光纤的损耗和色散

光纤的损耗和色散一光纤的损耗1.损耗的定义光信号在光纤中传输时，其功率随着传输距离的增加以指数形式衰减。由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示apdzdp式中，α是损耗系数。设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据上式，输出光功率应为Po=Piexp(-αL)习惯上αdB/km，由上式得到损耗系数2.损耗的种类及机理一吸收损耗光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。吸收损耗与光纤材料有关。制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动，发热而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗。我们知道，物质是由原子，分子构成的，而原子又由原子核和核外电子组成，电子以一定的轨道绕原子核旋转，每个电子都具有一定的能量，处在某一轨道上，或者说每一个轨道都有一个确定的能级。距离原子核越近的原子能级较低，距离原子核越远的轨道能级越高。轨道之间这种能级差差别的大小叫做能级差，当电子从低能级向高能级跃迁时，就要吸收相应能级差的能量。a)本征吸收光纤基础材料（SiO2）固有的吸收，与波长有关。对SiO2石英系列光纤，本征吸收有两个吸收带。•紫外吸收：紫外区波长为6×10-3μm～0.39μm•石英玻璃在0.12um附近产生紫外吸收峰。•红外吸收：红外波长范围：0.76μm～300μm•石英9um,12.5um,21um和36.4um处有吸收峰，它影响的区域很宽，其吸收带的尾部可拖到1um左右，将影响光纤通信的长波波段，这也使得波段扩展困难的原因之一。•b)杂质吸收•由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。•影响最严重的是：金属过度离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损耗。二散射损耗是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光，这种现象叫做散射。原因：光纤的材料，形状，散射率分布等的缺陷或不均匀。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。1.瑞利散射光纤的折射率随机性变化而引起的。瑞利散射损耗αR与波长λ四次方成反比，可用经验公式表示为αR=A/λ4，瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差Δ。当Δ分别为0.2%和0.5%时，A分别为0.86和1.02。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。如果Δ=0.2%，在1.55μm波长，光纤最低理论极限为0.149dB/km。瑞利散射随波长的增加而急剧减小。因此在短波长0.85um处，对损耗影响最大。具体机理：在黑夜里向空中照射，可以看到一束光束，人们也曾看到过夜空中的探照灯发出粗大的光柱。为什么我们会看到这些光柱呢？这是因为有许多烟雾，灰尘等微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方，这个现象是由瑞利首先发现的，所以人们把这种散射称为瑞利散射。瑞利散射是怎样产生的呢？原来组成物质的分子、原子、电子是以某些固有的频率在振动，并能释放出波长与该振动频率相应的光。粒子的振动频率由粒子的大小来决定，粒子越大振动频率越小，释放出的光波长越长。粒子越小，振动频率越大，释放出的光波长越短。这种振动频率称为粒子振动的固有频率。但是这种振动不是自发产生的，它需要一定的能量。一旦粒子受到一定波长的光照射，而照射光的频率与该粒子振动的固有频率相等，就会引起共振。粒子内的电子便以该振动频率开始振动，结果是该粒子向四面八方散射出光。入射光的能量被吸收而转化为粒子的能量，粒子又将能量重新以光的形式向四面八方辐射出去。因此对于外部观察者来说，好像光照射到粒子上之后向四面八方散出去了。•（2）结构缺陷散射光纤中的气泡，纤芯和包层处的粗糙等，这种损耗与波长无关，光传输到这些地方会散射。需要改善光纤的制造工艺来改善。0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dB·km－1)单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理3.弯曲损耗二、光纤的色散•定义：由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。这种现象表现在传一个脉冲信号时，光脉冲将随着传输距离的延长，脉冲的宽度越来越被展宽。色散种类：色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。对模式色散进行的严密分析比较复杂，这里仅作简单讨论。我们知道，在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。在同一条长度为的光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。•影响光纤时延差的因素有两个：纤芯－包层相对折射率差和光纤的长度。光纤的时延差与纤芯－包层相对折射率差成正比。其中是纤芯的折射率，是包层的折射率。越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，希望较小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。cLnNAcnLcnLc12121)(22•材料色散材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。当光在折射率n的为介质中传播时，其速度v与空气中的光速C之间的关系为：v=C/n•光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。波导色散光纤的第三类色散是波导色散。由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。•三种色散的比较一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：•模式色散材料色散波导色散•对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。•对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。•对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。要使信号质量好，希望△τ能在小于脉冲宽度T的1/4的范围内几种降低色散影响的光纤设计1.色散位移单模光纤（Dispersion_ShiftFibersDSF）由前可知：石英光纤在1.55um损耗最小，在1.31um时，色散系数趋于零，称为单模光纤材料的零色散波长。DSF就是将零色散点移到1.55um出的光纤。零色散波长值取决于光纤类型；对常规单模光纤来说，该波长近似于1.31um,而对DSF，该波长近似等于1.55um。2.非零色散光纤（NZDF）•当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光放大器时，DSF光纤就会在零色散波长区出现严重的非线形效应，这样就限制了WDM技术的应用。•为了提高多波长WDM系统的传输质量，就考虑零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系统的应用。•NZDF是指光纤的工作波长移到1.54～1.565μm范围，不是在1.55um的零色散点内，在此区域内的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km·wm。此范围内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技术。•3.色散平坦光纤（DFF）有效利用带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段（1.3um-1.6um）都保持低损耗和低色散。4.色散补偿光纤（DCF）利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤。作业1．什么是损耗?光纤中存在哪些损耗?这些损耗是由什么因素引起的？2.什么是色散?光纤中存在哪些色散?3.光纤中的信号变化是由哪些因素引起的？这些因素各导致信号如何变化？