光纖的損耗和色散課件

第三章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2ppt課件.3.1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3ppt課件.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(guò)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 4ppt課件.本征吸收(1)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)，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5ppt課件.本征吸收曲線6ppt課件.非本征吸收光纖制造過(guò)程引入的有害雜質(zhì)帶來(lái)較強(qiáng)的非本征吸收OH－吸收峰~2dB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(guò)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)7ppt課件.原子缺陷吸收1rad(Si)=0.01J/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)

->結(jié)構(gòu)不完善強(qiáng)粒子輻射

->材料共價(jià)鍵斷裂->原子缺陷吸收光能，引起損耗8ppt課件.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9ppt課件.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10ppt課件.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11ppt課件.標(biāo)準(zhǔn)單模光纖損耗曲線摻GeO2的低損耗、低OHˉ含量石英光纖OH－0.154dB/kmAllWavefiberAllWave：逼近本征損耗單模：本征損耗+OHˉ吸收損耗常溫且未暴露在強(qiáng)輻射下12ppt課件.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13ppt課件.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￠

<qqq

>qcq￠RqqCladdingCore場(chǎng)分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數(shù)增加14ppt課件.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)15ppt課件.微彎：微米級(jí)的高頻彎曲微彎的原因：

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

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： 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16ppt課件.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l增加，V減少，W0越大長(zhǎng)波長(zhǎng)處附加損耗顯著17ppt課件.宏彎帶來(lái)的應(yīng)用局限：Verizon的煩惱Verizon鐘愛(ài)光纖：花費(fèi)230億美元配置了12.9萬(wàn)公里長(zhǎng)的光纖，直接連到180萬(wàn)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18ppt課件.新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康寧公司幫組Verison解決了問(wèn)題：可彎曲、折返、打結(jié)，已在2500萬(wàn)戶家庭中安裝日本NTT也完成了這種光纖的研制19ppt課件.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)20ppt課件.光纖損耗的度量光信號(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(guò)損耗系數(shù)來(lái)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1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km。21ppt課件.損耗的補(bǔ)償辦法：放大電放大

光電光2.5×0.6×0.6m3全光放大 EDFA

拉曼放大器0.05×0.3×0.2m3摻鉺光纖放大器22ppt課件.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23ppt課件.3.2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：100KHz~10MHz信號(hào)具有不同的頻譜分量24ppt課件.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25ppt課件.l1l2l3l1l2l3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26ppt課件.單模光纖中傳播模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27ppt課件.模內(nèi)色散-群速度色散(GVD)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w經(jīng)歷的延時(shí)為：對(duì)于一個(gè)譜寬為Dw的脈沖，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：GVD參數(shù)28ppt課件.群速度色散通常在波長(zhǎng)域習(xí)慣用Dl來(lái)表示譜寬。根據(jù)w和l之間的關(guān)系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數(shù)：

ps/(km·nm)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm處色散系數(shù)為~17ps/km·nm29ppt課件.正色散、負(fù)色散和零色散1.色散系數(shù)D為正：負(fù)色散b2<0v高頻光

>v低頻光2.色散系數(shù)D為負(fù)：正色散b2>0v高頻光

<v低頻光3.色散系數(shù)D為零：零色散30ppt課件.材料色散光纖的折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)n(l)，不同的波長(zhǎng)的傳播函數(shù)b不同：可以得到傳播了L后由Dl所帶來(lái)的群延時(shí)差為：Dm為材料色散系數(shù)。減小材料色散：選擇譜寬窄的光源31ppt課件.波導(dǎo)色散假設(shè)纖芯和包層的折射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，傳播函數(shù)b近似等于：可以得到傳播了L后波長(zhǎng)l所經(jīng)歷的群延時(shí)為：其中V為歸一化頻率。進(jìn)一步可以得到波導(dǎo)色散導(dǎo)致的脈沖展寬：其中32ppt課件.標(biāo)準(zhǔn)單模光纖總的模內(nèi)色散1320-材料色散的影響一般大于波導(dǎo)色散：|Dm|>|Dw|-波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負(fù)值總色散系數(shù)D≈Dm+Dw33ppt課件.模內(nèi)色散影響下的光纖帶寬：寬譜光源Dl比較大的時(shí)候，單模光纖帶寬：例：考慮一個(gè)工作在1550nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15nm，使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖D=17ps/km·nm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積：

BL<1Gb/s·km帶寬距離積：34ppt課件.模內(nèi)色散對(duì)傳輸帶寬的影響不同線寬下的系統(tǒng)色散所允許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系結(jié)論：1)光源線寬越寬色散越嚴(yán)重2)零色散光纖對(duì)提高系統(tǒng)性能作用明顯對(duì)于高速光鏈路(>40Gb/s)，色散成為首要考慮的因素之一35ppt課件.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(guò)長(zhǎng)度L后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展寬為：DL為兩種模式的光程差36ppt課件.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37ppt課件.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(wú)定論38ppt課件.PMD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39ppt課件.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40ppt課件.3.5單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計(jì)1550nm13201550nmG.653色散位移光纖：讓損耗和色散最低點(diǎn)都在1550nm辦法：材料色散不變，通過(guò)改變 折射率剖面形狀來(lái)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41ppt課件.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42ppt課件.色散補(bǔ)償光纖(DCF)色散補(bǔ)償光纖傳輸光纖010050100150200傳播長(zhǎng)度