第5-光纤波导4

不均匀性结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光纤产生色散。这些缺陷可能是光纤中的气泡，未发生反应的原材料及纤芯和包层交界处粗糙等。这种散射也会引起损耗。它与瑞利散射不同，这种大尺寸的散射体引起的损耗与波长无关，主要是通过改进制造工艺予以减小这种损耗。1几何效应定义：当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层中，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。2图5.11光纤弯曲段的辐射光纤受力弯曲有两类：宏观弯曲微观弯曲宏观弯曲：曲率半径比光纤直径大得多的弯曲。3微观弯曲：光纤成缆时光纤与非光滑表面接触受压而产生的随机性扭曲。4可高达100dB/Km。减小微弯损耗的方法：在光纤表面上安装护套。5总损耗上述所有损耗因素共同作用即构成了光纤的总损耗，图5.9中的黑实线即为总损耗曲线。67图5.9掺锗玻璃光纤的损耗玻璃的红外吸收根吸收峰散射损耗玻璃的紫外吸收总损耗石英玻璃光纤低损耗区域的短波长界线是由散射损耗决定的，而其长波界限则是由红外吸收损耗决定的下图是一个放大的低损耗区域，也正好是实际使用的光纤传输的波长区域。89图5.12石英玻璃光纤的损耗谱损耗值总损耗根吸收峰瑞利散射波长第一传输窗口800nm-900nm第二传输窗口1300nm第三传输窗口1550nm第四传输窗口1600nm1011图5.13一种低含水量单模光纤的损耗谱波长损耗值12图5.14HCS光纤的衰耗特性波长损耗值13图5.15全塑料光纤的损耗谱波长损耗值剪断法测量光纤损耗：先测量长光纤（长度L2）的输出光功率P2。保持注入条件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为L1的短光纤。测量短光纤L1的输出光功率P1（即长度为L=L2-L1这段光纤的输入功率）。14剪断法优点：精确、方便、易行，是测量光纤损耗的方法中精度最高。缺点：测量方法具有破坏性，不利于多次重复测量15光时域反射仪（OTDR）来测量光纤的损耗16菲涅尔反射瑞利散射连接器熔接点距离光纤末端光功率图5.16光时域反射仪的显示图是利用瑞利散射的原理设计的测量仪器。用途：测量光纤损耗系数、光纤长度、连接器/接头损耗。观察光纤沿线的均匀性，确定故障点的位置。优点：采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用方便17光纤中的脉冲畸变和信息速率功率受限系统当损耗是系统的主要限制因素时带宽受限系统在一些线路中,虽然信号功率足够,但信号波形的严重畸变影响了传输信号的准确还原18光纤的色散特性光纤色散是光纤通信的另一个重要特性。光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。（1）什么是光纤的色散光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的，它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散。（2）光纤色散的表示方法色散的大小用时延差来表示。①时延时延即指信号传输单位长度时，所需要的时间，用τ表示。②时延差不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用Δτ表示。时延差可由不同的频率成分引起，也可由不同的模式成分引起。信号的时延差与信号源的相对带宽Δf成正比，光源的相对带宽越窄，信号的时延差就越小，则引起的色散就越小。因此可得出结论：时延并不代表色散的大小，色散的程度应用时延差表示，时延差越大，色散就越严重。时延差的单位用PS/km·nm表示。（3）光纤中的色散模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数不同，它所引起的色散称为模式色散。材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。材料色散和波导色散都属于频率色散。在多模光纤中，频率色散和模式色散都存在；而在单模光纤中，只存在频率色散（包括材料色散和波导色散）。①单模光纤中的色散由于单模光纤中只有基模传输，只有材料色散和波导色散。而这两种色散都是由相位常数随频率变化而引起的当波长约在1.31μm附近时，材料色散和波导色散相互抵消，使光纤中总色散为零，因此称其为零色散波长。②多模光纤的色散当光纤的单模传输条件被破坏，将有多个导波模式传输，这样，除了材料色散和波导色散以外，还有模式色散。在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。阶跃折射率光纤中的畸变阶跃折射率光纤中由于存在材料色散波导色散多模脉冲展宽而导致信号的畸变2829图5.25阶跃折射率光纤中的波导色散比较图3.8和图5.25在800nm到900nm的波长范围内波导色散比材料色散要小得多在第一传输窗口，可以忽略系统的波导脉冲展宽在1260nm到1675nm范围内，波导色散和材料色散在同一个量级，不能忽略30材料色散和波导色散引起的脉冲展宽均正比于光源的线宽，使用窄线宽的半导体激光器可以使其最小化。但是模式失真通常在多模阶跃射率光纤中占主导地位，使得半导体激光器减小脉冲展宽的效果并不明显。在多模阶跃折射率光纤系统中通常使用较为便宜的LED光源31单模光纤中畸变单模光纤中只有材料色散波导色散3233色散位移光纤色散平坦光纤常规单模光纤色散[ps/(nm×km)]图5.27常规单模光纤色散平坦光纤色散位移光纤1.色散位移单模光纤色散位移光纤（DSF）Dispersion-ShiftedFiber,DSF）：就是将零色散点从1.3μm移到1.55μm处的光纤。对于单模光纤，只存在材料色散和波导色散。在1.55μm处，如果能够使单模光纤的材料色散和波导色散互目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，实现1.55μm处的低损耗与零色散。2.非零色散光纤非零色散光纤是指光纤的工作波长不是在1.550μm的零色散点，而是移到1.530～1.560μm范围内，在此区域内的色散值较小，约为8～10ps/km·nm。3.色散平坦光纤（Dispersion-FlattenedFiber,DFF）：1.3～1.6μm之间色散变化很小。光纤在整个光纤通信的长波段（1.3～1.6μm）都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤——色散平坦光纤（DFF）色散位移光纤：10Gb/s、100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤：波分复用系统。37色散平坦光纤的折射率分布色散平坦光纤的折射率分布如上图所示，可以在1.350μm和1.620μm两个不同波长上达到零色散，而且在这两个零色散点之间，可保持色散值比较小的色散平坦性，如图5-27所示。40图5.28折射率剖面图（a)匹配包层光纤（b)凹陷包层色散平坦光纤（c)三角色散位移光纤4.色散补偿光纤色散补偿又称为光均衡，它主要是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的展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。脉冲展宽与传输光纤长度之间的关系42脉冲展宽(ns）图5.29多模脉冲展宽在短距离上与光纤长度成正比，在长距离上与光纤长度的平方根成正比光纤长度(km)