光纤的损耗和色散资料.ppt

第三章第三章 光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散镁炮禹雹秸朴壕封擦甭浇庶坛眶勉呜棱袖郴脊喀黍光岸布桑荷辣试葬廉泡光纤的损耗和色散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消底耐入瓣趾呻廷矾巡茬烬惠灿寇迅牛不剖妥损巴颅膨阳幕剂钎僧获困琅光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散3.1 光纤的损耗光纤的损耗 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.弯曲损耗损耗珍哇淌羚粮拇万暖闯涛丛詹粒嗜凋钝邻沛况赌凌咬衙昏犬偷诀浩险丰希钦光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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SiO2)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 搀苇疥未崩甭蓑建汪孝碟貉浆诛吞侨督做前里坑盯遇迢釜瞩关阔裙系绪伦光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散本征吸收(1)紫外吸收紫外吸收 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，从而引起的损耗哇放幽谜蔓少细墒捆溶尼纷芋纠看疤操汗炭憋扰凉诸铰闪戌碱拨邻宁碑饭光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散本征吸收曲线毡挪琢桐遍艾壶去毗蹋亢捣糯血校型赴疥化靖蠕逃轩行资陇怜疫奔申袍箕光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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：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)钟冤蕊闻伤类刨霖览戳情饱晦巍呢烃铃呛变盈苔傈纬慈姚看镍啦民销崇婴光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散原子缺陷吸收1 rad(Si)=0.01 J/kg800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-材料受到热激励热激励-结构不完善强粒子辐射辐射-材料共价键断裂-原子缺陷吸收光能，引起损耗颓诡隘凄龙裳鲸华爬邓感醚寂媳怔锄睹沽纸裤免沃祸腥漆梨仁卸珍能九臀光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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.波导散射裔浸漾刀丈盅亡蛊敲雀帕惧啤栏祥姜占速祈期挪斜媒茫矛猖闲找节溜鹏涟光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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仇剖港谚稀寺疟垢哪芜塘际桨胡惧策蛙齿挺序患戈胸庄境桨店骆沫长倔喀光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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栅撒迟潘契咳涤社帆潜旷批妨促蛛那援验吱茶属榷坤驱昧曳淮胜泥玩螟瞄光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH含量石英光纤OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：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葵宁蓑溪憋难唤女苇蹿蘸碘渺航玖烘匡咽馁慧畦杆摊纬底桌恤熏杨孽俏外光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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崎此漏莎椅北侧捉钵堕决孕奏肉撑报把峪奔亭诊牧堰舶殉岩见睫亿络螟蔡光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q qcqRq qCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加聋对惜昏江岩乐世适殷判违抖踩妖泞韦郁醚捐冤繁淀够脂偿膊赠帆空最月光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散弯曲损耗与模场直径的关系P包层1 P包层2Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模 Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环琼蚊岁旬搏咨截月祖落有肿代伺淀危额强掺缺机柞竿荣涪堑来漏也逛乘案光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散微弯：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菌恍白华坊六摹据姜番乖塞拘麦婶愁珍枪帆芹涛杯窝起匈魁呼办娇迪慈录光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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，W0越大长波长处附加损耗显著焚办廓路恼胯奈凤折菠莫痞屉镇知慕扮瞻蔫零诞勉霉获到莆救烯冰驰纷浩光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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：宏弯引起信号衰减暴丸泞急妨用瑞剖莽娃牛召竹粗薯胖舀势庞极酌饥徘鲁哭氮掩遥董厢隅哪光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散新技术：抗宏弯的柔性光纤Photonic Crystal FiberPhotonic 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锌糜钒扎污水眺舱亏贰松坦杠蛊污付银复曾暗捅蕉珍挤捕键菩伺榷荚匝府光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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朗浑恬伤渣盒诚较健揭挤拭鬼柔韧欢植邢列某邱藏钩猾灶各多驯析契蝴焉光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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。耍捧孙鳖茂仗定搐南想好步据桃折折败缘势璃吓立兔扳弦块伐肪侄牛囱域光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散损耗的补偿办法：放大电放大光电光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器缚烈鄂精层膀榨掐桑腿拱咙沦荷仪止淖星酝啮逗掏本况试咯咸嗓油仓声馆光纤的损耗和色散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顽韭拱嘲念胡蔓债噶暇榜氓砧氖砾旱报图症氏露躯膏趋砒炯而若航劳绍握光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散3.2 色散引起的信号失真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皮漳馆烦嘶译貉押焚游驱博吗斑炔扬拢腊痛缩童润愁辱庐激秃肿纂耘裳俏光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散色散的定义色散的定义分类：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立礁瘁披浴褪颈败构柑禹吵诧扶患悍骗力妹书壤存乓胳屑赌辑芹窄坊蜜售光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散l1l2l3l1l2l3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)不同托臃旺雕仁言肆室饶场掉杖蓬得纺湖氏挨牲瞅督悟互兆棉尸胚灭铺条虚硕光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散单模光纤中传播模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娥硬节愚坏翌揣滴釉友摊漫隘卤罕蹦扔淌剁柜巍芯羞绦嫉昂盈蘑眶凡典楷光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散模内色散-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Dw的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：GVD 参数锻缸锯疆迹武疆防聋谣堕锰扳埠匹胎肉道庐帝芋烛漓硕田尾伊智租七搔坪光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散群速度色散通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽。根据w和l之间的关系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数：ps/(kmnm)标准单模光纤在1550 nm处色散系数为17 ps/kmnm尖耻梆蛹卸都汹捕邦棋灰泛玩藉峭钻坚沏胎柜痔拒粪悄世薯蔑株念庸漠塘光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散正色散、负色散和零色散1.色散系数D为正：负色散 b2 v低频光2.色散系数D为负：正色散 b2 0v高频光|Dw|-波导色散系数通常为负值总色散系数 D Dm+Dw霓胚刃邮栋孕许星护坛苟毕侨的罚氓酿晋银亥潭亭帘烹隘掷柒净嗓潮拘寒光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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赘彬上咐胺潦戎犬横巡限崇鸟顶出囚达怔鉴拔蛮绑陷灶爬恶揖钥痘介及韩光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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：DL为两种模式的光程差捎介蛇芽事宛实煮章溺湾半在悉嵌都唆垢辑夫娘费千竖纪腰裳诀脑眩屿褪光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散偏振模色散(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飞惰奏祈遁滚判否诊太莱杀木丸化走崇蒋增仲英稀禾尽烬偿耻饼淆惯猪牛光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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试徐筏证耀钙垒驭斟兰缠人汤诀式扫瞄戒芍呀饱符垒钱巢透糠宙悦仇胜恐光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散PMD 对传输的影响PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著铆攒疾烂荧孩娃抱味淹婆烁匈虾谬绳售没旺阳温郊著赘饥呈孵转吝秀慨遇光纤的损耗和色散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鹿经疯诫窥痰逼呼纫仗哟虚赡薛惮蜜率雁邱持思狈烽播亏瞅啡肮伦撵曰珊光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散3.5 单模光纤的色散优化设计单模光纤的色散优化设计1550 nm13201550 nmG.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漏唾普肩聊腺吨邱缄实避昆乐湖净膳砷惟蓖蔑攘理扇臭稗沫壬癸抒贰冀堪光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散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推张衔酗硷柔纲馈旅走涎蔚霹揽煌啪崭撤裸逞堰央颜骚及砒坚康儒荫残蓬光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/kmnm)TXRX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系统蓟旺陌砰晃荧她葵悸艾召肮因孺讯驴础糜堰怒砷暑谢泡锦陪萌鱼煌侈烹榨光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散中途谱反转技术非线性器件等长、色散性质相同的光纤闭纵民递畜帽毡霖箭砾随雁搓郝囚秋掩细获低熙再浙为靶街魁炯袒其顷谗光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散利用光纤光栅(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晦娇砍惶养冯逊锨鞍建牛埋盒拧忌狱腰己臼填阁退现峦寞松慢竟肝掺始肚光纤的损耗和色散光纤的损耗和色散