《yk光纤光学第二章》PPT课件.ppt

第二章 光纤特性及参数测量,俞 侃 华中科技大学文华学院信息学部,第二章：光纤特性及参数测量,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衰耗，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,2.2 光纤的损耗,损耗的定义：单位长度(km)光纤光功率衰减分贝数 光纤损耗的来源： 光纤材料的吸收与散射损耗 光纤的微弯与宏弯损耗 光纤的连接与耦合损耗 重要数据: -0.5dB0.9; -1dB0.8; -2dB0.6; -3dB0.5; -10dB0.1-20dB0.01,光纤的损耗,材料吸收损耗,散射损耗,瑞利散射(漫反射) 机制：在光纤中由于某种 远小于波长的不均匀性 （例如折射率不均匀，掺杂 浓度不均匀等）引起光的散射; 是一种线性损耗，与在光纤中传输光强度无关 A、B是与石英和掺杂材料有关的常数 01.55m时0.16dB/km； 01.3m时0.32dB/km 特点：不可能消除的损耗,散射损耗,受激喇曼散射与受激布里源散射 非线性的散射 仅当光功率超过某一阈值时，才能激励受激喇曼散射与受激布里源散射。

在传输率较低的系统中可不考虑，但在传输率较高(Gb/s)的系统中要考虑 特点：产生新的频率分量,光纤损耗谱特性,,光纤损耗的历史发展阶段,,2004年,弯曲损耗,超过xc的功率将转换为辐射损耗 高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！,弯曲损耗,A. 宏弯损耗：实际应用中必需的盘绕、曲折等引起的宏弯损耗; B. 过渡弯曲损耗：由直到弯曲的突变; C. 微弯损耗：光纤的制备过程中或在应用过程中由于应变等原因引起的光纤形变所致;,宏弯损耗,R10cm(R/a102)可以不考虑弯曲损耗,推导从略，可见P85,长飞抗弯曲G.657超贝光纤,弯曲过渡损耗,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 弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤 产生相移exp(-ibLz)=exp(-iv) 弯曲光纤传播常数(微扰) 满足波导场方程 r增加导致ne(r)增加，场分布拓展导模 向漏模转化,引起功率泄漏造成过渡损耗“ 随着弯曲方向的改变，损耗沿z方向变化曲线将出现振荡,微弯损耗,微弯损耗,原理：由于弯曲引起导模功率的横向泄漏 理论分析：单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差和纤轴的畸变。

阶跃单模光纤经验公式： 模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升,随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽,2.3 光纤的色散与带宽,,,,,,,,,劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了光-电-光中继器之间的距离,,色散效应：,时域表现：,光纤通信中限制因素色散,频域表现：,光纤的色散,1、模间色散：,2、波导色散：,3、材料色散：,4、偏振模色散：,色散一般分为 4 种：,发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散， 即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长)不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式若光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同，即有相同的群延迟，故无色散实际的光纤必然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象称之为偏振模色散在理论讨论中不考虑用时延差描述色散,用时延差描述色散 c-光在真空中的速度，vg为相速， k0为波周数，为传播常数 第一项因模而异，故引起模间色散 后二项则产生波导色散和材料色散，只与光源谱宽有关 如光源发出的是严格的单色波，则上式只有第一项 如单模光纤，则只存在后二项,模间色散,模间色散,模间色散,模间色散,模间色散,单模光纤中只允许基模传输，故不存在模间色散 在多模光纤中,脉冲展宽主要决定于多模群延时差m 产生原因：各个不同导模的群速不相同 模间色散并不是由于频率不同引起的,故称其为 单色弥散似乎更为合适,材料色散,取决于折射率n对波长的二阶导数，即材料折射率随光波长非线性变化引起的色散 正常色散区：00，色散小于0 反常色散区：01.27m波长区，d2n/d2<0，色散大于0,材料色散,正常色散,正常色散,反常色散,材料色散,材料色散,波导色散,波导色散：由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长)不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。

由于波导色散的作用，色散程度为： 多模光纤：常可忽略不计 单模光纤： 短波长区：材料色散大，波导色散可近似忽略； 长波长区：材料色散随着波长的增加而减小到与波导色散相同量级，并出现与其极性相反、相互抵消的情况,波导色散,波导色散,总色散,偏振模色散,偏振模色散,三种不同类型的单模光纤,G.652单模光纤(NDSFnon dispersion-shifted fiber) G.653单模光纤(DSFdispersion-shifted fiber) G.655单模光纤(NZ-DSFNon Zero-dispersion-shifted Fiber) 常规G.655 大有效面积G.655,G.652非色散位移光纤,应用最广泛1310nm和1550nm. 在1310nm具有零色散点，衰减为0.30.4dB/km为1310nm波长性能最佳光纤 在1550nm衰减为0.150.25dB/km色散较大20ps/nm.km 在1310nm没有商用化的光放大器，G.652主要工作于1550nm 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 结论: 不适于10Gb/s以上速率传输，可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。

G.652+DCF可解决色散问题，但方案升级扩容成本高.,对光纤的零色散点进行了移位设计，即通过改变光纤内折射率分布的办法把光纤的零色散点从1310nm波长移位到1550nm波长处 低损耗 零色散 小有效面积 长距离、单信道超高速全光中继系统 非线性效应严重 四波混频（FWM）是主要的问题，不适于DWDM复用技术 结论: 适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状G.653单模光纤（色散移位光纤 ）,在15301565nm窗口有较低的损耗 工作窗口较低的色散，但不为零，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生 就是为DWDM系统的应用而设计的 结论: 适用于10Gb/s以上速率DWDM传输， 是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择,G.655单模光纤（非零色散位移光纤）,,三种光纤色散情况比较,正常色散区,反常色散区,,。