第03章光纤的传输特性

FiberCommunications@SDU-WH20101第三章光纤的传输特性3.1光纤的损耗特性3.2光纤的色散特性3.3成缆对光纤特性的影响3.4典型光纤参数FiberCommunications@SDU-WH2010★光纤的主要特性传输特性损耗色散光学特性折射率分布数值孔径芯径外径偏心度椭圆度几何尺寸机械特性温度特性FiberCommunications@SDU-WH2010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能量的传输，所以在光纤通信原理课程里我们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。FiberCommunications@SDU-WH20104•损耗定义:光纤的损耗特性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。若Pin是入纤的功率，则出纤功率Pout为：)exp(LPPinout这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：inoutPPLkmdB10log10)/(FiberCommunications@SDU-WH20105示例对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损失50％，2km后损失达75％(损失了?dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有可加性。FiberCommunications@SDU-WH201063.1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FiberCommunications@SDU-WH2010一、光纤的损耗特性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FiberCommunications@SDU-WH20101.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FiberCommunications@SDU-WH20109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FiberCommunications@SDU-WH2010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。本征吸收FiberCommunications@SDU-WH201011本征吸收晶格(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，从而引起的损耗红外区表现强烈，因此称为红外吸收FiberCommunications@SDU-WH201012本征吸收曲线FiberCommunications@SDU-WH201013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~2dB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)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1.38、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。FiberCommunications@SDU-WH201014原子缺陷吸收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FiberCommunications@SDU-WH2010153.1.2散射损耗散射损耗：光能辐射出光纤之外的一种损耗分：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。1.瑞利散射2.波导散射FiberCommunications@SDU-WH201016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也是一种本征损耗本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值FiberCommunications@SDU-WH201017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FiberCommunications@SDU-WH2010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***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。FiberCommunications@SDU-WH201019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FiberCommunications@SDU-WH201020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FiberCommunications@SDU-WH2010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。光纤弯曲：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯就叫弯曲。3.1.3弯曲损耗FiberCommunications@SDU-WH2010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。FiberCommunications@SDU-WH2010233.1.3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场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加FiberCommunications@SDU-WH201024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FiberCommunications@SDU-WH201025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微弯损耗FiberCommunications@SDU-WH201026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NAannaV222/12221增加，V减少，W0越大62/30879.2619.165.022VVaW长波长处附加损耗显著FiberCommunications@SDU-WH201027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FiberCommunications@SDU-WH201028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FiberCommunications@SDU-WH201029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FiberCommunications@SDU-WH20104.光纤损耗系数传输单位长度（1Km）光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗系数，单位是dB/Km/lg1021KmdBPPL＝　＝KmdBLPP/21FiberCommunications@SDU-WH2010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）0.851.91.92.52.121.310.320.350.440.421.550.180.200.220.23FiberCommunications@SDU-WH201032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三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/kmFiberCommunications@SDU-WH201033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FiberCommunications@SDU-WH20103.2、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FiberCommunications@SDU-WH201035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：100KHz~10MHz信号具有不同的频谱分量FiberCommunications@SDU-WH2010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