大学本科课件---光纤通信原理第3章 影响光纤传输特性的物理因素_2010.ppt

1、第章 影响光纤传输特性的物理因素,3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性 3.3 单模光纤中的偏振 3.4 光纤传输特性测量 3.5 光纤的非线性（略）,3.1 光纤的损耗特性,一、光纤传输损耗的定义,光纤传输的衰减系数（损耗系数）,式中，L 为光纤的长度，Pi 为光纤输入端光功率， Po 为光纤输出端光功率， 的单位为 dB/km 。,(3.1.1),光纤的损耗：光纤对光波产生的衰减作用 限制无中继通信距离的重要因素之一。, 是光纤的重要传输参量：评价光纤质量、确定光纤通信系统的中继距离。,光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。,散射损耗是由于光

2、纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗。,二、光纤的损耗类型,(3) 辐射损耗,光纤主要涉及吸收损耗、散射损耗、辐射损耗，其中吸收损耗可以得到显著改善。 吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。,（1）吸收损耗的主要成因,本证吸收损耗：SiO2的离子晶格在光波作用下振动，产生的紫外/红外吸收损耗。 杂质吸收损耗：金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收： OH的弹性振动引起吸收，吸收峰在1.39m和0.95m；OH离子浓度低于10-8时，在1.39m附近的损耗峰可以降至10dB/km以下，目前达到0.810-9。 金属离子Fe

3、3+、Cu2+、V3+、Cr3+、Mn3+、Ni3+、Go3+等，在0.61.6m有强吸收，离子浓度低于10-9，损耗可低于1dB/km。目前工艺已实现金属离子吸收损耗可忽略。 采用超纯石英光纤工艺，目前已消除了该波长附 近的损耗峰；并且在13501450nm波段的损耗也降低到0.3dB/km光纤传输的第五窗口。,（2）散射损耗的主要成因,线性散射损耗：瑞利散射损耗和波导效应散射损耗 瑞利散射损耗是光纤材料的本证损耗，不能消除；是光纤材料密度不均匀和应力不均匀所引起的折射率不均匀而产生的。光遇到比其波长小的随机起伏的不均匀微粒，产生的光散射即是瑞利散射，其损耗与波长成1/4关系。目前，在1.5

4、5m，实验室最低可达0.154dB/km。 波导效应散射损耗光纤波导结构缺陷引起的。即工艺问题使光纤存在气泡、微裂痕、残存内应力、非圆对称、芯包界面粗糙等波导结构不规则，发生散射。,散射损耗：由于材料不均匀使光散射而引起的损耗。,线性散射损耗不产生光频（波长）改变，散射光与原光波长相同。,非线性散射损耗入射光功率很强时，光纤产生受激喇曼散射、受激布里渊散射和四波混频现象，导致输入光能量转移至新频率分量上；目前光通信实际注入光功率数毫瓦，可避免非线性散射损耗。,辐射损耗：光纤受外力而弯曲导致形成辐射模所产生的光能量泄漏。,（3）辐射损耗的成因,（2）散射损耗的主要成因,三、光纤通信的低损耗窗口,

5、石英光纤的损耗谱曲线呈现出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1.31 m附近； 第三低损耗窗口长波长1.55 m附近； 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)。,3.2 光纤的色散特性,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。 从波形在时间上展宽的角度去理解，即光信号（光脉冲）在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽

6、，这种观象就称为色散。,光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤中色散会使得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和传输距离。,一、光纤色散的概念,二、光纤的色散类型及分析,1. 光纤的色散类型,由于信号不是单一模式，不同模式的不同纵向传输速率引起的信号分散，称为模式色散；由于信号不是单一频率，而引起的信号分散，称为色度色散（材料色散和波导色散）；光纤双折射使得两个正交偏振模传输速率不同，引起的信号分散，称为偏振模色散。,多模光纤的模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。 在单模光纤中，只有基模传输，因此不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色

7、散。而且，材料色散是主要的，波导色散相对较小。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。,模式色散：在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽。,图3.2.1 多模光纤的模式色散,（1）模式色散,多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽,（2）色度色散,色度色散是由于不同波长(颜色)的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。 色度色散(Chrometic Dispersion)又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。,材料色散：由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分

8、的群速不同，引起的色散。 波导色散（结构色散）：由于光纤的几何结构、形状等方面的不完善，使得光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，这样造成脉冲展宽的现象。,所有光源都是在一定波长范围 内发射的非单色光，当各种波长的光进入纤芯后，由于折射率与波长有关，所以在光纤波导中的光以不同的群速度在纤芯内传输，波长短的波速度慢，波长长的波速度快，所以它们到达光纤末端的时间也不同，导致输出脉冲展宽。 图中 表示光纤的传输延迟， 表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。,图3.2.2 色散引起单模光纤输出脉冲展宽 ,光纤中的光速要比真空中的光速慢 n 倍,在光纤中的光速v= c

9、/n，折射率为 n。 光纤波导中的光速要比真空中的光速慢 n 倍。 石英玻璃n= 1.5，因而在光纤中的光速度要比在真空中的慢 33 %。,2. 光纤的色散分析,实际上没有纯单色光，必须考虑波长稍微互不相同的一组光波沿z方向传输的情况。 当两个频率相差的正弦波干涉时，它们相互作用的结果将产生一个光包络，即一个以中心频率的振荡场，其幅度被频率为的低频电场调制，最大幅度以波矢量k运动，其速度称为群速度。,波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包,群速度与相速度的关系：,即，当不考虑折射率随波长变化时，群速度就等于相速度。,对于多模光纤，主要考虑模式色散，暂时不考虑折

10、射率随波长的变化，因此，认为群速度就是相速度。,各模群速度不等引起脉冲展宽,图3.2.4 相速度和群速度,图3.2.3 阶跃型光纤波导的群速度g,各模群速度不等引起脉冲展宽,模的次数越高,其角度 越大，vg=v cos 越小，传播就需要更多的时间。 所以群速度和光纤模式有关，模数不同，其群速度也不同。 由于高阶模的传播速度比低阶模的慢，因而在入射端输入的光脉冲中，次数越高的模越滞后。,设第N阶模光线速度：,式中 c 为真空中的光速。,式中N 为第 N 阶模射线与光纤轴线间的夹角。,(3.2.1),可以看出，低阶模比高阶模沿纤芯轴向传输的速度快，可引起传输信号脉冲的展宽，限制了信号传输的距离。,

11、光能量沿光纤轴传播的速度：,1. 阶跃光纤模间色散 (多模光纤中存在),2. 模内色散 (单模、多模光纤都存在),(1) 色度色散,光波群速：,式中，为信号光波的角频率， 为光纤中的传输常数。,在单位长度光纤传输的时延差随波长的变化为：,光源光谱的不纯可引起光信号脉冲的展宽。,（2）偏振模色散,光纤中两个偏振模产生时延差引起的色散。,(3.2.2),光在单位长度光纤中传输的时延：,，,偏振模色散,假如纤芯折射率沿两个正交的方向（对应电场振荡方向，即偏振方向），具有不同的值n1x n1y，导致Ex和Ey以不同的群速度在纤芯内传输，在输出端产生不同的时间延迟，使输出光脉冲展宽。,标准光纤、色散移位

12、光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性,由于波导色散与光纤的几何尺寸有关，可以设计不同结构的波导来改变零色散波长0，例如可减小纤芯半径和增加掺杂浓度，使0 移到光纤损耗最小的1550nm波长，这种光纤就是色散移位光纤，如图所示。 改进单模光纤结构和参数的设计, 也可以获得在1550nm具有负色散值大的色散补偿光纤，还可以得到在1300nm和 1550nm两个波长的色散都为零的色散平坦光纤。,几种单模光纤的结构和折射率分布,色散平坦光纤的色散系数和折射率分布,三、色散的定量描述,采用D()为色散系数、最大时延差 、光纤带宽表示光纤的色散程度：,D()为色散系数，单位为ps/

13、(nmkm)；为光源谱宽， ()为单位长度光纤上的时延差。 越大/ D()越大，色散越严重。,(3.2.3),并且：,四、最大归零比特速率,光信息首先转变为脉冲式电信号，电脉冲驱动光发射机，使其在“1”码时发光、“0”码时不发光，耦合进光纤；经光纤传输到达光接收机后，还原为电脉冲，再解调出信息。 人们感兴趣的是光纤能够传输的最大数字速率称为光纤的最大比特率B(b/s)，与光纤色散特性相关。,四、最大归零比特速率,以 表示光纤对输入光脉冲的传输延迟，1/2表示由于色散使输出电脉冲展宽，通常用输出光强最大值一半的全宽(FWHM)表示。为了把两个连续的输出脉冲分辨出来，即码间不互相干扰，要求峰-峰间

14、的时间间隔至少为21/2。,因此，要求每隔21/2秒，在输入端输入一个脉冲，即输入脉冲的周期为T= 21/2 ，于是最大比特率B定义为：,色散对光纤所能传输的最大比特速率B的影响，可利用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定。,假定脉冲“1”在一个周期内，当下一个“1”到来前必须回零，此种比特率称为归零比特率，反之为非归零比特率。 非归零比特率是归零比特率的两倍。,四、最大归零比特速率,五.光纤的带宽,由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。,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。,(a)图表示传输模拟信

15、号的光纤线路，(b)图表示频率为 f 的光纤输入和输出光信号，(c)图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光/电带宽减小的情况。 光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最大比特速率B。,光纤带宽,3dB 光带宽和电带宽,高斯色散限制的3dB带宽(FWHM)：,最大值一半的宽度1/2的单位为ps。因脉冲展宽取决于色散系数，因此光纤的带宽由色散所决定。,电带宽与光带宽的关系与光纤色散有关，对于高斯色散，有：,阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的限制，仅数十MHzkm。 渐变多模光纤，当工作在1.3m波长、采用LD光源时，模间色散是主要的限制。 对单模光纤，影响带宽的是材料色散和

16、波导色散，单模光纤有最大的带宽距离积。 梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯径420m)已达到2.5GHz带宽，传输距离100m，光源为647nm的LD，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。,光纤带宽的影响因素是色散,光纤的带宽,3.3 单模光纤中的偏振,单模光纤中的传输模式特点： 标量描述理论上：单模光纤中的传输模式只有一个基模：LP01 实际上：单模光纤中有两个模式：即横电场沿x方向和沿y向极化的两个模式，在 方向的场分布可以是cosm 和sinm。二者极化方向垂直， 分别为LPy01和 LPx01。 矢量描述：HE11模m=1，其场分布对应于

17、cos 和sin，两个解在 方向相互旋转90。,单模光纤：在给定工作波长上，只传输单一基模的光纤。在单模光纤中不存在模式色散。,传输特征为： （1）在轴对称的单模光纤中：两个模式具有相同的传输常数，即x=y= ，表明两个模式相互简并。 （2）实际光纤中， 由于光纤的形状（弯曲、变形、椭圆度）、工艺缺陷、以及应力等因素，导致二种模式的值不同，即nxny ，xy，光纤呈现双折射现象。 两个偏振模传输速率不同，引起偏振模色散(PMD)和偏振不稳定。,3.3 单模光纤中的偏振,3.4 光纤传输特性测量,一、损耗测量 二、带宽测量 三、色散测量,只要测量长度L2的输出光功率 Pout, 在注入条件不变的

18、情况下，在离光源23m 附近剪断光纤，测量长度 L1 的输出光功率，可以认为该功率就是长度 L光纤的输入光功率 Pin。这样就可以计算出光纤的衰减系数。,一、损耗测量 (1)剪断法测量光纤损耗系数,光源通常采用谱线足够窄的激光器 注入器的作用是，在测量多模光纤的损耗系数时使多模光纤在短距离内达到稳态模式分布；在测量单模光纤的损耗系数时应保证全长为单模传输。 光功率计用来测量光纤输出端的光功率。,(1) 剪断法测量光纤损耗系数,剪断法测量光纤损耗系数系统配置：,瑞利散射光功率与传输光功率成正比。后向散射法是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。,(2) 后向散射法(OTDR)

19、测量光纤损耗系数,后向散射法测量损耗系数并确定光纤长度,(3.4.1),后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度，显然,(3.4.2),式中，c为光速，n 为光纤纤芯的折射率，t 为光脉冲在光纤中传输的来回时间。,设在光纤中正向传输光功率，经过长L1和L2的两段光纤传输后，反射回输入端的光功率分别为Pref1和Pref2，如前图所示，经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为：,后向散射法OTDR 的用途,利用后向散射原理设计的测量仪器叫光时域反射机（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer） 这种仪器采用单端输入和输出

20、，不破坏光纤，使用非常方便。 OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上获得了广泛地使用。,二、 带宽测量,由式(3.2.4)可知，高斯色散限制的3dB光带宽(FWHM)为,式中，1/2的单位是ps。只要测量出光纤引起的脉冲展宽1/2，即可得出带宽值。 1/2由光纤输入端的脉冲宽度1/2in和输出端的脉冲宽度1/2out决定，即,(3.4.3),(3.4.4),时域法测量光纤带宽,先用一个脉冲发生器去调制光源，使光源发出极窄的光脉冲信号，并使其 波形尽量接近高斯分布。 首先用一段短光纤将1和2点相连，这时从示波器上观测到的波形相当于输入到被测光纤的输入光功率，测量其脉冲半宽1/2in。 然后将被测光纤接入到1和2两点，并测量此时示波器上显示的脉冲半宽，该带宽相当于1/2out。再利用式(