光纤的损耗和色散.ppt

第三讲 光纤的损耗和色散,主要内容,光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化,3.1 光纤的损耗,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。这些损耗主要包括： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗,损耗,吸收损耗,原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成,非本征吸收： 由过渡金属离子和氢氧根离子 (OH)等杂 质对光的吸收而产生的损耗,本征吸收： 由制造光纤材料本身 (如SiO2) 的特性所决 定，即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收,本征吸收,(1) 紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围,z,晶格,光传播方向,k,E,x,(2) 红外吸收 光波与光纤晶格相互作 用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加 剧，从而引起的损耗,本征吸收曲线,非本征吸收,光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收,OH吸收峰 2 dB,解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度,OH和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等,(2) 制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热 ( 汽 相轴向沉积法),原子缺陷吸收,1 rad(Si) = 0.01 J/kg,光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动,光纤制造 - 材料受到热激励 - 结构不完善,强粒子辐射 - 材料共价键断裂 - 原子缺陷,吸收光能，引起损耗,散射损耗,光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1. 瑞利散射 2. 波导散射,瑞利散射,波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射。 瑞利散射一般发生在短波长,本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值,波导散射,导致的原因是波导缺陷 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等 目前的制造工艺基本可以克服波导散射,标准单模光纤损耗曲线,掺GeO2的低损耗、低OH含量石英光纤,OH,0.154 dB/km,AllWave fiber,AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH吸收损耗,常温且未暴露 在强辐射下,商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较,多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗,多模光纤,单模光纤,弯曲损耗,宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲,微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲,弯曲损耗与模场直径的关系,P包层1 P包层2,Loss模场直径小 Loss模场直径大,Loss低阶模 Loss高阶模,模式剥离器：将光纤缠绕成环,微弯损耗,微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 导致的后果： 造成能量辐射损耗,高阶模功率损耗,低阶模功率耦合到高阶模,与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗,宏弯和微弯对损耗的附加影响,宏弯损耗,微弯 损耗,基本损耗,l增加，V减少，W0越大,长波长处附加损耗显著,光纤损耗的度量,总的来说，光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离 L 的增加呈指数衰减： 那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的 损耗系数定义为： 其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。,损耗的补偿办法,电放大 光电光 全光放大 EDFA 拉曼放大器,掺铒光纤放大器,主要内容,光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化,3.2 色散引起的信号失真,分类： 1. 模内色散 - 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散,色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难,不同的频率、模式、偏振分量,f,A,光源输出都有一定的谱宽 0.001 nm,l1,l2,l3,l1,l2,l3,模内色散：材料色散,光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同,单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层,模内色散：波导色散,信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度,模内色散 - 群速率色散 (GVD),信号分量的群速率是频率/波长的函数： 即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，频率分量w经历的延时为： 对于一个谱宽为Dw的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：,GVD 参数,w = 2pc/l,群时延色散,通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽。根据w和l之间的关系： 代入DT中，那么可以得到： 其中D(l)称为色散系数： ps/(kmnm) 标准单模光纤在1550 nm处色散系数为17 ps/kmnm,正色散、负色散和零色散,1. 色散系数D为正：负色散 b2 v低频光 2. 色散系数D为负：正色散 b2 0 v高频光 v低频光 3. 色散系数D为零：零色散,材料色散,光纤的折射率是波长的函数n(l)，则不同的波长的传播函数b不同： 可以得到传播了L后由Dl所带来的群延时差为： Dm为材料色散系数。,减小材料色散：选择谱宽窄的光源,波导色散,假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D = (n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于： 可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为： 其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：,其中,标准单模光纤总的模内色散,- 材料色散的影响一般大于波导色散： |Dm| |Dw| - 波导色散系数通常为负值,总色散系数 D Dm + Dw,模间色散,多模光纤中不同导波模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。,对于子午光线，经过长度L后模间色散可能产生的最大脉 冲展宽为： DL为两种模式的光程差。,偏振模色散 (PMD),双折射效应导致了偏振模色散,光纤对传播模式的两个偏振 分量的传播速度不同,(偏振模色散 )PMD的外部因素及其特点,外部因素：环境变化如振动、温度、应力等 特点：具有很强的不稳定性和突发性 因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论。,PMD 对传输的影响,PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著,模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源,Dl比较大的时候，单模光纤带宽：,例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/kmnm，那么系统带宽和距离乘积： BL 1 (Gb/s)km,带宽和距离乘积：,模内色散对传输带宽的影响,不同线宽下的系统色散所允 许的带宽与传输距离的关系 0 nm：光源线宽非常小 结论： 1) 光源线宽越宽色散越严重 2) 零色散光纤对提高系统性 能作用明显,对于高速光链路 ( 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一,主要内容,光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化,3.5 单模光纤的色散优化设计,1550 nm,G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm,办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动,普通商用光纤,色散位移光纤,G.656 色散平坦光纤,在较大的范围内保