第5章 光纤光学课件光纤的特征参数与测试技术
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18
§5.2.1 阶跃型弱导光纤的色散
材料色散
n()
b (n)
b ()
波导色散
UW
b ()
模间色散
b1 b2 b3 单色弥散
g
db d
db
cdk0
1 d (nk0 ) 1 d (bnk0)
c k0
c dk0
19
1. 材料色散
纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同 波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波长而 变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即 折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射 率随波长变化就一定导致材料色散 。
G.652单模光纤（NDSF） G.653单模光纤（DSF） G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655
大有效面积G.655
25
G.652标准单模光纤
标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤， 国际电信联盟（ITU－T）把这种光纤规范为G.652光纤。 其特点是当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的 传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段 的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波 段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在 1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大， 约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段 的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若 传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使 用价格昂贵的色散补偿模块。
27
G.653单模光纤(DSF)
针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪 80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1.3μm 移到1.55μm的色散位移光纤（DSF，Dispersion－ Shifted Fiber）。ITU把这种光纤的规范编为G.653。
经验公式：
(n2k0W2
)2
p
(
2 n2k0W1
)
(dB / km)
W1 W0 a exp(3.34 3.28V )
W2 W0 a exp(2.45 3.31V )
(1.5 V 2.5)
模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升
c
c
包层
纤芯
c
16
§5.2 光纤的色散与带宽
8
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
9
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
损耗分类
能量逸出
Hale Waihona Puke Baidu
光功率损失
10
损耗机理
x
11
高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！
12
1. 宏弯损耗
13
2. 过渡弯曲损耗
直 弯曲 模场不匹配
26
G.652单模光纤的应用
大多数已安装的光纤 低损耗 大色散分布 大有效面积 色散受限距离短
2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于
2.5Gb/s以下速率的DWDM。
第二传输窗口
第三传输窗口
瑞利散射
0.2
紫外吸收
850
1300
1550
波 长 (nm)
6
红外吸收
不断拓展的光纤窗口波长
10.0
5.0 光 纤 衰 2.0 减 (dB)
1.0
0.5
1978 年
1982 年 2004年
1980 年
0.8
1.0
1.3
1.5
1.7
波长 (m)
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
F0 r
F1 r
nr
nr
– r增加导致ne(r)增加，场分布拓展
r
Rc
导模向漏模转化,引起功率泄漏
o
o
x
造成“过渡损耗”。
损耗计算公式：
10 log10
Pout Pin
8.68
W03V 2 8a 2 Rc
8.68 W0 a
3
a Rc
V2 8
15
3. 微弯曲损耗
单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差 Δ和纤轴的畸变。
导摸与漏模之间相互耦合 功率损失
14
损耗分析
损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波
导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相 互耦合, 并损失功率。
损耗分析：等效折射率方法
y
– 弯曲光纤中的场可以看成某一等效
折射率分布下直光纤
– 弯曲光纤传播常数 – 产生相移exp(-ibLz) – 满足波导场方程
第五章 光纤的特征参数与测试技术
限制光纤通信发展的三个重要因素：
损耗：光在传输时引起能量的损耗，需中继器进行能量补充， 传输距离短； 色散：作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间串扰，误码率 增加造成失真； 非线性：引起DWDM传输信道串扰。
1
§ 5.1 光纤的损耗
重要数据: 0.5dB~0.9; 1dB~0.8; 2dB~.6; 3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.01
波导结构影响光波群速度，因为导模场分布实际上是在 纤芯和包层中都存在的，因此光波群速度取决于两者的 比例。 通常长波长光的场分布在包层中延伸更远。因此长波长 光“经历”的材料折射率更小，其群速度就会比短波长 光更大一些。因此考虑波导色散，长波长光传播快，短 波长光传播慢。
23
总色散
24
三种不同类型的单模光纤
2
光纤的损耗
损耗
过渡金属离子
杂质离子吸收 OH~离 离
吸收损耗
本征吸收
紫外吸收 红外吸收
制作缺陷 散射损耗
折射率分布不均匀 芯涂层界面不理想 气泡条纹结石
瑞利散射
本征散射及其他 布里渊散射
喇曼散射
3
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
4
5
光纤的损耗谱
OH–吸收峰
2.5
第一传输窗口
损 耗 (dB/km)
随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
模间色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了电中继器之间的距离
17
色散定义
g n w m
20
群速度色散 (GVD)
正常色散区: 长波长光传播块， 短波长光传播慢!（负色散值）
反常色散区:短波长光传播块， 长波长光传播慢!（正色散值）
反
常
正 常
色 散
色
区
散
区
0 1.27m
d 2n / d2 0 d 2n / d2 0
21
G.652 光纤的色散
long
正色散光纤
short
22
2. 波导色散
§5.2.1 阶跃型弱导光纤的色散
材料色散
n()
b (n)
b ()
波导色散
UW
b ()
模间色散
b1 b2 b3 单色弥散
g
db d
db
cdk0
1 d (nk0 ) 1 d (bnk0)
c k0
c dk0
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1. 材料色散
纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同 波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波长而 变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即 折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射 率随波长变化就一定导致材料色散 。
G.652单模光纤（NDSF） G.653单模光纤（DSF） G.655单模光纤（NZ-DSF）常规G.655
大有效面积G.655
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G.652标准单模光纤
标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤， 国际电信联盟（ITU－T）把这种光纤规范为G.652光纤。 其特点是当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的 传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段 的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波 段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在 1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大， 约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段 的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若 传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使 用价格昂贵的色散补偿模块。
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G.653单模光纤(DSF)
针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪 80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1.3μm 移到1.55μm的色散位移光纤（DSF，Dispersion－ Shifted Fiber）。ITU把这种光纤的规范编为G.653。
经验公式：
(n2k0W2
)2
p
(
2 n2k0W1
)
(dB / km)
W1 W0 a exp(3.34 3.28V )
W2 W0 a exp(2.45 3.31V )
(1.5 V 2.5)
模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升
c
c
包层
纤芯
c
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§5.2 光纤的色散与带宽
8
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
9
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
损耗分类
能量逸出
Hale Waihona Puke Baidu
光功率损失
10
损耗机理
x
11
高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！
12
1. 宏弯损耗
13
2. 过渡弯曲损耗
直 弯曲 模场不匹配
26
G.652单模光纤的应用
大多数已安装的光纤 低损耗 大色散分布 大有效面积 色散受限距离短
2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于
2.5Gb/s以下速率的DWDM。
第二传输窗口
第三传输窗口
瑞利散射
0.2
紫外吸收
850
1300
1550
波 长 (nm)
6
红外吸收
不断拓展的光纤窗口波长
10.0
5.0 光 纤 衰 2.0 减 (dB)
1.0
0.5
1978 年
1982 年 2004年
1980 年
0.8
1.0
1.3
1.5
1.7
波长 (m)
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
F0 r
F1 r
nr
nr
– r增加导致ne(r)增加，场分布拓展
r
Rc
导模向漏模转化,引起功率泄漏
o
o
x
造成“过渡损耗”。
损耗计算公式：
10 log10
Pout Pin
8.68
W03V 2 8a 2 Rc
8.68 W0 a
3
a Rc
V2 8
15
3. 微弯曲损耗
单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差 Δ和纤轴的畸变。
导摸与漏模之间相互耦合 功率损失
14
损耗分析
损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波
导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相 互耦合, 并损失功率。
损耗分析：等效折射率方法
y
– 弯曲光纤中的场可以看成某一等效
折射率分布下直光纤
– 弯曲光纤传播常数 – 产生相移exp(-ibLz) – 满足波导场方程
第五章 光纤的特征参数与测试技术
限制光纤通信发展的三个重要因素：
损耗：光在传输时引起能量的损耗，需中继器进行能量补充， 传输距离短； 色散：作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间串扰，误码率 增加造成失真； 非线性：引起DWDM传输信道串扰。
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§ 5.1 光纤的损耗
重要数据: 0.5dB~0.9; 1dB~0.8; 2dB~.6; 3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.01
波导结构影响光波群速度，因为导模场分布实际上是在 纤芯和包层中都存在的，因此光波群速度取决于两者的 比例。 通常长波长光的场分布在包层中延伸更远。因此长波长 光“经历”的材料折射率更小，其群速度就会比短波长 光更大一些。因此考虑波导色散，长波长光传播快，短 波长光传播慢。
23
总色散
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三种不同类型的单模光纤
2
光纤的损耗
损耗
过渡金属离子
杂质离子吸收 OH~离 离
吸收损耗
本征吸收
紫外吸收 红外吸收
制作缺陷 散射损耗
折射率分布不均匀 芯涂层界面不理想 气泡条纹结石
瑞利散射
本征散射及其他 布里渊散射
喇曼散射
3
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
4
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光纤的损耗谱
OH–吸收峰
2.5
第一传输窗口
损 耗 (dB/km)
随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
模间色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了电中继器之间的距离
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色散定义
g n w m
20
群速度色散 (GVD)
正常色散区: 长波长光传播块， 短波长光传播慢!（负色散值）
反常色散区:短波长光传播块， 长波长光传播慢!（正色散值）
反
常
正 常
色 散
色
区
散
区
0 1.27m
d 2n / d2 0 d 2n / d2 0
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G.652 光纤的色散
long
正色散光纤
short
22
2. 波导色散