第10講-第五章

1、 第五章第五章光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)三個限制因素三個限制因素限制光纖通信發(fā)展的三個重要因素：限制光纖通信發(fā)展的三個重要因素： 損耗：損耗：光在傳輸時引起能量的衰耗，需中繼器光在傳輸時引起能量的衰耗，需中繼器 進行能量補充，傳輸距離短；進行能量補充，傳輸距離短； 色散：色散：作為載波的光脈沖脈寬展寬，引起碼間作為載波的光脈沖脈寬展寬，引起碼間 串?dāng)_，誤碼率增加造成失真；串?dāng)_，誤碼率增加造成失真； 非線性：非線性：引起引起DWDMDWDM傳輸信道串?dāng)_。傳輸信道串?dāng)_。 1.1.光纖的損耗光纖的損耗 光纖損耗限制了光信號到達接受機的光功率，同時也限制了光纖損耗限制了光信號到達

2、接受機的光功率，同時也限制了 光通信系統(tǒng)兩中繼站之間的距離光通信系統(tǒng)兩中繼站之間的距離; ; 光纖的損耗由光纖的損耗由19731973年的年的20dB/Km20dB/Km下降至下降至19931993年的年的0.2dB/Km0.2dB/Km 光纖的損耗與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)，因此決定了光纖通光纖的損耗與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)，因此決定了光纖通 信的不同傳輸窗口。信的不同傳輸窗口。損耗的定義及來源損耗的定義及來源 定義：定義：單位長度單位長度(km)(km)光纖光功率衰減分貝數(shù)；光纖光功率衰減分貝數(shù)； 數(shù)學(xué)表達式：數(shù)學(xué)表達式： 單位：單位：dB/kmdB/km 光纖通信系統(tǒng)中光功率的單位通常用光

3、纖通信系統(tǒng)中光功率的單位通常用dBmdBm來表示來表示 損耗另一表達式損耗另一表達式1010log ()/outinPPL 1010log ()dBmP mW()()()outinPdBmP dBmL km 常用重要數(shù)據(jù)常用重要數(shù)據(jù)2mW3dBm1mW0dBm0.5mW-3dBm10mW10dBm100mW20dBm50mW?光纖的衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù) f定義：定義：單位：單位： km-1光纖的衰減系數(shù)與損耗的光纖的衰減系數(shù)與損耗的關(guān)系關(guān)系：常用數(shù)據(jù)：常用數(shù)據(jù)：a Pout/PinfLoutinPP e1010log ( )4.34ffeP81錯誤更正1010lo

4、g ()/outinPPL 光纖的損耗來源光纖的損耗來源 光纖材料的吸收與散射損耗；光纖材料的吸收與散射損耗； 光纖的微彎與宏彎損耗；光纖的微彎與宏彎損耗； 光纖的連接與耦合損耗。光纖的連接與耦合損耗。吸收與散射損耗來源吸收與散射損耗來源本征吸收損耗本征吸收損耗 紫外吸收：紫外吸收：光纖材料的電子吸收紫外光能量，躍遷到光纖材料的電子吸收紫外光能量，躍遷到高能級，同時引起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波高能級，同時引起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍。長范圍。紅外本征吸收：紅外本征吸收：光波與光纖晶格相互作用，一部分光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起損

5、耗。光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起損耗。0.7 1.6;1.31.55um0.05/umdB km吸收帶，109.1,12.5,2110/1.55,0.01/umumumdB kmumdB km吸收峰，峰值；(1) 紫外吸收紫外吸收 光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引 起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍z晶格光傳播方向kEx(2) 紅外吸收紅外吸收 光波與光纖晶格相互作光波與光纖晶格相互作 用，一部分光波能量傳用，一部分光波能量傳 遞給晶格，使其振動加遞給晶格，使其振動加

6、 劇，從而引起的損耗劇，從而引起的損耗本征吸收損耗本征吸收損耗 0.71.6;1.31.55um0.05/umdB km吸 收 帶，109.1,12.5,2110/1.55,0.01/umumumdB kmumdB km吸收峰，峰值；光纖的損耗譜光纖的損耗譜OHOH離子吸收谷區(qū)對應(yīng)三個離子吸收谷區(qū)對應(yīng)三個通信窗口，極限損耗由瑞通信窗口，極限損耗由瑞利散射決定！利散射決定！雜質(zhì)吸收損耗雜質(zhì)吸收損耗 雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收機械諧波吸收機械諧波吸收 由于材料不純凈及工藝不完善引入，由于材料不純凈及工藝不完善引入，指指過渡金屬離子過渡金屬離子 (Fe(Fe、 MnMn、 N Ni i、 Cu Cu、 Co

7、Co及及 Cr Cr等等 ) ) 和和 OH OH根離子根離子。 欲使雜質(zhì)吸收帶中心波長處的損耗低于欲使雜質(zhì)吸收帶中心波長處的損耗低于20dB/km, 20dB/km, 要要求過渡金屬離子相對含量低于求過渡金屬離子相對含量低于l0l09 9 三個吸收峰三個吸收峰：1.391.39u um m、1.241.24u um m和和0.950.95u um, m, 光纖通信三個窗口光纖通信三個窗口： 0.85 0.85u um m 、1.31.3u um m和和 1.55 1.55u um m 對應(yīng)對應(yīng)OHOH根離子吸收谷根離子吸收谷解決方法：解決方法：(1)(1)光纖材料化學(xué)提光纖材料化學(xué)提純，比如

8、達到純，比如達到99.9999999%99.9999999%的純度；的純度；(2) (2) 制造工藝上改制造工藝上改進，如避免使用氫進，如避免使用氫氧焰加熱氧焰加熱( ( 汽相軸汽相軸向沉積法向沉積法) )解決方法解決方法散射損耗散射損耗 散射損耗機制：散射損耗機制：在光纖材料中，由于某種遠小于波在光纖材料中，由于某種遠小于波長的不均勻性（例如折射率不均勻，摻雜粒子濃度不均長的不均勻性（例如折射率不均勻，摻雜粒子濃度不均勻等）引起光的散射，構(gòu)成光纖損耗。勻等）引起光的散射，構(gòu)成光纖損耗。這是光纖的固有本征損耗，也是降低光纖損耗的最終限這是光纖的固有本征損耗，也是降低光纖損耗的最終限制因素。制因

9、素。 瑞利散射（漫反射）：瑞利散射（漫反射）：是一種是一種線性散射線性散射，不產(chǎn)生，不產(chǎn)生新的頻率，與在光纖中傳輸光強度無關(guān)。新的頻率，與在光纖中傳輸光強度無關(guān)。40000(1) (/),:1.55,0.16/ km1.3,0.32/ kmSRSRSRABdB kmA BumdBumdB與石英和摻雜材料有關(guān)的常數(shù)； :工作波長；瑞利散射是目前不能被消除的瑞利散射是目前不能被消除的損耗，決定光纖損耗極限值！損耗，決定光纖損耗極限值！ 受激布里淵散射和受激拉曼散射：受激布里淵散射和受激拉曼散射： 是一種是一種非線性非線性散射，產(chǎn)生新的頻率分量。而且當(dāng)光功散射，產(chǎn)生新的頻率分量。而且當(dāng)光功率率超過某

10、一閾值超過某一閾值時，才能激勵受激喇曼散射與受激布時，才能激勵受激喇曼散射與受激布里淵散射。在傳輸率較低的系統(tǒng)中可以不考慮，但在里淵散射。在傳輸率較低的系統(tǒng)中可以不考慮，但在傳輸率較高（傳輸率較高（GbGb/s/s）的系統(tǒng)中要考慮。例如：）的系統(tǒng)中要考慮。例如：1.061.06u um m波長波長，7575u um m芯經(jīng)，芯經(jīng)，4dB/km4dB/km損耗的損耗的多模多模光纖，光纖，受激受激喇曼散射喇曼散射與受激布里與受激布里淵散射的功率閾值分別為淵散射的功率閾值分別為500W500W與與2.5W2.5W。1.061.06u um m波長波長， 7.5 7.5u um m芯經(jīng)，芯經(jīng)，0.4d

11、B/km0.4dB/km損耗的單模光纖，損耗的單模光纖，受激受激喇曼散喇曼散與受激布里與受激布里淵散射的功率閾值分別降為淵散射的功率閾值分別降為50OmW50OmW與與2.5mW2.5mW。NoticeNotice：非線性散射對光通信不利，但這種波長（頻率）：非線性散射對光通信不利，但這種波長（頻率）遷移可做光放大器。遷移可做光放大器。不斷拓展的光纖窗口波長不斷拓展的光纖窗口波長 光纖衰減(dB)10.05.02.01.00.51982 年1980 年1978 年0.8 1.0 1.3 1.5 1.7波長 (m)全波光纖全波光纖通信窗口：由通信窗口：由0.850.85m m、1.311.31m

12、 m、1.551.55m m擴展到擴展到可利用的波長資源可利用的波長資源 O-band (Original) 1260-1360 nm E-band (Extended) 1360-1460 nm S-band (Short) 1460-1530 nm C-band (Conventional) 1530-1565 nm L-band (Long) 1565-1625 nm U-band (Ultralong) 1625-1675 nm波長資源波長資源 光纖的彎曲損耗光纖的彎曲損耗 1xxRVVppx110102020122,PpxpxccVVn kn kn kVn knnxRRnRx在纖芯中

13、導(dǎo)模相速度滿足若轉(zhuǎn)化為輻射模，則:功率約束界限:越過界限的功率形成輻射損耗，因此 減小， 也減小損耗增加P83錯誤更正高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗小！高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！原因：原因：高階模在纖芯中被限制較弱，與在纖軸處傳輸?shù)幕Ｏ喔唠A模在纖芯中被限制較弱，與在纖軸處傳輸?shù)幕Ｏ啾雀拷鼘?。由色散曲線知，給定光纖（比更靠近包層。由色散曲線知，給定光纖（V V一定），一定），高階模的高階模的值較小，因此纖軸相速度值較小，因此纖軸相速度V Vp1p1較大，導(dǎo)致導(dǎo)模較大，導(dǎo)致導(dǎo)模約束功率界限更小，導(dǎo)模更容易轉(zhuǎn)化為輻射模。也即同約束功率界限更小，導(dǎo)模更容易轉(zhuǎn)化為輻射模。也即同樣彎曲

14、半徑下更多高階模光功率被損耗掉。樣彎曲半徑下更多高階模光功率被損耗掉。單模光纖彎曲損耗小，多模光纖彎曲損耗大！因此單模單模光纖彎曲損耗小，多模光纖彎曲損耗大！因此單模光纖被用作長途網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸鏈路。光纖被用作長途網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸鏈路。彎曲損耗分類彎曲損耗分類 宏彎損耗與彎曲半徑成反比。當(dāng)光纖彎曲時，高宏彎損耗與彎曲半徑成反比。當(dāng)光纖彎曲時，高 階模式首先消逝。階模式首先消逝。對于多模光纖，高階模式比低階模式到達纖芯包層對于多模光纖，高階模式比低階模式到達纖芯包層 邊界的次數(shù)更多，所以受微彎損耗影響的幾率大于邊界的次數(shù)更多，所以受微彎損耗影響的幾率大于 低階模式。低階模式。宏彎損耗宏彎損耗 22

15、2122102exp2tanh1/10log8.68,6WeeeeWUWWeRaWVaaRaWmeRRWdB k對于一般的多模光纖，10cm就可以不考慮彎曲損耗；對于一般的單模光纖，單位長度損耗系數(shù)當(dāng)以cm就可以不考為單位表征彎曲損耗時，有：可見，減小，即彎曲變強烈，則 增加場集中在慮彎芯區(qū)，曲耗；損。,場延伸很遠，。P86錯誤更正過渡彎曲損耗過渡彎曲損耗 直 彎曲模場不匹配導(dǎo)模與漏模之間相互耦合功率損失機理分析機理分析 等效折射率方法：等效折射率方法：彎曲光纖中的場可以看成某一等效折射率分布下直光纖彎曲光纖中的場可以看成某一等效折射率分布下直光纖滿足波導(dǎo)場方程滿足波導(dǎo)場方程等效折射率沿曲率半

16、徑正方向等效折射率沿曲率半徑正方向 隨隨r r增大而增大，導(dǎo)致場分布增大而增大，導(dǎo)致場分布 向此方向偏移，結(jié)果是導(dǎo)模向向此方向偏移，結(jié)果是導(dǎo)模向 漏模轉(zhuǎn)化漏模轉(zhuǎn)化, ,引起功率泄漏。引起功率泄漏。 損耗計算公式：損耗計算公式：P88錯誤更正彎曲損耗與模場直徑的關(guān)系彎曲損耗與模場直徑的關(guān)系P包層1 P包層包層2Loss模場直徑小 Loss模場直徑大Loss低階模低階模 Loss高階模高階模微彎曲損耗微彎曲損耗 微彎的原因：微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均；光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均； 成纜時受到壓力不均；成纜時受到壓力不均； 使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮或受到應(yīng)力不同；使用過程

17、中由于光纖各個部分熱脹冷縮或受到應(yīng)力不同； 導(dǎo)致的后果：導(dǎo)致的后果： 光在纖芯和包層交界面上引起散射（光在纖芯和包層交界面上引起散射（“漫反射漫反射”），導(dǎo)），導(dǎo) 致導(dǎo)模功率橫向泄漏，造成能量輻射損耗。致導(dǎo)模功率橫向泄漏，造成能量輻射損耗。 單模光纖微彎損耗單模光纖微彎損耗, ,主要取決于模場半徑主要取決于模場半徑W W0 0, ,相對折射相對折射率差率差和纖軸的畸變。和纖軸的畸變。 經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式：2202201102002()()(/)exp(3.343.28 )exp(2.453.31 )(1.52.5)pn k WdB kmn k WWWaVWWaVVW結(jié)論：模場半徑的微小變化將引

18、起微彎損耗的大幅上升！損耗補償方法損耗補償方法光纖通信系統(tǒng)中傳遞的信息總是以光脈沖的形式在光光纖通信系統(tǒng)中傳遞的信息總是以光脈沖的形式在光纖中傳輸。纖中傳輸。隨著光脈沖在光纖中傳輸，隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬，稱為脈沖的寬度被展寬，稱為色散。色散。2.2.光纖的色散與帶寬光纖的色散與帶寬 光纖色散損害光纖色散損害光纖色散種類光纖色散種類 模間色散 材料色散 波導(dǎo)色散 偏振模色散多模光纖色散（適用于局域網(wǎng)）單模光纖色散（適用于骨干網(wǎng)）材料色散：頻率材料色散：頻率變化引起折射率變變化引起折射率變化而導(dǎo)致化而導(dǎo)致變化；變化；波導(dǎo)色散：頻率波導(dǎo)色散：頻率變化引起波導(dǎo)徑向變化引起波導(dǎo)徑向參

19、量參量U U和和W W的變化，從而導(dǎo)致的變化，從而導(dǎo)致變化變化這種色散并不是由這種色散并不是由頻率不同引起，稱頻率不同引起，稱之為之為單色彌散單色彌散。這種色散與光頻率有關(guān)，即這種色散與光頻率有關(guān)，即與光的顏色有關(guān)，合稱之為與光的顏色有關(guān)，合稱之為色度色散色度色散。色散概念色散概念 色散在傳輸信號的反映上即為色散在傳輸信號的反映上即為群延時群延時。群延時：光脈沖行進單位軸向距離所需的時間。群延時：光脈沖行進單位軸向距離所需的時間。群速度：群速度：群延時：群延時：群延時差：群延時差：多模光纖：各個不同導(dǎo)模間的群速度不同而引起多模群延時多模光纖：各個不同導(dǎo)模間的群速度不同而引起多模群延時單模光纖：

20、僅存在材料色散單模光纖：僅存在材料色散 和波導(dǎo)色散和波導(dǎo)色散gdVdgnwm 011ggddVdc dknwmm色散定義色散定義 色散定義：色散定義：即光源譜寬為即光源譜寬為1nm1nm時，光脈沖信號傳播時，光脈沖信號傳播1km1km所引起的脈沖展所引起的脈沖展寬的寬的psps數(shù)。數(shù)。數(shù)學(xué)表達式：數(shù)學(xué)表達式：色散單位：色散單位：由色散可以估計光脈沖的展寬：由色散可以估計光脈沖的展寬：例如：例如：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度 6 nm，傳輸，傳輸10 公里距離，公里距離，色散脈沖展寬值為色散脈沖展寬值為 : = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 psgdDdpskm nm