光纤通信原理第三章光纤的传输特性.ppt

第三章光纤的传输特性 3 1光纤的损耗特性3 2光纤的色散特性3 3成缆对光纤特性的影响3 4典型光纤参数 3 1光纤的损耗特性 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 前者是由光纤材料本身的特性所决定的 称为本征吸收损耗 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 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 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 3 1 2散射损耗 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 瑞利散射是一种最基本的散射过程 属于固有散射 对于短波长光纤 损耗主要取决于瑞利散射损耗 值得强调的是 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 光纤结构不完善引起的散射损耗 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 光纤中存在两种非线性散射 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 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 在光缆的生产 接续和施工过程中 不可避免地出现弯曲 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 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 3 2光纤的色散特性 3 2 1色散的概念 3 2 2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 图3 6阶跃型光纤的模式色散 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 3 2 3材料色散 一般情况下 材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量 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 用D 表示 单位是ps nm km 2 材料色散 在已知材料色散系数的前提下 材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出 材料色散用 m表示 m Dm L式 3 25 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 3 2 4波导色散 式 3 23 中的第二项与波导的归一化传播常数b和波导的归一化频率V有关 而b和V又都是光纤折射率剖面结构参数的函数 所以式 3 23 中的第二项称之为波导色散系数 用Dw 表示 3 2 5极化色散 极化色散也称为偏振模色散 用 p表示 从本质上讲属于模式色散 这里仅给出粗略的概念 单模光纤中可能同时存在LP01x和LP01y两种基模 也可能只存在其中一种模式 并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两种模式的交替 当光纤中存在着双折射现象时 两个极化正交的LP01x和LP01y模传播常数 x和 y不相等 对于弱导光纤 y和 x之差可以近似地表示为 式中 nx和ny分别为x方向和y方向的折射率 3 2 6总色散 光纤的总色散为 值得说明的是 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 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 图3 12光纤的带宽 f为调制信号频率 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 可用式 3 33 表示 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 从式 3 34 中可以看出 3dB光带宽对应于6dB电带宽 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 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 nm km 其中材料色散占主导地位 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 B L 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成缆对光纤特性的影响 3 3 1光缆特性 1 拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积 一般要求大于1km光缆的重量 多数光缆在100 400kg范围 2 压力特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构 多数光缆能承受的最大侧压力在100 400kg 10cm 3 弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差 以及光缆的材料和结构 4 温度特性 光纤本身具有良好的温度特性 3 3 2成缆对光纤特性的影响1 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺 把光纤制成光缆后 会带来附加损耗 称之为成缆损耗 2 成缆可以改善光纤的温度特性套塑光纤或带有表面涂层的光纤 它的损耗随温度变化如图3 14中虚线所示 图3 14光纤和光缆的温度特征 把光纤制成光缆 温度特性会得到相当大的改善 如图3 14中的实线所示 3 机械强度增加 这一点是很显然的 一般光纤的断点强度约为1 5kg 而由于光缆结构中加入了加强构件 护套 甚至铠装层等 因此其断点强度远大于上述值 不仅如此 光缆的抗侧压 抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强 3 4典型光纤参数 目前 ITU T 国际电信联盟 电信标准化机构 分别对G 651光纤 G 652光纤 G 653光纤 G 654光纤 G 655光纤的主要参数特性进行了标准化 G 651光纤称为渐变型多模光纤 这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量 中短距离的通信系统中 G 652光纤称为常规单模光纤 其特点是在波长1 31 m处色散为零 系统的传输距离一般只受损耗的限制 G 653光纤称为色散位移光纤 其特点是在波长1 55 m处色散为零 损耗又最小 G 654光纤称为截止波长光纤 其特点是在波长1 31 m处色散为零 在1 55 m处色散为17 20ps nm km 和G 652光纤相同 G 655光纤称为非零色散位移光纤 是一种改进的色散位移光纤