第3章光纖的傳輸特性

1、光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性o光信號經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和畸變，光信號經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和畸變，因而輸出信號和輸入信號不同，光脈沖信號不僅幅度要因而輸出信號和輸入信號不同，光脈沖信號不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號衰減和畸變的主要原減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號衰減和畸變的主要原因是光在光纖中傳輸時存在因是光在光纖中傳輸時存在損耗損耗和和色散色散等性能劣化。等性能劣化。o損耗和色散是光纖的最主要的傳輸特性，它們限制了系損耗和色散是光纖的最主要的傳輸特性，它們限制了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量光纖的損耗光纖的損耗o光纖的損耗光纖的損耗n定義

2、：當(dāng)光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，定義：當(dāng)光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗光纖的損耗。 光纖的損耗是衡量光纖性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它決定光纖的損耗是衡量光纖性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它決定了光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離長短和中繼距離的選擇。一般了光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離長短和中繼距離的選擇。一般可定義為每單位長度光纖光功率衰減分貝數(shù)，即：可定義為每單位長度光纖光功率衰減分貝數(shù)，即：10lg/7 1outinPdB kmLP 光纖通信系統(tǒng)中，光功率常用光纖通信系統(tǒng)中，光功率常用dBmdBm來表示，來表示，dBmdBm和和mWmW

3、之間的換算關(guān)系之間的換算關(guān)系 10lg ()7 2dBmPmW 這樣，損耗又可以表示為另外一種形式這樣，損耗又可以表示為另外一種形式7 3()outinPdBmP dBmL km7 4fLoutinPPe 除此之外，光纖的損耗還可以用光纖的損耗系數(shù)除此之外，光纖的損耗還可以用光纖的損耗系數(shù) 來表示來表示 ，即，即 f光纖的損耗光纖的損耗10lg/7 1outinPdB kmLP即便是在理想的光纖中都存在損耗即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗本征損耗(吸收損耗吸收損耗)。 比較比較1 1和和4 4式，可看到光纖的損耗和損耗系數(shù)有如下關(guān)式，可看到光纖的損耗和損耗系數(shù)有如下關(guān)系系 lg7 5fe

4、 光信號在光纖中傳輸過程中的損耗主要來自以下幾個光信號在光纖中傳輸過程中的損耗主要來自以下幾個方面：方面： 1) 1) 光纖材料的吸收與散射損耗；光纖材料的吸收與散射損耗； 2) 2) 光纖的微彎與宏彎輻射損耗；光纖的微彎與宏彎輻射損耗； 3) 3) 光纖的連接與耦合損耗；光纖的連接與耦合損耗； 光纖的損耗光纖的損耗n損耗的種類損耗的種類 1) 1) 吸收損耗；吸收損耗； 本征吸收：材料本身特性決定的，即使光纖結(jié)構(gòu)非常完美且材料不本征吸收：材料本身特性決定的，即使光纖結(jié)構(gòu)非常完美且材料不 含任何雜質(zhì)，此吸收也會存在。含任何雜質(zhì)，此吸收也會存在。 根據(jù)機理的不同，還可分為紫外本征吸收和紅外本征吸

5、收。根據(jù)機理的不同，還可分為紫外本征吸收和紅外本征吸收。 在紫外波段，構(gòu)成光纖的基質(zhì)材料會產(chǎn)生紫外電子躍遷吸收帶，這在紫外波段，構(gòu)成光纖的基質(zhì)材料會產(chǎn)生紫外電子躍遷吸收帶，這種紫外吸收帶很強，達(dá)到單模光纖總損耗的種紫外吸收帶很強，達(dá)到單模光纖總損耗的1/31/3，因此必須加以消除；，因此必須加以消除； 而在紅外波段，光纖基質(zhì)材料將產(chǎn)生振動或多聲子吸收帶，這種吸而在紅外波段，光纖基質(zhì)材料將產(chǎn)生振動或多聲子吸收帶，這種吸收帶在紅外很強，構(gòu)成了石英光纖工作波長的上限。總的影響要比紫外收帶在紅外很強，構(gòu)成了石英光纖工作波長的上限?？偟挠绊懸茸贤馕諑?。吸收帶小。 光纖的損耗光纖的損耗紫外吸收紫外吸

6、收 光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引 起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍z晶格光傳播方向kEx紅外吸收紅外吸收 光波與光纖晶格相互作 用，一部分光波能量傳 遞給晶格，使其振動加 劇，從而引起的損耗光纖的損耗光纖的損耗 雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)吸收：這里的雜質(zhì)不是指光纖中的摻雜物，而是指這里的雜質(zhì)不是指光纖中的摻雜物，而是指由于材料不純凈及工藝不完善而引入的雜質(zhì)。由于材料不純凈及工藝不完善而引入的雜質(zhì)。 主要是主要是過渡金過渡金屬離子屬離子（如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等）和（如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等）和OHOH離子離子。OH吸收峰 2 dB 在低損耗光纖中，甚至一切吸收都可以歸于O

7、H離子的吸收，它構(gòu)成了三個吸收峰1.39m、 1.24m和0.95m；而光纖的三個低損耗窗口0.85m、1.31m和1.55m正好是OH離子吸收譜的谷口。光纖的損耗光纖的損耗 它不是普遍存在的，只在某些環(huán)境中才有。損耗可以很大，達(dá)到幾百dB/Km，甚至幾萬dB/Km。為此，光纖材料一般需要選擇對輻射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收。光纖的損耗光纖的損耗吸收光能，引起損耗光纖晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動光纖制造 - 材料受到熱激勵熱激勵 - 結(jié)構(gòu)不完善強粒子輻射輻射 - 材料共價鍵斷裂 - 原子缺陷原子缺陷吸收損耗：原子缺陷吸收損耗： 2) 2) 散射損耗散射損耗 散射損耗是由于光纖材料

8、中某種遠(yuǎn)小于波長的不散射損耗是由于光纖材料中某種遠(yuǎn)小于波長的不均勻性均勻性( (如：折射率不均勻、摻雜濃度不均勻如：折射率不均勻、摻雜濃度不均勻) )引起光引起光的散射而構(gòu)成的損耗。是光纖的固有本征損耗，它的的散射而構(gòu)成的損耗。是光纖的固有本征損耗，它的降低成為光纖損耗降低的最終限制因素。降低成為光纖損耗降低的最終限制因素。n 瑞利散射：瑞利散射：線性散射線性散射( (不產(chǎn)生頻率的變化不產(chǎn)生頻率的變化) )n 受激拉曼散射和受激布里淵散射受激拉曼散射和受激布里淵散射n 波導(dǎo)散射波導(dǎo)散射光纖的損耗光纖的損耗n 瑞利散射瑞利散射 是一種不可能被消除的損耗，它的特點是與波長是一種不可能被消除的損耗，

9、它的特點是與波長的四次方成反比，可表示為的四次方成反比，可表示為01/7 6SRABdB km 光纖的損耗光纖的損耗波導(dǎo)在小于光波長尺度上的不均勻：- 分子密度分布不均勻- 摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻?qū)е虏▽?dǎo)對入射光產(chǎn)生本征散射。瑞利散射一般發(fā)生在短波長本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值n 受激喇拉曼散射和受激布里淵散射受激喇拉曼散射和受激布里淵散射 僅當(dāng)光纖中傳輸功率大于某一閾值才能產(chǎn)生。室溫僅當(dāng)光纖中傳輸功率大于某一閾值才能產(chǎn)生。室溫下，芯徑較粗的多模光纖不容易出現(xiàn)，而單模光纖就可下，芯徑較粗的多模光纖不容易出現(xiàn)，而單模光纖就可能存在受激布里淵散射和受激拉曼散射。能存在受激布里淵散

10、射和受激拉曼散射。n 波導(dǎo)散射波導(dǎo)散射導(dǎo)致的原因是波導(dǎo)缺陷- 纖芯和包層的界面不完備- 圓度不均勻-殘留氣泡和裂痕等目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射光纖的損耗光纖的損耗 綜合來看石英光纖的吸收、散射損耗分析，其損耗綜合來看石英光纖的吸收、散射損耗分析，其損耗譜如下圖示。譜如下圖示。OHOH離子吸收的存在，使石英光纖低損耗區(qū)離子吸收的存在，使石英光纖低損耗區(qū)形成了三個窗口，而瑞利散射決定了損耗的最低極限值形成了三個窗口，而瑞利散射決定了損耗的最低極限值。光纖的損耗光纖的損耗商用的多模光纖與單模光纖的損耗譜比較商用的多模光纖與單模光纖的損耗譜比較多模光纖的損耗大

11、于單模光纖：- 多模光纖摻雜濃度高以獲得較大的數(shù)值孔徑 (本征散射大)- 由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖光纖的損耗光纖的損耗 3) 3) 彎曲損耗彎曲損耗 光纖在實際使用中不可避免地光纖在實際使用中不可避免地要發(fā)生彎曲，這就伴隨著產(chǎn)生光纖要發(fā)生彎曲，這就伴隨著產(chǎn)生光纖的彎曲輻射損耗。的彎曲輻射損耗。 構(gòu)成這種損耗的原因是當(dāng)光纖構(gòu)成這種損耗的原因是當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時，原來在纖芯中以導(dǎo)模發(fā)生彎曲時，原來在纖芯中以導(dǎo)模形式傳播的功率將部分地轉(zhuǎn)化為輻形式傳播的功率將部分地轉(zhuǎn)化為輻射模功率并就逸出纖芯形成損耗射模功率并就逸出纖芯形成損耗。 彎曲損耗進(jìn)一步可以分為宏彎

12、損耗、過渡彎曲損耗彎曲損耗進(jìn)一步可以分為宏彎損耗、過渡彎曲損耗和微彎損耗三種。和微彎損耗三種。光纖的損耗光纖的損耗 宏彎損耗：它是由光纖實際應(yīng)用中必需的盤繞、曲折等宏彎損耗：它是由光纖實際應(yīng)用中必需的盤繞、曲折等 引起的宏觀彎曲導(dǎo)致的損耗；它是曲率半徑引起的宏觀彎曲導(dǎo)致的損耗；它是曲率半徑 比光纖的直徑大得多的彎曲引起的損耗。比光纖的直徑大得多的彎曲引起的損耗。消逝場q qcqRq qCladdingCore場分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數(shù)增加光纖的損耗光纖的損耗P包層1 P包層2Loss模場直徑小 Loss模場直徑大Loss低階模 Loss高階模彎曲損耗與模場直徑的關(guān)系光纖的損耗光纖的損耗

13、過渡彎曲損耗：這種損耗的機理是由于光纖由直突然變過渡彎曲損耗：這種損耗的機理是由于光纖由直突然變 “ “彎曲彎曲”不一致，引起模場的不匹配，導(dǎo)致不一致，引起模場的不匹配，導(dǎo)致 導(dǎo)模與輻射模之間相互耦合，并損失功率。導(dǎo)模與輻射模之間相互耦合，并損失功率。 這種彎曲損耗的機理可通過所謂這種彎曲損耗的機理可通過所謂等效折射率的概念解釋，它是把彎等效折射率的概念解釋，它是把彎曲光纖中的場看成一等效折射率分曲光纖中的場看成一等效折射率分布下的直光纖的場。布下的直光纖的場。 分析后可發(fā)現(xiàn)，光纖彎曲越大分析后可發(fā)現(xiàn)，光纖彎曲越大，損耗越大；光場伸展越遠(yuǎn)，損耗，損耗越大；光場伸展越遠(yuǎn)，損耗也越大；光纖也越大；

14、光纖值越大，損耗越大值越大，損耗越大光纖的損耗光纖的損耗 微彎曲損耗：微彎曲是因為光纖在制造過程中內(nèi)部的應(yīng)微彎曲損耗：微彎曲是因為光纖在制造過程中內(nèi)部的應(yīng) 力沒有完全釋放而造成的，也可能是使用力沒有完全釋放而造成的，也可能是使用 過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同 而導(dǎo)致的后果。而導(dǎo)致的后果。 這種彎曲損耗主要是光在纖芯和包層 交界面上引起的散射，它也是由于彎曲而 引起的導(dǎo)模功率的橫向泄漏。高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模光纖的損耗光纖的損耗 理論分析表明，對于單模光纖，微彎曲損耗主要取決于模場半徑W0，相對折射率和纖軸畸變程度。而且，模場半徑的微小增

15、加都會引起微彎損耗的大幅度上升。光纖的損耗光纖的損耗宏彎和微彎對損耗的附加影響宏彎和微彎對損耗的附加影響宏彎損耗微彎損耗基本損耗NAannaV222/12221l增加，V減少，W0越大62/30879. 2619. 165. 022VVaW長波長處附加損耗顯著光纖的損耗光纖的損耗宏彎帶來的應(yīng)用局限：宏彎帶來的應(yīng)用局限：VerizonVerizon的煩惱的煩惱Verizon鐘愛光纖：花費230億美元配置了12.9萬公里長的光纖，直接連到180萬用戶家中，提供高速因特網(wǎng)和電視服務(wù)光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號衰減光纖的損耗光纖的損耗新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖P

16、hotonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康寧公司幫組Versions解決了問題：可彎曲、折返、打結(jié)，已在2500萬戶家庭中安裝日本NTT也完成了這種光纖的研制光纖的損耗光纖的損耗 4) 4) 光纖光纖- -光纖連接損耗光纖連接損耗 前面的都是光纖本身的損耗特性，然而實際應(yīng)用的光纖系統(tǒng)都是由許多根光纖連接構(gòu)成的，而兩根光纖間的連接遠(yuǎn)不如兩根金屬導(dǎo)線之間的連線那么簡單，需要精心設(shè)計的光纖連接技術(shù)，往往會引起一定程度的損耗，這種光纖-光纖的連接損耗通常要占光纖通信系統(tǒng)總損耗的30%左右。光纖的損耗光纖的損耗 內(nèi)部損耗因子包括纖芯的半徑a，相對折射率差，和

17、折射率分布參數(shù)g。 外部損耗因子主要包括光纖端面質(zhì)量、光纖的橫向、角向與縱向偏移以及端面間折射率匹配和光纖焊接中的纖芯軸畸變等。光纖的損耗光纖的損耗 各種損耗因子對于光纖連接的總損耗的貢獻(xiàn)是不一樣的。各種損耗因子對于光纖連接的總損耗的貢獻(xiàn)是不一樣的。 在多模光纖中，內(nèi)部損耗因子的a和的偏差會引起較大的損耗，而g的變化則影響較小。而且由內(nèi)部因子引起的損耗是非互易的，如：較小的的光纖到較大的的光纖的連接基本無損耗，而相反的連接方式就會產(chǎn)生很大的損耗。 外部損耗因子中，橫向與角向失準(zhǔn)對連接損耗的影響遠(yuǎn)比縱向失準(zhǔn)影響大。光纖的損耗光纖的損耗 在單模光纖中，內(nèi)部損耗因子引起的連接損耗相對模光纖要小的多。

18、 而對于外部損耗因子，因為單模光纖纖徑小，對于橫向偏移與角向偏移都極為敏感。為保證連接損耗小于0.5dB，要求光纖對準(zhǔn)調(diào)整誤差在十分之幾微米之內(nèi)。因此單模光纖的連接要比多纖光纖困難的多。光纖的損耗光纖的損耗損耗的補償辦法：放大電放大光電光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器光纖的色散光纖的色散o光纖的色散光纖的色散： 定義：由于光纖中光信號中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時，由于速度不同造成傳播時間不同，因此造成光信號中的不同頻率成分或不同的模式 到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。o光纖色散的

19、種類光纖色散的種類 模式色散 材料色散 波導(dǎo)色散 偏振色散n在單模光纖中不存在模式色散，只有材料色散、波導(dǎo)色散和偏振色散。o模式色散模式色散 多模光纖中各模式在同一頻率下以不同的群速度傳輸，從而使各模式間存在時延差，這種色散稱為模式色散。n 最大時延差：cLn/1max n可以證明，階躍光纖由模式色散引起的脈沖展寬為：n對于漸變光纖而言例1：某階躍光纖n1=1.5，=0.01 則可求得 m=50ns/km。例2：某漸變光纖n1=1.5，=0.01，則可求得m=0.25ns/km。n可見漸變光纖的模式色散要比階躍光纖小得多。cnm/1)2/(21cnmo材料色散材料色散 由于光纖材料本身的折射率

20、隨頻率而變化，使得信號各頻率成分的群速度不同，從而引起的色散稱為材料色散n單模光纖受材料色散的影響；多模光纖雖然也受材料色散的影響，但模式色散對其影響最大，因此多模光纖一般只考慮模式色散的影響。n可以證明，由材料色散引起的脈沖展寬為： 為光源的譜線寬度（nm）， 為石英光纖的材料色散系數(shù)（s/kmnm）Lm)()(mo波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 是由光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散。光纖中的導(dǎo)波在纖芯和包層中傳播，由于纖芯和包層的折射率不同，從而造成脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為波導(dǎo)色散。n對多模光纖而言，其波導(dǎo)色散的影響甚小。3.3 單模光纖的色散及單模光纖的分類o單模光纖的色散 對單模光纖來說由于不存在模式色散，材料色

21、散和波導(dǎo)色散就比較重要。 單模光纖的色散與光波長之間的關(guān)系圖n在 附近，材料色散為0；n在 ，材料色散與波導(dǎo)色散互相抵消，總色散為0m27. 1mm4 . 13 . 1o單模光纖的分類單模光纖的分類n 漸變型多模光纖漸變型多模光纖( GIF ) G.651：信號畸變小 n常規(guī)單模光纖常規(guī)單模光纖 (SMF) G.652：零色散點在 1310nm附近n色散位移光纖色散位移光纖 (DSF) G.653：零色散點移動到1550nm 。既有低損耗，又有低色散，適合在損耗最低窗口傳輸高速率信號n 低損耗光纖低損耗光纖G.654：零色散點在 1310nm附近，降低了在1550nm處的衰減。n非零色散位移光

22、纖非零色散位移光纖(NZDF)G.655：在1.55um附件有很小色散。適用于WDM系統(tǒng)3.5 單模光纖的非線性特性o非線性折射率o自相位調(diào)制o四波混頻o受激拉曼散射o受激布里淵散射o非線性折射率n克爾效應(yīng)n通過極化強度的推導(dǎo)，得出光纖的折射率除了一個線性部分外，還有一個與外加光強成正比的非線性修正項o自相位調(diào)制n由于光纖具有非線性的折射率，從而使相位因子受到光強調(diào)制的現(xiàn)象，稱為自相位調(diào)制n自相位調(diào)制導(dǎo)致光信號在傳輸過程產(chǎn)生附加的非線性位移，在正常色散條件下，會導(dǎo)致光脈沖的加速展寬o四波混頻四波混頻 指多個不同波長的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長上產(chǎn)生混頻成分，或在邊帶上產(chǎn)生新的光波效應(yīng)。 n由

23、四波混頻過程產(chǎn)生的新的頻率，可能與其他光載波頻率相等或相近，導(dǎo)致多波長通信系統(tǒng)中，不同波長通道之間的串?dāng)_和額外的功率損耗n解決方法：采用非零色散光纖（NZDF）和大有效面積光纖（LEAF）n非零色散光纖：使四波混頻的相位條件難以滿足n大有效面積光纖：減小纖芯單位面積上的光功率o受激散射受激散射 受激散射效應(yīng)是光通過光纖介質(zhì)時，有一部分能量偏離預(yù)定的傳播方向，且光波的頻率發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為為受激散射效應(yīng)。n受激拉曼散射n受激布里淵散射o受激拉曼散射受激拉曼散射 分子內(nèi)部粒子間的相對運動導(dǎo)致分子感應(yīng)電偶極矩隨時間的周期性調(diào)制，從而對入射光產(chǎn)生散射作用。這種現(xiàn)象稱做受激拉曼散射。 n光纖中的受激

24、拉曼散射是泵浦光在光纖中傳輸時把能量轉(zhuǎn)移給斯托克斯光的非線性現(xiàn)象，斯托克斯光的頻移與光纖材料的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，這種現(xiàn)象只有泵浦光超過一定閾值時才發(fā)生。n光纖拉曼激光器和拉曼光纖放大器都是基于光纖受激拉曼散射原理實現(xiàn)的。o受激布里淵散射o布里淵散射是布里淵于1922年提出的，但作為一種實用的研究手段，是在激光出現(xiàn)以后才發(fā)展起來的。布里淵散射也屬于喇曼效應(yīng)，即光在介質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率變化表征了元激發(fā)的能量。與喇曼散射不同的是，在布里淵散射中是研究能量較小的元激發(fā) 光纜的結(jié)構(gòu)和種類o光纜光纜 光纖在使用前必須由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜. 一定數(shù)量的光纖按照一定方式組成纜心，外包有護(hù)套，有的還包覆外護(hù)層，用以實現(xiàn)光信號傳輸?shù)囊环N通信線路。n光纜設(shè)計的任務(wù)：為光纖提供可靠的機械保護(hù)，使之適應(yīng)外部使用環(huán)境，并確保在敷設(shè)與使用過程中光纜中的光纖具有穩(wěn)定可靠的傳輸性能。n 光纖雖有一定的強度和抗張能力，但經(jīng)不起過大的側(cè)壓力與拉伸力；光纖在短期內(nèi)接觸水是沒有問題的，但若長期處在多水的環(huán)境下會使光纖內(nèi)的氫氧根離子增多，會增大光纖的衰耗。 因此，在實際通信線路中，都是將光纖制成不同結(jié)構(gòu)形式的光纜，使其具備一定的機械強度，以承受敷設(shè)時所施加的張力，并能在各種環(huán)境條