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当前位置:首页 > 建筑/环境 > 工程监理 > yk 光纤光学第二章1
第二章光纤特性及参数测量俞侃onlyfish@126.com华中科技大学文华学院信息学部第二章:光纤特性及参数测量限制光纤通信发展的三个重要因素:损耗:光在传输时引起能量的衰耗,需中继器进行能量补充,传输距离短色散:作为载波的光脉冲脉宽展宽,引起码间串扰,误码率增加造成失真非线性:引起DWDM传输信道串扰2.2光纤的损耗损耗的定义:单位长度(km)光纤光功率衰减分贝数光纤损耗的来源: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重要数据:-0.5dB~0.9;-1dB~0.8;-2dB~0.6;-3dB~0.5;-10dB~0.1-20dB~0.01)/(/)/log(10kmdBLPPinout光纤的损耗损耗吸收损耗杂质吸收紫外吸收红外吸收金属离子吸收损耗OH离子吸收损耗散射损耗辐射损耗本征吸收制作缺陷折射率分布不均匀芯-包层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射喇曼散射微弯损耗(可忽略)弯曲半径小于临界曲率半径时的损耗弯曲半径大于临界曲率半径时的损耗(可忽略)原子缺陷吸收材料吸收损耗散射损耗瑞利散射(漫反射)机制:在光纤中由于某种远小于波长的不均匀性(例如折射率不均匀,掺杂浓度不均匀等)引起光的散射;是一种线性损耗,与在光纤中传输光强度无关A、B是与石英和掺杂材料有关的常数0=1.55m时0.16dB/km;0=1.3m时0.32dB/km特点:不可能消除的损耗)/()1(40kmdBBAsR散射损耗受激喇曼散射与受激布里源散射非线性的散射仅当光功率超过某一阈值时,才能激励受激喇曼散射与受激布里源散射。在传输率较低的系统中可不考虑,但在传输率较高(Gb/s)的系统中要考虑特点:产生新的频率分量光纤损耗谱特性光纤衰减(dB)10.05.02.01.00.51982年1980年1978年0.81.01.31.51.7波长(m)光纤损耗的历史发展阶段2004年弯曲损耗超过xc的功率将转换为辐射损耗高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小!弯曲损耗A.宏弯损耗:实际应用中必需的盘绕、曲折等引起的宏弯损耗;B.过渡弯曲损耗:由直到弯曲的突变;C.微弯损耗:光纤的制备过程中或在应用过程中由于应变等原因引起的光纤形变所致;宏弯损耗R10cm(R/a102)可以不考虑弯曲损耗推导从略,可见P85长飞抗弯曲G.657超贝光纤弯曲过渡损耗损耗的机理:由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相互耦合,并损失功率。损耗分析:等效折射率方法弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤产生相移exp(-ibLz)=exp(-ivθ)弯曲光纤传播常数(微扰)满足波导场方程r增加导致ne(r)增加,场分布拓展导模向漏模转化,引起功率泄漏造成过渡损耗“随着弯曲方向的改变,损耗沿z方向变化曲线将出现振荡]cos)/(1[bbcLRrceeRrnrnrnrFkrnrrrr/cos2)()(0),(])(1[222220222222bAB21微弯损耗微弯损耗原理:由于弯曲引起导模功率的横向泄漏理论分析:单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差Δ和纤轴的畸变。阶跃单模光纤经验公式:模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升)5.25.1()31.345.2exp()28.334.3exp()/()2()(02011022202VVaWWVaWWkmdBWknWknp随着光脉冲在光纤中传输,脉冲的宽度被展宽2.3光纤的色散与带宽芯包层•劣化的程度随数据速率的平方增大•决定了光-电-光中继器之间的距离tt色散效应:时域表现:光纤通信中限制因素—色散频域表现:光纤的色散1、模间色散:2、波导色散:3、材料色散:4、偏振模色散:色散一般分为4种:发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散,即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长)不是常数,同时光源的谱线又有一定的宽度,因而产生波导色散。由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构为完全的轴对称,则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同,即有相同的群延迟,故无色散。实际的光纤必然会有一些轴的不对称,因而两正交模有不同的群延迟,这种现象称之为偏振模色散。在理论讨论中不考虑。用时延差描述色散用时延差描述色散c-光在真空中的速度,vg为相速,k0为波周数,β为传播常数•第一项因模而异,故引起模间色散•后二项则产生波导色散和材料色散,只与光源谱宽有关•如光源发出的是严格的单色波,则上式只有第一项•如单模光纤,则只存在后二项001000()()1111(1)gdnkdnkbndvcdkcVcdkcdkb模间色散模间色散模间色散模间色散模间色散)1(1Vcnm单模光纤中只允许基模传输,故不存在模间色散在多模光纤中,脉冲展宽主要决定于多模群延时差m产生原因:各个不同导模的群速不相同模间色散并不是由于频率不同引起的,故称其为单色弥散似乎更为合适tt材料色散取决于折射率n对波长的二阶导数,即材料折射率随光波长非线性变化引起的色散正常色散区:01.27m波长区,d2n/d20,色散小于0反常色散区:01.27m波长区,d2n/d20,色散大于0b220)(2dndcnm材料色散正常色散正常色散反常色散材料色散材料色散波导色散波导色散:由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长)不是常数,同时光源的谱线又有一定的宽度,因而产生波导色散。由于波导色散的作用,色散程度为:多模光纤:常可忽略不计单模光纤:短波长区:材料色散大,波导色散可近似忽略;长波长区:材料色散随着波长的增加而减小到与波导色散相同量级,并出现与其极性相反、相互抵消的情况222222)()(dVVbdVcndVVbdVcnDww波导色散波导色散总色散偏振模色散偏振模色散三种不同类型的单模光纤G.652单模光纤(NDSF-nondispersion-shiftedfiber)G.653单模光纤(DSF-dispersion-shiftedfiber)G.655单模光纤(NZ-DSF-NonZero-dispersion-shiftedFiber)•常规G.655•大有效面积G.655G.652--非色散位移光纤应用最广泛。1310nm和1550nm.在1310nm具有零色散点,衰减为0.3~0.4dB/km。为1310nm波长性能最佳光纤。在1550nm衰减为0.15~0.25dB/km。色散较大20ps/nm.km。在1310nm没有商用化的光放大器,G.652主要工作于1550nm。色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34km结论:不适于10Gb/s以上速率传输,可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652+DCF可解决色散问题,但方案升级扩容成本高.对光纤的零色散点进行了移位设计,即通过改变光纤内折射率分布的办法把光纤的零色散点从1310nm波长移位到1550nm波长处。低损耗零色散小有效面积长距离、单信道超高速全光中继系统非线性效应严重四波混频(FWM)是主要的问题,不适于DWDM复用技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输,但不适用于DWDM应用,处于被市场淘汰的现状。G.653单模光纤(色散移位光纤)在1530-1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散,但不为零,一定的色散抑制了非线性效应(四波混频)的发生。就是为DWDM系统的应用而设计的。结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输,是未来大容量传输,DWDM系统用光纤的理想选择G.655单模光纤(非零色散位移光纤)1550nm1310nm色散ps/nmkm普通光纤(SMF)非色散位移光纤(NDSF,G.652)已有光纤的95%波长色散位移光纤(DSF,G.653)非零色散位移光纤(NZDSF,G.655)180DWDM波长范围三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区
本文标题:yk 光纤光学第二章1
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