3第二章2光纖的傳輸特性ppt課件

1、第二章第二章 光纖與光纜光纖與光纜(2)本節(jié)內(nèi)容：光纖的傳輸特性本節(jié)內(nèi)容：光纖的傳輸特性光纖的損耗 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗 。 即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗。 光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于：1. 吸收損耗2. 散射損耗3. 彎曲損耗吸收損耗吸收損耗v原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)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。的不完整造成。v非本征吸收：由過渡金屬離子和氫氧根離非本征吸收：由過渡金屬離子和氫氧根離子子 (OH (OH) )等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗。等雜質(zhì)對

2、光的吸收而產(chǎn)生的損耗。v本征吸收損耗：由制造光纖材料本身本征吸收損耗：由制造光纖材料本身 ( (如如SiO2) SiO2) 的特性所決定，包括紫外吸收、紅外的特性所決定，包括紫外吸收、紅外吸收。即便波導結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含吸收。即便波導結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會存在本征吸收。任何雜質(zhì)也會存在本征吸收。原子缺陷吸收原子缺陷吸收 在光纖的制造過程中光纖材料受到某種熱激勵造成結(jié)構(gòu)的不完善或在使用時暴露在強粒子的光輻射下將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630 nm左右。1 rad(Si) = 0.01

3、J/kg非本征吸收非本征吸收 原材料將在光纖的制造過程中引入雜質(zhì)，帶來較強的非本征吸收。有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等金屬離子和OH。OHOH吸收峰吸收峰解決方法：解決方法：(1)(1)對制造光纖的材料對制造光纖的材料進行嚴格的化學提純，進行嚴格的化學提純，比如材料達到比如材料達到99.9999999%99.9999999%的純度的純度(2)(2)制造工藝上改進，制造工藝上改進，如避免使用氫氧焰加熱如避免使用氫氧焰加熱( (汽相軸向沉積法汽相軸向沉積法) )本征吸收本征吸收(1) (1) 紫外吸收紫外吸收 光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲿⒐饫w材料中的電子從低能級激光纖中傳輸?shù)墓庾?/p>

4、流會將光纖材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級，同時光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。發(fā)到高能級，同時光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。(2) (2) 紅外吸收紅外吸收 由于光纖中傳播由于光纖中傳播的光波與晶格相互作的光波與晶格相互作用時，一部分光波能用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起振動加劇，從而引起的損耗。的損耗。z晶格晶格光傳播方向光傳播方向kEx光纖吸收損耗曲線光纖吸收損耗曲線摻摻GeO2GeO2的低損耗、低的低損耗、低OHOH含量石英光纖含量石英光纖OH0.154 dB/km

5、幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較散射損耗散射損耗 光纖中由于密度不均、折射率的變化以及結(jié)構(gòu)上的不完善，會發(fā)生散射現(xiàn)象。瑞利散射：尺度小于光波長的材料密度的不均勻?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生的本征散射，短波長的光容易發(fā)生這種散射 造成原因分子密度分布不均勻；摻雜分子導致折射率不均勻波導散射：由波導缺陷導致的散射造成原因纖芯和包層的界面不完整、圓度不均勻以及殘留氣泡和裂痕等引起的散射目前的制造工藝基本可以克服波導散射）本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值產(chǎn)品級典型的光纖損耗譜產(chǎn)品級典型的光纖損耗譜多模光纖的損耗大于單模光纖：多模光纖的損耗大于單模光纖：- - 為獲得較大的數(shù)

6、值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高為獲得較大的數(shù)值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高- - 由于纖芯由于纖芯- -包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗模式損耗多模光纖多模光纖單模光纖單模光纖彎曲損耗彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的高頻彎曲微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的高頻彎曲高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時可用彎曲的辦法高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時可用彎曲的辦法濾掉高階模濾掉高階模消逝場消逝場q qq qq q q qcq qRCladdingCore場分布場分布宏彎

7、：當曲率半徑減小時，宏彎：當曲率半徑減小時， 輻射損耗呈指數(shù)增加輻射損耗呈指數(shù)增加微彎損耗微彎損耗微彎的原因：微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均成纜時受到壓力不均成纜時受到壓力不均使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同導致的后果：導致的后果：造成能量輻射損耗造成能量輻射損耗高階模功率損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模低階模功率耦合到高階模減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護套減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護套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彎曲損耗隨模場直徑增加顯著增加彎曲損

8、耗隨模場直徑增加顯著增加光纖彎曲帶來額外損耗光纖彎曲帶來額外損耗宏彎損耗宏彎損耗微彎微彎損耗損耗基本損耗基本損耗NAannaV222/12221 增加，增加，V V減少減少 前面的討論說明多種導致光纖損耗的原因。一般來說光信號在光纖中傳播的時候，其功率隨距離 L 的增加呈指數(shù)衰減：那么，評價光纖損耗特性可以通過損耗系數(shù)來衡量。光纖的損耗系數(shù)定義為：其中L為光纖長度，Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。一般標準單模光纖在1550 nm的損耗系數(shù)為0.2 dB/km。光纖損耗的計算光纖損耗的計算LinoutePPKmdBPPLoutin/log10第二傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗口第一傳輸窗

9、口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紅外吸收紅外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5損損 耗耗 (dB/km) (dB/km)波波 長長 (nm) (nm)OHOH離子吸收峰離子吸收峰第三傳輸窗口第三傳輸窗口在在1.551.55m m處最小損耗處最小損耗約為約為0.2dB/km0.2dB/km常用單模光纖的損耗常用單模光纖的損耗光纖的色散光纖的色散色散引起的信號失真色散引起的信號失真模內(nèi)色散模內(nèi)色散 ( (群速率色散群速率色散) ) - - 材料色散：每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對不同材料色散：每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對不同 的頻率成分的折射率

10、不同，從而不同的頻率成的頻率成分的折射率不同，從而不同的頻率成 分在光纖中傳播的群速度不同。分在光纖中傳播的群速度不同。 - - 波導色散：信號光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有波導色散：信號光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有 不同的傳播速度，從而導致色散。它的大小取不同的傳播速度，從而導致色散。它的大小取 決于波導尺寸和纖芯包層的折射率差。決于波導尺寸和纖芯包層的折射率差。模間色散：不同傳播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和模間色散：不同傳播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和速率，造成模間色散。速率，造成模間色散。偏振模色散：環(huán)境因素造成光不同偏振態(tài)的傳播時延差。偏振模色散：環(huán)境因素造成光不

11、同偏振態(tài)的傳播時延差。fA(1) (1) 光源輸出都有一光源輸出都有一定的譜寬定的譜寬112233112233(2)(2)單模光纖中傳播模單模光纖中傳播模80%80%能量在纖芯能量在纖芯 20% 20%能量在包層能量在包層色散的直接后果是色散的直接后果是產(chǎn)生碼間干擾，給產(chǎn)生碼間干擾，給信號的最后判決造信號的最后判決造成困難成困難模內(nèi)色散模內(nèi)色散 信號分量的群速率是頻率/波長的函數(shù)：即不同的頻率分量間存在群時延差。信號在傳輸了距離L，頻率分量w經(jīng)歷的延時為：假設(shè)輸入脈沖的譜寬Dw不太寬，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：群速率色散群速率色散 (GVD)1212cvgddLvLTg222LddLv

12、LddddTTgGVD 參數(shù)參數(shù) 通常光源的譜寬用Dl來表示。根據(jù)w和l之間的關(guān)系代入DT中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數(shù)： ps/(kmnm)群時延色散群時延色散222cc DLLT2222)(cD1. 1. 色散系數(shù)色散系數(shù)D D為正：負色散為正：負色散v v高頻光高頻光 v v低頻光低頻光2. 2. 色散系數(shù)色散系數(shù)D D為負：正色散為負：正色散v v高頻光高頻光 v |Dw| |Dm| |Dw|模間色散模間色散 多模光纖中不同導模具有不同的傳播路徑和速度導致了模間色散。對于子午光纖，經(jīng)過長度對于子午光纖，經(jīng)過長度L L后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展

13、寬為：展寬為：DLDL為兩種模式的光程差。為兩種模式的光程差。cLnTTT1minmaxmod偏振模色散偏振模色散 (PMD)雙折射效應(yīng)導致了偏振模色散雙折射效應(yīng)導致了偏振模色散PMD PMD 受環(huán)境受環(huán)境( (如振動、溫度、應(yīng)力等如振動、溫度、應(yīng)力等) )影響非常顯著，跟模內(nèi)影響非常顯著，跟模內(nèi)色散相比具有不穩(wěn)定性和突發(fā)性。因而，色散相比具有不穩(wěn)定性和突發(fā)性。因而，PMDPMD補償?shù)碾y度比補償?shù)碾y度比較大，關(guān)于補償?shù)姆椒壳吧袩o定論。較大，關(guān)于補償?shù)姆椒壳吧袩o定論。PMD 對傳輸?shù)挠绊憣鬏數(shù)挠绊懮鬏攷挼挠绊懀簩捵V光源色散對傳輸帶寬的影響：寬譜光源 GHz4/14/1SMFLDTB

14、比較大的時候，單模光纖帶寬：比較大的時候，單模光纖帶寬：例：考慮一個工作在1550 nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15 nm，使用標準單模光纖D = 17 ps/kmnm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積： BL 1 (Gb/s)km假設(shè)1550 nm為系統(tǒng)的零色散波長，系統(tǒng)的BL值為： BL 40 40 Gb/sGb/s高速系統(tǒng)的應(yīng)用場合，色散成為首要考慮的因素之一。高速系統(tǒng)的應(yīng)用場合，色散成為首要考慮的因素之一。色散對傳輸帶寬的影響：窄譜光源色散對傳輸帶寬的影響：窄譜光源GHz4/12SMFLB比較小的時候，單模光纖帶寬：比較小的時候，單模光纖帶寬：不同線寬下的系統(tǒng)色散所允不同線寬下的系統(tǒng)色散所允許的帶寬與

15、傳輸距離的關(guān)系許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系0 nm：展寬遠小于一個比特：展寬遠小于一個比特 時的光源線寬時的光源線寬結(jié)論：結(jié)論：1) 光源線寬越寬色散越嚴重光源線寬越寬色散越嚴重2) 零色散光纖對提高系統(tǒng)性零色散光纖對提高系統(tǒng)性 能作用明顯能作用明顯光纖的非線性效應(yīng)光纖的非線性效應(yīng)v在線性光學中，物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強成在線性光學中，物質(zhì)對光場的響應(yīng)與光的場強成線性關(guān)系。光的獨立性原理和疊加原理都成立。線性關(guān)系。光的獨立性原理和疊加原理都成立。v盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場強非常高，且作用距離長，使纖芯小，纖芯內(nèi)場強非常高

16、，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強度，導得光纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強度，導致對信號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。致對信號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。v反之，可以利用非線性現(xiàn)象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。反之，可以利用非線性現(xiàn)象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。 導導致新的學科分支致新的學科分支非線性光纖光學。非線性光纖光學。光纖非線性效應(yīng)分類光纖非線性效應(yīng)分類非線性效應(yīng)概述非線性效應(yīng)概述vSBS、SRS及及FWM過程所引起的波長信道過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強度有關(guān)。這些非的增益或損耗與光信號的強度有關(guān)。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信線性過程對某些信道提供

17、增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個波長間產(chǎn)生道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個波長間產(chǎn)生串擾。串擾。vSPM和和XPM都只影響信號的相位，從而使都只影響信號的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。光纖的非線性效應(yīng)v單信道系統(tǒng)，功率水平單信道系統(tǒng)，功率水平10mw,速率不超過速率不超過2.5Gb/s時，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：時，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：光纖的損耗和折射率都與信號功率無關(guān)光纖的損耗和折射率都與信號功率無關(guān)vWDM系統(tǒng)中，即使在中等功率水平和比特率系統(tǒng)中，即使在中等功率

18、水平和比特率下，非線性效應(yīng)也很顯著。下，非線性效應(yīng)也很顯著。v非線性效應(yīng)的產(chǎn)生的原因是：光纖傳輸損耗非線性效應(yīng)的產(chǎn)生的原因是：光纖傳輸損耗增益和折射率以及光功率相關(guān)。增益和折射率以及光功率相關(guān)。v非線性相互作用取決于傳輸距離和光纖的橫截非線性相互作用取決于傳輸距離和光纖的橫截面積。面積。折射率非線性變化v光纖折射率隨光功率變化：光纖折射率隨光功率變化：vn=n0 + n2P/Aev其中其中P 是光功率，是光功率， Ae 是光纖有效是光纖有效截面積截面積v折射率變化引起光波相位變化，導致折射率變化引起光波相位變化，導致光脈沖展寬光脈沖展寬 ，形成，形成 SPM, XPM and FWM v在負色

19、散區(qū)導致色散代價；在正色散在負色散區(qū)導致色散代價；在正色散區(qū)，導致色散補償。區(qū)，導致色散補償。v 自相位調(diào)制(SPM)v自相位調(diào)制自相位調(diào)制SPM的產(chǎn)生是由于本信道的產(chǎn)生是由于本信道光功率引起的折射率非線性變化，這一非光功率引起的折射率非線性變化，這一非線性折射率引起與脈沖強度成正比的感生線性折射率引起與脈沖強度成正比的感生相移，因此脈沖的不同部分有不同的相移，相移，因此脈沖的不同部分有不同的相移，并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾vSPM效應(yīng)在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)效應(yīng)在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出。中更為突出。vSPM會增強色散的脈沖展寬效應(yīng)。從而大會增強色散的脈沖展寬效

20、應(yīng)。從而大大增加系統(tǒng)的功率代價。大增加系統(tǒng)的功率代價。SPM的特點vE(Z,t)=Ecos(wot-Boz)v自相位調(diào)制自相位調(diào)制SPM）：電場）：電場Ez,t的相位隨的相位隨E2z變化，即：變化，即：SPM引起的相引起的相位變化正比于電場強度位變化正比于電場強度E2與傳播距離與傳播距離z。2)3(0083ExnncwB交叉相位調(diào)制(XPM)v交叉相位調(diào)制交叉相位調(diào)制XPM的產(chǎn)生是由于外信道光的產(chǎn)生是由于外信道光功率引起的折射率非線性變化，導致相位變化功率引起的折射率非線性變化，導致相位變化v相位正比于相位正比于 ，其中第一項來源于，其中第一項來源于SPM，第二項即交叉相位調(diào)制，第二項即交叉相

21、位調(diào)制(XPM)。v若若E1=E2 則則XPM的效果將是的效果將是SPM的兩倍。因此的兩倍。因此XPM將加劇將加劇WDM系統(tǒng)中系統(tǒng)中SPM的啁啾及相應(yīng)的的啁啾及相應(yīng)的脈沖展寬效應(yīng)。脈沖展寬效應(yīng)。v增加信道間隔可以抑制增加信道間隔可以抑制XPMvDSF高速高速(10Gb/s)WDM系統(tǒng)中，系統(tǒng)中，XPM將成為將成為一個顯著的問題。一個顯著的問題。zEEE)2(1221四波混頻(FWM)v折射率對于光強的相關(guān)性，不僅引起信道中的折射率對于光強的相關(guān)性，不僅引起信道中的相移，而且產(chǎn)生新頻率分量的信號，這種現(xiàn)象相移，而且產(chǎn)生新頻率分量的信號，這種現(xiàn)象稱為四波混頻稱為四波混頻FWM）v 三光子混頻：三光

22、子混頻： w4= w1+w2+w3v兩光子混頻：兩光子混頻： w4+w3= w1+w2v單光子混頻：單光子混頻： w4+w3= 2wp (wp=w1=w2)v兩束光產(chǎn)生混頻兩個邊帶：兩束光產(chǎn)生混頻兩個邊帶：v斯托克斯頻率：斯托克斯頻率： wS= 2w1- w2v反斯托克斯頻率：反斯托克斯頻率： wA= 2w2- w1四波混頻的特點v FWM的影響有賴于相互作用的信號之間的相位關(guān)系。的影響有賴于相互作用的信號之間的相位關(guān)系。如果相互作用的信號以同樣的群速度傳播無色散時如果相互作用的信號以同樣的群速度傳播無色散時就是這種情況），則就是這種情況），則FWM的影響加強，另一方面，如的影響加強，另一方面

23、，如果存在色散，不同的信號以不同的群速度傳播，因此果存在色散，不同的信號以不同的群速度傳播，因此不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道間果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道間隔越大，群速度的差異就越大。隔越大，群速度的差異就越大。v 色散位移光纖中的色散值很低，色散位移光纖中的色散值很低，F(xiàn)WM效率要高得多。效率要高得多。v 在色散位移光纖中，信道數(shù)增加時，會產(chǎn)生更多的在色散位移光纖中，信道數(shù)增加時，會產(chǎn)生更多的FWM項項v 信道間隔減小時，相位失配減小，信道間隔減小時，相位失配減小，F(xiàn)W

24、M效率增加效率增加v 信號功率增加，信號功率增加，F(xiàn)WM呈指數(shù)增加呈指數(shù)增加降低FWM的措施v 仔細選擇各信道的位置，使得那些拍頻項不與信道帶仔細選擇各信道的位置，使得那些拍頻項不與信道帶寬范圍重疊。這對于較少信道數(shù)的寬范圍重疊。這對于較少信道數(shù)的WDM系統(tǒng)是可能的，系統(tǒng)是可能的，但必須仔細計算信道的確切位置。但必須仔細計算信道的確切位置。v 增加信道間隔，增加信道之間的群速度不匹配。但缺增加信道間隔，增加信道之間的群速度不匹配。但缺點是增加了總的系統(tǒng)帶寬，從而要求放大器在較寬的點是增加了總的系統(tǒng)帶寬，從而要求放大器在較寬的帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜，另外還增加了帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜，另外還

25、增加了SRS引起的引起的代價。代價。v 增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。v 對于對于DSF使用大于使用大于1560nm的波長。這種方法的思路是：的波長。這種方法的思路是：即使對于即使對于DSF，這一范圍內(nèi)也存在顯著的色散量，從而，這一范圍內(nèi)也存在顯著的色散量，從而可以減小可以減小FWM的效率。這依賴于的效率。這依賴于L-band的的EDFA。v 針對不同的波長信道引入延時，從而擾亂不同波長信針對不同的波長信道引入延時，從而擾亂不同波長信道的相位關(guān)系。道的相位關(guān)系。受激布里淵散射(SBS)v 受激布里淵散射受激布里淵散射SBS是由于光子受到聲學聲子的是由于光子受到聲學聲子的散射所產(chǎn)生的散射所產(chǎn)生的,形成斯托克斯波與反斯托克斯波。形成斯托克斯波與反斯托克斯波。v SBS產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在1.55mm處，處，WB=11.1GHZ。v 斯托克斯