光纤的损耗和色散.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 光纤的损耗和色散,主要内容,光纤的损耗,色散及其引起的信号失真,单模光纤的色散优化,3.1,光纤的损耗,即便是在理想的光纤中都存在损耗,本征损耗。,光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：,1.,吸收损耗,2.,散射损耗,3.,弯曲损耗,损耗,吸收损耗,原子缺陷吸收：由于光纤材料的,原子结构,的,不完整,造成,非本征吸收：由,过渡金属离子,和,氢氧根离子,(,OH,),等杂,质对光的,吸收,而产生的损耗,本征吸收：,材料本身,(,如,SiO,2,),的特性决定，即便波导结,构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在,本征吸收,本征吸收,(1)紫外吸收,光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引,起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围,晶格,(2)红外吸收,光波与光纤晶格相互作,用，一部分光波能量传,递给晶格，使其振动加,剧，从而引起的损耗,本征吸收曲线,非本征吸收,光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收,OH,吸收峰,2 dB,解决方法：,(1),光纤材料化学提纯，比,如达到,99.9999999%,的,纯度,OH,和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等,(2),制造工艺上改进，如避,免使用氢氧焰加热,(,汽,相轴向沉积法,),原子缺陷吸收,1 rad(Si)=0.01 J/kg,800,人死亡,光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动,光纤制造,-,材料受到,热激励,-,结构不完善,强粒子,辐射,-,材料共价键断裂,-,原子缺陷,吸收光能，引起损耗,散射损耗,光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象,1.,瑞利散射,2.,波导散射,瑞利散射,波导在小于光波长尺度上的不均匀：,-,分子密度分布不均匀,-,掺杂分子导致折射率不均匀,导致波导对入射光产生本征散射,瑞利散射一般发生在短波长,本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值,波导散射,导致的原因是波导缺陷,-,纤芯和包层的界面不完备,-,圆度不均匀,-,残留气泡和裂痕等,目前的制造工艺基本可以克服波导散射,标准单模光纤损耗曲线,掺,GeO,2,的低损耗、低,OH,含量石英光纤,OH,0.154 dB/km,AllWave fiber,AllWave,：逼近本征损耗,单模：本征损耗,+OH,吸收损耗,常温且未暴露,在强辐射下,商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较,多模光纤的损耗大于单模光纤：,-,多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径,(,本征散射大,),-,由于纤芯,-,包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗,多模光纤,单模光纤,弯曲损耗,宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲,消逝场,q,q,c,q,R,q,q,Cladding,Core,场分布,弯曲曲率半径减小,宏弯损耗指数增加,弯曲损耗与模场直径的关系,P,包层,1,P,包层,2,Loss,模场直径小,Loss,模场直径大,Loss,低阶模,Loss,高阶模,模式剥离器：将光纤缠绕成环,微弯：微米级的高频弯曲,微弯的原因：,光纤的生产过程中的带来的不均,成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同,导致的后果：,造成能量辐射损耗,高阶模功率损耗,低阶模功率耦合到高阶模,与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗,宏弯和微弯对损耗的附加影响,宏弯损耗,微弯损耗,基本损耗,l,增加，,V,减少，,W,0,越大,长波长处附加损耗显著,宏弯带来的应用局限：,Verizon,的烦恼,Verizon,钟爱光纤：花费,230,亿美元配置了,12.9,万公里长的光纤，直接连到,180,万用户家中，提供高速因特网和电视服务,光纤到户使,Verizon,遇到困境：宏弯引起信号衰减,新技术：抗宏弯的柔性光纤,Photonic Crystal Fiber,Photonic Bandgap Fiber,康宁公司帮组,Verison,解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在,2500,万户家庭中安装,日本,NTT,也完成了这种光纤的研制,柔性光纤的优点,对光的约束增强,在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离,可以实现光纤色散的灵活设计,减少光纤中的非线性效应,抗侧压性能增强,光纤损耗的度量,光信号在光纤中传播时，其功率随距离,L,的增加呈指数衰减：,可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：,其中,L,为光纤长度。标准单模光纤,(SMF),在,1550 nm,的损耗系数为,0.2 dB/km,。,损耗的补偿办法：放大,电放大,光,电,光,2.5 0.6 0.6 m,3,全光放大,EDFA,拉曼放大器,0.05 0.3 0.2 m,3,掺铒光纤放大器,主要内容,光纤的损耗,色散及其引起的信号失真,单模光纤的色散优化,3.2,色散引起的信号失真,光信号包含不同的,频率,、,模式,、,偏振分量,f,光源输出有一定谱宽：,100 KHz10 MHz,信号具有不同的频谱分量,色散的定义,分类：,1.,模内色散,-,材料色散,-,波导色散,2.,模间色散,3.,偏振模色散,色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难,l,1,l,2,l,3,l,1,l,2,l,3,模内色散：材料色散,光纤材料对不同的频率成份折射率,(,传播速率,),不同,单模光纤中传播模,80%,能量在纤芯,20%,能量在包层,模内色散：波导色散,信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度,模内色散,-,群速度色散,(GVD),信号分量的群速率是频率,/,波长的函数：,即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离,L,后，频率分量,w,经历的延时为：,对于一个谱宽为,D,w,的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：,GVD,参数,群速度色散,通常在波长域习惯用,D,l,来表示谱宽。根据,w,和,l,之间的关系：,代入,D,T,中，那么可以得到：,其中,D,(,l,),称为色散系数：,ps/(km,nm),标准单模光纤在,1550 nm,处色散系数为,17 ps/kmnm,正色散、负色散和零色散,1.,色散系数,D,为正：负色散,b,2,v,低频光,2.,色散系数,D,为负：正色散,b,2,0,v,高频光,|,D,w,|,-,波导色散系数通常为负值,总色散系数,D,D,m,+,D,w,模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源,Dl,比较大的时候，单模光纤带宽：,例：考虑一个工作在,1550 nm,的系统，光源谱宽为,15 nm,，使用,标准单模光纤,D,=17 ps/kmnm,，那么系统,带宽和距离乘积,：,BL,40 Gb/s),，色散成为首要考虑的因素之一,模间色散,多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散,对于子午光线，经过长度,L,后模间色散可能产生的最大脉冲展,宽为：,D,L,为两种模式的光程差,偏振模色散,(PMD),双折射效应导致了偏振模色散,光纤对传播模式的两个偏振,分量的传播速度不同,PMD,的外部因素及其特点,外部因素：环境变化如振动、温度、应力等,特点：具有很强的不稳定性和突发性,因此，,PMD,补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论,PMD,对传输的影响,PMD,对,40-Gb/s,传输系统的影响将更加显著,主要内容,光纤的损耗,色散及其引起的信号失真,单模光纤的色散优化,3.5,单模光纤的色散优化设计,1550 nm,1320,1550 nm,G.653,色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在,1550 nm,办法：材料色散不变，通过改变,折射率剖面形状来增大波,导色散，使零色散点往长,波长方向移动,普通商用光纤,色散位移光纤,G.656,色散平坦光纤,在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统,普通商用光纤,色散平坦光纤,色散补偿光纤,(DCF),色散补偿光纤,传输光纤,0,100,50,100,150,200,传播长度,总色散,(ps/km,nm),TX,RX,正负色散率搭配使系统累积色散为零,缺点：,(1),高损耗；,(2),短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于,WDM,系统,中途谱反转技术,非线性,器件,等长、色散性质相同的光纤,利用光纤光栅,(FBG),进行色散补偿,注：,FBG,是一种可以反射特定波长的光栅器件,