWDM中的四波混頻，小到足以允許單信道10Gb/s，而不需色散補償。色散補償光纖（DCF）：利用一段光纖來補償光纖中的色散。能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能的光纖稱為DCF光纖。如常規(guī)的單模光纖在1.55um波長區(qū)為正色散值，那么DCF光纖應(yīng)該具有負(fù)色散值，零色散值在1.7um以上。第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)已安裝的光纖低損耗大色散分布大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴容成本高結(jié)論:

不適用于10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652單模光纖（NDSF）第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月低損耗零色散小有效面積長距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論:

適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于DWDM應(yīng)用，處于被市場淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖（DSF）第34頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月在1530－1565nm窗口有較低的損