《光纤光学教学课件》第十讲.ppt

2019/4/29,第5章 光纤的特征参数与测试技术,2019/4/29,损耗,5.1 光纤的损耗,光纤损耗限制了光信号到达接受机的光功率，同时也限制了光通信系统两中继站之间的距离; 光纤的损耗由1973年的20dB/Km下降至1993年的0.2dB/Km 光纤的损耗与光纤中传输的光波长有关，因此决定了光纤通信的不同传输窗口。,2019/4/29,1、损耗的定义及来源,损耗的定义：单位长度（km）光纤光功率衰减分贝数。,数学表达式：,损耗的单位：,光纤通信系统中光功率的单位通常有dBm来表示,损耗的另一表达式：,2019/4/29,2019/4/29,光纤的衰减系数,单位：,光纤的衰减系数与损耗的关系：,2019/4/29,光纤损耗的来源：, 光纤材料的吸收与散射损耗； 光纤的微弯与宏弯损耗； 光纤的连接与耦合损耗。,2、光纤材料吸收损耗,2019/4/29,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,2019/4/29,2019/4/29,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,(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),2019/4/29,3、散射损耗,2019/4/29,OH吸收峰,2019/4/29,本征吸收： 在通信窗口处损耗极低，可忽略； 杂质离子吸收： 光纤材料化学提 纯，比如达到 99.9999999%的纯度； (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),2019/4/29,1998年，美国朗讯研制出ALLWave 光纤，削去了1385nm处的吸收峰，使石英光纤的低衰耗带宽从1250nm一直扩展到1650 nm。,2019/4/29,通信窗口：由0.85mm、1.31mm、1.55mm到S波(1.49mm1.53mm)、 C波(1.53mm1.57mm)、L波(1.57mm1.61mm)。,可利用的波长资源,O-band (Original): 1260-1360 nm E-band (Extended): 1360-1460 nm S-band (Short):, 1460-1530 nm C-band (Conventional): 1530-1565 nm L-band (Long): 1565-1625 nm U-band (Ultralong): 1625-1675 nm,2019/4/29,4、光纤的弯曲损耗,光纤发生弯曲,波导内完全内反射遭破坏,波导模转化为泄漏模甚至辐射模,引起弯曲损耗,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,2019/4/29,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,2019/4/29,(5) 微弯曲损耗,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,与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗,2019/4/29,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,2019/4/29,5.2 光纤的色散与脉冲展宽,光纤通信系统中传递的信息总是以光脉冲的形式在光纤中传输,2019/4/29,f,A,光源输出都有一定的谱宽 0.001 nm,l1,l2,l3,l1,l2,l3,2019/4/29,2019/4/29,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,2019/4/29,光纤色散限制了光纤通信系统的传输带宽; 光纤的传输速率越高，色散对系统的影响越明显； 色散可以通过对光纤的设计而降低，在通信系统中也可通过色散补偿模块加以补偿； 通过对通信用光源的选择，减少光纤色散的影响。,色散对光纤通信系统的影响及其补偿的方法：,2019/4/29,1、光纤色散种类,模间色散 材料色散 波导色散 偏振模色散,多模光纤色散 （适用于局域网）,单模光纤色散 （适用于骨干网）,2019/4/29,色散在传输信号的反映上即为群延时,群延时：光脉冲行进单位轴向距离所需的时间。,群速度：,群延时：,群延时差：,2019/4/29,色散定义：,即光源谱宽为1nm时，光脉冲信号传播1km所引起的脉冲展宽的ps数。,数学表达式：,色散的单位：,例如： 标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度6nm，传输10公里距离，色散脉冲展宽值为：,2019/4/29,对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽达到脉宽的20，则系统将不能工作。上述情形显然不适合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100；但是对于 155 Mbps速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为 6.5 ns，20的展宽为1300ps。 如果采用线宽为 0 .02 nm 的(1500 nm波长) 的DFB激光器，在1 Gbps 调制速率下，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 : = 17ps/nm/km 0.02 nm 10 km = 3.4 ps 显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。,2019/4/29,由于光纤中色散的存在，光脉冲传输时必然会产生群延迟，从而导致光脉冲的展宽。 光纤通信中影响传输特性的因素： 减小传输速率； 减小传输距离； 减小光源谱宽。,光纤通信系统要求,2019/4/29,2、多模光纤的模间色散,在多模光纤中，不同的模式以不同的群速度传输; 光脉冲由不同的模式支持传输，就会导致色散； SIOF光纤的模间色散比GIOF的模间色散大； 利用光线传输模型，可以分析模间色散。,2019/4/29,在多模SIOF光纤中，模间色散最大; 光纤内传输的模式越多，模间色散越大； SIOF光纤的传输带宽为10MH