光纖的損耗和色散.ppt

第三章 光纖的損耗和色散,主要內(nèi)容,光纖的損耗 色散及其引起的信號(hào)失真 單模光纖的色散優(yōu)化,3.1 光纖的損耗,即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗。 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。這些損耗主要包括： 1. 吸收損耗 2. 散射損耗 3. 彎曲損耗,損耗,吸收損耗,原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成,非本征吸收： 由過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子 (OH)等雜 質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗,本征吸收： 材料本身 (如SiO2) 的特性決定，即便波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會(huì)存在 本征吸收,本征吸收,(1) 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(jí)，同時(shí)引 起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長(zhǎng)范圍,晶格,(2) 紅外吸收 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(dòng)加 劇，從而引起的損耗,本征吸收曲線,非本征吸收,光纖制造過(guò)程引入的有害雜質(zhì)帶來(lái)較強(qiáng)的非本征吸收,OH吸收峰 2 dB,解決方法： (1) 光纖材料化學(xué)提純，比 如達(dá)到 99.9999999%的 純度,OH和過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等,(2) 制造工藝上改進(jìn)，如避 免使用氫氧焰加熱 ( 汽 相軸向沉積法),原子缺陷吸收,1 rad(Si) = 0.01 J/kg,光纖晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng),光纖制造 - 材料受到熱激勵(lì) - 結(jié)構(gòu)不完善,強(qiáng)粒子輻射 - 材料共價(jià)鍵斷裂 - 原子缺陷,吸收光能，引起損耗,散射損耗,光纖的密度和折射率分布不均及結(jié)構(gòu)上的不完善導(dǎo)致散射現(xiàn)象 1. 瑞利散射 2. 波導(dǎo)散射,瑞利散射,波導(dǎo)在小于光波長(zhǎng)尺度上的不均勻： - 分子密度分布不均勻 - 摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻 導(dǎo)致波導(dǎo)對(duì)入射光產(chǎn)生本征散射 瑞利散射一般發(fā)生在短波長(zhǎng),本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值,波導(dǎo)散射,導(dǎo)致的原因是波導(dǎo)缺陷 - 纖芯和包層的界面不完備 - 圓度不均勻 - 殘留氣泡和裂痕等 目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖損耗曲線,摻GeO2的低損耗、低OH含量石英光纖,OH,0.154 dB/km,AllWave fiber,AllWave：逼近本征損耗 單模：本征損耗+OH吸收損耗,常溫且未暴露 在強(qiáng)輻射下,商用的多模光纖與單模光纖的損耗譜比較,多模光纖的損耗大于單模光纖： - 多模光纖摻雜濃度高以獲得較大的數(shù)值孔徑 (本征散射大) - 由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗,多模光纖,單模光纖,彎曲損耗,宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲,彎曲曲率半徑減小 宏彎損耗指數(shù)增加,彎曲損耗與模場(chǎng)直徑的關(guān)系,P包層1 P包層2,Loss模場(chǎng)直徑小 Loss模場(chǎng)直徑大,Loss低階模 Loss高階模,模式剝離器：將光纖纏繞成環(huán),微彎：微米級(jí)的高頻彎曲,微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過(guò)程中的帶來(lái)的不均 成纜時(shí)受到壓力不均 使用過(guò)程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同 導(dǎo)致的后果： 造成能量輻射損耗,高階模功率損耗,低階模功率耦合到高階模,與宏彎的情況相同，模場(chǎng)直徑大的模式容易發(fā)生宏彎損耗,宏彎和微彎對(duì)損耗的附加影響,宏彎損耗,微彎 損耗,基本損耗,l增加，V減少，W0越大,長(zhǎng)波長(zhǎng)處附加損耗顯著,宏彎帶來(lái)的應(yīng)用局限：Verizon的煩惱,Verizon鐘愛(ài)光纖：花費(fèi)230億美元配置了12.9萬(wàn)公里長(zhǎng)的光纖，直接連到180萬(wàn)用戶家中，提供高速因特網(wǎng)和電視服務(wù) 光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號(hào)衰減,新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖,Photonic Crystal Fiber,Photonic Bandgap Fiber,康寧公司幫組Verison解決了問(wèn)題：可彎曲、折返、打結(jié)，已在2500萬(wàn)戶家庭中安裝 日本NTT也完成了這種光纖的研制,柔性光纖的優(yōu)點(diǎn),對(duì)光的約束增強(qiáng) 在任意波段均可實(shí)現(xiàn)單模傳輸：調(diào)節(jié)空氣孔徑之間的距離 可以實(shí)現(xiàn)光纖色散的靈活設(shè)計(jì) 減少光纖中的非線性效應(yīng) 抗側(cè)壓性能增強(qiáng),光纖損耗的度量,光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減： 可以通過(guò)損耗系數(shù)來(lái)衡量光纖鏈路的損耗特性： 其中L為光纖長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)在1550 nm的損耗系數(shù)為0.2 dB/km。,損耗的補(bǔ)償辦法：放大,電放大 光電光 2.5 0.6 0.6 m3 全光放大 EDFA 拉曼放大器 0.05 0.3 0.2 m3,摻鉺光纖放大器,主要內(nèi)容,光纖的損耗 色散及其引起的信號(hào)失真 單模光纖的色散優(yōu)化,3.2 色散引起的信號(hào)失真,光信號(hào)包含不同的頻率、模式、偏振分量,f,光源輸出有一定譜寬： 100 KHz10 MHz,信號(hào)具有不同的頻譜分量,色散的定義,分類： 1. 模內(nèi)色散 - 材料色散 - 波導(dǎo)色散 2. 模間色散 3. 偏振模色散,色散使信號(hào)不同的成分傳播速度不同，使信號(hào)在目的端產(chǎn)生碼間干擾，給信號(hào)的最后判決造成困難,l1,l2,l3,l1,l2,l3,模內(nèi)色散：材料色散,光纖材料對(duì)不同的頻率成份折射率(傳播速率)不同,單模光纖中傳播模80%能量在纖芯 20%能量在包層,模內(nèi)色散：波導(dǎo)色散,信號(hào)光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有不同的傳播速度,模內(nèi)色散 - 群速度色散 (GVD),信號(hào)分量的群速率是頻率/波長(zhǎng)的函數(shù)： 即不同的頻率分量間存在群時(shí)延差。信號(hào)在傳輸了距離L后，頻率分量w經(jīng)歷的延時(shí)為： 對(duì)于一個(gè)譜寬為Dw的脈沖，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：,GVD 參數(shù),群速度色散,通常在波長(zhǎng)域習(xí)慣用Dl來(lái)表示譜寬。根據(jù)w和l之間的關(guān)系： 代入DT中，那么可以得到： 其中D(l)稱為色散系數(shù)： ps/(kmnm) 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550 nm處色散系數(shù)為17 ps/kmnm,正色散、負(fù)色散和零色散,1. 色散系數(shù)D為正：負(fù)色散 b2 v低頻光 2. 色散系數(shù)D為負(fù)：正色散 b2 0 v高頻光 v低頻光 3. 色散系數(shù)D為零：零色散,材料色散,光纖的折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)n(l)，不同的波長(zhǎng)的傳播函數(shù)b不同： 可以得到傳播了L后由Dl所帶來(lái)的群延時(shí)差為： Dm為材料色散系數(shù)。,減小材料色散：選擇譜寬窄的光源,波導(dǎo)色散,假設(shè)纖芯和包層的折射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而且折射率差D = (n1-n2)/n1非常小，傳播函數(shù)b近似等于： 可以得到傳播了L后波長(zhǎng)l所經(jīng)歷的群延時(shí)為： 其中V為歸一化頻率。進(jìn)一步可以得到波導(dǎo)色散導(dǎo)致的脈沖展寬：,其中,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖總的模內(nèi)色散,- 材料色散的影響一般大于波導(dǎo)色散： |Dm| |Dw| - 波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負(fù)值,總色散系數(shù) D Dm + Dw,模內(nèi)色散影響下的光纖帶寬：寬譜光源,Dl比較大的時(shí)候，單模光纖帶寬：,例：考慮一個(gè)工作在1550 nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15 nm，使用 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖D = 17 ps/kmnm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積： BL 1 Gb/skm,帶寬距離積：,模內(nèi)色散對(duì)傳輸帶寬的影響,不同線寬下的系統(tǒng)色散所允 許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系 結(jié)論： 1) 光源線寬越寬色散越嚴(yán)重 2) 零色散光纖對(duì)提高系統(tǒng)性 能作用明顯,對(duì)于高速光鏈路 ( 40 Gb/s)，色散成為首要考慮的因素之一,模間色散,多模光纖中不同模式具有不同的傳播路徑導(dǎo)致了模間色散,對(duì)于子午光線，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度L后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展 寬為： DL為兩種模式的光程差,偏振模色散 (PMD),雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散,光纖對(duì)傳播模式的兩個(gè)偏振 分量的傳播速度不同,PMD的外部因素及其特點(diǎn),外部因素：環(huán)境變化如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等 特點(diǎn)：具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性和突發(fā)性 因此，PMD補(bǔ)償?shù)碾y度比較大，補(bǔ)償方法目前尚無(wú)定論,PMD 對(duì)傳輸?shù)挠绊?PMD對(duì)40-Gb/s傳輸系統(tǒng)的影響將更加顯著,主要內(nèi)容,光纖的損耗 色散及其引起的信號(hào)失真 單模光纖的色散優(yōu)化,3.5 單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計(jì),1550 nm,G.653 色散位移光纖：讓損耗和色散最低點(diǎn)都在1550 nm,辦法：材料色散不變，通過(guò)改變 折射率剖面形狀來(lái)增大波 導(dǎo)色散，使零色散點(diǎn)往長(zhǎng) 波長(zhǎng)方向移動(dòng),普通商用光纖,色散位移光纖,G.656 色散平坦光纖,在較