3第二章 (2)光纤的传输特性

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
导致的后果: 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
2020/1/30
12
光纤通信系统
宏弯和微弯对损耗的附加影响
基本损耗 宏弯损耗
微弯 损耗
光纤弯曲带来额外损耗
V
2a
n12
n22
1/ 2

2a
NA
增加,V减少
2020/1/30
第二章 光纤与光缆(2)
本节内容:光纤的传输特性 光纤的损耗
光纤的色散
2020/1/30
光纤的非线性效应
2
光纤通信系统
光纤的损耗
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 。
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。光纤的 损耗主要取决于:
2020/1/30
9
光纤通信系统
产品级典型的光纤损耗谱
多模光纤
单模光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤: - 为获得较大的数值孔径,多模光纤中掺杂的浓度高 - 由于纤芯-包层边界的微扰,多模光纤容易产生高阶 模式损耗
2020/1/30
10
光纤通信系统
弯曲损耗
场分布
宏弯:曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 微弯:光纤轴线产生微米级的高频弯曲
自相位调制(SPM) 互相位调制(XPM) 四波混频(FWM)
2020/1/30
32
光纤通信系统
非线性效应概述
SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道 的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非 线性过程对某些信道提供增益而对另一些信 道则产生功率损耗,从而使各个波长间产生 串扰。
SPM和XPM都只影响信号的相位,从而使 脉冲产生啁啾,这将会加快色散引起的脉冲 展宽,尤其在高速系统中。


2 2c

1
即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L,
频率分量w经历的延时为:
T L L d vg d
假设输入脉冲的谱宽Dw不太宽,那么脉冲展宽的多少可以
由下式决定:
T

dT
d


d
d

L vg


L
d 2 d 2
2020/1/30
22
光纤通信系统
波导色散
假设纤芯和包层的折射率与波长无关,而且折射率差 =
(n1-n2)/n1非常小,传播函数近似等于:
n2k(b 1)
可以得到传播了L后波长所经历的群延时为:
Tw

1 c
d
dk

L c

n2

n2

d (Vb dV
)

其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲 展宽:
5
光纤通信系统
非本征吸收
原材料将在光纤的制造过程中引入杂质,带来较 强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子, 如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH-。
2020/1/30
OH-吸收峰
6
解决方法: (1)对制造光纤的材料 进行严格的化学提纯, 比如材料达到 99.9999999%的纯度 (2)制造工艺上改进, 如避免使用氢氧焰加热 (汽相轴向沉积法)
2020/1/30
4
光纤通信系统
原子缺陷吸收
在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励造成结构的 不完善或在使用时暴露在强粒子的光辐射下将会发生某个共价 键断裂而产生原子缺陷,此时晶格很容易在光场的作用下产生 振动,从而吸收光能,引起损耗,其峰值吸收波长约为630 nm 左右。
2020/1/30
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
- 波导色散:信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有 不同的传播速度,从而导致色散。它的大小取 决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。
模间色散:不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和
速率,造成模间色散。
偏振模色散:环境因素造成光不同偏振态的传播时延差。
2020/1/30
17
光纤通信系统
模内色散
A
1
PMD 受环境(如振动、温度、应力等)影响非常显著,跟模内 色散相比具有不稳定性和突发性。因此,PMD补偿的难度比 较大,关于补偿的方法目前尚无定论。
2020/1/30
27
光纤通信系统
PMD 对传输的影响
2020/1/30
28
光纤通信系统
色散对传输带宽的影响:宽谱光源
比较大的时候,单模光纤带宽:
非线性相互作用取决于传输距离和光纤的横截 面积。
2020/1பைடு நூலகம்30
34
光纤通信系统
折射率非线性变化
光纤折射率随光功率变化:
n=n0 + n2P/Ae
为0.2dB/km
第三传输窗口
瑞利散射
红外吸收
0.2
紫外吸收
850
2020/1/30
1300
波 长 (nm)
15
1550
光纤通信系统
光纤的色散
2020/1/30
16
光纤通信系统
色散引起的信号失真
模内色散 (群速率色散)
- 材料色散:每种光源都有一定的谱宽,而光纤材料对不同 的频率成分的折射率不同,从而不同的频率成 分在光纤中传播的群速度不同。
BSMF

1/ 4 T


1/ 4
D
L
GHz
例:考虑一个工作在1550 nm的系统,光源谱宽为15 nm,使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm,那么系统带宽和距离乘积:
BL < 1 (Gb/s)·km 假设1550 nm为系统的零色散波长,系统的BL值为:
BL < 20 (Gb/s)·km
有:
V
d 2 (Vb) dV 2

0.26
因此可以算出在1320 nm处, 波导色散为:
Dw ()


n2 V
c
d 2 (Vb) dV 2

1.9
2020/1/30
24
光纤通信系统
标准单模光纤总的模内色散
一般来说材料色散的影响大于波导色散: |Dm| > |Dw|
D Dm Dw
2020/1/30
2020/1/30
33
光纤通信系统
光纤的非线性效应
单信道系统,功率水平<10mw,速率不超过 2.5Gb/s时,光纤可以作为线性介质处理,即: 光纤的损耗和折射率都与信号功率无关
WDM系统中,即使在中等功率水平和比特率 下,非线性效应也很显著。
非线性效应的产生的原因是:光纤传输损耗 (增益)和折射率以及光功率相关。
2
ps/(km·nm)
20
光纤通信系统
正色散、负色散和零色散
1. 色散系数D为正:负色散
v高频光 > v低频光
2. 色散系数D为负:正色散
v高频光 < v低频光
3. 色散系数D为零:零色散
2020/1/30
21
光纤通信系统
材料色散
光纤的折射率是波长的函数n(),则不同的波长的传 播函数不同:

dB / Km
其中L为光纤长度,Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一 般标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。
2020/1/30
14
光纤通信系统
常用单模光纤的损耗
2.5
第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口
在1.55m处 最小损耗约


L2
2020/1/30
19
GVD 参数
光纤通信系统
群时延色散
通常光源的谱宽用来表示。根据和之间的关系
2c 2c

2
代入T中,那么可以得到:
T L2 L D
其中D()称为色散系数:
2020/1/30
D()


2c 2
光纤通信系统
本征吸收
(1) 光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激
发到高能级,同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。 该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。
晶格
(2) 红外吸收
由于光纤中传播
的光波与晶格相互作
用时,一部分光波能
量传递给晶格,使其 振动加剧,从而引起
Ex
的损耗。
光传播方向 k
z
2020/1/30
7
光纤通信系统
光纤吸收损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤
几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较
OH-
0.154 dB/km
2020/1/30
8
光纤通信系统
散射损耗
光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上
的不完善,会发生散射现象。 瑞利散射:尺度小于光波长的材料密度的不均匀对 入射光产生的本征散射,短波长的光容易发生这种散 射 [造成原因]—分子密度分布不均匀;掺杂分子导致折 射率不均匀 波导散射:由波导缺陷导致的散射 [造成原因]—纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀 以及残留气泡和裂痕等引起的散射(目前的制造工艺 基本可以克服波导散射) 本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
反之,可以利用非线性现象产生有用的效应。 导 致新的学科分支—非线性光纤光学。
2020/1/30
31
光纤通信系统
光纤非线性效应分类
受激非弹性散射:光场经过非弹性散射将能量传递 给介质产生的效应
受激布里渊散射(SBS) 受激喇曼散射(SRS) 非线性折射率:光纤折射率与光强的相关性产生的 效应。
上面的例子说明色散对系统带宽的影响很大。尤其在> 40 Gb/s高速系统的应用场合,色散成为首要考虑的因素之一。
2020/1/30
29
光纤通信系统
色散对传输带宽的影响:窄谱光源
比较小的时候,单模光纤带宽:BSMF
1/ 4
2 L
GHz
2020/1/30
不同线宽下的系统色散所允 许的带宽与传输距离的关系

2n() T
L vg
2 L 2c

L c
n


dn
d

可以得到传播了L后波长所经历的群延时为:
Tm

dT
d

L
c
d 2n
d2
L Dm ()
Dm为材料色散系数。
减小材料色散:选择谱宽窄的光源,采用较长的工作波长
1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
2020/1/30
3
光纤通信系统
吸收损耗
原子缺陷吸收:由于光纤材料的原子结构 的不完整造成。
非本征吸收:由过渡金属离子和氢氧根离 子 (OH-)等杂质对光的吸收而产生的损耗。
本征吸收损耗:由制造光纤材料本身 (如 SiO2) 的特性所决定,包括紫外吸收、红外 吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含 任何杂质也会存在本征吸收。
1
2
2
3
3
f
(1) 光源输出都有一 定的谱宽
(2)单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层
色散的直接后果是 产生码间干扰,给 信号的最后判决造 成困难
2020/1/30
18
光纤通信系统
群速率色散 (GVD)
信号分量的群速率是频率/波长的函数:
vg



1
0 nm:展宽远小于一个比特 时的光源线宽
结论: 1) 光源线宽越宽色散越严重 2) 零色散光纤对提高系统性
能作用明显
30
光纤通信系统
光纤的非线性效应
在线性光学中,物质对光场的响应与光的场强成 线性关系。光的独立性原理和叠加原理都成立。
尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱,但由于 纤芯小,纤芯内场强非常高,且作用距离长,使 得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度,导 致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。
1320
25
光纤通信系统
模间色散
多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。
对于子午光纤,经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲
展宽为:
Tm od
Tm ax Tm in

n1L c
L为两种模式的光程差。
2020/1/30
26
光纤通信系统
偏振模色散 (PMD)
双折射效应导致了偏振模色散
Tw

dTw
d

L Dw ()
其中
Dw ( )


n2
c
V
d 2 (Vb)
dV 2


2020/1/30
L
n2
c
V
d 2 (Vb) dV 2

23
光纤通信系统
波导色散系数一般为负值
2.4
V d 2 (Vb) vs. V dV 2
例:令n2 = 1.48, = 0.2%, 从左图可以看出当V = 2.4时,
消逝场
qq
Cladding Core
q q >q c
q < q q
R
宏弯:当曲率半径减小时, 辐射损耗呈指数增加
高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗,因此有时可用弯曲的办法 滤掉高阶模
2020/1/30
11
光纤通信系统
微弯损耗
微弯的原因: 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同
13
弯曲损耗随模场直径增加显著增加
光纤通信系统
光纤损耗的计算
前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光
信号在光纤中传播的时候,其功率随距离 L 的增加呈指数
衰减:
Pout PineL
那么,评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的 损耗系数定义为:


10 L
log

Pin Pout
相关文档
最新文档