光纤的损耗和色散.ppt

第三章 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： 材料本身 (如SiO2) 的特性决定，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 晶格 (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 800 人死亡 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 消逝场 q qc q R q q Cladding Core 场分布 弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加 弯曲损耗与模场直径的关系 P包层1 v低频光 2. 色散系数D为负：正色散 b2 0 v高频光 |Dw| - 波导色散系数通常为负值 总色散系数 D Dm + Dw 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 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一 模间色散 多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散 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 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 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 1320 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 在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统 普通商用光纤 色散平坦光纤 色散补偿光纤 (DCF) 色散补偿光纤 传输光纤 0 100 50100150200 传播长度 总色散 (ps/kmnm) TXRX 正负色散率搭配使系统累积色散为零 缺点：(1) 高