光纤的特征参数与测试技术资料

江汉大学1第五章光纤的特征参数与测试技术限制光纤通信发展的三个重要因素：损耗：光在传输时引起能量的损耗，需中继器进行能量补充，传输距离短；色散：作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间串扰，误码率增加造成失真；非线性：引起DWDM传输信道串扰。江汉大学2§5.1光纤的损耗江汉大学3§5.1光纤的损耗重要数据:0.5dB~0.9;1dB~0.8;2dB~.6;3dB~0.5;10dB~0.120dB~0.01定义：单位长度光纤光功率衰减分贝数。kmdBLPPinoutlg10损耗的来源：1.光纤材料的吸收与散射损耗2.光纤的微弯与宏弯损耗3.光纤的连接与耦合损耗第5章5.1光纤的损耗江汉大学4光纤的损耗分类损耗吸收损耗杂质离子吸收散射损耗本征吸收制作缺陷本征散射及其他过渡金属离子OH~离离紫外吸收红外吸收折射率分布不均匀芯涂层界面不理想气泡条纹结石瑞利散射布里渊散射喇曼散射第5章5.1光纤的损耗江汉大学5§5.1.1光纤材料的吸收损耗1.基质材料的本征吸收2.杂质吸收3.原子缺陷吸收第5章5.1光纤的损耗江汉大学61.基质材料的本征吸收紫外本征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λ→0.7～1.6μmα→0.05dB/km第5章5.1光纤的损耗江汉大学7晶格红外本征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，从而引起的损耗振动或声子吸收带λ→9.1、12.5、21μm峰值α→1010dB/kmα0.01dB/km第5章5.1光纤的损耗江汉大学8本征吸收曲线第5章5.1光纤的损耗江汉大学92.杂质吸收杂质：由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，例如：过渡金属离子（Fe、Mn、Ni、Cu、Co、Cr等）和OH根离子。欲使杂质吸收带中心波长处的损耗低于20dB/km，要求过渡金属离子相对含量低于10-9。OH吸收峰1.39μm、1.24μm、0.95μm光纤通信三个窗口：0.85μm、1.3μm、1.55μm处于OH-吸收谷区解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到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)第5章5.1光纤的损耗江汉大学10光纤的损耗谱第三传输窗口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)第三传输窗口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–吸收峰OH－吸收峰~2dB第5章5.1光纤的损耗江汉大学113.原子缺陷吸收材料受热辐射或光辐射引起的吸收。损耗可达几百甚至几万dB/km。为此，光纤材料一般选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收。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，引起损耗第5章5.1光纤的损耗江汉大学12OpticalFiberAttenuation第5章5.1光纤的损耗江汉大学13光纤衰减(dB)10.05.02.01.00.51982年1980年1978年0.81.01.31.51.7波长(m)不断拓展的光纤窗口波长2004年第5章5.1光纤的损耗江汉大学14§5.1.2散射损耗1.瑞利散射TheLordRayleighJohnWilliamStrutt,3rdBaronRayleighRayleighscatteringismoredramaticaftersunset.Thispicturewastakenaboutonehouraftersunsetat500maltitude,lookingatthehorizonwherethesunhadset.特点：不可能消除的损耗Figureshowingthegreaterproportionofbluelightscatteredbytheatmosphererelativetoredlight.第5章5.1光纤的损耗江汉大学15瑞利散射的机制在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起光的散射。是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。kmdBBASR140A，B是与石英和掺杂材料有关的常数。∆是相对折射率差λ0是工作波长λ0=1.55μm∆=0.3%0.16dB/kmλ0=1.3μm0.32dB/km本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值第5章5.1光纤的损耗江汉大学16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第5章5.1光纤的损耗江汉大学17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第5章5.1光纤的损耗江汉大学182.受激喇曼散射与受激布里渊散射特点：非线性散射产生新的频率分量机理：光新光波长+声子散射非线性的散射。即当光功率超过某一阈值时，才能激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输较低的系统中可以不考虑，但在传输较高（Gb/s）的系统中要考虑。第5章5.1光纤的损耗江汉大学19§5.1.3光纤的弯曲损耗光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲第5章5.1光纤的损耗江汉大学20物理机制光纤发生弯曲全反射条件破坏约束能力下降导摸转化为辐射摸能量逸出光功率损失损耗机理第5章5.1光纤的损耗江汉大学21第5章5.1光纤的损耗江汉大学22高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！第5章5.1光纤的损耗江汉大学231.宏弯损耗第5章5.1光纤的损耗江汉大学242.过渡弯曲损耗直弯曲模场不匹配导摸与漏模之间相互耦合功率损失第5章5.1光纤的损耗江汉大学25868.8868.8log10230223010VRaaWRaVWPPccinout损耗分析cRxyrnrnrF0rF1roo损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相互耦合,并损失功率。损耗分析：等效折射率方法弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤弯曲光纤传播常数产生相移exp(-iβLz)满足波导场方程r增加导致ne(r)增加，场分布拓展导模向漏模转化,引起功率泄漏造成“过渡损耗”。损耗计算公式：第5章5.1光纤的损耗江汉大学26弯曲损耗与模场直径的关系P包层1P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：将光纤缠绕成环第5章5.1光纤的损耗江汉大学273.微弯曲损耗)5.25.1()31.345.2exp()28.334.3exp()/()2()(02011022202VVaWWVaWWkmdBWknWknpccc包层纤芯单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差Δ和纤轴的畸变。经验公式：模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升第5章5.1光纤的损耗江汉大学28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第5章5.1光纤的损耗江汉大学29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第5章5.1光纤的损耗江汉大学30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：宏弯引起信号衰减第5章5.1光纤的损耗江汉大学31新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber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第5章5.1光纤的损耗江汉大学32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第5章5.1光纤的损耗江汉大学33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1550nm的损耗系数为0.2dB/km。光纤损耗的度量LinoutePPdB/kmlog10outinPPL第5章5.1光纤的损耗江汉大学34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掺铒光纤放大器第5章5.1光纤的损耗江汉大学35§5.2光纤的色散与带宽随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽劣化的程度随数据速率的平方增大决定了电中继器之间的距离模间色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)第5章5.1光纤的损耗江汉大学36第5章5.1光纤的损耗江汉大学37第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学38色散定义mwng第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学39§5.2.1阶跃型弱导光纤的色散)(n)(n)(波导色散模间色散123UW)(单色弥散00000)(1)(1dkbnkdcknkdccdkdddg材料色散分类：1.模内色散-材料色散-波导色散2.模间色散3.偏振模色散第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学401.材料色散纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波长而变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射率随波长变化就一定导致材料色散。第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学41光纤的折射率是波长的函数n()，不同的波长的传播函数不同：可以得到传播了L后由所带来的群延时差为：Dm为材料色散系数。材料色散ddnncLcLvLTng2)(22)(22mmDLdndcLddTT减小材料色散：选择谱宽窄的光源22)(dndcDm第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学42群速度色散(GVD)m27.100/22dnd0/22dnd正常色散区反常色散区正常色散区:长波长光传播快，短波长光传播慢!（负色散值）反常色散区:短波长光传播块，长波长光传播慢!（正色散值）第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学43G.652光纤的色散正色散光纤longshort第5章5.2光纤的色散与带宽江汉大学44第5章5.2光纤的色