第3章光纤的传输特性

b
1
0.5 0 -0.50
d 2 bV V dV 2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
单模光纤的色散系数
D( ) Dm ( ) DW ( )
30
20
D Dm
10
0
Dw
-10 1.2

1.3
1.55
1.65
单位：ps/(nm.km)
色散斜率

色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率
1

d 3 3 d 3
0
2 2 S 0 2D 2 (2c)
3.4 SM光纤的非线性传输特性
电介质的极化

电介质的极化通常用极化强度矢量 P 来描述
极化强度与电场强度的关系为
P 0 1 E 0 2 : EE 0 3 EEE
光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
光纤损耗的表示方法

后向散射法
利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤 损耗系数的方法。
光学系统 耦合器件 光学系统 被测光纤
光源
光学系统
光检测器
放大器
示波器
信号处理 数据处理系统
3.3 光纤的色散
色散的含义

色散：

不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传 播的物理现象 包络展宽

色散对光信号包络传播的影响

超纯原料

降低过渡金属离子浓度
减小不均匀性 减小OH-离子的引入

生产工艺


光纤保护
光纤的典型损耗特性

850nm

3dB/km 0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)

1310nm


1550nm

0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km）
(理论极限值0.154dB/km)

归纳：

色散对通信系统的影响
光纤色散的种类

模式色散

多模色散 偏振模色散 材料色散 单模光纤 中依然存在

波长色散


波导色散
多模色散

模式色散影响机理

信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各 不相同

时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积
d 1 dN d c d
2 d n Ym 2 d2
1 Ym c

1 材料色散系数： D - Ym c
波导色散
波导色散系数
2 1.5
DW
N1 N 2 d 2 bV V 0 2 c dV
d bV dV
本章内容

光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性

光纤的制造工艺
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤

任何传输信道均会对信号造成损伤

线性损伤

加性噪声


损耗
外部串扰 信道内部串扰

非线性损伤

信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤

线性损伤

加性噪声

多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计
1 2 2 3 3 电位移矢量 D 0 E P 0 ( E 0 E 0 E )
折射率
n2 1 1 2 E 3 E 2


光纤的非线性折射率
n 2 1 1 2 E 3 E 2
光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：
Pout PineL
பைடு நூலகம்
可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：

10 Pin log L P out
dB/km
其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
光纤损耗的种类

模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就 越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输

单模光纤的双折射

单模光纤的实际工作模式

LP01x 模和 LP01y模 它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 xy 几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性


光纤通信中色散的含义

一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为 色散
光纤色散对通信的影响

影响链：

色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大

通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以

减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度 光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小
使用过程中光纤的损耗变化

变化趋势

损耗增大

原因


热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀


OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比

单模光纤损耗要小一些
10 SIF 8
－1 km 损 耗 /( dB· )

原因包括以下几点：

SMF
光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度
— 真空介电常数 (i) — 媒质的电极化率张量 (i)是i+1阶张量

对各向同性电介质，有
P 0 ( 1 E 2 E 2 3 E 3 )
极化的非线性
P PL PNL
PL 0 1 E
PNL 0 2 : EE 0 3 EEE

波长色散

群速度是表征光信号包络传播速度的量
d vg d
单位长度光纤上光信号的群时延：
1 d vg d
c 1/
0 0 , k0 0 0 / c 2 d k0 2 / 2c d
d dk0 1 d dk0 d c dk0


石英SiO2具有反演对称的分子结构，故其二阶非线性
极化率，此外，忽略高阶项，可得
石英光纤的折射率： n 1
2

1
3 E 2

n n1 n2 E 2
n1 1

1 1 2

光的克尔效应
3 3 n2 xxxx 8n1
SPM
2 2 1/ 2



s 高斯光源的均方根谱宽，V 2 s 0
色散对通信容量限制的估算

光源谱宽限制

非零色散点： BL|D| 1
2 零色散点附近： BL s 1

8
其中，s为色散斜率

信号谱宽限制

非零色散点： B 2 L 162 D( ) 2 c 零色散点附近： B 3 L 3 0.324 其中，

氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km

难度

超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量

测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法
剪断法、插入损耗法
偏置电路 被测光纤
P1 光源 注入装置
P2 检测器
放大器
电平测量
D D0 dD S0 lim 0 0 d

单位：ps/(nm2.km) 给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为

D - 0 S0 S0
单模光纤的分类

分类依据：单模光纤的零色散波长 类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型
各阶电极化率张量间的关系
1 2 Eat 2 Eat 2
其中， Eat
e 40 a
2
是原子内部的库仑场
通常外加电场E<<Eat，所以|PNL|<<|PL|，电介质的非线性不显著
极化强度与折射率
极化强度 P t 0 1 E 0 2 E 2 0 3 E 3
材料色散系数
vg d d
k0 n n 0 0 n / c
dn dn dn dn vg c n k0 c n n N n k0 dk 0 d dk 0 d
1 / vg

由于以下原因，光纤存在双折射现象

外加电磁场影响

光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的 传播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散
偏振模色散图
偏振模色散（PMD）

光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传 播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散

损耗 外部串扰，可忽略不计
色散造成的信号畸变
内部串扰，来源于光纤的非线性

非线性损伤

光纤非线性造成的信号畸变
乘性噪声，可忽略不计
3.2 光纤的损耗特性
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。
问题

如何表示光纤损耗？

由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的 调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM (SelfPhase Modulation)
对光纤通信的负面影响



光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移
光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移 在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度

吸收损耗

本征吸收 杂质吸收

过渡金属离子 氢氧根离子

散射损耗

瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯

弯曲损耗

本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值
红外吸收
紫外吸收
OH-吸收
波导缺陷
6 4 2 0
GIF
纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性 减小
包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中
0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 波长 / m (a)

纤芯小，弯曲损耗更低
超低损耗光纤

瑞利损耗与波长的关系
为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤

材料色散 波导色散 折射率剖面色散
材料色散
材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是 频率的函数引起的
Gi n n 1 2 2 i 1 i
2
1
2
v c/n
石英材料： G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
2 d 1 d 2 d 2 2 d 2c d d
波长色散

与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或 GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)或 色度色散
波长色散的组成

光纤的波长色散组成
D
G.652（常规SM）
G.653(DSF) G.655 (NZ-DSF)
1310
1550
(nm)
色散对通信容量限制的估算

高斯光脉冲的展宽因子
1 2 2 z 2 2 3 z 1 1 V 1 V 2 3 0 2 0 8 2 0
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
微弯损耗和宏弯损耗机理

宏弯损耗

曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲

微弯损耗

光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲 场分布
Cladding Core
< > c
消逝场
R
降低光纤损耗的方法

工作波长选择

选择在低损耗窗口

有益应用