光纤的损耗和色散

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,第三章 光纤的损耗和色散,主要内容,光纤的损耗,色散及其引起的信号失真,单模光纤的色散优化,3.1,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,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：,由制造光纤,材料本身,(,如,SiO,2,),的特性所决,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,本征吸收,(1),紫外吸收,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,z,晶格,光传播方向,k,E,x,(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,本征吸收曲线,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, 2 dB,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,),原子缺陷吸收,1 rad(Si) = 0.01 J/kg,800,人死亡,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,散射损耗,光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象,1.,瑞利散射,2.,波导散射,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,本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值,波导散射,导致的原因是波导缺陷,-,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,标准单模光纤损耗曲线,掺,GeO,2,的低损耗、低,OH,含量石英光纤,OH,0.154 dB/km,AllWave fiber,AllWave,：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,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,弯曲损耗,宏弯,：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲,消逝场,q,q,c,q,R,q,q,Cladding,Core,场分布,弯曲曲率半径减小,宏弯损耗指数增加,微弯,：光纤轴线产生微米级的高频弯曲,弯曲损耗与模场直径的关系,P,包层,1,P,包层,2,Loss,模场直径小,Loss,模场直径大,Loss,低阶模, 0.001 nm,l,1,l,2,l,3,l,1,l,2,l,3,模内色散：材料色散,光纤材料对不同的频率成份折射率,(,传播速率,),不同,单模光纤中传播模,80%,能量在纤芯,20%,能量在包层,模内色散：波导色散,信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度,模内色散 - 群速率色散 (GVD),信号分量的群速率是频率,/,波长的函数：,即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离,L,后，频率分量,w,经历的延时为：,对于一个谱宽为,D,w,的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：,GVD,参数,w = 2p,c,/l,群时延色散,通常在波长域习惯用,D,l,来表示谱宽。根据,w,和,l,之间的关系：,代入,D,T,中，那么可以得到：,其中,D,(,l,),称为色散系数：,ps/(kmnm),标准单模光纤在,1550 nm,处色散系数为,17 ps/km,nm,正色散、负色散和零色散,1.,色散系数,D,为正：负色散,b,2,v,低频光,2.,色散系数,D,为负：正色散,b,2, 0,v,高频光, |,D,w,|,-,波导色散系数通常为负值,总色散系数,D,D,m,+,D,w,模间色散,多模光纤中不同导波模具有不同的传播路径和速度导致了,模间色散。,对于子午光线，经过长度,L,后模间色散可能产生的最大脉,冲展宽为：,D,L,为两种模式的光程差。,偏振模色散 (PMD),双折射效应导致了偏振模色散,光纤对传播模式的两个偏振,分量的传播速度不同,PMD的外部因素及其特点,外部因素：环境变化如振动、温度、应力等,特点：具有很强的不稳定性和突发性,因此，,PMD,补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论。,PMD 对传输的影响,PMD,对,40-Gb/s,传输系统的影响将更加显著,模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源,Dl,比较大的时候，单模光纤带宽：,例：考虑一个工作在,1550 nm,的系统，光源谱宽为,15 nm,，使用,标准单模光纤,D,= 17 ps/kmnm,，那么系统,带宽和距离乘积,：,BL, 40 Gb/s),，色散成为首要考虑的因素之一,主要内容,光纤的损耗,色散及其引起的信号失真,单模光纤的色散优化,3.5,单模光纤的色散优化设计,1550 nm,1320,1550 nm,G.653,色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在,1550 nm,办法：材料色散不变，通过改变,折射率剖面形状来增大波,导色散，使零色散点往长,波长方向移动,普通商用光纤,色散位移光纤,G.656 色散平坦光纤,20,-10,-20,-30,10,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,0,30,l,(,m,m),普通光纤,l,1,总色散,l,2,色散平坦光纤,在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统,普通商用光纤,色散平坦光纤,色散补偿光纤 (DCF),色散补偿光纤,传输光纤,0,100,50,100,150,200,传播长度,总色散,(ps/nm),TX,RX,正负色散率搭配使系统累积色散为零,存在的问题：,(1),高损耗；,(2),短波长过补偿、长波长欠补偿,中途谱反转技术,非线性,器件,等长、色散性质相同的光纤,利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿,注：,FBG,是一种可以反射特定波长的光栅器件,