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1、第三章 光纤的损耗和色散,主要内容,光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化,3.1 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。这些损耗主要包括： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗,损耗,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： 材料本身 (如SiO2) 的特性决定，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,本征吸收,(1) 紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入
2、射光的能量损耗，一般发生在短波长范围,晶格,(2) 红外吸收 光波与光纤晶格相互作 用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加 剧，从而引起的损耗,本征吸收曲线,非本征吸收,光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收,OH吸收峰 2 dB,解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度,OH和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等,(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),原子缺陷吸收,1 rad(Si) = 0.01 J/kg,光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动,光纤制造 - 材料受到热激励 - 结构不完善,强粒子辐射
3、- 材料共价键断裂 - 原子缺陷,吸收光能，引起损耗,散射损耗,光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1. 瑞利散射 2. 波导散射,瑞利散射,波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射 瑞利散射一般发生在短波长,本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值,波导散射,导致的原因是波导缺陷 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等 目前的制造工艺基本可以克服波导散射,标准单模光纤损耗曲线,掺GeO2的低损耗、低OH含量石英光纤,OH,0.154 dB/km,AllWave fib
4、er,AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH吸收损耗,常温且未暴露 在强辐射下,商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较,多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 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,多模光纤,单模光纤,弯曲损耗,宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲,弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加,弯曲损耗与模场直径的关系,P包层1 P包层2,Loss模场直径小 Loss模场直径大,Loss低阶模 Loss高阶模,模式剥离器：将光纤缠绕成环,微弯：微米级的高频弯曲,微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均
5、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 导致的后果： 造成能量辐射损耗,高阶模功率损耗,低阶模功率耦合到高阶模,与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗,宏弯和微弯对损耗的附加影响,宏弯损耗,微弯 损耗,基本损耗,l增加，V减少，W0越大,长波长处附加损耗显著,宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼,Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务 光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减,新技术：抗宏弯的柔性光纤,Photonic Crystal Fiber,Photonic
6、Bandgap Fiber,康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装 日本NTT也完成了这种光纤的研制,柔性光纤的优点,对光的约束增强 在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离 可以实现光纤色散的灵活设计 减少光纤中的非线性效应 抗侧压性能增强,光纤损耗的度量,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： 可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性： 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。,损耗的补偿办法：放大,电放大 光电光 2.5 0.6 0.6 m3 全光放大 EDFA 拉曼放
7、大器 0.05 0.3 0.2 m3,掺铒光纤放大器,主要内容,光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化,3.2 色散引起的信号失真,光信号包含不同的频率、模式、偏振分量,f,光源输出有一定谱宽： 100 KHz10 MHz,信号具有不同的频谱分量,色散的定义,分类： 1. 模内色散 - 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散,色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难,l1,l2,l3,l1,l2,l3,模内色散：材料色散,光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同,单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在
8、包层,模内色散：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,模内色散 - 群速度色散 (GVD),信号分量的群速率是频率/波长的函数： 即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L后，频率分量w经历的延时为： 对于一个谱宽为Dw的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：,GVD 参数,群速度色散,通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽。根据w和l之间的关系： 代入DT中，那么可以得到： 其中D(l)称为色散系数： ps/(kmnm) 标准单模光纤在1550 nm处色散系数为17 ps/kmnm,正色散、负色散和零色散,1. 色散系数D为正：负色散 b2 v低频光 2. 色
9、散系数D为负：正色散 b2 0 v高频光 v低频光 3. 色散系数D为零：零色散,材料色散,光纤的折射率是波长的函数n(l)，不同的波长的传播函数b不同： 可以得到传播了L后由Dl所带来的群延时差为： Dm为材料色散系数。,减小材料色散：选择谱宽窄的光源,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D = (n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于： 可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为： 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：,其中,标准单模光纤总的模内色散,- 材料色散的影响一般大于波导色散： |Dm| |Dw| - 波导色散系数通常为负值,总色散系
10、数 D Dm + Dw,模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源,Dl比较大的时候，单模光纤带宽：,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/kmnm，那么系统带宽和距离乘积： BL 1 Gb/skm,带宽距离积：,模内色散对传输带宽的影响,不同线宽下的系统色散所允 许的带宽与传输距离的关系 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,对于高速光链路 ( 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一,模间色散,多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散,对于子午光线，经过长度L后模间色散可能产生的最
11、大脉冲展 宽为： DL为两种模式的光程差,偏振模色散 (PMD),双折射效应导致了偏振模色散,光纤对传播模式的两个偏振 分量的传播速度不同,PMD的外部因素及其特点,外部因素：环境变化如振动、温度、应力等 特点：具有很强的不稳定性和突发性 因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论,PMD 对传输的影响,PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著,主要内容,光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化,3.5 单模光纤的色散优化设计,1550 nm,G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm,办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动,普通商用光纤,色散位移光纤,G.656 色散平坦光纤,在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统,普通商用光纤,色散平坦光纤,色散补偿光纤 (DCF),正负色散率搭配使系统累积色散为零,缺点：(1) 高损耗； (2) 短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于WDM系统,中途谱反转技术,非线性 器件,等长、色散性质相同的光纤,利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿,注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件,