光纖的損耗和色散課件

第三章光纖的損耗和色散主要內容光纖的損耗色散及其引起的信號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構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 質對光的吸收而產生的損耗本征吸收：材料本身

(如SiO2)的特性決定，即便波導結 構非常完美而且材料不含任何雜質也會存在 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，同時引起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍晶格(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程引入的有害雜質帶來較強的非本征吸收OH－吸收峰~2dB解決方法：(1)光纖材料化學提純，比如達到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，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的作用下產生振動光纖制造->材料受到熱激勵

->結構不完善強粒子輻射

->材料共價鍵斷裂->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構上的不完善導致散射現象1.瑞利散射2.波導散射9ppt課件.瑞利散射波導在小于光波長尺度上的不均勻：-分子密度分布不均勻-摻雜分子導致折射率不均勻導致波導對入射光產生本征散射瑞利散射一般發(fā)生在短波長本征散射和本征吸收一起構成了損耗的理論最小值10ppt課件.波導散射導致的原因是波導缺陷-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散射11ppt課件.標準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q￠

<qqq

>qcq￠RqqCladdingCore場分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數增加14ppt課件.彎曲損耗與模場直徑的關系P包層1<P包層2Loss模場直徑小<Loss模場直徑大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：微米級的高頻彎曲微彎的原因：

光纖的生產過程中的帶來的不均 成纜時受到壓力不均

使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同導致的后果： 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，模場直徑大的模式容易發(fā)生宏彎損耗16ppt課件.宏彎和微彎對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越大長波長處附加損耗顯著17ppt課件.宏彎帶來的應用局限：Verizon的煩惱Verizon鐘愛光纖：花費230億美元配置了12.9萬公里長的光纖，直接連到180萬用戶家中，提供高速因特網和電視服務光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號衰減18ppt課件.新技術：抗宏彎的柔性光纖PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康寧公司幫組Verison解決了問題：可彎曲、折返、打結，已在2500萬戶家庭中安裝日本NTT也完成了這種光纖的研制19ppt課件.柔性光纖的優(yōu)點對光的約束增強在任意波段均可實現單模傳輸：調節(jié)空氣孔徑之間的距離可以實現光纖色散的靈活設計減少光纖中的非線性效應抗側壓性能增強20ppt課件.光纖損耗的度量光信號在光纖中傳播時，其功率隨距離L的增加呈指數衰減：可以通過損耗系數來衡量光纖鏈路的損耗特性：其中L為光纖長度。標準單模光纖(SMF)在1550nm的損耗系數為0.2dB/km。21ppt課件.損耗的補償辦法：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.主要內容光纖的損耗色散及其引起的信號失真單模光纖的色散優(yōu)化23ppt課件.3.2色散引起的信號失真光信號包含不同的頻率、模式、偏振分量f光源輸出有一定譜寬：100KHz~10MHz信號具有不同的頻譜分量24ppt課件.色散的定義分類：1.模內色散-材料色散-波導色散2.模間色散3.偏振模色散色散使信號不同的成分傳播速度不同，使信號在目的端產生碼間干擾，給信號的最后判決造成困難25ppt課件.l1l2l3l1l2l3模內色散：材料色散光纖材料對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%能量在包層模內色散：波導色散信號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.模內色散-群速度色散(GVD)信號分量的群速率是頻率/波長的函數：即不同的頻率分量間存在群時延差。信號在傳輸了距離L后，頻率分量w經歷的延時為：對于一個譜寬為Dw的脈沖，那么脈沖展寬的多少可以由下式決定：GVD參數28ppt課件.群速度色散通常在波長域習慣用Dl來表示譜寬。根據w和l之間的關系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數：

ps/(km·nm)標準單模光纖在1550nm處色散系數為~17ps/km·nm29ppt課件.正色散、負色散和零色散1.色散系數D為正：負色散b2<0v高頻光

>v低頻光2.色散系數D為負：正色散b2>0v高頻光

<v低頻光3.色散系數D為零：零色散30ppt課件.材料色散光纖的折射率是波長的函數n(l)，不同的波長的傳播函數b不同：可以得到傳播了L后由Dl所帶來的群延時差為：Dm為材料色散系數。減小材料色散：選擇譜寬窄的光源31ppt課件.波導色散假設纖芯和包層的折射率與波長無關，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，傳播函數b近似等于：可以得到傳播了L后波長l所經歷的群延時為：其中V為歸一化頻率。進一步可以得到波導色散導致的脈沖展寬：其中32ppt課件.標準單模光纖總的模內色散1320-材料色散的影響一般大于波導色散：|Dm|>|Dw|-波導色散系數通常為負值總色散系數D≈Dm+Dw33ppt課件.模內色散影響下的光纖帶寬：寬譜光源Dl比較大的時候，單模光纖帶寬：例：考慮一個工作在1550nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15nm，使用標準單模光纖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.模內色散對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系結論：1)光源線寬越寬色散越嚴重2)零色散光纖對提高系統(tǒng)性能作用明顯對于高速光鏈路(>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致了模間色散對于子午光線，經過長度L后模間色散可能產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)雙折射效應導致了偏振模色散光纖對傳播模式的兩個偏振分量的傳播速度不同37ppt課件.PMD的外部因素及其特點外部因素：環(huán)境變化如振動、溫度、應力等特點：具有很強的不穩(wěn)定性和突發(fā)性因此，PMD補償的難度比較大，補償方法目前尚無定論38ppt課件.PMD對傳輸的影響PMD對>40-Gb/s傳輸系統(tǒng)的影響將更加顯著39ppt課件.主要內容光纖的損耗色散及其引起的信號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)化設計1550nm13201550nmG.653色散位移光纖：讓損耗和色散最低點都在1550nm辦法：材料色散不變，通過改變 折射率剖面形狀來增大波 導色散，使零色散點往長 波長方向移動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保持相近的色散值，適用于波分復用系統(tǒng)普通商用光纖色散平坦光纖42ppt課件.色散補償光纖(DCF)色散補償光纖傳輸光纖010050100150200傳播長度