第2章光纤的特性

2020/1/16第二章光纤的特性2.1引言光纤传输损耗、色散和偏振是光纤最重要特性参量。它在很大程度上决定了中继站之间的距离。2020/1/162.2光纤的损耗损耗吸收损耗散射损耗本征吸收杂质离子吸收过渡族金属离子OH-紫外吸收红外吸收本征散射及其他制作缺陷芯-包层界面不理想喇曼散射瑞利散射折射率分布不均匀气泡、条纹、结石布里渊散射与波长四次方成反比2020/1/16•2.2.1光纤的损耗特性吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。2020/1/161.本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。(1)紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。2020/1/16(2)红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。2.光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。2020/1/163.通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。2020/1/161.任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。2020/1/16(1)瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。2020/1/16(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。2020/1/162.光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。2020/1/16光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。2020/1/16在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。2020/1/16为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：2020/1/16式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或μW为单位。2020/1/162.3光纤的色散特性3.2.13.2.2所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。2020/1/161.在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线①和以临界角θc入射的光线②，如图3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线①和光线②到达终端的时延差。2020/1/16图3.6阶跃型光纤的模式色散2020/1/162.在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。2020/1/163.2.3一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量，色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散，用D(λ)表示，单位是ps/（nm·km）。2020/1/162.在已知材料色散系数的前提下，材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出，材料色散用τm表示。τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L式(3-25)中：Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。2020/1/163.2.4式(3-23)中的第二项与波导的归一化传播常数b和波导的归一化频率V有关，而b和V又都是光纤折射率剖面结构参数的函数，所以式(3-23)中的第二项称之为波导色散系数，用Dw(λ)表示。2020/1/163.2.5极化色散也称为偏振模色散，用τp表示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给出粗略的概念。单模光纤中可能同时存在LP01x和LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两种模式的交替。2020/1/16当光纤中存在着双折射现象时，两个极化正交的LP01x和LP01y模传播常数βx和βy不相等。对于弱导光纤，βy和βx之差可以近似地表示为：式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射率。2020/1/163.2.6光纤的总色散为：值得说明的是，单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。2020/1/163.2.7光纤的色散和带宽对通信容量的影响光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如图3.12所示。2020/1/16图3.12光纤的带宽(f为调制信号频率)2020/1/16通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。可用式(3-33)表示。2020/1/16光功率总是要用光电子器件来检测，而光检测器输出的电流正比于被检测的光功率，于是：从式(3-34)中可以看出，3dB光带宽对应于6dB电带宽。2020/1/161.既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光纤的同一个特性，那么它们之间必然存在着一定的联系。2.模式畸变带宽和波长色散带宽由于总色散包括模式色散、材料色散和波导色散，所以光纤的总带宽也可表示为：2020/1/16式中：BM是由模式色散引起的模式畸变带宽；Bc是由材料色散和波导色散引起的波长色散带宽。2020/1/16波长色散带宽定义为：式中：Δλ是光源的谱线宽度，单位是nm；L是光纤的长度，单位是km；D(λ)是材料色散和波导色散的色散系数(即波长色散系数)，单位是ps/(nm·km)，其中材料色散占主导地位。2020/1/163.链路总带宽对通信容量的影响光纤链路总带宽与光纤长度之间的关系要分光纤链路中间有无接头。对于无接头的一个制造长度的光纤总带宽BT与其单位公里带宽BBT=B·L-γ式中：L是光纤的制造长度(km)，γ为带宽距离指数，它的取值与光纤的剖面分布及模耦合状态有关，一般在0.5～1.0之间(多模光纤取0.5～0.9，单模光纤γ＝1)。2020/1/16光纤损耗的来源(1)(2)水峰2020/1/162.3光纤色散光纤色散是光纤最重要特性参量之一。它在很大程度上决定了信号传输质量2020/1/162.3.1引言光纤色散：在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”，使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。（1）多模色散（2）波导色散（3）材料色散（4）偏振色散波长色散2020/1/16脉冲与脉冲线宽=为光源的线宽，为脉冲的脉宽2020/1/16群延时t00220)(1ddddddvtgcddccddkck2//,/2/1/,/2002020/1/16色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽(Pulsebroadening)。所以，色散通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽Δτ表示。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2Δτn——模式色散；Δτm——材料色散；Δτw——波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。2020/1/16群速与群延时ddVg群速的表示：群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即ddVgg12020/1/16002nnk022cf00200020001222dndnccddnnddddddg光纤内的群延时ps/nm2020/1/16LDLMLdndcLMggmm020200000)()(ggmVLL0020202020dndcMDDMdndcLMMM材料色散参量(ps/nm/km)材料色散参量2020/1/16波导色散WeffWDMdndcL'02020－短波长=0.82m处材料色散M=110：波导色散M’=2ps/nm/km材料色散：难调整波导色散：比较容易调整2020/1/16偏振模弥散水平偏振基模与垂直偏振基模的群速不同造成的脉冲即xy22)()(弥散色散Total2020/1/16多模光纤色散SI光纤的模式色散1211nnncnLSIGRIN(=2)光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为SIGRINLcnL222＝12020/1/16举例n1=1.48,，n2=1.473；L＝0.3km=0.0047kmpskmnsLGRIN//254320047.0kmnsLSI/23psGRIN2.163.0542020/1/16材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速不同导致的脉冲展宽。模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同模式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展宽。各种色散导致脉冲展宽的特点2020/1/16各种光纤的综合性能和用途2020/1/162.4单模光纤的设计2.4.1引言多模光纤色散arnararnrn22/110)/(21)(1211nnncnLSISIGRINLcnL222＝1最佳求2020/1/16单模光纤的色散图2.4.1石英玻璃的材料色散DMλDW图2.4.2单模光纤的波导色散WMtDDD2020/1/16常规SI单模光纤(SMF-SingleModeFiber)ZMD：零色散点ZMD＝1.3m0=1.55mD＝17ps/nm/km＝0.2dB/km2020/1/16零色散位移光纤(DSF-ZeroDispersionShiftedFiber)ZMD＝1.55m2020/1/16非零色散位移光纤(NonzeroDispersionShiftedFiber)2020