光纖的傳輸特性

理想傳輸系統(tǒng)具有什么樣的特性？幅度響應(yīng)：相位響應(yīng)：2.2光纖的傳輸特性幅度特性——衰減相位特性——色散2.2光纖的傳輸特性非線性效應(yīng)產(chǎn)生的原因是什么？影響程度有多大？如何改進(jìn)或補(bǔ)償？幅度特性——衰減衰減系數(shù)Pin：光纖始端的入射光功率Pout：光纖末端的出射光功率L：光纖長度幅度特性——衰減光纖中引起光波衰減的原因：吸收損耗散射損耗使用中造成的衰減幅度特性——衰減吸收損耗：光纖材料中的粒子吸收光能而引起光波衰減，分為本征吸收和雜質(zhì)吸收。本征吸收SiO2對光的吸收，有紫外和紅外兩個(gè)吸收帶。

(dB/km)

(μm)00.511.520.010.1110100

UV

IR

紫外吸收：隨波長增大而減小，當(dāng)波長大于500nm后，紫外吸收系數(shù)小于0.1dB/km。紅外吸收：隨波長減小而減小，諧振吸收波長在9μm，12.5μm和21μm，尾部可拖到1.5μm以下。雜質(zhì)吸收光纖材料中往往含有雜質(zhì)，雜質(zhì)也會吸收光波能量。過渡金屬離子：釩（V）、鉻（Cr）、鐵（Fe）等，在諧振波長上吸收系數(shù)很大，但目前離子濃度可以控制的很低。氫氧根離子（OH–）：濃度為百萬分之一時(shí)，在0.95μm、1.395μm處引起的附加衰減αOH分別約1dB/km和40dB/km。

IR

0.511.520.010.1110100

OH

(dB/km)

(μm)幅度特性——衰減光纖中引起光波衰減的原因：吸收損耗散射損耗使用中造成的衰減幅度特性——衰減散射損耗：介質(zhì)的不均勻或不連續(xù)會引起光波散射到非傳輸方向上，形成衰減。 固有的材料散射損耗光纖材料密度不均勻造成折射率不均勻引起的散射。瑞利散射：與波長的四次方成反比。

(dB/km)

(μm)

UV

R00.511.520.010.1110100 材料制造缺陷散射損耗纖芯中的雜質(zhì)、氣泡、不溶解離子等引起的散射損耗。 波導(dǎo)散射損耗由于光纖不是非理想圓柱光波導(dǎo)引起的散射。幅度特性——衰減光纖中引起光波衰減的原因：吸收損耗散射損耗使用中造成的衰減幅度特性——衰減使用中造成的衰減：主要有彎曲衰減、微彎衰減和接頭衰減。彎曲衰減：曲率半徑太小，破壞了全反射傳播條件，光從纖芯泄漏到包層。微彎衰減：局部彎曲造成，曲率半徑可以與光纖的橫截面尺寸比擬。常發(fā)生在套塑、成纜過程中。接頭衰減：多段光纖連接引起的衰減。

消逝場q￠

<qqq

>

qcq￠RqqCladdingCore場分布幅度特性——衰減光纖的衰減譜傳輸窗口第一窗口：0.85μm第二窗口：1.3μm第三窗口：1.55μm

R

IR

0.511.520.010.11101001st

2nd3rd

OH

(dB/km)

(μm)Δλ選擇這些波段作為傳輸窗口，并不只是光纖的原因！幅度特性——衰減光纖傳輸幅度特性的改善歸納原因（三類）：影響程度：本征紅外吸收、OH–吸收、瑞利散射、彎曲損耗吸收損耗：SiO2本征吸收（紫外、紅外）、雜質(zhì)吸收（過渡金屬離子、OH–）散射損耗：材料散射（瑞利散射）、缺陷散射（氣泡等）、波導(dǎo)散射（非圓）使用中引起的衰減：彎曲、微彎、連接幅度特性——衰減光纖傳輸幅度特性的改善材料與工藝改進(jìn)：措施：降低雜質(zhì)濃度（過渡金屬離子下降到ppm級，含氫化合物的雜質(zhì)含量控制在1ppm以下）。提高材料均勻性、減少缺陷、提高圓度。提高抗彎能力，降低連接損耗。衰減補(bǔ)償：光放大器（20dB，可補(bǔ)償多長標(biāo)準(zhǔn)SMF的衰減？）典型效果：低水峰光纖：Allwave+ZWP光纖（美國OFS公司產(chǎn)品）抗彎曲光纖：易貝超強(qiáng)彎曲不敏感光纖（武漢長飛公司產(chǎn)品），彎曲半徑10mm（<0.03dB/圈）2.2光纖的傳輸特性幅度特性——衰減相位特性——色散非線性效應(yīng)相位特性——色散色散對信息傳輸?shù)挠绊懴辔惶匦浴⑸?dǎo)致相位響應(yīng)是非線性的，即不滿足：可能的情況：時(shí)延td是ω的函數(shù)；一個(gè)ω對應(yīng)多個(gè)不同的時(shí)延td。色散分類：色度色散：不同波長，速度不同；模式色散：同一波長，路徑不同；偏振模色散：同一波長，不同偏振分量的速度不同。相位特性——色散模式色散

ΔL基模最高階模接收角

At0tHL0響應(yīng)時(shí)間差：模式色散系數(shù)：練習(xí)：階躍型MMF的n2=1.5，Δ=0.01，如果要求基模和最高階模之間的響應(yīng)時(shí)間差小于1ns，則允許的最大傳輸長度是多少？

注意：只有MMF才有模式色散！色度色散與波長相關(guān)的色散，分為材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散：群折射率隨波長變化，造成不同波長的群速度不同。

相位特性——色散材料色散系數(shù)：相位特性——色散色度色散波導(dǎo)色散：脈沖寬度脈沖寬度光波在纖芯和包層內(nèi)的傳播速度不同；光波傳播的有效速度與其在纖芯和包層中的功率分布相關(guān)功率分布又隨波長變化不同波長的有效傳播速度不同，最終造成脈沖展寬波導(dǎo)色散系數(shù)：相位特性——色散色度色散色度色散系數(shù)：20100-10-20DMat

(μm)1.11.31.5DWG(d=9μm)DWG(d=5μm)Dchrom(d=9μm)D純SiO2標(biāo)準(zhǔn)SMF的色度色散系數(shù)

1.11.31.5

(μm)-40-20020DDWG(d=9μm)DWG(d=5μm)DChrom(d=5μm)DMatGeO2摻雜SiO2光纖的色度色散系數(shù)

純SiO2光纖(d=9μm)的零色散點(diǎn)在1.31μm，在1.55μm處色散系數(shù)為Dchrom=18ps/(km?nm)。GeO2摻雜SiO2光纖(d=5μm

)的零色散點(diǎn)在1.55μm。相位特性——色散帶寬-距離積——色散對傳輸容量的限制舉例：Dchrom=18ps/(km?nm)、Δλ=1nm

結(jié)論：1Gbit/s的信號在該光纖中可以傳輸55km10Gbit/s的信號傳輸5.5km而不受色散限制相位特性——色散偏振模色散偏振模色散是隨機(jī)過程。比色度色散小得多，10Gbit/s以上的高速傳輸系統(tǒng)才需要考慮。相位特性——色散光纖傳輸相位特性的改善——色散