第三章光纤的损耗和色散

第三章光纤的损耗和色散主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化3.1光纤的损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：1.吸收损耗2.散射损耗3.弯曲损耗损耗吸收损耗原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成非本征吸收：由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本征吸收：由制造光纤材料本身(如SiO2)的特性所决定，即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收本征吸收(1)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)红外吸收光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗本征吸收曲线非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH－吸收峰~2dB解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(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)原子缺陷吸收1rad(Si)=0.01J/kg800人死亡光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造-材料受到热激励-结构不完善强粒子辐射-材料共价键断裂-原子缺陷吸收光能，引起损耗散射损耗光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象1.瑞利散射2.波导散射瑞利散射波导在小于光波长尺度上的不均匀：-分子密度分布不均匀-掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射。瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值波导散射导致的原因是波导缺陷-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射标准单模光纤损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/kmAllWavefiberAllWave：逼近本征损耗单模：本征损耗+OH¯吸收损耗常温且未暴露在强辐射下商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：-多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径(本征散射大)-由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场cRCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲弯曲损耗与模场直径的关系P包层1P包层2Loss模场直径小Loss模场直径大Loss低阶模Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环微弯损耗微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯损耗基本损耗NAannaV222/12221增加，V减少，W0越大62/30879.2619.165.022VVaW长波长处附加损耗显著光纤损耗的度量LinoutePP总的来说，光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离L的增加呈指数衰减：那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的损耗系数定义为：其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。KmdBPPLoutin/log10损耗的补偿办法电放大光电光全光放大EDFA拉曼放大器掺铒光纤放大器主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化3.2色散引起的信号失真分类：1.模内色散-材料色散-波导色散2.模间色散3.偏振模色散色散使信号不同的成分传播速度不同，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不同的频率、模式、偏振分量fA光源输出都有一定的谱宽0.001nm123123模内色散：材料色散光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同单模光纤中传播模80%能量在纤芯20%能量在包层模内色散：波导色散信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度模内色散-群速率色散(GVD)1212cvgddLvLTg信号分量的群速率是频率/波长的函数：即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，频率分量经历的延时为：对于一个谱宽为D的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：DDDDD222LddLvLddddTTgGVD参数2c/群时延色散DD222ccDDDDDLcLLT2222通常在波长域习惯用D来表示谱宽。根据和之间的关系：代入DT中，那么可以得到：其中D()称为色散系数：ps/(km·nm)标准单模光纤在1550nm处色散系数为~17ps/km·nm222)(cD正色散、负色散和零色散222)(cD1.色散系数D为正：负色散20v高频光v低频光2.色散系数D为负：正色散20v高频光v低频光3.色散系数D为零：零色散材料色散ddnncLcLvLTng2)(22)(22mmDLdndcLddTTDDDD光纤的折射率是波长的函数n()，则不同的波长的传播函数不同：可以得到传播了L后由D所带来的群延时差为：Dm为材料色散系数。减小材料色散：选择谱宽窄的光源22)(dndcDm波导色散)1(2DbknDdVVbdnncLdkdcTw)(122假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，传播函数近似等于：可以得到传播了L后波长所经历的群延时为：其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：DDDDD222)()(dVVbdVcnLDLddTTD222)()(dVVbdVcnDw其中标准单模光纤总的模内色散1320wmDDD-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm||Dw|-波导色散系数通常为负值总色散系数D≈Dm+Dw模间色散多模光纤中不同导波模具有不同的传播路径和速度导致了模间色散。对于子午光线，经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为：DL为两种模式的光程差。cLnTTTD1minmaxmod偏振模色散(PMD)双折射效应导致了偏振模色散光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同PMD的外部因素及其特点外部因素：环境变化如振动、温度、应力等特点：具有很强的不稳定性和突发性因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论。PMD对传输的影响PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源LDTBDD4/14/1SMFD比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在1550nm的系统，光源谱宽为15nm，使用标准单模光纤D=17ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积：BL1(Gb/s)·kmSMFbit4/141BTTDkmGb/s4/1SMFDDLB带宽和距离乘积：模内色散对传输带宽的影响不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系0nm：光源线宽非常小结论：1)光源线宽越宽色散越严重2)零色散光纤对提高系统性能作用明显对于高速光链路(40Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一主要内容光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化3.5单模光纤的色散优化设计1550nm13201550nmG.653色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550nm办法：材料色散不变，通过改变折射率剖面形状来增大波导色散，使零色散点往长波长方向移动普通商用光纤色散位移光纤G.656色散平坦光纤20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030(mm)普通光纤1总色散2色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零存在的问题：(1)高损耗；(2)短波长过补偿、长波长欠补偿中途谱反转技术非线性器件等长、色散性质相同的光纤利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿高高高高高高高高123DTDT注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件