光纖光纖光學(xué)及技術(shù)第三章?lián)p耗剖析

1、光纖的主要特性光纖的主要特性傳輸特性傳輸特性 損耗損耗 色散色散非線性非線性光學(xué)特性光學(xué)特性 折射率分布折射率分布 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng) 芯徑芯徑 外徑外徑 偏心度偏心度橢圓橢圓度度同心度誤差同心度誤差幾何尺寸幾何尺寸機(jī)械特性機(jī)械特性溫度特性溫度特性2光纖在光纖通信系統(tǒng)的主要作用是完成光信號(hào)的傳輸，所以最關(guān)心光纖的傳輸特性。光纖的傳輸特性主要有兩部分，光纖的損耗特性和色散特性。3損耗、色散和非線性損耗、色散和非線性對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊憣?duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰p衰減損耗損耗輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào)時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間色散色散脈沖展寬脈沖展寬頻率頻率非線性非線性新頻率新頻率4光纖損耗是通

2、信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴(lài)于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。損耗系數(shù)定義:p(z)為z處的光功率，代表?yè)p耗系數(shù)，L是光纖長(zhǎng)度，習(xí)慣上損耗系數(shù)通過(guò)下式用dB/km來(lái)表示：d ( )( )dP zP zz ( )(0)zP zPe5inoutPPLkmdB10log10)/(10( )lg(0)dBP LLP 10(0)lg10 lge4.34( )dBPzP z6【例3.1】 某光纖中z處的光功率 ，試求該光纖的損耗系數(shù) 、 以及5km這樣的光纖的總損耗（dB）。解：0.1(0.2)( )10mwzP zedB0.20.1( )10(0)zzP zeeP

3、e所以 =0.1（1/km） 4.34dB0.434dB 5km這樣的光纖的總損耗=LdB=0.4345=2.17（dB） 7即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗本征損耗。 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。這些損耗主要包括： 1. 吸收損耗吸收損耗2. 散射損耗散射損耗3. 彎曲損耗彎曲損耗損耗損耗8光纖損耗光纖損耗吸收損耗吸收損耗本征吸收本征吸收雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收原子缺陷吸收原子缺陷吸收紫外吸收紫外吸收紅外吸收紅外吸收氫氧根（氫氧根（OH）吸收）吸收過(guò)渡金屬離子吸收過(guò)渡金屬離子吸收瑞利散射損耗瑞利散射損耗結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗散射損耗散射損耗彎曲損耗彎曲損耗光纖彎

4、曲損耗光纖彎曲損耗光纖微彎損耗光纖微彎損耗9本征吸收吸收損耗 紫外吸收紅外吸收氫氧根(OH)吸收過(guò)渡金屬離子吸收原子缺陷吸收雜質(zhì)吸收10本征吸收：材料本身 (如SiO2) 的特性決定，即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會(huì)存在本征吸收。原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成。非本征吸收：由過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子 (OH)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗。11紫外吸收紫外吸收： 光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起光信號(hào)的損耗。這種損耗對(duì)于波長(zhǎng)小于0.4m的紫外區(qū)中的光波表現(xiàn)得特別強(qiáng)烈，形成紫外吸收帶。它的吸收損耗曲線已延伸到光纖

5、通信波段(即0.81.7m波段)。在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，引起光纖損耗小于0.1dB/km。12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(dòng)加劇，從而引起的損耗，紅外區(qū)表現(xiàn)強(qiáng)烈，因此稱(chēng)為紅外吸收。晶格1314光纖制造過(guò)程引入的有害雜質(zhì)帶來(lái)較強(qiáng)的非本征吸收OH和過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等15OHOH離子吸收：離子吸收：O-HO-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73 2.73 m m，與，與Si-OSi-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.391.39、

6、1.241.24、0.95 0.95 m m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口窗口。解決方法解決方法：(1) 光纖材料化學(xué)提純，達(dá)到 99.9999999%的純度(2) 制造工藝上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱 ( 汽相軸向沉積法) OH離子含量降到0.8-1.0ppb時(shí)，在0.6-1.7mm范圍內(nèi)，吸收峰基本消失16光纖制造 - 材料受到熱激勵(lì)熱激勵(lì) - 結(jié)構(gòu)不完善強(qiáng)粒子輻射輻射 - 材料共價(jià)鍵斷裂 - 原子缺陷導(dǎo)致光纖晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm，解決方案解決方案：提高制造工藝、不同的摻雜材料及

7、含量17散射損耗：光能輻射出光纖之外的一種損耗線性線性散射損耗散射損耗和非線性散射非線性散射損耗損耗線性散射損耗線性散射損耗： 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類(lèi)損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱(chēng)為線性散射損耗。主要包括：1. 瑞利散射2. 波導(dǎo)散射18本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值波導(dǎo)在小于光波長(zhǎng)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(duì)入射光產(chǎn)生本征散射瑞利散射一般發(fā)生在短波長(zhǎng)也是一種本征損耗，固有散射粒子尺寸比波長(zhǎng)小得

8、多，與l-4成正比1920導(dǎo)致的原因是波導(dǎo)缺陷：缺陷尺寸大于光波波長(zhǎng)- 纖芯和包層的界面不完備- 圓度不均勻- 殘留氣泡和裂痕等實(shí)際為結(jié)構(gòu)不完善引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射傳播波模變換后的傳播波纖芯包層輻射模21光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射受激喇曼散射和受激布里淵散射受激布里淵散射。在高功率傳輸時(shí)，光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過(guò)閾值，散射光強(qiáng)將呈指數(shù)增長(zhǎng)。高功率傳輸時(shí)必須要考慮非線性損耗22受激拉曼散射受激拉曼散射是強(qiáng)激光的光電場(chǎng)與原子中的電子激發(fā)、分子中的振動(dòng)或與晶體中

9、的晶格相耦合產(chǎn)生的，具有很強(qiáng)的受激特性具有很強(qiáng)的受激特性，即與激光器中的受激光發(fā)射有類(lèi)似特 性：方向性強(qiáng)，散射強(qiáng)度高。 受激布里淵散射受激布里淵散射也稱(chēng)聲子散射聲子散射，phonon scattering。 主要是由于入射光功率很高，由光波產(chǎn)生的電磁伸縮效應(yīng)在物質(zhì)內(nèi)激起超聲波，入射光受超聲波散射而產(chǎn)生的。散射光具有發(fā)散角小、線寬窄等受激發(fā)射的特性。也可以把這種受激散射過(guò)程看作光子場(chǎng)與聲子場(chǎng)之間的相干散射過(guò)程?？梢岳檬芗げ?里淵散射研究材料的聲學(xué)特性和彈性力學(xué)特性。 23摻GeO2的低損耗、低OH含量石英光纖OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：逼近本征損耗單模：

10、本征損耗+OH吸收損耗常溫且未暴露在強(qiáng)輻射下2425多模光纖的損耗大于單模光纖：- 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彎曲光纖彎曲：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲光纖彎曲時(shí)會(huì)造成模式轉(zhuǎn)換，如低階模變?yōu)楦唠A模時(shí)，傳輸路徑增加，損耗增大；若導(dǎo)模轉(zhuǎn)換為輻射模時(shí)，造成輻射損耗。為了盡量減小這種損耗，施工過(guò)程中嚴(yán)格規(guī)定了光纖光纜的允許彎曲半徑，使彎曲損耗降低到可以忽略不計(jì)的程度。26 由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的光光纖軸產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲稱(chēng)為纖軸

11、產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲稱(chēng)為微彎微彎。其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。27宏彎（彎曲）：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲；微彎：光纖軸線微米級(jí)的彎曲消逝場(chǎng)消逝場(chǎng)q q q qc cq qR Rq q q qCladdingCladdingCoreCore場(chǎng)分布場(chǎng)分布Loss模場(chǎng)直徑小 Loss模場(chǎng)直徑大Loss低階模 v v低頻光低頻光2. 2. 色散系數(shù)色散系數(shù)D D為負(fù)：負(fù)色散為負(fù)：負(fù)色散v v高頻光高頻光 材料色散材料色散 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 極化色散極化色散0多模光纖總色散：多模光纖總色散：?jiǎn)文９饫w總色散單模光纖總色散22)(wmMwm821320wmDDD- 材料色散的影響一般大于

12、波導(dǎo)色散： |Dm| |Dw|- 波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負(fù)值總色散系數(shù) D Dm + Dw【例3.7】 某單模光纖在1550nm波長(zhǎng)處的色散系數(shù)為3ps/kmnm,若光源的線寬為2.5nm，試確定2km長(zhǎng)的這種光纖的色散。解：?jiǎn)文９饫w的色散 ( )3 2.5 215(ps)DLll 將光纖看作一個(gè)傳輸系統(tǒng) 傳輸系統(tǒng)輸入 輸出 光纖傳輸系統(tǒng)模型 細(xì)化后的光纖傳輸系統(tǒng)模型 所以 可以隨展成級(jí)數(shù) 0002323000023d1 d1 d( )()()()()d2 d6 d 23000000011()()()26 基帶信號(hào)為 （表示功率）， 的頻譜為 。經(jīng)過(guò)頻率為0的光信號(hào) 的調(diào)制，則調(diào)制后的信號(hào)為 其傅

13、里葉變換為 ( )f t( )f t()F 0jte0j( )( )etx tf t0( )()XF經(jīng)過(guò)一段光纖的傳輸后進(jìn)行傅立葉反變換由于光載波頻率 也會(huì)產(chǎn)生相移，到終端為 j zj z0( )( )e()eYXFj t1( )( )2y tYedj()01()2tzFed0jte00j()tze經(jīng)過(guò)解調(diào)輸出信號(hào)為 00j()( )( )tzy tte00j()() 01()2tzFed 0j() 1()2tzFed 取一階近似時(shí)則則或者( ) 00000( )() 0j()1( )()2tztFed0( )()tf tz0( )()tf tz0( )()tf tz說(shuō)明：在一階近似條件下，輸

14、出光的包絡(luò)信號(hào)時(shí)輸入光的包絡(luò)信號(hào)一致 。只是在時(shí)間上有一定的延遲。單位長(zhǎng)度上的延遲為 ，故稱(chēng)為單位長(zhǎng)度上的群時(shí)延，用 表示 0若輸入信號(hào)為沖擊信號(hào) ，因此有 ( )( )f tt0( )()ttz沖擊信號(hào)包絡(luò)信號(hào)的演化 當(dāng)輸入信號(hào)為高斯脈沖輸出包絡(luò)為 22( )exp()tf t2021( )exp()ttz高斯脈沖包絡(luò)信號(hào)的演化 包絡(luò)信號(hào)的傳輸速度 ，即群速度定義無(wú)限大均勻介質(zhì)中的群折射率為由于 011gv0ccgNv002cnnknl00000000ddddd()ccdddddknkNkkk0000ddddddddnnnNnknknkkllll 則注：色散會(huì)使脈沖形狀 、幅度 、光載波頻率

15、相位發(fā)生變化。220000000011( )()()22 2001j() 21( )( )2tztFed 以高斯脈沖為例頻譜為 220( )exp()2tf tT2200( )exp2FTT221014222002401( )expexpj22()22211DDtzttTzzzTLLq其中 是經(jīng)過(guò)時(shí)延后的新時(shí)延變量 為色散長(zhǎng)度10ttz 200DLT22110222202401( )expexpjsgn()2221211DDDDttz LtTz LzzTLLq21222401( )exp211DDttzzTLL仍為高斯脈沖1、脈沖寬度增加的寬度用 衡量，由于 ，初始脈沖越窄， 越大，展寬就越多

16、。2、脈沖展寬與 的符號(hào)無(wú)關(guān) 3、輸出光信號(hào)包絡(luò)的幅度隨著距離的增加而下降，其下降程度也由 衡量4、輸出光產(chǎn)生了相位調(diào)制，瞬時(shí)頻率的頻移，即啁啾 Dz L200DLT00Dz L211102201( , )sgn()2221DDDtz Lzz ttgTLz L012210sgn()()1DDz LttTz L 脈沖展寬不滿足疊加定理 和 分別是從光纖初始端面發(fā)出的無(wú)啁啾高斯脈沖到達(dá)z1點(diǎn)和z2點(diǎn)的脈沖展寬。 是在z1點(diǎn)出發(fā)的一個(gè)展寬為 的無(wú)啁啾高斯脈沖到達(dá)點(diǎn)的脈沖展寬 12211010z T2020zT122222020120101200()()zzzTzzTT1222022)1 (exp)(

17、TtjCtf)1 (2exp12)(2022120jCTjCTF02)1 (TC )1 ( 2)1 (exp)1 ()(0202002020jCzjTTjCjCzjTTt220022002011 TzTzCTT頻譜半寬度結(jié)論：脈沖展寬取決于 與啁啾參量 之間的相對(duì)符號(hào)若二者同號(hào) （ ），則高斯脈沖單調(diào)展寬 若二者異號(hào) （ ），則高斯脈沖先變窄再展寬 0 C00 C00 C當(dāng)光纖的長(zhǎng)度為minzz 時(shí)，脈沖寬度最窄 02022min11 TCCLCCzD011min21TTTC106 光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。時(shí)域時(shí)域

18、: : 色散色散，即光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；頻域：帶寬頻域：帶寬頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減107光纖帶寬光纖帶寬的定義的定義： 通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時(shí)的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶光纖的帶寬寬(B)。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱(chēng)為3dB3dB光帶寬光帶寬。 ）（光光33. 3 30lg01dBPfPc光功率用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率：3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。 ）（光光電電電電34.3 60lg20

19、0lg200lg10dBPfPIfIPfPccc傳輸帶寬指的是系統(tǒng)函數(shù) 時(shí)對(duì)應(yīng)的 值若 21)(H2022exp)(Tttf2exp)(2020TTF輸出信號(hào)為其頻譜故1-222212200( )1+expT2()ttT2)(exp)(22020TT)2exp()()()(22FH令 ，則對(duì)于高斯脈沖，帶寬與脈沖展寬之間的關(guān)系傳輸帶寬與輸入脈沖寬度成正比，輸入脈沖寬度越窄，光纖傳輸帶寬越小21)(H2ln2zTfc00187. 0187. 02 當(dāng)光纖通信系統(tǒng)的碼速大于當(dāng)光纖通信系統(tǒng)的碼速大于140Mb/s140Mb/s時(shí)，中繼距離主要時(shí)，中繼距離主要由色散決定。當(dāng)僅考慮色散影響時(shí)，中繼距離的

20、計(jì)由色散決定。當(dāng)僅考慮色散影響時(shí)，中繼距離的計(jì)算公式為算公式為 為與色散代價(jià)有關(guān)的系數(shù)。由光源類(lèi)型來(lái)決定，若采用多縱模激光器，取為0.115；若采用單縱模激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管，則取為0.306 DBLDl610【例3.8】 已知一個(gè)565Mb/s單模光纖傳輸系統(tǒng)，光纖的色散系數(shù)為2 ps/(nmkm)，光源光譜寬度為1.8nm。求最大中繼距離為多少 解：由公式得 66D100.306 10L150kmBD565 1.8 2l (1)在1310nm 波長(zhǎng)處的色散為零。(2)在波長(zhǎng)為1550nm附近衰減系數(shù)最小，約為0.22dB/km，但在1550nm 附近其具有較大色散系數(shù)，為17ps/(n

21、mkm)。(3) 工作波長(zhǎng)即可選在1310nm波長(zhǎng)區(qū)域，又可選在1550nm波長(zhǎng)區(qū)域，它的最佳工作波長(zhǎng)在1310nm區(qū)域。G.652 光纖是當(dāng)前使用最為廣泛的光纖。 單模光纖的工作波長(zhǎng)在1.3m時(shí)，模場(chǎng)直徑約9m，其傳輸損耗約0.3dBkm。此時(shí)，零色散波長(zhǎng)恰好在1.3m處。 石英光纖中，從原材料上看1.55m段的傳輸損耗最小（約0.2dBkm）。 由于現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)用的摻鉺光纖放大器（EDFA）是工作在1.55m波段的，如果在此波段也能實(shí)現(xiàn)零色散，就更有利于1.55m波段的長(zhǎng)距離傳輸。 巧妙地利用光纖材料中的石英材料色散與纖芯結(jié)巧妙地利用光纖材料中的石英材料色散與纖芯結(jié)構(gòu)色散的合成抵消特性，就可

22、使原在構(gòu)色散的合成抵消特性，就可使原在1.3m1.3m段的段的零色散，移位到零色散，移位到1.55m1.55m段也構(gòu)成零色散，被命名段也構(gòu)成零色散，被命名為色散位移光纖。為色散位移光纖。 （DSFDSF：Dispersion Shifted Dispersion Shifted FiberFiber） 在長(zhǎng)距離的傳輸中，光纖色散為零是重要的，但不是唯一的。其它性能還有損耗小、接續(xù)容易、成纜化容易和工作中的特性變化?。ò◤澢⒗旌铜h(huán)境變化影響）。DSF就是在設(shè)計(jì)中，綜合考慮這些因素。- G.653稱(chēng)為色散位移單模光纖。色散位移光纖是通過(guò)改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)、折射率分布形狀，力求加大波導(dǎo)色散，從

23、而將零色散點(diǎn)從1310nm位移到1550nm，實(shí)現(xiàn)1550nm處最低衰減和零色散波長(zhǎng)一致。這種光纖工作波長(zhǎng)在1550nm區(qū)域, 非常適合于長(zhǎng)距離單信道光纖通信系統(tǒng)。，G.653G.653單模光纖（單模光纖（DSFDSF）-1550nm1310nm色色散散p ps s/ /n nm m k km m普普通通光光纖纖( (S SM MF F) )非非色色散散位位移移光光纖纖（N ND DS SF F，G G. .6 65 52 2）已已有有光光纖纖的的 9 95 5% %波波長(zhǎng)長(zhǎng) l l色色散散位位移移光光纖纖（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纖

24、纖（N NZ ZD DS SF F, ,G G. .6 65 55 5）180D DW WD DM M波波長(zhǎng)長(zhǎng)范范圍圍正常色散區(qū)正常色散區(qū)反常色散區(qū)反常色散區(qū)降低色散對(duì)光傳輸?shù)南拗?1）采用窄譜線光源 2）降低光纖傳輸窗口的色散值 由于并不需要在整個(gè)光纖上都保持好的波形 ，色散補(bǔ)償是一種不錯(cuò)的選擇1.1.色散補(bǔ)償光纖（色散補(bǔ)償光纖（DCFDCF）要求作出負(fù)色散系數(shù)很大的光纖要求作出負(fù)色散系數(shù)很大的光纖 -100ps/ (nmkm)-100ps/ (nmkm) 的單模光纖已有超過(guò)-200 ps/ (nmkm）的光纖也研制出來(lái)但損耗很大雙模色散補(bǔ)償光纖 D高損耗(0.5dB/km)小截面積(DCF: 20m2 G-652: 80m2 ), 比標(biāo)準(zhǔn)光纖的非線性系數(shù)高 2-4個(gè)數(shù)量級(jí)非線性閾值低3-6dB較大的色散斜率(DCF:-15 -20 ps/nm2/k