光纤光纤光学及技术-第三章损耗

第三章光纤特性★光纤的主要特性传输特性损耗色散非线性光学特性折射率分布数值孔径截止波长芯径外径偏心度椭圆度同心度误差几何尺寸机械特性温度特性2光纤的传输特性光纤在光纤通信系统的主要作用是完成光信号的传输，所以最关心光纤的传输特性。光纤的传输特性主要有两部分，光纤的损耗特性和色散特性。3光纤中光传输特性损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰减损耗输入信号输出信号时间时间色散脉冲展宽频率非线性新频率4光纤的损耗系数光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。损耗系数定义:p(z)为z处的光功率，代表损耗系数，L是光纤长度，习惯上损耗系数通过下式用dB/km来表示：d()()dPzPzz()(0)zPzPe5inoutPPLkmdB10log10)/(10()lg(0)dBPLLP10(0)lg10lge4.34()dBPzPz6【例3.1】某光纤中z处的光功率，试求该光纤的损耗系数、以及5km这样的光纤的总损耗（dB）。解：0.1(0.2)()10mwzPzedB0.20.1()10(0)zzPzeePe所以=0.1（1/km）4.34dB0.434dB5km这样的光纤的总损耗=LdB=0.434×5=2.17（dB）7产生光纤损耗的原因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8光纤损耗吸收损耗本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收紫外吸收红外吸收氢氧根（OH－）吸收过渡金属离子吸收瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗散射损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗9吸收损耗本征吸收吸收损耗紫外吸收红外吸收氢氧根(OHˉ)吸收过渡金属离子吸收原子缺陷吸收杂质吸收10吸收损耗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。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。11本征吸收紫外吸收：光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起光信号的损耗。这种损耗对于波长小于0.4μm的紫外区中的光波表现得特别强烈，形成紫外吸收带。它的吸收损耗曲线已延伸到光纤通信波段(即0.8～1.7μm波段)。在短波长范围内，引起光纤损耗小于0.1dB/km。12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，红外区表现强烈，因此称为红外吸收。晶格1314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－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等15OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。解决方法：(1)光纤材料化学提纯，达到99.9999999%的纯度(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)OH离子含量降到0.8-1.0ppb时，在0.6-1.7mm范围内，吸收峰基本消失16原子缺陷吸收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导致光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗峰值吸收波长约为630nm，解决方案：提高制造工艺、不同的掺杂材料及含量17散射损耗散射损耗：光能辐射出光纤之外的一种损耗线性散射损耗和非线性散射损耗线性散射损耗：任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。主要包括：1.瑞利散射2.波导散射18瑞利散射本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值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也是一种本征损耗，固有散射粒子尺寸比波长小得多，与l-4成正比1920波导散射导致的原因是波导缺陷：缺陷尺寸大于光波波长-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等实际为结构不完善引起的模式转换或模式耦合目前的制造工艺基本可以克服波导散射传播波模变换后的传播波θ纤芯包层辐射模21非线性散射损耗光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。高功率传输时必须要考虑非线性损耗22受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。受激布里渊散射也称声子散射，phononscattering。主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。可以利用受激布里渊散射研究材料的声学特性和弹性力学特性。23标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/kmAllWavefiberAllWave：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2425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光纤弯曲：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲光纤弯曲时会造成模式转换，如低阶模变为高阶模时，传输路径增加，损耗增大；若导模转换为辐射模时，造成辐射损耗。为了尽量减小这种损耗，施工过程中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不计的程度。26光纤微弯：由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的光纤轴产生微米级的弯曲称为微弯。其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。27弯曲损耗宏弯（弯曲）：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲；微弯：光纤轴线微米级的弯曲消逝场cRCladdingCore场分布弯曲损耗与模场直径的关系*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2931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32新技术：抗宏弯的柔性光纤*PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮助Verizon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33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的理论损耗：光纤的最低损耗值单模光纤（△=0.2%）多模光纤（△=0.2%）波长（μm）理论极限值（dB/km）已达到的最低值（dB/km）理论极限值（dB/km）已达到的最低值（dB/km）0.851.91.92.52.121.310.320.350.440.421.550.180.200.220.233435光纤损耗谱特性损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰第三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km光纤损耗的克服提纯材料优化制造工艺减小光纤弯曲和接续损耗36光纤损耗对通信质量的影响损耗越大，误码率越高，传输质量越差当光发送机发送的光功率和光接收机可接收的最小光功率（接收机灵敏度）确定时，光纤的总损耗就受到限制。0rPPMAL最大传输距离37【例3.2】某一光纤通信系统光端机的指标如下：平均光发送功率为1mW，接收机灵敏度为-30dBm。线路光纤损耗系数为0.4dB/km，接头及连接器总损耗为3dB，系统富余量为8dB，估算光发送机和光接收机之间的最大传输距离。解：10lg0(dBm)1iipP00(30)8347.50.4rPPMALkm38消除损耗对光纤通信系统的影响1、降低光纤的损耗系数，并扩展低损耗区域2、光纤线路中加入中继器3940损耗的补偿办法：放大电放大光电光2.5×0.6×0.6m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05×0.3×0.2m3掺铒光纤放大器光纤的色散色散，在物理学中，是指不同颜色的光经过某种透明介质后被分散开的现象。θ1白光红光紫光脉冲展宽T光脉冲信号中的不同成份在光纤中的传输速度不同，导致脉冲信号传输后展宽甚至离散。在光纤中，光信号是由很多不同的成份（如不同模式、不同频率）组成的，由于信号的不同成份的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成份之间出现时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散。光纤色散效应对传输的影响10101011011010101101InputOutput脉冲展宽(ps)=D(ps/nm*km)*δ(nm)*L(km)TimeTime脉冲展宽1/4比特周期时会引起误码•光纤色散DispersivefiberDispersedpulseRBIN色散对光通信系统的影响信号畸变光脉冲形状畸变引起误码信号成分不同，其传播常数β也不同不同的模式，β不同模式色散,极化色散不同的光纤，β不同波导色散不同的波长，β不同材料色散47色散的定义分类：1.模内色散-材料色散-波导色散2.模间（模式）色散3.偏振模色散极化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1.色散系数D为正：正色散v高频光v低频光2.色散系数D为负：负色散v高频光v低频光3.色散系数D为零：零色散正色散、负色散和零色散1.概念光脉冲能量的载体：所有模式不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。2.模式色散的表示单位光纤长度上，模式的最大时延差传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差。多模光纤中的模式色散1、阶跃光纤中的模式色散利用几何光学①②包层n2芯区n1①传输最快的子午线②传输最慢的子午线对于①，单位长度光纤传输的时延：对于②，单位长度光纤传输的时延：cnncV1111/11121122sinsinsin)/(11nncnncVccc2212cnncnnnncncncnn12211122112多模光纤的模式色散为：2.模式色散的计算【例3.3】的阶跃光纤的纤芯折射率为1.46，则长度为2km的光纤的模式色散为多少？31max82101.45=0.01=97nsc310Ln=1%oMNPΦrzθ0V(r)210212arnrn抛物型光纤（α＝2）：cos)(coscos110rnnno模式色散（模间色散）2.渐变型