《光纤中信号劣化》PPT课件

第 三 章 光 纤 中 的 信 号 劣 化 相 关 问 题 ：n 光 纤 中 信 号 衰 减 的 机 理 是 什 么 样 的 ？n 为 什 么 光 信 号 在 光 纤 中 传 播 的 时 候 会产 生 失 真 ？n 失 真 会 严 重 到 什 么 程 度 ？ 即 使 是 最 好 的 光 纤 ， 光 从 它 的 一 端 传 到另 一 端 ， 强 度 也 会 有 所 减 弱 。 光 纤 中 的 信号 劣 化 与 光 纤 的 传 输 特 性 有 关 。 光 纤 的 传输 特 性 主 要 是 指 光 纤 的 损 耗 特 性 、 色 散 特性 和 非 线 性 特 性 。 3.1 光 纤 的 损 耗 特 性 光 波 在 光 纤 中 传 输 ， 随 着 传 输 距 离 的 增 加 ，而 光 功 率 强 度 逐 渐 减 弱 ， 光 纤 对 光 波 产 生 衰 减作 用 ， 称 为 光 纤 的 损 耗 （ 或 衰 减 ） 。 光 纤 的 损 耗 限 制 了 光 信 号 的 传 播 距 离 。 光纤 的 损 耗 主 要 取 决 于 吸 收 损 耗 、 散 射 损 耗 、 弯曲 损 耗 三 种 损 耗 。 3.1.1 吸收损耗 吸 收 损 耗 是 由 制 造 光 纤 材 料 本 身 以 及 其 中 的 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 ， 包 括 :1. 本 征 吸 收 损 耗2. 杂 质 吸 收 损 耗3. 原 子 缺 陷 吸 收 损 耗 1. 本 征 吸 收 损 耗 本 征 吸 收 损 耗 在 光 学 波 长 及 其 附 近 有两 种 基 本 的 吸 收 方 式 。 (1) 紫 外 吸 收 损 耗 紫 外 吸 收 损 耗 是 由 光 纤 中 传 输 的 光 子流 将 光 纤 材 料 中 的 电 子 从 低 能 级 激 发 到高 能 级 时 ， 光 子 流 中 的 能 量 将 被 电 子 吸收 ， 从 而 引 起 的 损 耗 。 (2) 红 外 吸 收 损 耗 红 外 吸 收 损 耗 是 由 于 光 纤 中 传 播 的 光波 与 晶 格 相 互 作 用 时 ， 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 。 Si-O键 振 动 吸 收 ,谐 振 吸 收 峰 在9.1、 12.5、 21 m， 尾 巴 延 伸 至 1.51.7 m， 造 成 光 纤 工 作 波 长 的 上 限 。 2. 杂 质 吸 收 损 耗 光 纤 中 的 有 害 杂 质 主 要 有 过 渡 金 属 离 子 ， 如 铁 、 钴 、 镍 、 铜 、 锰 、 铬等 和 OH 。 OH离 子 吸 收 ： O-H键 的 基 本 谐 振 波 长 为 2.73 m， 与 Si-O键 的 谐 振 波长 相 互 影 响 ， 在 光 纤 通 信 波 段 内 产 生 一 系 列 的 吸 收 峰 ， 影 响 较 大 的 是 在1.39、 1.24、 0.95 m， 峰 之 间 的 低 损 耗 区 构 成 了 光 纤 通 信 的 三 个 窗 口 。 金 属 离 子 吸 收 ： 金 属 杂 质 的 电 子 结 构 产 生 的 边 带 吸 收 峰 （ 0.51.1 m)，目 前 杂 质 含 量 低 于 10-9， 其 影 响 已 可 忽 略 。 O H 吸 收 峰 解 决 方 法 ：(1)对 制 造 光 纤 的 材 料 进 行 严 格 的 化 学提 纯 ， 比 如 材 料 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 ) 3. 原 子 缺 陷 吸 收 损 耗 通 常 在 光 纤 的 制 造 过 程 中 ， 光 纤 材 料 受 到 某 种 热 激 励 或光 辐 射 时 将 会 发 生 某 个 共 价 键 断 裂 而 产 生 原 子 缺 陷 ， 此 时 晶格 很 容 易 在 光 场 的 作 用 下 产 生 振 动 ， 从 而 吸 收 光 能 ， 引 起 损耗 ， 其 峰 值 吸 收 波 长 约 为 630nm左 右 。 1 rad(Si) = 0.01 J/kg800人 死 亡 光 纤 吸 收 损 耗 曲 线掺 GeO2的 低 损 耗 、 低 OH含 量 石 英 光 纤O H 0.154 dB/km 几 种 掺 杂 成 分 不 同 的 光 纤 的 损 耗 比 较 3.1.2 散射损耗 空 气 中 浮 游 着 无 数 的 烟 雾 、 尘 粒 ， 光 照射 到 这 些 微 粒 上 ， 微 粒 把 光 朝 四 面 八 方 散射 ， 微 粒 越 多 ， 光 柱 越 亮 ， 光 的 散 射 损 耗越 大 ， 照 射 的 距 离 也 就 越 短 。 这 种 散 射 叫分 子 散 射 。 一 切 物 质 都 由 分 子 构 成 ， 光 纤材 料 也 不 例 外 ， 所 以 散 射 损 耗 不 可 避 免 。 另 有 一 种 散 射 是 由 光 纤 材 料 的 内 部 结 构不 完 整 所 引 起 ， 比 如 光 纤 中 有 气 泡 、 杂 质 ，粗 细 不 均 匀 ， 特 别 是 纤 芯 包 层 的 界 面 不 平滑 ， 光 传 输 到 这 里 ， 也 会 被 散 射 到 各 个 方面 。 1. 线 性 散 射 损 耗 任 何 光 纤 波 导 都 不 可 能 是 完 美 无 缺 的 ，无 论 是 材 料 、 尺 寸 、 形 状 和 折 射 率 分 布等 等 ， 均 可 能 有 缺 陷 或 不 均 匀 ， 这 将 引起 光 纤 传 播 模 式 散 射 性 的 损 耗 ， 由 于 这类 损 耗 所 引 起 的 损 耗 功 率 与 传 播 模 式 的功 率 成 线 性 关 系 ， 所 以 称 为 线 性 散 射 损耗 。 (1) 瑞 利 散 射 由 于 材 料 的 不 均 匀 使 光 信 号 向 四 面 八 方 散 射 而 引 起 的 损耗 称 为 瑞 利 散 射 损 耗 。 瑞 利 散 射 是 一 种 最 基 本 的 散 射 过 程 ，属 于 固 有 散 射 。 瑞 利 散 射 损 耗 也 是 一 种 本 征 损 耗 ， 它 和 本征 吸 收 损 耗 一 起 构 成 光 纤 损 耗 的 理 论 极 限 值 。 (2) 波 导 散 射 损 耗 在 光 纤 制 造 过 程 中 ， 由 于 工 艺 、 技 术 问 题 以 及 一 些随 机 因 素 ， 可 能 造 成 光 纤 结 构 上 的 缺 陷 ， 如 光 纤 的 纤芯 和 包 层 的 界 面 不 完 整 、 芯 径 变 化 、 圆 度 不 均 匀 、 光纤 中 残 留 气 泡 和 裂 痕 等 等 。 2. 非 线 性 散 射 损 耗 当 光 通 信 系 统 运 行 于 高 能 级 (几 毫 瓦 ） ， 且 比特 率 2.5Gb/s， 需 要 考 虑 非 线 性 效 应 。 光 纤 中 存 在 两 种 非 线 性 散 射 ， 源 于 光 波 与 二 氧化 硅 介 质 中 声 子 （ 分 子 震 动 ） 的 相 互 作 用 。 它 们都 与 石 英 光 纤 的 振 动 激 发 态 有 关 ， 分 别 为 受 激 喇曼 散 射 和 受 激 布 里 渊 散 射 。 受 激 喇 曼 散 射 受 激 喇 曼 散 射 ： 能 量 从 短 波 长 光 波 转 移 至 长 波 长 光 波 。 stimulated Raman scattering 某 物 质 能 级 1与 能 级 2之 间 的 能 量 差 为 h v， 当 频 率 为 v的 单 色 光 入 射 到 此 介 质中 时 ,如 处 于 能 级 1的 介 质 分 子 吸 收 一 个 入 射 光 子 而 跃 迁 到 某 个 虚 能 级 上 ， 并 从 此 虚 能级 跃 迁 回 到 能 级 2上 ,同 时 发 射 一 个 频 率 为 vs v- v的 散 射 光 子 ,则 vs线 称 为 喇 曼 散 射的 斯 托 克 斯 线 。 若 处 于 能 级 2上 的 分 子 吸 收 一 个 入 射 光 子 ， 随 后 从 虚 能 级 跃 迁 回 到 能级 1上 ,并 发 射 一 个 频 率 为 va v v的 散 射 光 子 ， 则 va线 称 为 喇 曼 散 射 的 反 斯 托 克斯 线 。 当 入 射 光 强 较 弱 时 ,散 射 过 程 基 本 上 是 自 发 散 射 ,即 普 通 的 喇 曼 散 射 。 当 入 射 光是 很 强 的 激 光 时 ， 受 激 散 射 成 为 主 导 的 。 散 射 光 的 这 种 变 化 过 程 有 明 显 的 阈 值 。 入 射光 强 超 过 此 阈 值 后 ,散 射 光 的 强 度 突 然 增 大 ,并 有 很 高 的 方 向 性 、 单 色 性 和 相 干 性 。 这就 是 受 激 喇 曼 散 射 。 受 激 喇 曼 散 射 可 用 于 物 质 结 构 的 研 究 ， 同 时 又 是 产 生 具 有 新 波 长的 激 光 的 一 种 方 法 。 基 于 此 效 应 而 制 成 的 喇 曼 移 频 器 ， 已 使 激 光 输 出 波 长 扩 展 到 远 红 外 和 真 空 紫 外 范 围 。 利 用 后 向 喇 曼 散 射 ， 可 以 压 缩 激 光 脉 冲 的 宽 度 ， 从 而 获 得 极 高 的峰 值 功 率 。 受 激 布 里 渊 散 射 受 激 布 里 渊 散 射 phonon scattering 受 激 布 里 渊 散 射 主 要 是 由 于 入 射 光 功 率 很 高 ， 由 光 波 产 生 的 电 磁 伸 缩 效 应 在物 质 内 激 起 超 声 波 ， 入 射 光 受 超 声 波 散 射 而 产 生 的 。 散 射 光 具 有 发 散 角 小 、线 宽 窄 等 受 激 发 射 的 特 性 。 也 可 以 把 这 种 受 激 散 射 过 程 看 作 光 子 场 与 声 子 场之 间 的 相 干 散 射 过 程 。 受 激 布 里 渊 散 射 有 可 能 在 一 个 信 道 中 引 起 严 重 畸 变 。它 会 朝 向 源 的 方 向 上 产 生 增 益 。 3.1.3 弯曲损耗 光 纤 的 弯 曲 有 两 种 形 式 ： 一 种 是 曲 率半 径 比 光 纤 的 直 径 大 得 多 的 弯 曲 ， 我 们习 惯 称 为 弯 曲 或 宏 弯 ； 另 一 种 是 光 纤 轴线 产 生 微 米 级 的 弯 曲 ， 这 种 高 频 弯 曲 习惯 称 为 微 弯 。 宏 弯 ： 在 光 缆 的 生 产 、 接 续 和 施 工 过 程 中 ， 不 可 避免 地 出 现 弯 曲 。 光 纤 有 一 定 曲 率 半 径 的 弯 曲 时 就 会 产生 辐 射 损 耗 。 当 曲 率 半 径 减 小 时 ， 损 耗 以 指 数 形 式 增加 。 高 阶 模 比 低 阶 模 容 易 发 生 宏 弯 损 耗 ， 因 此 有 时 可 用 弯 曲 的 办 法 滤 掉 高 阶 模消 逝 场q q q qc qRCladdingCore场 分 布 微 弯 是 由 于 光 纤 受 到 侧 压 力 和 套 塑 光纤 遇 到 温 度 变 化 时 ， 光 纤 的 纤 芯 、 包 层和 套 塑 的 热 膨 胀 系 数 不 一 致 而 引 起 的 ，其 损 耗 机 理 和 弯 曲 一 致 ， 也 是 由 模 式 变换 引 起 的 。 微 弯 导 致 了 导 播 模 与 泄 漏 模或 非 导 波 模 之 间 的 重 复 性 能 量 耦 合 。 微 弯 损 耗微 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 模减 小 微 弯 的 一 种 办 法 是 在 光 纤 外 面 一 层 弹 性 保 护 套 宏 弯 和 微 弯 对 损 耗 的 附 加 影 响 弯 曲 损 耗 随 模 场 直 径 增 加 显 著 增 加光 纤 弯 曲 带 来 额 外 损 耗宏 弯 损 耗微 弯损 耗 基 本 损 耗 NAannaV 22 2/12221 增 加 ， V减 少 3.1.4 光纤损耗系数 为 了 衡 量 一 根 光 纤 损 耗 特 性 的 好 坏 ，在 此 引 入 损 耗 系 数 (或 称 为 衰 减 系 数 )的 概念 ， 即 传 输 单 位 长 度 (1km)光 纤 所 引 起 的光 功 率 减 小 的 分 贝 数 ， 一 般 用 表 示 损 耗系 数 ， 单 位 是 dB/km。 用 数 学 表 达 式 表 示为 ： 式 中 ： L为 光 纤 长 度 ， 以 km为 单 位 ； P1和 P2分 别 为 光 纤 的 输 入 和 输 出 光 功 率 ， 以mW或 W为 单 位 。 ）（ 1.3 /lg10 21 KmdBPPL 在 单 模 光 纤 中 有 两 个 低 损 耗 区 域 ， 分 别 在1310nm和 1550nm附 近 ， 即 通 常 说 的 1310nm窗 口 和 1550nm窗 口 ； 1550nm窗 口 又 可 以 分为 C-band（ 1525nm 1562nm） 和 L-band（ 1565nm 1610nm） 。 一 般 标 准 单 模 光 纤在 1550 nm的 损 耗 系 数 为 0.2 dB/km。 如 图 所示 。 光 纤 的 损 耗 特 性损 耗 的 补 偿 办 法 ： （ 1） 电 放 大 ： 光 电 光 （ 2） 全 光 放 大 ： EDFA、 拉 曼 放 大 器 例 3.2 设 想 一 根 30km长 的 光 纤 ， 在 波 长 1300nm处的 衰 减 为 0.8db/km， 如 果 我 们 从 一 端 注 入 功 率 为200W的 光 信 号 ， 求 其 输 出 功 率 Pout. =10log1 PmW功 率 电 平 (dBm) 6in 3( ) 200*10P =10log 10log 7.01 1*10inP W W dBmmW W (dBm)out ( ) ( )P =10log 10log 31.01 1out inP W P W z dBmmW mW (dBm)31/10 3P=10 (1 ) 0.79 10 0.79mW mW W 3.2 光 纤 的 色 散 特 性3.2.1 色散的概念 当 日 光 通 过 棱 镜 或 水 雾 时 会 呈 现 按 红 橙 黄 绿 青 蓝紫 顺 序 排 列 的 彩 色 光 谱 。 这 是 由 于 棱 镜 材 料 （ 玻 璃 ）或 水 对 不 同 波 长 （ 对 应 于 不 同 的 颜 色 ） 的 光 呈 现 的折 射 率 n不 同 ， 从 而 使 光 的 传 播 速 度 不 同 和 折 射 角 度不 同 ， 最 终 使 不 同 颜 色 的 光 在 空 间 上 散 开 。 自 然 光 的 色 散 光 脉 冲 中 的 不 同 频 率 或 模 式 在 光 纤 中 的 群 速 度 不 同 ， 这 些频 率 成 分 和 模 式 到 达 光 纤 终 端 有 先 有 后 ， 使 得 光 脉 冲 发 生 展 宽 ，这 就 是 光 纤 的 色 散 ， 如 图 所 示 。 色 散 一 般 用 时 延 差 来 表 示 ， 所谓 时 延 差 ， 是 指 不 同 频 率 的 信 号 成 分 传 输 同 样 的 距 离 所 需 要 的时 间 之 差 。 色 散 引 起 的 脉 冲 展 宽 示 意 图模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有）材料色散：不同频率不同折射率 波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度色 散 分 类 t1t2 t3 t4脉 冲 展 宽 导 致 接 收 端 无 法 将 相 邻 的 脉 冲 分 开 ， 从 而 导 致 误 码 。因 此 ， 射 散 特 性 限 制 了 光 纤 的 传 输 容 量 。 色 散 描 述 方 式 121 2 cvg ddLvLT g 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， 频率 分 量 经 历 的 延 时 为 ：假 设 输 入 脉 冲 的 谱 宽 D不 太 宽 ， 那 么 脉 冲 展 宽 的 多 少 可 以 由下 式 决 定 ： DDD DD 222 LddLvLddddTT g222 dd 群 速 度 色 散 (GVD)（ ps2/km) DD 222 cc DDD DLLT 2 通 常 光 源 的 谱 宽 用 D来 表 示 。 根 据 和 之 间 的 关 系代 入 DT中 ， 那 么 可 以 得 到 ：其 中 D()称 为 ps/(kmnm) 222)( cD 3.2.2 模式色散 多 模 光 纤 中 不 同 模 式 的 光 束 有 不 同 的 群 速度 ， 在 传 输 过 程 中 ， 不 同 模 式 的 光 束 的 时间 延 迟 不 同 而 产 生 的 色 散 ， 称 模 式 色 散 。 所 谓 模 式 色 散 ， 用 光 的 射 线 理 论 来 说 ，就 是 由 于 轨 迹 不 同 的 各 光 线 沿 轴 向 的 平 均速 度 不 同 所 造 成 的 时 延 差 。 1. 阶 跃 型 光 纤 中 的 模 式 色 散在 阶 跃 型 光 纤 中 ， 传 播 最 快 的 和 最 慢 的两 条 光 线 分 别 是 沿 轴 线 方 向 传 播 的 光 线 和 以 临 界 角 c入 射 的 光 线 ， 如 图 3.6所 示 。 因 此 ， 在 阶 跃 型 光 纤 中 最 大 色 散是 光 线 和 光 线 到 达 终 端 的 时 延 差 。 LnncLcnT c D D 2211 11sin1qDL为 两 种 模 式 的 光 程 差 。 2. 渐 变 型 光 纤 中 的 模 式 色 散 在 渐 变 型 光 纤 中 合 理 地 设 计 光 纤 折射 率 分 布 ， 使 光 线 在 光 纤 中 传 播 时 速 度得 到 补 偿 ， 从 而 模 式 色 散 引 起 的 光 脉 冲展 宽 将 很 小 。 cnLT 8/ 21DD 3.2.3 材料色散 由 于 光 源 的 不 同 频 率 （ 或 波 长 ） 成 分 具 有 不 同 的群 速 度 ， 在 传 输 过 程 中 ， 不 同 频 率 的 光 束 的 时 间 延迟 不 同 。 由 于 材 料 折 射 率 随 光 信 号 频 率 的 变 化 而 不同 ， 光 信 号 不 同 频 率 成 分 所 对 应 的 群 速 度 不 同 ， 由此 引 起 的 色 散 称 为 材 料 色 散 。 一 般 情 况 下 ， 材 料 色 散 往 往 是 用 材 料 色 散 系 数 这个 物 理 量 来 衡 量 ， 材 料 色 散 系 数 定 义 为 单 位 波 长 间隔 内 各 频 率 成 份 通 过 单 位 长 度 光 纤 所 产 生 的 色 散 。 光 纤 的 折 射 率 是 波 长 的 函 数 n()， 则 不 同 的 波 长 的 传播 函 数 不 同 ： 可 以 得 到 传 播 了 L后 波 长 所 经 历 的 群 延 时 (材 料 色 散 )为 ： 式 中 ： 为 光 源 的 谱 线 宽 度 ， 即 光 功 率 下 降 到 峰 值 光功 率 一 半 时 所 对 应 的 波 长 范 围 ； L是 光 纤 的 传 播 长 度 。D m为 材 料 色 散 系 数 。 22)( d ndcDm ddnncLcLvLTn g 2)(2 2 )(22 mm DLd ndcLddTT DDDD减 小 材 料 色 散 方 法 ： 选 择 谱 宽 窄 的 光 源 ， 采 用 较 长 的 工 作 波 长 。 3.2.4 波导色散 单 模 光 纤 只 有 约 80%的 光 功 率 在 纤 芯 中 传 播 ，20%在 包 层 中 传 播 的 光功 率 其 速 率 要 更 大 一 些 。这 种 由 于 光 纤 波 导 结 构引 起 的 色 散 称 为 波 导 色散 。 )1(2 D bkn D dVVbdnncLdkdcTw )(1 22 假 设 纤 芯 和 包 层 的 折 射 率 与 波 长 无 关 ， 而 且 折 射 率 差 D = (n1-n2)/n1非 常 小 ， 传 播 函 数 近 似 等 于 ：可 以 得 到 传 播 了 L后 波 长 所 经 历 的 群 延 时 为 ：其 中 V为 归 一 化 频 率 。 进 一 步 可 以 得 到 波 导 色 散 导 致 的 脉 冲 展宽 ： )()( 222 www DLdVVbdVcnLddTT D DDDD D 222 )()( dVVbdVcnDw 其 中 为 光 源 的 谱 线 宽 度 ， 即 光 功 率 下 降 到 峰 值 光 功 率 一半 时 所 对 应 的 波 长 范 围 ； L是 光 纤 的 传 播 长 度 。 Dw()为 波导 色 散 系 数 波 导 色 散 系 数 一 般 为 负 值例 ： 令 n2 = 1.48， D = 0.2%，从 左 图 可 以 看 出 当 V = 2.4时 ， 有 ：因 此 可 以 算 出 在 1320 nm处 ，波 导 色 散 为 ： 26.0)( 22 dVVbdV 9.1)()( 222 D dVVbdVcnDw 2.422 )(dVVbdV 随 V变 化 的 曲 线 标 准 单 模 光 纤 总 的 模 内 色 散 1320wm DDD 一 般 来 说 材 料 色 散 的 影 响 大 于 波 导 色 散 ： |Dm| |Dw|波 导 色 散 特 性 取 决 于 光 纤 的 特 性 ， 如 ： 芯 径 a， 相 对 折 射 率 差 以 及 折 射率 分 布 等 ， 因 此 可 以 通 过 改 变 光 纤 特 性 来 改 变 其 色 散 特 性 。 色 散 的 改 变主 要 集 中 在 零 色 散 波 长 的 位 移 和 色 散 平 坦 两 方 面 。 3.2.5 偏振模色散（极化色散）偏 振 模 色 散 （ PMD） 也 称 为 极 化 色 散 。 由 于 光 信 号 的 两 个 正 交 偏振 态 在 光 纤 中 有 不 同 的 传 播 速 度 而 引 起 的 色 散 称 偏 振 模 色 散 。偏 振 模 色 散 本 征 光 纤 双 折 射随 机 的 偏 振 模 耦 合双 折 射 的 光 通 信 器 件 偏 振 模 色 散 产 生 的 原 因 偏 振 模 色 散 (PMD)PMD 受 环 境 (如 振 动 、 温 度 、 应 力 等 )影 响 非 常 显 著 ， 跟 模 内色 散 相 比 具 有 不 稳 定 性 和 突 发 性 。 因 此 ， PMD补 偿 的 难 度 比较 大 ， 关 于 补 偿 的 方 法 目 前 尚 无 定 论 。 PMD 对 传 输 的 影 响 PMD特 点一 般 采 用 两 偏 振 模 的 群 时 延 差 (Differential Group Delay)来 表 示 偏振 模 色 散 的 大 小 n 两 偏 振 模 之 间 的 模 式 耦 合 随 波 长 和 时 间 随 机 变 化 ， 所 以 偏 振 模 色散 是 一 个 统 计 量 ， 并 随 时 间 而 变 化n 当 光 纤 很 长 时 ， PMD呈 现 为 麦 克 斯 韦 分 布 。 这 个 分 布 可 以 是 一 组相 同 的 光 纤 在 同 一 波 长 处 测 量 的 结 果 ， 也 可 以 是 一 根 光 纤 在 同 一 波长 处 但 不 同 时 间 的 测 量 结 果 ， 或 者 是 同 一 光 纤 在 不 同 波 长 处 的 测 量结 果 111 DD LLvLvL yxgxgx PMD表 征 方 式 D LpsL/D2D D PMD对 光 通 信 系 统 的 影 响 按 照 国 际 标 准 技 术 规 范 小 组 的 观 点 ： 为 保 证 PMD导 致 的 系 统功 率 代 价 在 1dB以 下 ， 偏 振 模 色 散 的 群 时 延 差 的 平 均 值 必 须 小于 一 比 特 周 期 的 十 分 之 一 (10ps for a 10Gb/s system) 。 当 大 于 这一 规 定 值 时 ， 需 对 系 统 偏 振 模 色 散 进 行 补 偿 ！比 特 率(Gb/s) 允 许 的 DGD平 均 值(ps) Mean DGD 系 数 为0.1ps/km光 纤 的 传 输距 离 （ km)2.5 40 16000010 10 1000040 2.5 625 3.2.6光纤总色散光 纤 的 总 色 散 为 ： M模 式 色 散 ， m材 料 色 散 ， W波 导 色 散 。 单 模 光 纤 一 般 只 给 出 色 散 系 数 D， 其 中 包 含 了 材料 色 散 和 波 导 色 散 的 共 同 影 响 。 多 模 光 纤 ）（ 31.3 )( 22 wmM 单 模 光 纤 ）（ 32.3 wm 三 种 光 纤 的 总 色 散 :1300nm最 优 化 光 纤 色 散 平 坦 光 纤色 散 位 移 光 纤 3.2.7 光纤的色散和带宽对通信容量的影响 光 纤 的 色 散 和 带 宽 描 述 的 是 光 纤 的 同 一 特性 。 其 中 色 散 特 性 是 在 时 域 中 的 表 现 形 式 ，即 光 脉 冲 经 过 光 纤 传 输 后 脉 冲 在 时 间 坐 标 轴上 展 宽 了 多 少 ； 而 带 宽 特 性 是 在 频 域 中 的 表现 形 式 ， 在 频 域 中 对 于 调 制 信 号 而 言 ， 光 纤可 以 看 作 是 一 个 低 通 滤 波 器 ， 当 调 制 信 号 的高 频 分 量 通 过 光 纤 时 ， 就 会 受 到 严 重 衰 减 ，如 图 3.12所 示 。 通 常 把 调 制 信 号 经 过 光 纤 传 播 后 ， 光 功率 下 降 一 半 (即 3dB)时 的 频 率 (fc)的 大 小 ，定 义 为 光 纤 的 带 宽 (B)。 由 于 它 是 光 功 率下 降 3dB对 应 的 频 率 ， 故 也 称 为 3dB光 带宽 。 可 用 下 式 表 示 。 ）（ 光光 33.3 30lg01 dBP fP c 光 功 率 总 是 要 用 光 电 子 器 件 来 检 测 ， 而光 检 测 器 输 出 的 电 流 正 比 于 被 检 测 的 光功 率 ， 于 是 ：从 上 式 中 可 以 看 出 ， 3dB光 带 宽 对 应 于6dB电 带 宽 。 ）（ 光光电电电电 34.3 60lg200lg200lg10 dBP fPI fIP fP ccc 1. 色 散 与 带 宽 的 关 系既 然 脉 冲 展 宽 、 色 散 和 带 宽 描 述 着 光 纤的 同 一 个 特 性 ， 那 么 它 们 之 间 必 然 存 在着 一 定 的 联 系 。2. 模 式 畸 变 带 宽 和 波 长 色 散 带 宽由 于 总 色 散 包 括 模 式 色 散 、 材 料 色 散 和波 导 色 散 ， 所 以 光 纤 的 总 带 宽 也 可 表 示为 ： 式 中 ： BM是 由 模 式 色 散 引 起 的 模 式 畸 变 带宽 ； Bc是 由 材 料 色 散 和 波 导 色 散 引 起 的 波长 色 散 带 宽 。 ）（ 47.3 21 22 cMT BBB 波 长 色 散 带 宽 定 义 为 ：式 中 ： 是 光 源 的 谱 线 宽 度 ， 单 位 是 nm；L是 光 纤 的 长 度 ， 单 位 是 km； D()是 材 料色 散 和 波 导 色 散 的 色 散 系 数 (即 波 长 色 散系 数 )， 单 位 是 ps/(nmkm)， 其 中 材 料 色散 占 主 导 地 位 。 ）（ 48.3 441 GHzLDBc D 3. 链 路 总 带 宽 对 通 信 容 量 的 影 响光 纤 链 路 总 带 宽 与 光 纤 长 度 之 间 的 关 系 要分 光 纤 链 路 中 间 有 无 接 头 。 对 于 无 接 头 的一 个 制 造 长 度 的 光 纤 总 带 宽 BT与 其 单 位 公里 带 宽 B的 关 系 如 下 ：BT=BL-式 中 ： L是 光 纤 的 制 造 长 度 (km)， 为 带 宽距 离 指 数 ， 它 的 取 值 与 光 纤 的 剖 面 分 布 及模 耦 合 状 态 有 关 ， 一 般 在 0.5 1.0之 间 (多模 光 纤 取 0.5 0.9， 单 模 光 纤 1)。 3.3 单 模 光 纤 的 优 化 设 计损 耗色 散非 线 性光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰 减输 入 信 号 输 出 信 号时 间 频 率 信 号 畸 变 ,串 扰时 间 脉 冲 展 宽 性 能 均 衡 优 化 ： 宽 谱 范 围 内 ， 综 合 优 秀 品 质低 损 耗 低 色 散 斜 率大 有 效 面 积适 当 色 散 性 能 均 衡色 散 斜 率 ： 小色 散 ： 适 当有 效 面 积 ： 大 非 线 性 带 宽 资 源DWDM系 统长 距 离 传 输 单 摸 光 纤 优 化 设 计 参 数 ： 截 止 波 长 、 色 散 、 模 场 直 径 、 弯 曲 损 耗 1550 nm1320 1550 nmG.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 -10-20-3010 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7030 (m) 普 通 光 纤 1总 色 散 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 0100 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) 非 线 性 效 应 强 ； (3) 短 波 长 过 补偿 、 长 波 长 欠 补 偿 特殊设计折射率剖面解 决 方 案 三 维 折 射 率 剖 面 Corning Leaf Index Profile几 种 新 型 光 纤康 宁 LEAF光 纤LEAF: Large Effective Area Fiber Sumitomo Pure Guide Index Profile住 友 纯 波 导 光 纤 Lucent Truewave Index Profile朗 讯 真 波 光 纤 武 汉 长 飞 大 保 实 光 纤 ITU-T关 于 单 模 光 纤 的 技 术 规 范 0.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km) 1600 1700140013001200 15001100 波 长 (nm) EDFA频 带 20 10 0-10-20 色散(ps/nm.km)G.652 & G.654G.655 G.653 色 散 与 损 耗 作 业 ：3.1-3.4