模式色散在多模光纤中课件

第二章第二章 光纤技术光纤技术第二节第二节 光纤的设计理论光纤的设计理论第三节第三节 光纤产品介绍光纤产品介绍第二章 光纤技术第二节 光纤的设计理论1一、色散一、色散1、色散色散：色散是指一束不同颜色的光通过透光物质后被色散是指一束不同颜色的光通过透光物质后被散开的现象。散开的现象。一束白光通过一块玻璃三棱镜变成五颜六一束白光通过一块玻璃三棱镜变成五颜六色的光带，这就是简单的色散现象。色的光带，这就是简单的色散现象。第二节第二节 光纤的设计理论光纤的设计理论一、色散第二节 光纤的设计理论2模式色散在多模光纤中课件32、光纤的色散光纤的色散：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时同的模式，在光纤中传输时，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或不同模式的间不同，因此，造成光信号中的不同频率成分或不同模式的光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形畸变的一种现象。畸变的一种现象。2、光纤的色散：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式4色散的程度可用时延差来表示，时延差越大，色散就越严色散的程度可用时延差来表示，时延差越大，色散就越严重。重。3、表示方法：色散的大小用、表示方法：色散的大小用时延差延差表示表示 不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用表示。表示。时延差的单位：时延差的单位：s色散的程度可用时延差来表示，时延差越大，色散就越严重。3、表53、色散的种类及产生原因、色散的种类及产生原因(1)模式色散：模式色散：在多模光纤中，不同模式在同一频率下传在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各种模沿不同的路径走向终端，其路径长短不同，输，各种模沿不同的路径走向终端，其路径长短不同，在终端会合时就会发生脉冲展宽。在终端会合时就会发生脉冲展宽。(只存在于多模光纤中只存在于多模光纤中)。在阶跃多模光纤中，模式色散是造成脉冲展宽的主要在阶跃多模光纤中，模式色散是造成脉冲展宽的主要原因，要比波导色散和材料色散高出原因，要比波导色散和材料色散高出12个数量级。个数量级。(2)材料色散：材料色散：由于纤芯、包层材料的折射率是波长的函由于纤芯、包层材料的折射率是波长的函数、数、材料折射率随光波长非线性变化造成的材料折射率随光波长非线性变化造成的，不同的频，不同的频率传输速度不同，对于谱宽较宽的信号，经过传输后产率传输速度不同，对于谱宽较宽的信号，经过传输后产生脉冲展宽的现象。生脉冲展宽的现象。3、色散的种类及产生原因6(3)波导色散：波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，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。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。也不相同，从而出现脉冲展宽。它与材料色散有同样的数它与材料色散有同样的数量级量级(3)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7三、光纤的损耗特性三、光纤的损耗特性光纤的损耗光纤的损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。由于损耗的存由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字信在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字信号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系号，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。统的传输距离。三、光纤的损耗特性8光纤损耗定义光纤损耗定义:长度为长度为L(km)的光纤输出端光功率的光纤输出端光功率Pout与输与输入端光功率入端光功率Pin的比值，用分贝的比值，用分贝(dB)表示。表示。通常光纤损耗用单位长度的分贝通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB/km)数表示，定义为数表示，定义为光纤损耗定义:长度为L(km)的光纤输出端光功率Pout与输9例例1一段一段30 km的光纤链路，其损耗为的光纤链路，其损耗为0.5 dB/km。如果在接收端保持如果在接收端保持0.3 W 的接收光功率，则发送端的功率的接收光功率，则发送端的功率至少为多少？至少为多少？解根据公式解根据公式由题意得：由题意得：解得解得Pmin=9.49 W。例1一段30 km的光纤链路，其损耗为0.5 dB/k10光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平不断提高的，光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平不断提高的，即随着光纤损耗的不断降低而发展起来的。即随着光纤损耗的不断降低而发展起来的。造成光纤损耗造成光纤损耗的原因很多，主要有吸收损耗、的原因很多，主要有吸收损耗、散射损耗和附加损耗，其散射损耗和附加损耗，其损耗产生机理也非常复杂，简要说明如表损耗产生机理也非常复杂，简要说明如表2-2所示。所示。光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平不断提高的，即随着光纤11模式色散在多模光纤中课件121.吸收损耗吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能转化吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能转化为热能，从而造成光功率的损失。为热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。质吸收。1）本征吸收本征吸收本征吸收是光纤基本材料（例如纯二氧化硅）固有的本征吸收是光纤基本材料（例如纯二氧化硅）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷引起的。吸收，并不是由杂质或者缺陷引起的。因此，本征吸收因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。基本上确定了任何特定材料的吸收下限。1.吸收损耗132）杂质吸收杂质吸收杂质吸收是由材料的不纯净和工艺的不完善而造成的附杂质吸收是由材料的不纯净和工艺的不完善而造成的附加吸收损耗。加吸收损耗。影响最严重的是过渡金属离子的吸收和水的影响最严重的是过渡金属离子的吸收和水的氢氧根离子的吸收。氢氧根离子的吸收。过渡金属正离子吸收包括过渡金属正离子吸收包括Cu2+，Fe2+，Cr2+，Ni2+，Mn2+，V2+，Po2+等，其电子结构产生边带吸收峰等，其电子结构产生边带吸收峰(0.51.1 m)，造成损耗。，造成损耗。由于工艺改进，这些杂质含量低于由于工艺改进，这些杂质含量低于109以以下，影响已忽略不计。下，影响已忽略不计。OH1根负离子的吸收峰在根负离子的吸收峰在0.95 m、1.23 m和和1.37 m，由于工艺改进，降低了，由于工艺改进，降低了OH1浓度，吸浓度，吸收峰影响已忽略不计。收峰影响已忽略不计。2）杂质吸收142.散射损耗散射损耗由于光纤的材料、由于光纤的材料、形状及折射率分布等的缺陷或不均匀，形状及折射率分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射光纤中传导的光散射，从而使一部分光不能到达收端所产生，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗的损耗称为散射损耗。称为散射损耗。散射损耗包括散射损耗包括线性散射线性散射损耗和损耗和非线性散射非线性散射损耗。损耗。线性和线性和非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。率是否成线性关系。线性散射损耗主要包括线性散射损耗主要包括瑞利散射瑞利散射损耗和损耗和波导散射波导散射损耗，损耗，非线性散射损耗主要包括非线性散射损耗主要包括受激拉曼散射受激拉曼散射和和受激布里渊散射受激布里渊散射等。等。2.散射损耗153.附加损耗附加损耗附加损耗属于来自外部的损耗，附加损耗属于来自外部的损耗，称为应用损耗或辐称为应用损耗或辐射损耗。射损耗。如在成缆、如在成缆、施工安装和使用运行中使光纤扭曲、施工安装和使用运行中使光纤扭曲、侧压等造成光纤宏弯曲和微弯曲所形成的损耗等。侧压等造成光纤宏弯曲和微弯曲所形成的损耗等。微弯微弯曲是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起附加损耗一曲是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起附加损耗一般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。在光缆接续和施在光缆接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲，弯曲到一定曲率半径时，工过程中，不可避免地出现弯曲，弯曲到一定曲率半径时，会产生辐射损耗。会产生辐射损耗。（1）宏弯曲：宏弯曲：如果光纤弯曲半径比光纤直径大得多，如果光纤弯曲半径比光纤直径大得多，称为宏弯曲损耗称为宏弯曲损耗T，如图如图2-5-2所示。所示。3.附加损耗16图图2-5-2光纤宏弯曲损耗光纤宏弯曲损耗图2-5-2光纤宏弯曲损耗17宏弯曲损耗可近似表示为宏弯曲损耗可近似表示为T=C1 exp(C2R)式中，式中，R为光纤弯曲的曲率半径，为光纤弯曲的曲率半径，C1与与C2为与曲率半径为与曲率半径R无无关的常数。关的常数。宏弯曲比较轻微，附加损耗很小，但随着弯曲曲率半宏弯曲比较轻微，附加损耗很小，但随着弯曲曲率半径的减小，损耗按指数增大。径的减小，损耗按指数增大。到达某个临界值到达某个临界值Rc时，若进时，若进一步减小弯曲半径，损耗会突然变得非常大，甚至导致传一步减小弯曲半径，损耗会突然变得非常大，甚至导致传输中断。输中断。Rc估算公式为估算公式为宏弯曲损耗可近似表示为18（2）光纤微弯曲光纤微弯曲是由于护套不均匀或成缆时产生不均是由于护套不均匀或成缆时产生不均匀侧向压力引起的，造成光纤轴线的曲率半径重复变化。匀侧向压力引起的，造成光纤轴线的曲率半径重复变化。这时弯曲的曲率半径不一定小于临界半径，但这种周期性变这时弯曲的曲率半径不一定小于临界半径，但这种周期性变化引起光纤中导模与辐射模间反复耦合，使一部分光能量变化引起光纤中导模与辐射模间反复耦合，使一部分光能量变成辐射模损耗掉，如图成辐射模损耗掉，如图2-5-3所示。所示。（2）光纤微弯曲是由于护套不均匀或成缆时产生不均匀侧向19图2-5-3光纤微弯曲损耗图2-5-3光纤微弯曲损耗20国际电信联盟电信标准部国际电信联盟电信标准部ITU-T(Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的几种光纤标准如下：公布的几种光纤标准如下：1.G.651光纤（渐变多模光纤）光纤（渐变多模光纤）G.651光纤的工作波长有两种：光纤的工作波长有两种：1310nm和和1550nm。在。在1310nm处具有最小色散值，在处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系处具有最小衰减系数。按照纤芯数。按照纤芯/包层尺寸，包层尺寸，G.651进一步分为进一步分为4种，它们的纤种，它们的纤芯芯/包层直径包层直径/数值孔径分别为数值孔径分别为50/125/0.200，62.5/125/0.275，85/125/0.275和和100/140/0.316.三、三、光纤产品介绍光纤产品介绍国际电信联盟电信标准部ITU-T(Telecommunic212.G.652光纤（标准单模光纤光纤（标准单模光纤/非色散位移单模光纤）非色散位移单模光纤）G.652是零色散波长在是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的处的单模光纤，它的传输距离一般只受光纤衰减的限制。在传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤处，该光纤的衰减率达到的衰减率达到0.30.4dB/km。目前已经铺设的光缆线路。目前已经铺设的光缆线路绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、波段、2.5Gb/s的干线传输，虽然在的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为处的色散较大，为20 ，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输距离可达距离可达600公里。但如果传输的数据速率达公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只，只能传输能传输50公里。公里。2.G.652光纤（标准单模光纤/非色散位移单模光纤）223.G.653光纤（色散位移光纤）光纤（色散位移光纤）G.653光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，使工程应用受到很大限制，而使工程应用受到很大限制，而G.653则把零色散点从则把零色散点从1.31处移到了处移到了1.55处，所以也称处，所以也称G.653为色散位移光纤。为色散位移光纤。它是单波长传输的最佳选择，但是对多信道应用而言，由它是单波长传输的最佳选择，但是对多信道应用而言，由于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，会产生非常严重的干扰产物，所以不适合于会产生非常严重的干扰产物，所以不适合于DWDM系统，系统，目前已不再铺设。目前已不再铺设。3.G.653光纤（色散位移光纤）G.653光纤由于23DWDM指密集波分复用，这是一项用来在现有的光纤骨干网指密集波分复用，这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰减），这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要减），这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量。的光纤的总数量。DWDM指密集波分复用，这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高244.G.654光纤（衰减最小光纤）光纤（衰减最小光纤）这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研制的，其特点是在制的，其特点是在1.55的衰减很小，仅为的衰减很小，仅为0.185dB/km，但在该波长处的色散较大，约为但在该波长处的色散较大，约为1720 ，其零，其零色散点在色散点在1.31m处。处。4.G.654光纤（衰减最小光纤）255.G.655光纤（非零色散位移光纤）光纤（非零色散位移光纤）G.655光纤是一种改进型的色散移位光纤，与光纤是一种改进型的色散移位光纤，与G.653相相比，其零色散点不在比，其零色散点不在1.55um处，而是在处，而是在1.525um或者或者1.585um处，处，1.55um处有适当的微量色散。处有适当的微量色散。G.655光纤适光纤适用于密集波分复用用于密集波分复用DWDM系统中，光纤中存在少量色散，系统中，光纤中存在少量色散，四波混频反而减少。四波混频反而减少。另外还有，另外还有，G656，色散补偿光纤等等。，色散补偿光纤等等。5.G.655光纤（非零色散位移光纤）26