光纤工作特性

1、第二章第二章 光纤结构及原理光纤结构及原理问 题 1 单模光纤及特性 2 光纤的工作特性 3 光纤特性的测量2.4 影响光纤工作特性的参数 1 损耗 ？ 2 色散 3 温度 4 光纤的机械特性 5 非线性效应 6 工作特性测量光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。1.衰减系数衰减系数损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传输系统中继距离的主要限制因素之一。 损耗的大小可以用衰减常数定义。 通常表示成dB/km为单位的形式。10lg(/)outinPdB kmLP 例 一光纤长80km，损耗=0.

2、2dB/km。当入纤功率为1mW时，出纤功率为多少？Pin=10lg（1mW/1mW）=0（dBm） L=80km0.2dB/km=16dB。Pout=0dBm-16dB=-16dBm或25WPout=Pin*exp（- pL)=1mWexp（0.2/4.34380） =0.025mW 光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗，该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。 自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31m光纤的损耗值在0.5dB/km以下，而1.55m的损耗为0.2dB/km以下，这个数量级接近了光纤损耗的

3、理论极限。损耗动态图dgsunhao，损耗光谱图 bijiao 形成光纤损耗的原因很多，光源与光纤端面的耦合损耗，反射损耗，连接处的连接损耗，以及光纤内部损耗。其损耗机理复杂，计算也比较复杂 (有些是不能计算的)。降低损耗主要依赖于工艺的提高相对材料的研究等。光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损 耗 ， 还 有 来 自 光 纤 结 构 的 不 完 善 。光纤通信的低损耗窗口光纤通信的低损耗窗口光纤的损耗谱特性如图所示v由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗窗口： 第一低损耗窗口短波长0.85m附近； 第二低损耗窗口长波长1.31m附近； 第三低损耗窗口长波长1.55m附近；v

4、实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在0.85m时约为2.5dB/km；在1.31m时约为0.4dB/km；在1.55m时仅为0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为0.15dB/km)。可用带宽2|cf1.3微米，谱宽80nm， 带宽14THz1.55微米，谱宽180nm 带宽22THz光纤损耗特性的分析 光纤损耗主要包括： (1) 材料的吸收损耗 (2) 光纤的散射损耗 (3) 辐射损耗 back材料的吸收损耗 (1) 红外和紫外吸收损耗 (2) OH离子吸收损耗 (3) 金属离子吸收损耗红外和紫外吸收损耗 本征吸收本征吸收 低能级电子的跃迁低能级电子的跃迁 石英玻璃石英玻璃Si-O的振

5、动吸收的振动吸收OH离子吸收损耗 sunhao1.swf杂质吸收 光纤材料中的金属杂质，影响波长0.6-1.1m，小于1dB/km 返回(2) 光纤的散射损耗 (1) 瑞利散射损耗（2） 波导散射损耗（3） 非线性损耗 返回瑞利散射损耗波导散射损耗 在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。非线性损耗 当光通信系统运行于高能级(几毫瓦），且比特率2.5Gb/s，需要考虑非线性效应。 光纤中存在两种非线性散射，源于光波与二氧化硅介质中声子（分子震动）的相互作用。它们都与石英光纤的

6、振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。返回辐射损耗 光纤弯曲半径比光纤直径大得多光纤成缆时其轴线产生的随机性微弯光纤使用过程中产生的两类弯曲,而导致的损耗. 返回光纤的色散特性光纤的色散特性1 什么是光纤色散 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。 也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。如图moshisesan 光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。

7、因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。 2 色散的程度描述色散的程度描述时延差可以表示光纤的色散程度：式中：D为色散系数，单位为ps/(nmkm)，为光源谱宽，则单位长度内时延差时延差越大，色散越严重。色散产生原因 （1）材料色散 （2）波导色散 （3）模间色散 （4）偏振模色散大家可要做大家可要做好笔记呦！好笔记呦！ 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同。由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。材料色散材料色散例题 测得一单模光纤在波

8、长为0.85m时的2(d2n/d2)=0.02，计算其色散系数。设LED光源的谱宽为=20nm，计算脉冲展宽。若采用谱宽为=0.2nm的LD光源，脉冲展宽又是多少？（2) 波导色散波导色散 波导色散是由于光纤中模式的传播常数是频率的函数而引起的。 它不仅与光源的谱宽有关， 还与光纤的结构参数如V等有关。 单模光纤只有约80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播的光功率其速率要更大一些。这种由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。02200()11wd k bdnnc dkcdk221()()wd VbnncdV对于一定的V，每个导模有不同的群时延。当把光脉冲注入光纤，光能量分布在各个模式，

9、到达终点的时间不同，脉冲发生展宽。 对于多模光纤，材料色散可以忽略。对于普通的单模光纤， 波导色散相对于材料色散较小， 它与光纤波导参数有关， 随V、 光纤的纤芯、 光波长的减小而变大。 波导色散为负色散。若V=2-2.4，=0.01， n1=1.5则有 0.003wc 0.02matc 模式色散是指不同模式的电磁波在光纤中传播，群速度不同而引起的色散。可以用光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示。moshisesan（3 3）模间色散）模间色散若V=2-2.4，=0.01， n1=1.5则有 mod0.015/c对发光二极管，取/=0.0441.2 10/wc48 10/matc

10、多模渐变光纤的色散 对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型 多模光纤的模式色散较小jbiansesan。 由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。图 偏振模色散 （4）偏振模色散（PMD） 单模光纤的色散特性单模光纤的色散特性只传输一个模式的光纤，单模传输条件只传输一个模式的光纤，单模传输条件 0V2.40483色散位移光纤 ，工作波长在1.55m ，低损耗，低色散。非标准单模光纤，在1310nm波长处的色散为零。非零色散位移光纤 ，适用于WD

11、M系统几种不同的单模光纤G.652G.653G.655光纤的传输带宽光纤的传输带宽q色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收机无法区分它们，造成误码(图下)。v定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。v光纤的带宽特性如图( )( )exp()Hh tj t dt221( )exp()22outtht22( )exp()2outH v对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的限制，仅数十MHzkm。v渐变多模光纤，当工作在1.3m波长、采用LD光源时，材料色散是主要的限制。 对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波导色散，单模光纤有

12、最大的带宽距离积。 另外，梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯径420m)已达到2.5GHz的带宽，传输距离100m，光源为647nmLD，预期可达到1020GHz带宽，距离100m。这种光纤可用于近距离的局域网(LAN)中。 back温度特性 光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。光纤的机械特性 光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。 机械特性（1）光纤的抗拉强度（2）光纤断裂分析（3）光纤的寿命（4）光纤的机械可靠性 预制棒的质量。 涂覆技术对质量的影响。 拉丝炉的加温质量和环境污染。 机械损伤。光纤的抗拉强度

13、（2）光纤断裂分析 存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图所示。（3）光纤的寿命 光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。 （4）光纤的机械可靠性 一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。单模光纤中的非线性效应 光纤中的非线性效应是指光和物质相互作用时发生的一些现象，也即光使得传输介质的特性发生了变化，而介质特性的改变又反过来影响了光场。原因1. 光源，光放大器2.WDM技术，多信道3.单信道速率的高速率分类1 受激散射

14、效应 a） 受激拉曼散射（SRS，stimulated Raman Scattering) b）受激布里渊散射（ SBS stimulated Brillouin Scattering）2 非线性折射率调制效应 a) 四波混频 （FWM Four Wave Mixing） b) 自相位调制效应(SPM，Self-Phase Modulation ) c) 交叉相位调制（CPM Cross Phase Modulation） back喇曼散射喇曼散射 在入射光作用下，媒质内部分子间的相对运动导致感应电偶极矩随时间的周期性调制，并对入射光产生散射作用。 光 强 度频 率hvlV=1V=0V=1V=

15、0(a)(b)(c)hvshvvhvashvlhvvvl 2vvvl vvvlvl 2vvvl vv受激拉曼散射(SRS) 当入射光为普通低强度光源时，媒质的普通拉曼散射较弱，散射光强度很小。当入射光为高强度激光时，使媒质的喇曼散射过程具有受激发射性质，称为受激拉曼散射(SRS)。 SRS只有在入射光强超过某一阈值后才能产生，且散射光具有激光辐射同样的特点。散射光通过媒质时可以获得放大，从而构成拉曼放大器；受激散射光在适当条件下可往返放大而产生振荡，构成拉曼激光器。拉曼阈值功率 定义光纤输出端斯托克斯功率与泵功率相等时的入射泵功率为拉曼阈值功率)/(16effReffthLgAP 纤芯有效面积

16、拉曼散射增益系数有效光纤长度不利影响 一、从光信号传输的角度，在单信道通信中，SRS会导致光纤通信系统中信号光功率的附加衰减. 二、由于泵浦脉冲与其产生的斯托克斯脉冲的相互错位，如果在接收端不加光滤波器对斯托克斯脉冲抑制的话，将会造成码间串扰。在多信道系统中，SRS将造成各信道之间的能量转换，产生信道串扰。 由于SRS具有增益特性，而且可以在光纤中积累，因此这种效应可被利用制作成光纤放大器。SRS光纤放大器具有很宽的增益谱宽（约510THz），可用于宽光谱的波分复用光纤通信系统中。另外SRS光纤放大器还具有响应时间快、饱和输出功率大、易于耦合等优点。由于这些特性，SRS光纤放大器在光放大器中占

17、有一席之地。 利用SRS还可以制成光纤激光器，由于喇曼增益宽度很宽，因此喇曼激光器的输出光波长可以在很宽的范围内调节。受激布里渊散射（SBS） 布里渊散射，就是入射到介质上的光波场与介质内的弹性声波发生相互作用而产生的一种光的散射现象。受激布里渊散射 当频率为l的强激光通过光学介质时，介质在强激光的作用下产生电致伸缩效应，结果在介质内产生频率为b的相干声波，入射激光与此相干声波相互作用产生频率为s=l-b的stokes散射光。 阈值特性 即只有当入射激光强度超过一定的激励阈值后，才能产生受激布里渊散射效应。只有当输入泵浦光功率达到或超过这一临界值时，SBS过程才能充分表现出来。 SBS的阈值泵

18、浦功率定义为：光纤输出端输出的斯托克斯光功率与光纤输出端输出的泵浦光功率相等时所对应的输入端泵浦光功率。)/(21effBeffthLgAP 受激布里渊散射光也具有良好的方向性、高的光谱单色性和高亮度特性。 调制特性。受激布里渊散射与入射激光的调制时间特性有很大的关系，散射强度会随入射激光的调制时间特性的不同有相应的降低。影响 从信号传输角度看，它主要将引起光信号功率的衰减，并对光发射机构成危害。 为消除SBS的影响，需在通信系统中的光源器件前加光隔离器。 非线性折射率调制效应 1）自相位调制 2）交叉相位调制 3） 四波混频非线性折射率 由于光纤的三阶非线性极化率，介质的折射率与在其中传输的

19、光场的强度有关。介质内的电位移矢量D与电场E的关系为D=0E+P (1)(3)00pEEEE (1)(3)2020022002(1)()()rrDEEEEEE 202rnE222220002001(1)22rrrrnEEnn E自相位调制SPM 在纤芯中，非线性折射率将使导模的传播常数与光功率有关。 由光场自身产生非线性效应引起的非线性相移设一波长为,强度为P的光脉冲在长度为L的光纤中传输。光脉冲感应的折射率变化为 n(t)= P 相应的附加相位为00( )( )LLNLineffn t dzP z dzP L( )NLPtLtt 光强度 / |E(t)|225频移(t) / cm11.00时

20、间 / ps150.510505101502515510051015时间 / ps前沿移向低频，中间线性，后沿移向高频max(NL)00.5 1.5 max(NL) 253.5 max(NL) 4.550.0 GHz交叉相位调制 当两束以上光波同时在光纤中传输时，它们将通过光纤中的非线性发生互作用。互作用的一种表现是：产生新的光波，如SRS、SBS、FWM及谐波产生等。互作用的另一种现象是所谓交叉相位调制(XPM)，这时一个光波的有效折射率(因而非线性相移)不仅与其本身的强度有关而且与另外一些同时传输的光波强度有关，XPM总是伴有SPM。 在XPM作用下，WDM系统中一个信道的相位将受其他各信

21、道总功率的调制，然后光纤色散将这种相位调制转换成幅度调制，使该信道的性能下降。当信道之间的间隔及光纤色散愈小时，XPM的影响愈大。 四波混频 当频率为1 、 2 、3 的3个光束同时在光纤中传输时，由于光纤的三阶电极化率，将会产生频率为4的第4个光束，从能量守恒要求 4 1 2 3。这就是四波混频(FWM)过程。 FWM会引起WDM系统中信道之间的串扰，严重影响传输质量，光纤色散及信道间隔愈小，相位匹配条件愈易满足，串扰就愈严重。 损耗损耗色散色散非线性非线性光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰减衰减输入信号输入信号输出信号输出信号时间时间频率频率

22、信号畸变信号畸变, ,串扰串扰时间时间脉冲展宽脉冲展宽back 光纤工作性能的测评 光纤测试方法和有关光纤衰减、色散、强度和可靠性，光纤的光学和机械性能都是化学、制造工艺和剖面结构的函数。 损耗 色散 可靠性稳态模式 光能耦合进多模光纤时会激励起很多模式， 各个模式所携带的光能量是不同的，传输时的损耗也不同，模式之间还有能量转换，只有经过一个相当长的时间以后才能达到一种相对稳定的状态， 此时称为稳态模式 。满注入就是要均匀地激励起所有的传导模式；满注入和限制注入限制注入就是只激励起较低损耗的低阶模， 而适当抑制损耗较大的高阶模。具体方法1扰模器，即采用强烈的几何扰动， 使多模光纤不需要很长的距

23、离就能迅速达到稳态分布。2滤模器， 滤除不需要的瞬态模或其他不需要的传导模， 这些模 损 耗 较 大 ， 对光纤稍加弯曲就可衰减掉。 3包层模剥除器， 即除去不需要的包层中的非传导辐射模。1 衰减测量 1 剪断法 2 插入损耗法 3 后向散射法（光时域反射仪）1 剪断法 (1)将光耦合进入一根长光纤。 (2)测量输出进入到大面积的光探测器上的光(这样光纤-探测器的耦合保持常数） (3)按照规定的长度剪断光纤并测量传输的光强变化。 如图qieduan 光纤足够长，以避免截止模附近波长的干扰优缺点 1 优点：精度高，可以低于0.1dB 2 缺点：破坏性2 插入损耗法插入损耗法 插入损耗法在实质上是

24、将切断法做成仪器，如图charusunhao所示。 由光发射设备和光接收设备组成一个完整的光纤传输系统，待测光纤即为传输部分。测试步骤首先： 在测试前首先对测量仪器进行校准，用1cm左右长的“短路”光纤连接系统的发射和接收部分，通过调整光源的输出功率使得接收部分显示的功率为0dBm。其次： 拆去短路光纤，接入待测光纤， 此时接收部分显示的即为 待测光纤的总平均损耗(dB)，用此值除以光纤的长度即为光纤的损耗系数 连接器质量会影响测试精度， 测出的损耗值是成缆光纤的损耗与发射端连接器和光缆连接器的损耗之和。后向散射法，光时域反射仪(OTDR) 用窄激光脉冲激励光纤会产生一个离开光纤的连续的后向散

25、射信号。假定一个线性和均匀的散别过程，后向散射光随着时间的延长而减小变成一幅往返的衰减与距离图。一般光强的突然减小说明是一个接点损耗，而一个窄峰通常表示有一个反射。 一个典型的OTDR测试信号，如图houxiang下 所示。OTDR对激励条件光纤(如果激励光纤不合适，那么就通常会发生异常行为)非常敏感。因此，对于所有的衰减测量方法，重要的是控制注入条件。特点 优点：非破坏性，可以测量比较多的数据 缺点：无法控制后向散射光的模式分布，对光纤的非均匀性很敏感。色散与带宽测量 1 时域（脉冲时延法） 2 频域 3 群时延相移法 4 干涉测量光纤色散的测试 数字信号在光纤中传输时是由不同的频率成分或不

26、同的模式成分来携带的。这些不同的频率成分或模式成分有不同的传输速度，当它们在光纤中传输一段距离后将互相散开，于是光脉冲被展宽，这种现象就是色散。 色散特性可以从时域或频域两方面描述，光脉冲在时间上的展宽实际上是从时域特性来描述光纤的色散效应的，而光纤的频域特性则是指光纤中每个频率成分的失真。1) 多模光纤的色散测试 假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布，如下图所示。 图（a）为输入脉冲，幅度为A1，则A1/2所对应的宽度1是这个脉冲的宽度。图（b）为输出脉冲，假设幅度为A2，则A2/2所对应的宽度2是这个脉冲的宽度。经证明，经光纤传输后的脉冲展宽、1和2的关系是2122)()( 图 假设光纤的输入/输出脉冲波形都近似为高斯分布 所以只要测出1和2，就可以得到脉冲展宽。 如果输入脉冲Pin（t）对应的频谱函数是Pin（f），输出脉冲Pout（t）对应的频谱函数为Pout（f），那么光纤的频率响应特性H（f）为)()()(fPfPfHinout 当输出频谱下降为输入频谱的一半时，对应的频率为光纤的带宽，用fc表示，即H（fc）=1/2，有10 lgH（fc）=-3 dB。实际测试时，一般把光功率变为电信号处理， 即I（f），则有dBfPfPfIfIinoutinout6)()(lg20