[理学]光纤与光缆技术.ppt

第二章 光纤技术,第二节 光纤的设计理论 第三节 光纤产品介绍,一、色散 1、色散：色散是指一束不同颜色的光通过透光物质后被散开的现象。 一束白光通过一块玻璃三棱镜变成五颜六色的光带，这就是简单的色散现象。,第二节 光纤的设计理论,2、光纤的色散：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此，造成光信号中的不同频率成分或不同模式的光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形畸变的一种现象。,色散的程度可用时延差来表示，时延差越大，色散就越严重。,3、表示方法：色散的大小用时延差,表示,不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用表示。,时延差的单位：s,3、色散的种类及产生原因 (1)模式色散：在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各种模沿不同的路径走向终端，其路径长短不同，在终端会合时就会发生脉冲展宽。(只存在于多模光纤中)。在阶跃多模光纤中，模式色散是造成脉冲展宽的主要原因，要比波导色散和材料色散高出12个数量级。 (2)材料色散：由于纤芯、包层材料的折射率是波长的函数、材料折射率随光波长非线性变化造成的，不同的频率传输速度不同，对于谱宽较宽的信号，经过传输后产生脉冲展宽的现象。,(3)波导色散：由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。它与材料色散有同样的数量级,三、光纤的损耗特性 光纤的损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字信号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。,光纤损耗定义:长度为L(km)的光纤输出端光功率Pout与输 入端光功率Pin的比值，用分贝(dB)表示。,通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB/km)数表示，定义为,例1 一段30 km的光纤链路，其损耗为0.5 dB/km。 如果在接收端保持0.3 W 的接收光功率，则发送端的功率至少为多少？,解 根据公式,由题意得：,解得Pmin=9.49 W。,光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平不断提高的，即随着光纤损耗的不断降低而发展起来的。 造成光纤损耗的原因很多，主要有吸收损耗、 散射损耗和附加损耗，其损耗产生机理也非常复杂，简要说明如表2-2所示。,1. 吸收损耗 吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能转化为热能，从而造成光功率的损失。 造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。 1） 本征吸收 本征吸收是光纤基本材料（例如纯二氧化硅）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷引起的。 因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收下限。,2） 杂质吸收 杂质吸收是由材料的不纯净和工艺的不完善而造成的附加吸收损耗。 影响最严重的是过渡金属离子的吸收和水的氢氧根离子的吸收。 过渡金属正离子吸收包括Cu2+，Fe2+，Cr2+，Ni2+，Mn2+，V2+，Po2+等，其电子结构产生边带吸收峰(0.51.1 m)，造成损耗。 由于工艺改进，这些杂质含量低于109以下，影响已忽略不计。 OH1根负离子的吸收峰在0.95 m、 1.23 m和1.37 m，由于工艺改进，降低了OH1浓度，吸收峰影响已忽略不计。,2. 散射损耗 由于光纤的材料、 形状及折射率分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射，从而使一部分光不能到达收端所产生的损耗称为散射损耗。 散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。 线性和非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。 线性散射损耗主要包括瑞利散射损耗和波导散射损耗， 非线性散射损耗主要包括受激拉曼散射和受激布里渊散射等。,1） 瑞利散射 光纤在加热制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀，造成材料密度不均匀，进一步造成折射率不均匀。 这种不均匀性在冷却过程中固定了下来并引起光的散射，称为瑞利散射。,2） 波导散射损耗 当光纤纤芯直径沿轴向不均匀时，产生导模和辐射模间的耦合，能量从导模转移到辐射模，形成附加的波导散射损耗(结构缺陷性的散射损耗)。 这类散射损耗与包层与纤芯结合面的粗糙程度有关，与波长无关。 目前光纤制造水平已使该损耗降到可忽略的程度。,3） 非线性散射损耗 光纤中传输的光强(光密度)大到一定程度时，会产生非线性受激拉曼散射和受激布里渊散射，使输入光能部分转移到新的频率分量上。 常规光纤通信系统中，半导体激光器发射光功率较弱，该项损耗很小。,3. 附加损耗 附加损耗属于来自外部的损耗， 称为应用损耗或辐射损耗。 如在成缆、 施工安装和使用运行中使光纤扭曲、 侧压等造成光纤宏弯曲和微弯曲所形成的损耗等。 微弯曲是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起附加损耗一般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。 在光缆接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲，弯曲到一定曲率半径时，会产生辐射损耗。 （1）宏弯曲：如果光纤弯曲半径比光纤直径大得多，称为宏弯曲损耗T， 如图2-5-2所示。,图2-5-2 光纤宏弯曲损耗,宏弯曲损耗可近似表示为 T=C1 exp(C2R) 式中，R为光纤弯曲的曲率半径，C1与C2为与曲率半径R无关的常数。 宏弯曲比较轻微，附加损耗很小，但随着弯曲曲率半径的减小，损耗按指数增大。 到达某个临界值Rc时，若进一步减小弯曲半径，损耗会突然变得非常大，甚至导致传输中断。 Rc估算公式为,（2） 光纤微弯曲是由于护套不均匀或成缆时产生不均匀侧向压力引起的，造成光纤轴线的曲率半径重复变化。 这时弯曲的曲率半径不一定小于临界半径，但这种周期性变化引起光纤中导模与辐射模间反复耦合，使一部分光能量变成辐射模损耗掉，如图2-5-3所示。,图2-5-3 光纤微弯曲损耗,国际电信联盟电信标准部ITU-T(Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的几种光纤标准如下： 1.G.651光纤（渐变多模光纤） G.651光纤的工作波长有两种：1310nm和1550nm。在1310nm处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系数。按照纤芯/包层尺寸，G.651进一步分为4种，它们的纤芯/包层直径/数值孔径分别为50/125/0.200，62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.,三、 光纤产品介绍,2. G.652光纤（标准单模光纤） G.652是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤的衰减率达到0.30.4dB/km。目前已经铺设的光缆线路绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、2.5Gb/s的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为20 ，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输距离可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只能传输50公里。,3. G.653光纤（色散位移光纤） G.652光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，使工程应用受到很大限制，而G.653则把零色散点从1.31处移到了1.55处，所以也称G.653为色散移位光纤。它是单波长传输的最佳选择，但是对多信道应用而言，由于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，会产生非常严重的干扰产物，所以不适合于WDM系统，目前已不再铺设。,DWDM指密集波分复用，这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰减），这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要的光纤的总数量。,4. G.654光纤（衰减最小光纤） 这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研制的，其特点是在1.55的衰减很小，仅为0.185dB/km，但在该波长处的色散较大，约为1