光纤的传输特性

本章内容光纤中信号的劣化光纤的损耗特性光纤的色散特性单模光纤的非线性光纤的制造工艺3.1光纤中信号的劣化信号的损伤任何传输信道均会对信号造成损伤线性损伤加性噪声损耗外部串扰信道内部串扰非线性损伤信号畸变乘性噪声光纤中信号的损伤线性损伤加性噪声多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计损耗外部串扰，可忽略不计色散造成的信号畸变内部串扰，来源于光纤的非线性非线性损伤光纤非线性造成的信号畸变乘性噪声，可忽略不计3.2光纤的损耗特性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。损耗问题如何表示光纤损耗？光纤损耗的种类及其产生原因是什么？如何才能降低光纤的损耗？光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？光纤的损耗能够更低吗？如何实现？光纤的损耗如何测量？光纤损耗的表示方法LinoutePP光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。dB/kmlog10outinPPL光纤损耗的种类吸收损耗本征吸收杂质吸收过渡金属离子氢氧根离子散射损耗瑞利散射米氏散射弯曲损耗宏弯和微弯本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值光纤的损耗谱0.81.01.21.41.61.8波长λ(um)0.010.050.10.5151050100损耗dB/km波导缺陷紫外吸收红外吸收瑞利散射实验值OH-吸收微弯损耗和宏弯损耗机理宏弯损耗曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲微弯损耗光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲消逝场cRCladdingCore场分布降低光纤损耗的方法工作波长选择选择在低损耗窗口超纯原料降低过渡金属离子浓度生产工艺减小不均匀性减小OH-离子的引入光纤保护光纤的典型损耗特性850nm3dB/km1310nm0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)1550nm0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km）(理论极限值0.154dB/km)使用过程中光纤的损耗变化变化趋势损耗增大原因热胀冷缩油膏特性变差光纤受水分侵蚀OH-吸收损耗增大光纤分子缺陷增多单模与多模光纤损耗对比单模光纤损耗要小一些原因包括以下几点：光能量主要在纤芯中传输纤芯所需原料少，更易保证其纯度纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中纤芯小，弯曲损耗更低波长/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)1.8超低损耗光纤瑞利损耗与波长的关系为什么工作波长不能选择得更长一些？卤化物光纤氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些最低损耗窗口在2550nm附近最低损耗低达0.01~0.001dB/km难度超纯原料微晶体化光纤损耗的测量测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法偏置电路注入装置光源P1P2被测光纤检测器放大器电平测量剪断法、插入损耗法光学系统耦合器件光学系统光学系统信号处理放大器示波器数据处理系统被测光纤光源光检测器后向散射法利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法。3.3光纤的色散色散的含义色散：不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理现象色散对光信号包络传播的影响包络展宽光纤通信中色散的含义一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为色散光纤色散对通信的影响影响链：色散导致传输的光脉冲展宽光脉冲展宽导致码间串扰码间串扰导致系统误码率增大通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降低码间串扰的程度，可以减小信息速率，增大光脉冲间隔减少传输距离，降低脉冲展宽程度归纳：光纤的色散直接影响其传输带宽距离积色散越大，带宽距离积越小色散对通信系统的影响光纤色散的种类模式色散多模色散偏振模色散波长色散材料色散波导色散单模光纤中依然存在多模色散模式色散影响机理信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多）多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各不相同时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就越严重，其带宽距离积就越小消除方法：单模传输单模光纤的双折射单模光纤的实际工作模式LP01x模和LP01y模它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即xy由于以下原因，光纤存在双折射现象几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性外加电磁场影响光纤的双折射现象将导致LP01x模和LP01y模沿z轴的传播速率不完全相同，即x≠y，这将导致偏振模色散偏振模色散图偏振模色散（PMD）光纤的双折射现象将导致LP01x模和LP01y模沿z轴的传播速率不完全相同，即x≠y，这将导致偏振模色散偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重，通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散波长色散单位长度光纤上光信号的群时延：ddckdkdcddkdkdckcddvg2-/21/,/112000000000222221-ddddcdd群速度是表征光信号包络传播速度的量ddvg波长色散与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或GVD(GroupVelocityDispersion，群速度色散)或色度色散波长色散的组成光纤的波长色散组成材料色散波导色散折射率剖面色散材料色散材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是频率的函数引起的2112221iiiGnnncv/石英材料：G1=0.6961G2=0.4079G3=0.89741=0.0684m2=0.1162m3=9.8962m材料色散系数mmgggYcdndYddNcddvddnndkdnknNddnncdkdnkncvcnnnkddv11/1/2220000000mYcD1-材料色散系数：波导色散波导色散系数02221dVbVdVcNNDW00.511.522.53-0.500.511.5222dVbVdVdVbVdb单模光纤的色散系数)()()(WmDDD1.21.31.551.65-100102030DmDwD单位：ps/(nm.km)色散斜率ddDDDS0000lim色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率单位：ps/(nm2.km)给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为000-SSD单模光纤的分类1550D(nm)1310G.652（常规SM）G.653(DSF)G.655(NZ-DSF)分类依据：单模光纤的零色散波长类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型色散对通信容量限制的估算高斯光脉冲的展宽因子02sV高斯光源的均方根谱宽，s2/12303222202202181211zVzV色散对通信容量限制的估算光源谱宽限制812sBL其中，s为色散斜率非零色散点：BL|D|1零色散点附近：信号谱宽限制cDLB2)(1622非零色散点：零色散点附近：324.0313LBDScdd2)2(02223330其中，3.4SM光纤的非线性传输特性电介质的极化电介质的极化通常用极化强度矢量P来描述—真空介电常数(i)—媒质的电极化率张量(i)是i+1阶张量对各向同性电介质，有)(321032EEEPEEEEEEP302010:极化强度与电场强度的关系为极化的非线性NLLPPPEP10LEEEEEP3020:NL204aeEat其中，是原子内部的库仑场通常外加电场EEat，所以|PNL||PL|，电介质的非线性不显著2221atatEE各阶电极化率张量间的关系极化强度与折射率33022010EEEtP极化强度)(330220100EEEPED电位移矢量232121EEn折射率光纤的非线性折射率232121EEn石英SiO2具有反演对称的分子结构，故其二阶非线性极化率，此外，忽略高阶项，可得221Ennn21111n31283xxxxnn23121En石英光纤的折射率：光的克尔效应SPM由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM(Self-PhaseModulation)对光纤通信的负面影响光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度有益应用如果工作在光纤的反常色散区，SPM对光信号脉冲有相反的效果，即减轻了脉冲展宽，极端情况下甚至能够压缩光脉冲宽度取得平衡时，可获得光孤子传输FWM频率条件相位匹配条件3143214-2-或1431--301040302010402effeffeffeffeffeffeffnknknknknknknk或对于多波长光通信系统，如果和与其他波长信道频率相近，即会造成波长信道间的串扰-11光纤色散系数较大时，四波混频不易产生FWMFWM(FourWaveMixing)，由光纤介质的三阶非线性极化引起，存在于DWDM系统中，影响较大DWDM中，由于纤芯细，光载波数量多，纤芯内总的功率密度高，容易引起明显的非线性效应克服办法FWM对相位匹配要求很严格，光纤中存在的色散很容易破坏载波间的相位匹配条件应用DWDM时，工作波长不选在光纤的0色散波长附近，或在工作波长范围内将光纤故意设计成非0的色散，如G.655光纤有益应用波长变换3.5光纤和光缆的制造光纤制造工艺光纤原料制备及提纯光纤预制棒熔炼及表面处理拉丝及一次涂覆工艺光纤张力筛选及着色工艺二次涂覆工艺合格光纤质量检测与控制纤芯材料纯石英中掺GeO2、P2O5等高折射率掺杂剂包层材料纯石英中掺B2O3、F等低折射率掺杂剂图二次被覆光纤(芯线)(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线紧套一次被覆光纤松套大套管一次被覆光纤带状线(a)(b)(c)(d)光纤成缆成缆目的增强机械强度增加空间密度防止侵蚀光缆种类层绞式、骨架式、中心束管式