第3章光纤的传输特性

单模光纤的波长色散
? 材料色散和波导色散都与频率(波长)有关，统称为波长 色散或GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)
? 群速度是表征光信号包络传播速度的量
相速度：v p
?
? ?
群速度： vg
?
d? d?
色散系数
单位长度光纤上光信号的群时延： ? d
?
1 vg
?
d? d?
色散系数（单位波长间隔的群时延差）：
D(? ) ? d? g ? d ( d? d? ) d? d? d? d?
? 散射损耗
? 瑞利散射 ? 米氏散射
? 弯曲损耗
? 宏弯和微弯
光纤的损耗谱
耗损
100 50
10 5
dB /1 km 0.5
0.1 0.05
瑞利散射 紫外吸收
实验值 OH-吸收
波导缺陷
0.01 0.8
1.0
1.2 1.4
波长λ(um)
红外吸收 1.6 1.8
降低光纤损耗的方法
? 工作波长选择
? 选择在低损耗窗口
? 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
? 归纳：
? 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
光纤色散的种类
? 模式色散
? 多模色散 ? 偏振模色散
? 波长色散
? 材料色散 ? 波导色散
单模光纤 中依然存在
多模色散
? 对阶跃光纤的特征方程求解，可知不同的模式，即使 光波频率相同，其传播速度也存在差异
? 消除方法：单模传输
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 ? 消除方法：
? 减小光纤的双折射 ? 尽可能增强光纤的双折射，使一个方向的偏振模占主导地位 ? 绝对单模光纤
? 折射时色散的本质：
? 不同频率的光波其速度不同
? 色散对光信号包络传播的影响
? 包络展宽
? 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
? 超纯原料
? 降低过渡金属离子浓度
? 生产工艺
? 减小不均匀性 ? 减小OH-离子的引入
? 光纤保护
微弯损耗和宏弯损耗机理
? 宏弯损耗
? 宏弯引起截止波长变短，功率因子下降
? 微弯损耗
? 微弯产生模式耦合，一些能量转移到了不能 传输的高阶模上，造成损耗
光纤的典型损耗特性
? 890nm
? 3dB/km
第三章 光纤的传输特性
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
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
? 损耗 ? 加性噪声 ? 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
? 插入损耗法
? 误差来源：
? 除上述误差这外，还引入了活动连接器误差
? 背向散射法
? 误差来源：
? 背向散射的不均匀性
3.3 光纤的色散
色散的含义
? 色散的原义：
? Separation of visible light into colors by refraction or diffraction；可见光通过折射或衍射而分散成多种颜色[美国传 统辞典（双解）]
单模与多模光纤损耗对比
? 单模光纤损耗要小一些 ? 原因包括以下几点：
? 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 ? 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 ? 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
? 模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 ? 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
? 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
? 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：截断法、插入损耗法、背向散射法 ? 截断法
? 截断的目的：保证注入的一致性 ? 误差来源
? 高阶模功率、近端和远端出射率的不同、光源的稳定性和光功率 计的线性
? 1310nm
? 0.5dB/km(典型值为0.35dB/km)
? 1550nm
? 0.3dB/km(典型值为0.2dB/km） ? 0.154dB/km
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
光纤损耗的表示方法
? 光信号在光纤中传输时，信号的光功率将逐渐 变小，总的变小量就是这段光纤的损耗
? 一段光纤的损耗用 dB表示 ? 一般用衰减系数 ? 表示光纤的损耗特性
? ? ?
? 10 lg Pin
L
Pout
dBHale Waihona Puke Baidukm
光纤损耗的种类
? 吸收损耗
? 本征吸收 ? 杂质吸收
? 过渡金属离子 ? 氢氧根离子
? 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
? 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
问题
? 如何表示光纤损耗？ ? 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？