光纤工作特性

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 英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受 激布里渊散射。
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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 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α定义。 通常α表示成dB/km为单位的形式。
10 Pout lg (dB / km) L Pin
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
非线性效应
3.单信道速率的高速率
分类
1 受激散射效应 a） 受激拉曼散射（SRS，stimulated Raman Scattering) b）受激布里渊散射（ SBS stimulated Brillouin Scattering）
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。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
时延差Δτ可以表示光纤的色散程度：
式中： D 为色散系数，单位为 ps/(nm· km)，Δλ 为光源谱宽，则单位长度内时延差
若V=2-2.4，=0.01， n1=1.5则有
w 0.003 c mat 0.02 c
（3）模间色散
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
若V=2-2.4，=0.01， n1=1.5则有 mod 0.015 / c
② 拉丝 炉的加温 质量和环 境污染。
光纤的抗 拉强度
③ 涂覆技 术对质量 的影响。 ④ 机械 损伤。
（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。
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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。
光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导 模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射 模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），目前的光 纤制造水平，可将芯径的变动控制到 <1% ，相应的散 射损耗<0.03 dB/km，可以忽略。
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
vl －vv hv l hv as V=1 hv v V=0 (a) (b) hv v
光强度
vl
hv s
hv l V=1 V=0
vl －2vv vl ＋vv vl ＋2vv (c) 频率
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。
可用带宽
c | f | 2 | |
1.3微米，谱宽80nm， 带宽14THz 1.55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
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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
（4）偏振模色散（PMD）
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
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
0＜V＜2.40483
几种不同的单模光纤
G.652 G.653 G.655
非标准单 模光纤， 在1310nm 波长处的 色散为零 。
例题
• 测得一单模光纤在波长为0.85m时的 λ2(d2n/dλ2)=0.02，计算其色散系数。设 LED光源的谱宽为λ=20nm，计算脉冲 展宽。若采用谱宽为λ=0.2nm的LD光 源，脉冲展宽又是多少？
（2) 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。
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， 1.31 μm 光纤的损耗值在 0.5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km 以下，这个数量级接近了光纤损耗的理论极限。 损耗动态图dgsunhao，损耗光谱图 bijiao
对发光二极管，取/=0.04
w 1.2 104 / c
mat 8 104 / c
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。
例
• 一光纤长80km，损耗=0.2dB/km。当入纤功 率为1mW时，出纤功率为多少？ Pin=10lg（1mW/1mW）=0（dBm） L=80km×0.2dB/km=16dB。 Pout=0dBm-16dB=-16dBm或25W
Pout=Pin*exp（- pL)=1mW×exp（0.2/4.343×80） =0.025mW
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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
①预 制棒的 质量。
光纤使用过程中产生的两类弯曲,而导致的损耗.
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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
• 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 4 2 0 μm) 已 达 到 2 . 5 GHz 的 带 宽 ， 传 输 距 离 100m，光源为 647nmLD，预期可达到 10 ～ 20GHz 带宽，距离 100m。这种光纤可用于近 距离的局域网(LAN)中。
第二章 光纤结构及原理
1 光纤的结构与分类 2 光纤中的射线光学理论 3 光纤的波动理论 4 光纤的损耗色散 5 单模光纤中的非线性效应 6 光纤相关技术
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
红外和紫外吸收损耗 • 本征吸收 • 低能级电子的跃迁 • 石英玻璃Si-O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
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(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
d ( k0b) 1 d 1 w n2 n2 c dk0 c dk0
1 d (Vb) w (n2 n2 ) c dV
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，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。
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
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(1)材料色散
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。
光纤的损耗谱特性如图所示
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：
① 第一低损耗窗口短波长0.85μm附近；
② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近；
③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近；
实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在 0 .8 5 μm 时约为 2 .5 dB/km；在 1 .3 1 μm 时约 为 0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接近 理论值(理论极限为0.15dB/km)。
光纤的带宽特性如图
H ( )


h(t ) exp( jt )dt
1 t2 hout (t ) exp( 2 ) 2 2
H out ( ) exp(
2 2
2
)
对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的 限制，仅数十MHz· km。
渐变多模光纤，当工作在1.3μm波长、采用 LD光源时，材料色散是主要的限制。
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）
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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。
色散位移 光纤 ，工 作波长在 1.55μm ， 低损耗， 低色散。
非零色散 位移光纤 ，适用于 WDM系统
光纤的传输带宽
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(图下)。
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。