chapter光纤光学ppt课件

.,第二章光纤的特性,.,Outline,2.1引言2.2光纤的损耗2.3光纤的色散2.4单模光纤的设计,.,2.1引言,光纤的损耗、色散、非线性效应、偏振对于光纤通信和光纤传感的研究都是十分重要的特性参量。损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。色散导致光脉冲的展宽，限制光通信系统的传输容量。单根光纤中光功率的增加，光纤的非线性成为难以回避的问题。光纤的偏振特性、保偏、消偏和偏振控制对于光纤通信和光纤传感的研究极为重要。,.,2.2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,.,一、损耗单位,光信号在光纤中传播，其功率随距离增加以指数形式衰减。即：,其中，P(0)起始处（z=0）信号光功率P(z)光传输距离z的光功率,称为损耗系数，单位是km-1,为了计算方便，用的更多是损耗系数单位：dB/km,.,为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。,当P=1mW，P=0dBm;当P=50mW，P=17dBm当P=1000mW,P=30dBm;当P=1uW，P=-30dBm,dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB,注意：dBm减dBm实际上是两个功率相除为dB,.,P1(dBm)=10log10PA(mW)/1mWP2(dBm)=10log10PB(mW)/1mWP1(dBm)-P2(dBm)=10log10PA(mW)/1mW-10log10PB(mW)/1mW=10log10PA(mW)/PB(mW)例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大6dB。46dBm-40dBm=6dB10log10PA/PB=6PA/PB=100.6=3.984,.,Pin(dBm)=10log10Pin(mW)/1mW=10log1020010-3mW/1mW=-7dBm在z=30km时的输出功率（用dBm表示）Pout(dBm)=Pin(dBm)-z=-7dBm-0.8dB/km30km=-31dBmPout=10-31/10(mW)=0.7910-3mW=0.79uW,例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求其输出功率Pout。解：首先将输入功率的单位转换成dBm。,.,例3：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10nW，在1.3um波段工作，光纤衰减系数是0.4dB/km,请问无须中继器的最大光纤长度是多少？解：从式得到：,.,二、损耗产生的原因,1.吸收损耗,本征吸收损耗（纯石英固有的因吸收引起的损耗）,紫外吸收：1.3-1.5um处可引起0.05dB/km损耗红外吸收：在1.7um，可达0.3dB/km,在1.55um，损耗0.01dB/km,(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,.,过渡金属离子：如铁、钴、镍、铜、锰等离子在在0.6um-1.6um范围内有很强的吸收，获得低于1dB/km的损耗，含量低于10-9.OH-1占据主要影响：在1.38um、0.92um、1.26um处产生很强的吸收，技术突破，可消除。在1.2-1.6um范围内，最大损耗不超过0.5dB/km.,杂质吸收损耗（非本征吸收）,.,原子缺陷吸收损耗,1rad(Si)=0.01J/kg,例如：光纤暴露在强粒子辐射下，这种吸收会变得十分显著。辐射会改变材料的内部结构而使其遭到破坏，受破坏的程度取决于射线的能量。,.,2.散射损耗,光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象称为光的散射。由光的散射所造成的损耗就是散射损耗。,瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。光纤材料内部因在制备过程中的熔融及冷却过程：密度的不均匀折射率不均匀光波散射光能量损耗这种远小于光波波长尺度的不均匀性对光波的散射称为瑞利散射。,.,瑞利散射引起的本征损耗可表示为：R=c/4在0.8um处，R已达2dB/km,瑞利散射是限制短波长通信的主要因素。在1.55um处R在0.12-0.15dB/km,当然波长更长会进一步减小，但红外吸收损耗会迅速增加。瑞利散射和红外吸收共同决定了1.55um附近石英光纤最低的损耗系数。,.,光纤结构不均匀引起的散射损耗纤芯-包层的界面不完整，芯径变化，圆度不均匀，光纤中残留气泡和裂痕等。非线性效应散射损耗：受激拉曼散射和受激布里渊散射,单模光纤的典型损耗谱,多模光纤的典型损耗谱,.,3.弯曲损耗,光纤在使用过程中，弯曲往往是不可避免的，当光纤产生弯曲曲时，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为弯曲损耗。,.,光纤受力弯曲有两种类型：宏弯：光纤弯曲半径比光纤直径大得多的弯曲微弯：光纤成缆时产生的随机性的扭曲为减小弯曲损耗，通常在光纤表面加一种护套，当受外力作用时，护套发生变形，而光纤仍可以保存准直状态。,高阶模功率损耗,低阶模功率耦合到高阶模,弯曲损耗与模场直径的关系,P包层1P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,.,三、损耗曲线,光纤损耗随信号波长变化的曲线。常规单模光纤在1300nm处的损耗为0.5dB/km，在1550km处达到最小值0.3dB/km，在1400nm附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收作用造成的。,.,.,四、损耗的测量,.,.,.,.,.,利用光时域反射仪OTDR测量,五、损耗的补偿办法：放大,电放大光电光2.50.60.6m3全光放大EDFA拉曼放大器0.050.30.2m3,掺铒光纤放大器,.,2.3光纤色散,色散概念,当日光通过棱镜时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。,.,光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。,光信号包含不同的频率、模式、偏振分量,光源输出有一定谱宽：100KHz10MHz,信号具有不同的频谱分量,.,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,.,1、相速度和群速度相速度：（单色光）等相位面的传播速度。设E=E0cos(wt-kz)由相位不变的条件：wt-kz=常量,一、基本概念,.,设角频率分别为w1和w2的两单色光波沿z方向传播，它们的波动公式为：E1=E0cos(w1t-k1z)E2=E0cos(w2t-k2z)这两个光波的叠加得到：E=E1+E2=E0cos(w1t-k1z)+E0cos(w2t-k2z)引入平均角频率和平均波数以及调制频率和调制波数,群速度：等振幅面的传播速度，光能量的传输速度，包络中心前进的速度。,.,则有：,.,由振幅不变条件：wmt-kmz=常量,自由空间,光纤中,.,群速度是波长的函数，不同波长的电磁波以不同速度在介质中传播，那么在传播方向的单位距离上不同波长的电磁波所需的时间都不一样，从而产生时延差。这种时延差所造成的后果就是是光脉冲传播时得到展宽。,.,2.群延时,延时差：,色散系数,.,3.色散系数引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔产生的时延差：群速率色散参数2,由色散系数D，可得到脉冲展宽：,.,例如：半导体激光器LD的线宽为2nm，标准单模光纤D=17ps/(kmnm),传输100km,则脉冲展宽？解：脉冲展宽：,.,二、色散分类,光纤色散,模内色散（色度色散）,材料色散波导色散,偏振模色散,模间色散,单模光纤适用于骨干网,多模光纤适用于局域网,.,石英材料的折射率随光波长变化的曲线图,由于光纤材料的折射率随传输光的波长而变化，折射率不同，则传输速度也不同，因而对光源的一定频谱宽带将产生相应的脉冲展宽。,1.材料色散,.,在已知材料色散引起的群延时m的前提下，材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出。m()=(n-dn/d)/c,材料色散引起的脉冲展宽为：m=|Dm()|L式中：为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。,第一项：,第二项：,.,例1、某激光二极管（LD）的谱线宽度11.5nm,某发光二极管(LED)谱线宽度240nm，某单模光纤在波长1.5m时材料色散系数为20ps/km.nm,求经1km光纤传播不同光源的光脉冲展宽值。,=2011.5=30ps；,=20140=800ps。,解：,.,2.波导色散波导色散引入的群时延：,波导色散系数：,波导色散引起的脉冲展宽：,2.405,1.2,实际光纤,.,例2：计算由材料色散和波导色散引起的脉冲展宽，光源的工作波长为1550nm和光谱宽度=1nm，光纤距离L=1km。解：从图中色散曲线可以看到波长在1550nm处，对应的材料色散Dmat()=17ps/nmkm和波导色散Dwg()=5ps/nmkm.,.,3.偏振模色散,.,偏振模色散（PMD）引起的时延差为：,因偏振模色散引起的脉冲展宽：其中，DPMD是偏振模色散参数，典型值在0.1-1.0,.,4.模间色散,.,.,说明:多模光纤，波导色散可忽略不计，模间色散占主导地位。单模光纤，不存在模间色散，色散由材料色散和波导色散两者来决定，材料色散和波导色散近似具有可加性。,对于材料色散，当波长增大时，材料色散值要改变符号，正好与波导色散的符号相反，这意味着，在某一波长处，材料色散和波导色散大小相等，符号相反，总色散为零。,DDm+Dw,.,5.总色散,值得说明的是，实际中单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。,光纤的总色散为：多模光纤：单模光纤：,.,光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率Pi(t)和输出光脉冲功率Po(t)的一般关系为,Po(t)=(1),当输入光脉冲Pi(t)=(t)时，输出光脉冲Po(t)=h(t)，式中(t)为函数，h(t)称为光纤冲击响应。冲击响应h(t)的傅里叶(Fourier)变换为,(2),6.光纤带宽,.,一般，频率响应|H(f)|随频率的增加而下降，这表明输入信号的高频成分被光纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。将归一化频率响应|H(f)/H(0)|下降一半或减小3dB的频率定义为光纤3dB光带宽f3dB，由此得到|H(f3dB)/H(0)|=1/2(3.a)或T(f)=10log|H(f3dB)/H(0)|=-3dB(3.b)一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光源的频谱宽度比信号的频谱宽度s大得多，光纤就可以近似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。,.,光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设Po(t)=h(t)=exp(4),式中，为均方根(rms)脉冲宽度。（参见华科大教材P96）对式(4)进行傅里叶变换，代入式(3.a)得到exp（-222f23dB）=1/2(5)由式(3)得到3dB光带宽为,式(6)脉冲宽度和是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为ns。,.,光纤带宽是色散在频域的反映,.,三、色散补偿技术,控制光源线宽色散位移光纤色散补偿光纤中途谱反转技术啁啾光纤光栅,.,控制光源线宽,简单FP半导体激光器:大约5nm;DBR/DFB半导体激光器:0.01nm,.,色散位移光纤,设计在1550nm处色散为零的色散位移光纤.然而，在大多数情况下，已经铺设了标准单模光纤.WDM系统中，四波混频效应阻止了色散位移光纤的使用.,.,色散补偿光纤,正负色散率搭配使系统累积色散为零,.,DCF存在的问题,高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20mm2G-652:80mm2),比标准光纤的非线性系数高2-4个数量级非线性阈值低3-6dB较大的色散斜率(DCF:-15-20ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。,.,中途谱反转技术,中途谱反转法（MSSI，Mid-spanSpectralInversion）又称为光相位共轭法（OPC），是利用半导体光放大器或光纤中的相位共轭过程实现频谱反转，即在传输链路的中点将信号频谱或波长共轭反转,从而使第一段光纤中产生的色散积累由波长反转后的第二段光纤中符号相反的色散抵消，实现色散补偿。,.,啁啾光纤光栅,啁啾光纤光栅的光栅布喇格周期沿光纤方向呈周期性线性变化，因此不同波长的光经过啁啾光栅时被反射的位置不同，这就出现了不同波长经FBG反射后产生不同的时延，使得这种光栅具有波长色散的特性。,.,啁啾光栅用作色散补偿,啁啾光栅的色散：(2neffL/c)(1/Dlc)neff：有效折射率；c：光速Dlc光栅两边缘反射波长之差.5cm长的线性啁啾光栅可以补偿300km的10Gb/(光谱宽度0.1nm)传输线的色散(5100ps/nm),.,四、色散测量,.,.,相移法测试装置,.,2.4单模光纤的设计,电信公司网络中主要采用单模光纤作为光传输介质，研究单模光纤的传输特性，对于优化系统的通信质量非常重要。,单模光纤优点,使用寿命较长损耗较低信号传输质量高大的带宽距离积,研究单模光纤的优化设计主要研究下列参数的优化设计,截止波长色散弯曲损耗,.,一、截止波长,1.传导功率法,理论值,.,.,建议在1100-1280nm之间，以避免模式噪声和色散的影响。,.,2.模场直径法,.,二、色散控制,在设计单模光纤时，由于色散是制约传输距离和极高速传输的首要因素，色散特性是应考虑的最主要的特性之一。,普通单模光纤：波长1310nm，色散最小3