光纖通信原理第三章光纖的傳輸特性

1、光纖通信原理第三章光纖的傳輸特性第1頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.1 光纖的損耗特性3.1.1 吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH)等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。第2頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一1. 本征吸收損耗本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。(1) 紫外吸收損耗紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。第3頁，共42頁，2022年，5月20日，

2、4點57分，星期一(2) 紅外吸收損耗紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。2. 雜質(zhì)吸收損耗光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。第4頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3. 原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。第5頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.1.2 散射損耗1. 線性散射

3、損耗任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。第6頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一(1) 瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。第7頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一(2) 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)在光纖制造過程中，由

4、于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。第8頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一2. 非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。第9頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.1.3 彎曲損耗光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。第10頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星

5、期一在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。第11頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.1.4 光纖損耗系數(shù)為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：第12頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸

6、出光功率，以mW或W為單位。第13頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.2 光纖的色散特性3.2.1 色散的概念3.2.2 模式色散所謂模式色散，用光的射線理論來說，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時延差。第14頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一1. 階躍型光纖中的模式色散在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線和以臨界角c入射的光線，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達(dá)終端的時延差。第15頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一圖3.6 階躍型光纖的模式色散第1

7、6頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一2. 漸變型光纖中的模式色散在漸變型光纖中合理地設(shè)計光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時速度得到補償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。第17頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.2.3 材料色散一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個物理量來衡量，色散系數(shù)定義為單位波長間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長度光纖所產(chǎn)生的色散，用D()表示，單位是ps/（nmkm）。第18頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一2. 材料色散在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用m表

8、示。m()=Dm()L式(3-25)中：為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應(yīng)的波長范圍；L是光纖的傳播長度。第19頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.2.4 波導(dǎo)色散式(3-23)中的第二項與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw()表示。第20頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.2.5 極化色散極化色散也稱為偏振模色散，用p表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。單模光纖中可能同時存在LP01x和LP01y兩

9、種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。第21頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時，兩個極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)x和y不相等。對于弱導(dǎo)光纖，y和x之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。第22頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.2.6 總色散光纖的總色散為：值得說明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。第23頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.2.7 光纖的色散和帶

10、寬對通信容量的影響光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對于調(diào)制信號而言，光纖可以看作是一個低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號的高頻分量通過光纖時，就會受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。第24頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一圖3.12 光纖的帶寬(f為調(diào)制信號頻率)第25頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一通常把調(diào)制信號經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對應(yīng)的

11、頻率，故也稱為3dB光帶寬?？捎檬?3-33)表示。第26頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一光功率總是要用光電子器件來檢測，而光檢測器輸出的電流正比于被檢測的光功率，于是：從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對應(yīng)于6dB電帶寬。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一1. 色散與帶寬的關(guān)系既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。2. 模式畸變帶寬和波長色散帶寬由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：第28頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一式中：BM是由

12、模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長色散帶寬。第29頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一波長色散帶寬定義為：式中：是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長度，單位是km；D()是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長色散系數(shù))，單位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。第30頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3. 鏈路總帶寬對通信容量的影響光纖鏈路總帶寬與光纖長度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無接頭。對于無接頭的一個制造長度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=BL-式中：L是光纖的制造長度(km)，為帶

13、寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.51.0之間(多模光纖取0.50.9，單模光纖1)。第31頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.3 成纜對光纖特性的影響3.3.1 光纜特性1. 拉力特性光纜能承受的最大拉力取決于加強構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范圍。第32頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一2. 壓力特性光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。3. 彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光纜的材

14、料和結(jié)構(gòu)。4. 溫度特性光纖本身具有良好的溫度特性。第33頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.3.2 成纜對光纖特性的影響1. 成纜的附加損耗不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗，稱之為成纜損耗。2. 成纜可以改善光纖的溫度特性套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。第34頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一圖3.14 光纖和光纜的溫度特征第35頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一把光纖制成光纜，溫度特性會得到相當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實線所示。3. 機械強度增加這一點是很顯然的。一

15、般光纖的斷點強度約為15kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點強度遠(yuǎn)大于上述值；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強。第36頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一3.4 典型光纖參數(shù)目前，ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu))分別對G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。第37頁，共42頁，2022年，5月20日，4點57分，星期一G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點是在波長1.31m處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。G.653光纖稱為色散位移光纖，其特點是在波長1.55m處色散為零，損耗又最小。第38頁，共42頁，20