光纤光学教学课件第十讲.ppt

2023-9-7第5章 光纤的特征参数与测试技术2023-9-7损耗5.1 光纤的损耗 光纤损耗限制了光信号到达接受机的光功率，同时也限制了光通信系统两中继站之间的距离;光纤的损耗由1973年的20dB/Km下降至1993年的0.2dB/Km 光纤的损耗与光纤中传输的光波长有关，因此决定了光纤通信的不同传输窗口。2023-9-71、损耗的定义及来源损耗的定义：单位长度（km）光纤光功率衰减分贝数。数学表达式：损耗的单位：光纤通信系统中光功率的单位通常有dBm来表示1010log()dBmP mW损耗的另一表达式：()()outinPdBmP dBmL km 2023-9-7mW2mW1mW5.0mW10dBm17?dBm10dBm3dBm0dBm32023-9-7光纤的衰减系数f单位：-11m;kmLinoutfePP光纤的衰减系数与损耗的关系：ef10log102023-9-7光纤损耗的来源：光纤材料的吸收与散射损耗；光纤的微弯与宏弯损耗；光纤的连接与耦合损耗。2、光纤材料吸收损耗2023-9-7本征吸收(1)紫外吸收紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围z晶格光传播方向kEx(2)红外吸收红外吸收 光波与光纤晶格相互作光波与光纤晶格相互作 用，一部分光波能量传用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加递给晶格，使其振动加 剧，从而引起的损耗剧，从而引起的损耗2023-9-72023-9-7OH吸收峰 2 dB解决方法：解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比光纤材料化学提纯，比 如达到如达到 99.9999999%的的 纯度纯度(2)制造工艺上改进，如避制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热免使用氢氧焰加热(汽汽 相轴向沉积法相轴向沉积法)2023-9-73、散射损耗2023-9-7130015508500.22.5损损 耗耗(dB/km)波波 长长(nm)2023-9-7本征吸收：本征吸收：在通信窗口处损耗极低，可忽略；杂质离子吸收：杂质离子吸收：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度；(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)2023-9-71998年，美国朗讯研制出ALLWave 光纤，削去了1385nm处的吸收峰，使石英光纤的低衰耗带宽从1250nm一直扩展到1650 nm。2023-9-7通信窗口：由通信窗口：由0.85m mm、1.31m mm、1.55m mm到到S波波(1.49m mm1.53m mm)、C波波(1.53m mm1.57m mm)、L波波(1.57m mm1.61m mm)。可利用的波长资源 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 nm2023-9-74、光纤的弯曲损耗光纤发生弯曲波导内完全内反射遭破坏波导模转化为泄漏模甚至辐射模引起弯曲损耗消逝场q qcqRq qCladdingCore场分布2023-9-72023-9-72023-9-76RR对于一般的多模光纤，10cm就可以不考虑弯曲损耗；对于一般的单模光纤，cm就可以不考虑弯曲损耗。2023-9-72023-9-72023-9-72023-9-70lim 1xxxe2023-9-732028.688cW Va R2023-9-7弯曲损耗与模场直径的关系P包层1 P包层包层2Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模 0.001 nml1l2l3l1l2l32023-9-7光纤色散光脉冲展宽导致光纤通信误码率增加速率降低引起时域信号干扰中继距离减小2023-9-7色散使信号色散使信号不同的成分不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难码间干扰，给信号的最后判决造成困难不同的频率、模式、偏振分量2023-9-7 光纤色散限制了光纤通信系统的传输带宽光纤色散限制了光纤通信系统的传输带宽;光纤的传输速率越高，色散对系统的影响越明显；光纤的传输速率越高，色散对系统的影响越明显；色散可以通过对光纤的设计而降低，在通信系统中也色散可以通过对光纤的设计而降低，在通信系统中也可通过色散补偿模块加以补偿；可通过色散补偿模块加以补偿；通过对通信用光源的选择，减少光纤色散的影响。通过对通信用光源的选择，减少光纤色散的影响。色散对光纤通信系统的影响及其补偿的方法：色散对光纤通信系统的影响及其补偿的方法：2023-9-71、光纤色散种类 模间色散 材料色散 波导色散 偏振模色散多模光纤色散（适用于局域网）单模光纤色散（适用于骨干网）2023-9-7色散在传输信号的反映上即为群延时群延时：光脉冲行进单位轴向距离所需的时间。群速度：群延时：gdVd011ggddVdc dk群延时差：gmnw 2023-9-7色散定义：即光源谱宽为1nm时，光脉冲信号传播1km所引起的脉冲展宽的ps数。数学表达式：色散的单位：gdDdl()psKm nm例如：例如：标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度6nm，传输，传输10公里距离，公里距离，色散脉冲展宽值为：色散脉冲展宽值为：17/6101020ps nm kmnmkmps2023-9-7 对于对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns.如果脉冲展宽如果脉冲展宽达到脉宽的达到脉宽的20，则系统将不能工作。上述情形显然不适，则系统将不能工作。上述情形显然不适合于合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到速率，因为脉冲展宽已经达到100；但是对于；但是对于 155 Mbps速率系统没有问题，因为速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为其脉冲宽度为 6.5 ns，20的展宽为的展宽为1300ps。如果采用线宽为如果采用线宽为 0.02 nm 的的(1500 nm波长波长)的的DFB激光器，激光器，在在1 Gbps 调制速率下，传输调制速率下，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值公里距离，色散脉冲展宽值为为:=17ps/nm/km 0.02 nm 10 km=3.4 ps 显然这种情形下，显然这种情形下，1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。速率光通信系统没有任何问题。2023-9-7 由于光纤中色散的存在，光脉冲传输时必然会产由于光纤中色散的存在，光脉冲传输时必然会产生群延迟，从而导致光脉冲的展宽。生群延迟，从而导致光脉冲的展宽。光纤通信中影响传输特性的因素：光纤通信中影响传输特性的因素：减小传输速率；减小传输速率；减小传输距离；减小传输距离；减小光源谱宽。减小光源谱宽。光纤通信系统要求2023-9-72、多模光纤的模间色散 在多模光纤中，不同的模式以不同的群速度传输;光脉冲由不同的模式支持传输，就会导致色散；SIOF光纤的模间色散比GIOF的模间色散大；利用光线传输模型，可以分析模间色散。2023-9-7 在多模SIOF光纤中，模间色散最大;光纤内传输的模式越多，模间色散越大；SIOF光纤的传输带宽为10MHz.Km。2023-9-7模间色散的计算：模间色散体现在不同传输模式之间的群延时1min1LnLTc nc1max1coscosLnLTc ncqq21sincoscnnqq21max2LnTcn21maxmin2mL nTTcn2023-9-7降低模间色散的方法：采用GIOF，减小不同模式间的群速度差异;采用单模光纤（SMF），减少光纤中传输的模式数目。最佳的GIOF的折射率分布参数为：一般选择：2(1)g 2%1.96g