光纤通信-ch.3(改)

OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity光纤通信OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity第三章光纤的传输特性OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity3.1光纤的损耗特性光纤有两大传输特性：损耗、色散。------限制了单一光纤的传输长度；------需采用放大器克服损耗、色散补偿光纤和中继器克服色散，增加了成本。OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversityOpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity紫外吸收红外吸收OH-吸收过渡金属离子吸收（x）本征吸收杂质吸收原子缺陷吸收吸收损耗瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗（x）散射损耗弯曲损耗光纤弯曲损耗光纤微弯损耗（x）光纤损耗OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity吸收损耗的三种机制原子缺陷吸收：除非玻璃暴露在很高的辐射下，否则可忽略。杂质吸收：在近代光纤中，主要由OH根离子造成，现已可基本去除。但在早期熔融法制造光纤的过程中，是导致光纤损耗的主要因素。本征吸收：是由于传输中的光与光纤材料中的基本原子结构（如：SiO2和GeO2等）相互作用的结果，是最基本的吸收过程。OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity杂质吸收的主要来源是存在于玻璃中的水（氢氧根离子）。O-H键的基本振动频率位于2.73μm和4.2μm，谐波出现在1.38μm,1.24μm,0.95μm和0.72μm。在1.38μm的第一个谐波处的吸收是最重要的（现代工艺已可去除这个吸收）。对于1ppm的杂质含量,1.38μm处的吸收大小为4dB/Km，在1.24μm处的边带吸收大小为2dB/Km，出现在0.95μm的第二个谐波的吸收约为1dB/Km。杂质吸收OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity原子能级即电子能级，只有一套。这里是Er原子的能级。原子能级OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity分子能级（了解）分子的电子能级为10电子伏特（eV）量级，与原子的能级差不多；分子的振动能级大约是0.1eV，转动能级为0.001eV。通常，一系列转动能级包含在两个振动能级之间；一系列振动能级包含在两个电子能级之间。因此分子能级比原子能级复杂，由此决定分子比原子具有丰富得多的光谱。rveEEEEOpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity电子能级间隔振动能级间隔转动能级间隔rveEEEE三套能级分子能级OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversitychhEEE12根据：能级差因为：电子能级间隔振动能级间隔转动能级间隔所以：电子能级对应的吸收在短波长--紫外振动能级对应的吸收在长波长--中红外化学键：Si–O共振波长：9.2μmGe–O11μmP–O8.1μmB–O7.2μm转动能级对应的吸收在更长波长–中、远红外本征吸收（了解）OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity本征吸收谱OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity紫外吸收：电子在电子能级之间跃迁引起的吸收红外吸收：光子与原子或分子振动的相互作用引起的吸收。对SiO2，吸收峰在9.2μm，偏离吸收峰的部分呈指数衰减，尾部拖至1.6μm处。OH-吸收：主要吸收峰在1.38μm本征吸收杂质吸收吸收损耗氟化物光纤：振动能级吸收在远红外，1.6μm吸收可忽略。可将通信窗口移到1.6μm，这时Rayleigh散射小。分子吸收机理OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity散射损耗玻璃--具有非均匀密度或折射率的随机介质，尤其是在光纤芯和包层的界面处，这些不均匀的尺寸比光波长还小。瑞利散射(RayleighScattering)损耗：不均匀微粒引起传输光向各个方向散射，形成损耗。且尺度λ的各向异性引起这种散射。损耗系数：熔融态SiO2:atOpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dB·km－1)图：单模光纤损耗谱，展示各种损耗机理各种损耗的大小OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity总损耗OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity损耗的模式依赖性（自学）光的总衰减取决于光纤芯和包层材料对光的吸收和散射。光纤中不同的模式在包层中有不同的辐射深度，即不同的模场大小，不同模式所覆盖的光纤材料尺度不一样，所以吸收系数与模式有关。模式主要影响红外、紫外和OH-的吸收损耗。√单模光纤的衰减系数小于多模光纤；√低阶模的衰减系数小于高阶模；√渐变型折射率光纤的衰减系数小于阶跃型折射率光纤。OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity图：(a)三种实用光纤：SIF-阶跃型折射率多模光纤；GIF-渐变型折射率多模光纤；SMF-单模光纤。(b)优质单模光纤波长/m损耗/(dB·km－1)0.802468100.61.01.21.41.6800损耗/(dB·km－1)波长/nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB/km(a)(b)1.8OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity弯曲损耗OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversityOpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity光纤损耗能被减少吗？（了解）Rayleigh散射损耗：无法进一步减小，但当将工作波长移到2μm处，Rayleigh散射损耗非常小；红外吸收：但在2μm的区域，以SiO2为基质的光纤的红外吸收损耗非常大；如何平衡Rayleigh散射损耗与红外吸收损耗？氟化物(Fluoride)光纤：红外吸收峰值位于50μm。2μm处红外吸收的尾部0.01dB/km，放大器可间隔1000km。研究中！困难：无此波段的光源、放大器和探测器。OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity光纤总损耗α与波长λ的关系：式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)4A实用光纤的损耗谱OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversityLePP12WPdBlog10mWPdBmlog10LPPPPL2121lg101.绝对功率P的单位科学计算单位：WmW工程计算单位：dBdBm2.损耗系数科学计算：P－Wα－1/mL－m工程计算：P－Wα－dB/kmL-kmP－dBα－dB/kmL-kmPdzdP光纤损耗系数OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversityOpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity3.2光纤的色散特性棱镜的色散现象说明：•玻璃折射率是光波长的函数n(λ)or•不同波长的光在玻璃中传播速度不同v(λ)。3.2.1色散(dispersion)的概念光信号组成：不同模式(入射角)、不同频率不同的传播速度脉冲波形展宽脉冲不同的频率分量色散码间干扰增加误码率限制通信容量为什么色散如此重要OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversityncv光在介质中的传播速度：OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity一个实验：一定宽度的脉冲输入进一段光纤传输，当它从光纤输出时，脉冲的宽度展宽了近3倍。为什么色散如此重要输入的信号输出的信号OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity为什么色散如此重要1101脉冲序列脉冲展宽，但可分辨脉冲进一步展宽，不可分辨OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity总结：色散归咎于不同的传播速度。引起传播速度不同的原因：1.不同的模式模式色散2.材料对不同波长的响应不同材料色散3.不同的波导结构波导色散4.双折射对不同波长的响应不同极化色散OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity3.2.2模式色散----不同模式具有的传播速度不同（或传播距离不同）导致的脉冲展宽在多模光纤中，同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先有后，出现时延差，引起色散，并引起脉冲展宽。注：下图中的颜色仅代表不同模式，不代表不同波长。模式色散OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity阶跃型光纤中模式色散示意图阶跃型光纤：传播最快和最慢的两条光线：模式色散OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity色散的程度用时延差(timedelay)来表示。cLnnncLnncLncLcM1211111sin近似：弱导引光纤，并且221121nnnnnneg.%15.11nkmL1nsM50严重理想的单模光纤中，只有一个基模，不存在模式色散（模之间的色散—模间色散intermodaldispersion）。模式色散OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity目前，商用传输速率10Gbit/s脉冲重复率(repetitionrate)或周期(duration):ns1.0sec101.0sec1010199结论：在这种阶跃型多模光纤中，采用目前的商用速率传输1km都是不可能的。模式色散引起脉冲的展宽，导致比特率的下降。多模光纤（阶跃型折射率分布）传输的信号仅为50Mbit/s，多模光纤（渐变型折射率分布）传输的信号仅为1Gbit/s，而单模光纤则可传播40Gbit/s的信号。模式色散OpticalCommunications华东师范大学EastChinaNormalUniversity光线的传播路径：近似于正弦形曲线，其中正弦幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光