第二章 光纤传输特性

2.6光纤传输特性主要内容损耗色散光纤的带宽和冲激响应光纤中的非线性效应单模光纤性能指标2.6.1损耗1、损耗的定义：当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。2、损耗一般用损耗系数α表示：(单位：dB/km)损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择，影响光纤通信系统的成本10lginoutPLP3、损耗的种类吸收损耗散射损耗其他损耗吸收损耗本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。红外吸收对长波长有影响，紫外吸收对短波长有影响。杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的各种过渡金属离子和氢氧根（OH-）离子在光的激励下产生振动，吸收光能量造成。（OH-）离子的吸收对光通信的长波长影响比较大（主要在1.38um)。散射损耗散射损耗是指在光纤中传输的一部分光由于散射而改变传输方向，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗。主要包含瑞利散射损耗、非线性散射损耗和波导效应散射损耗。瑞利散射损耗是由于光纤材料折射率分布小尺寸的随即不均匀性所引起的本征损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，即波长越短，损耗越大。因此对短波长窗口影响较大。非线性散射损耗是当光强度大到一定程度时，产生非线性喇曼散射和布里渊散射，使输入光信号的能量部分转移到新的频率成分上而形成损耗。因此非线性散射损耗是随传播频率变化的。在常规光纤中由于半导体激光器发送光功率较小，该损耗可忽略。但在DWDM系统中，由于总功率很大，就必须考虑其影响。波导效应散射损耗是由于光纤波导结构缺陷引起的损耗，与波长无关。光纤波导结构缺陷主要由熔炼和拉丝工艺不完善造成。其他损耗主要是连接损耗和弯曲损耗和微弯损耗。连接损耗是由于进行光纤接续是端面不平整或光纤位置未对准等原因造成接头处出现损耗。其大小与连接使用的工具和操作者技能有密切关系。弯曲损耗是由于光纤中部分传导模在弯曲部位成为辐射模而形成的损耗。它与弯曲半径成指数关系，弯曲半径越大，弯曲损耗越小。微弯损耗是由于成缆时产生不均匀的侧压力，导致纤芯与包层的界面出现局部凹凸引起。连接与耦合损耗：轴偏角度偏弯曲损耗（宏弯损耗和微弯损耗）单模光纤中的宏弯损耗：a)光纤中的模场分布b)弯曲光纤中的模场分布微弯损耗宏弯损耗弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。弯曲半径应超出光纤包层直径的150倍；对短期应用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为125μm的话，这两个数值分别19mm和13mm。利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均可控制衰减量。4光纤的损耗波谱曲线损耗dB/km一般测试曲线长波长窗口瑞利散射波导缺陷吸收紫外吸收红外吸收短波长窗口光纤通信所使用的三个低损耗窗口:0.85um约为2.5dB/km1.31um约为0.5dB/km1.55um约为0.2dB/km2.6.2光波导中信号失真1什么是色散，色散的分类名词：色散信号在光纤中是由不同的频率成份和不同的模式成份携带的，这些不同的频率成份和模式成份有不同的传播速度，使得光纤输出波形在时间上产生展宽。色散种类：模内色散（色度色散）和模间色散，偏振模色散（单模光纤中）。2模内色散（色度色散）模内色散包括材料色散和波导色散材料色散：纤芯的材料的折射率随波长的变化导致色散。折射率随波长的变化,使不同波长的群速度不同，造成时延差,发生脉冲展宽。在1.27um处最小波导色散：原因是由于光纤中只有80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播，由于包层中传播速率大于纤芯，就出现色散。波导色散的大小取决于光纤的设计色度色散3偏振模色散4模间色散模间色散产生的原因：即使在同一频率的光，不同的模式群速率不一样，也产生色散。它主要取决于光纤的折射率分布。模间色散主要存于多模光纤中。5光纤各种色散对传输的影响：E-E+E-E+•模间色散•材料色散•偏振模色散6色散效应对高速通信系统的影响10Gb/s40Gb/s7阶跃型光纤的模式色散在阶跃型光纤中，当光线端面的入射角小于端面临界角时，将在纤芯中形成全反射。若每条光线代表一种模式，则不同入射角的光线代表不同的模式，不同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的传播速度相同，因此不同路径的光线到达输出端的时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线，其中正弦幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光线传输路程短，但由于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴心处最大并沿径向逐渐减小，所以正弦幅度最大的光线由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而正弦幅度最小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐变型多模光纤的模式色散较小。一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为2)0(21Cnm8渐变型光纤的模式色散9单模光纤：色度色散和偏振模色散色度色散两类：材料色散波导色散色度色散参数为波长的函数；matwgD=D=D=材料色散，波导色散，总色散偏振模色散：两个偏振模式因光纤的不完善而出现传输常数的差异时产生的色散偏振模色散与色度色散相比相对较小表2-7PMD与系统传输速率以及最大传输距离的关系PMD/(ps/km1/2)最大传输距离/km2.5Gbit/s10Gbit/s40bit/s3.01801111.0160010060.56400400250.1160000100006252.6.3光纤的带宽和冲激响应光纤色散的大小除了用输出脉冲的展宽来表征外，还可以用光纤的带宽来表征。在被测光纤上输入一个单色光，并对它进行强度调制，改变调制频率，观察光纤的输出光功率与调制频率的关系，从而得到光纤的频率响应。1.光纤的带宽带宽的表示可用光带宽和电带宽两种表示方法。因为表示经光纤传输后，输出光功率下降3dB，此时称fc为光纤的光带宽。光检测器输出的电流是正比于被检测的光功率，因此可用电流来表示：此时称fc为光纤的电带宽。显然，我们所说的-3dB光带宽和-6dB电带宽，实际上是光纤的同一带宽。dBPfcP312/1lg10)0()(lg10dBIfcI612/1lg20)0()(lg202.6.4光纤中的非线性效应1.受激拉曼散射（SRS）阀值较高,高频率信道的能量可能通过受激拉曼散射向低频率信道的信号的转移,多出现在波分复用WDM系统中.2.受激布里渊散射（SBS）增益谱很窄（约10～100MHz）只要对信号载频设计得好，可以很容易地避免SBS引起的干扰2.6.4光纤中的非线性效应3.交叉相位调制（XPM）多出现在相干检测方式中，4.四波混频（FWM）当传输光工作在光纤的零色散波长附近时，四波混频的相位条件可能得到满足2.6.5单模光纤性能介绍色散平坦光纤：充分利用1.3um至1.55um整个波段，可以大幅度提高通信容量色散位移光纤（DSF）:将零色散点移至1.55um处，与光纤最低损耗波段一致，从而得到最低损耗和最低色散。但不利于多信道传输（主要有四波混频的影响，如有少量色散FWM反而干扰减少）非零色散位移光纤（NZ－DSF）：是一种改进的色散位移光纤，在光纤制作中，适当控制掺杂量，大到足以抑制DWDM中的四波混频，小到足以允许单信道10Gb/s，而不需色散补偿。色散补偿光纤（DCF）：利用一段光纤来补偿光纤中的色散。能够实现这种功能的光纤称为DCF光纤。如常规的单模光纤在1.55um波长区为正色散值，那么DCF光纤应该具有负色散值，零色散值在1.7um以上。1550nm1310nm色散ps/nmkm普通光纤(SMF)非色散位移光纤（NDSF，G.652）已有光纤的95%波长色散位移光纤（DSF,G.653）非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）180DWDM波长范围三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652单模光纤（NDSF）低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。G.653单模光纤（DSF）在1530－1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。可以有正的或负的色散——海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。为DWDM系统的应用而设计的G.655单模光纤（NZ-DSF）结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。