光纖傳輸理論及傳輸特性

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1、光纖通信與數(shù)字傳輸,南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,第二章 光纖傳輸理論及傳輸特性,在光纖通信系統(tǒng)中，光纖是光波的傳輸介質(zhì)。光纖的材料、構(gòu)造和傳輸特性對光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量起著決定性的作用。 本章在介紹光纖光纜的結(jié)構(gòu)和類型的基礎(chǔ)上，分別用波動理論和射線光學(xué)理論對光纖中的模式和傳光原理進行分析，并對光纖的衰減和色散等傳輸特性進行詳細的介紹。,2,第二章 光纖傳輸理論及傳輸特性,2.1 光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類型 2.2 電磁波在光纖中傳輸?shù)幕痉匠?2.3 階躍折射率光纖模式分析 2.4 單模傳輸 2.5 射線光學(xué)理論 2.6 光纖傳輸特性,3,2.1 光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類型,2.1.1 光

2、纖結(jié)構(gòu) 2.1.2 光纖型號 2.1.3 光纜及其結(jié)構(gòu),4,2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu),光纖的基本結(jié)構(gòu)有以下幾部分組成：折射率（n1）較高的纖芯部分、折射率（n2）較低的包層部分以及表面涂覆層。結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 為保護光纖，在涂覆層外有二次涂覆層（又稱塑料套管）。,5,6,圖2-1 通信光纖及其基本結(jié)構(gòu),,無論何種光纖，其包層直徑都是一致的,涂覆層的主要作用是為光纖提供保護,,纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一個完整整體,光纖的分類,按折射率分布 按二次涂覆層結(jié)構(gòu) 按材料 按傳導(dǎo)模式,7,8,1. 按纖芯折射率分布：階躍折射率分布和漸變折射率分布,階躍型 （SI）,漸變型 （GI）,

3、2 按光纖的二次涂覆層結(jié)構(gòu),緊套結(jié)構(gòu)光纖 光纖的二次涂敷（即塑料套管）與一次涂敷是緊密接觸的，光纖在套管中不能松動（圖2-4） 松套結(jié)構(gòu)光纖 光纖的二次涂敷與一次涂敷是留有空間的（一般充油膏），光纖在套管中可以松動（圖2-5）,9,3. 按光纖主要材料,SiO2光纖* 塑料光纖 氟化物光纖 * SiO2是目前最主要的光纖材料,10,4. 按光纖中的傳導(dǎo)模式*,單模光纖 多模光纖 * 傳導(dǎo)模式的概念將在模式分析部分介紹,11,2.1.2 光纖型號,目前ITU-T規(guī)定的光纖代號有 G.651光纖（多模光纖）； G.652光纖（常規(guī)單模光纖）； G.653光纖（色散位移光纖）； G.654光纖（低

4、損耗光纖） G.655光纖（非零色散位移光纖）。 根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光纖類別的代號應(yīng)如下規(guī)定： 光纖類別應(yīng)采用光纖產(chǎn)品的分類代號表示，即用大寫A表示多模光纖，大寫B(tài)表示單模光纖，再以數(shù)字和小寫字母表示不同種類光纖。見表2-1及表2-2。,12,13,表2-1 多模光纖類型,14,表2-2 單模光纖類型,G.652光纖（非色散位移光纖）*,G.652光纖是通信網(wǎng)中應(yīng)用最廣泛的一種單模光纖 G.652A光纖，支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離超過400km，支持40Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離達2km G.652B光纖，支持10Gbit/s系統(tǒng)傳輸距離3000km以上，支持40Gbit/s系統(tǒng)傳輸距

5、離80km以上 G.652C光纖，基本屬性同G.652A，但在1550nm處衰減系數(shù)更低，且消除了1380nm附近的水吸收峰，即系統(tǒng)可以工作在1360nm1530nm波段 G.652D光纖，屬性與G.652B基本相同，衰減系數(shù)與G.652C相同，即系統(tǒng)可以工作在1360nm1530nm波段,15,G.652x光纖的色散和衰減*,16,G.657光纖*,17,G.657光纖（接入網(wǎng)用抗彎損失單模光纖） G.657A光纖：“彎曲提高”光纖，要求必須與G.652D規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)兼容，最小彎曲半徑10mm。已在國內(nèi)的FTTH工程中得到比較好的推廣應(yīng)用。 G.657B光纖：“彎曲冗余”光纖，不要求與G.65

6、2D規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)兼容，最小彎曲半徑可降低到7.5mm。G.657B的技術(shù)要求和制造工藝要求更高，也已開始應(yīng)用。 符合G.657標(biāo)準(zhǔn)的光纖可以以接近銅纜敷設(shè)方式在室內(nèi)進行安裝，降低了對施工人員的技術(shù)要求，同時有助于提高光纖的抗老化性能。 G.657光纖被認(rèn)為是FTTH室內(nèi)光纜應(yīng)用上的優(yōu)選。,2.1.3 光纜及其結(jié)構(gòu),光纜是以光纖為主要通信元件，通過加強件和外護層組合成的整體。 光纜是依靠其中的光纖來完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。,18,光纜的分類方法,按成纜光纖類型 多模光纖光纜和單模光纖光纜 按纜芯結(jié)構(gòu) 中心束管、層絞、骨架和帶狀 按加強件和護層

7、金屬加強件、非金屬加強、鎧裝 按使用場合 長途/室外、室內(nèi)、水下/海底等 按敷設(shè)方式 架空、管道、直埋和水下,19,光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式）,層絞式 骨架式 中心束管式 帶狀式,20,21,光纜結(jié)構(gòu)示意圖,層絞式,中心束管式,帶狀式,松套層絞式鎧裝光纜,22,松套層絞式直埋光纜,23,金屬加強自承式光纜,24,微束管室內(nèi)室外光纜*,25,微束管室內(nèi)室外光纜適合大樓和多層住宅樓的管道引入使用，適合室內(nèi)和室外兩種環(huán)境，芯數(shù)一般為1232。微束管松套光纖為半干式結(jié)構(gòu)，便于室內(nèi)光纜分支和施工。,分支型室內(nèi)布線光纜*,26,與分支型室內(nèi)布線光纜類似，還有一種束狀室內(nèi)布線光纜，使用0.9mm緊套光纖，干式結(jié)

8、構(gòu)，纖芯密度高，重量輕。,分支型室內(nèi)布線光纜采用單芯子單元光纜結(jié)構(gòu)，適合在大樓豎井內(nèi)中長距離上的多處分纖終端，每條光纜子單元均可用現(xiàn)場連接器直接與終端相連接。光纜為全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的防火阻燃性能?？估瓘姸群头阑鸬燃墲M足室內(nèi)垂直/水平布線光纜的等級要求。芯數(shù)有4/6/8/12/24多種。,室內(nèi)8字布線光纜（普通蝶形光纜） *,27,室內(nèi)“8”字布線光纜又稱為蝶形入戶光纜或皮線光纜，是應(yīng)用于FTTx的專用光纜，特別適合穿過樓內(nèi)各種管道，適應(yīng)樓內(nèi)復(fù)雜的敷設(shè)和應(yīng)用環(huán)境。光纜采用小彎曲半徑光纖，具有優(yōu)良的抗彎性能。無需工具即可剝開光纜，施工安全可靠，可如同銅纜施工一樣對待，不宜出現(xiàn)施工故障。能與多種

9、現(xiàn)場連接器匹配，可現(xiàn)場成端。,采用G.657光纖的高強度特種光纖跳線*,28,第二章 光纖傳輸理論及傳輸特性,2.1 光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類型 2.2 電磁波在光纖中傳輸?shù)幕痉匠?2.3 階躍折射率光纖模式分析 2.4 單模傳輸 2.5 射線光學(xué)理論 2.6 光纖傳輸特性,29,2.5 射線光學(xué)理論,分析光波在光纖中傳輸可應(yīng)用兩種理論：波動理論和射線理論。 用波動理論分析了光波在階躍折射率光纖中傳播的模式特性，分析的方法比較復(fù)雜。 射線理論是一種近似的分析方法，但簡單直觀，對定性理解光的傳播現(xiàn)象很有效，而且對光纖半徑遠大于光波長的多模光纖能提供很好的近似。,30,兩個重要概念：光射線（簡稱射線

10、）,設(shè)有一個極小的光源，它的光通過一塊不透明板上的一個極小的孔，板后面的一條光的邊界并不明顯銳利，而有連續(xù)但又快速變化的亮和暗，這就是所謂的衍射條紋。 如果光波長極短（趨于0）而可以忽略，并使小孔小到無窮小，則通過的光就形成一條尖銳的線，這就是光射線。也可以說一條很細很細的光束，它的軸線就是光射線。,31,兩個重要概念：射線光學(xué)（即幾何光學(xué)）,當(dāng)光波長趨于0而可以忽略時，用射線去代表光能量傳輸線路的方法稱為射線光學(xué)。 在射線光學(xué)中，把光用幾何學(xué)來考慮，所以也稱為幾何光學(xué)。 射線光學(xué)是忽略波長的光學(xué)，亦即射線理論是0時的波動理論。,32,1. 射線方程,從射線方程導(dǎo)出的射線光學(xué)最重要的理論之

11、一 是斯涅爾（Snell）定律，它應(yīng)用于恒定折射率n1和n2區(qū)域時可寫成： 反射定律： （2-118） 折射定律： （2-119） 式中n1、n2為介質(zhì)的折射率， 、 、 分別是光線的入射角、反射角和折射角。,33,,34,光射線的反射和折射,,,,,第1種媒質(zhì)（n1）,分界面,第2種媒質(zhì)（n2） n1n2,法線,反射定律： 入射角入反射角反,折射定律： n1sin 入n2sin 折,,入,反,折,入射光線,折射光線,反射光線,光的全反射現(xiàn)象（光密介質(zhì)光疏介質(zhì)）,35,,,,,第1種媒質(zhì)（n1）,分界面,第2種媒質(zhì)（n2） n1n2,法線,,折射光線,反射光線,入射光線

12、,,,,,,,全反射定律： 當(dāng)入射角度增大到某一角度時，折射角可以獲得最大值90，此時可認(rèn)為無折射光存在，所有的入射光都被反射，稱為全反射現(xiàn)象，滿足全反射現(xiàn)象的最小角度稱為全反射的臨界角 C。,,C,2.5.2 光纖的傳光原理,利用上述的射線分析方法，可以直觀地對光纖的傳光原理進行解釋，但是必須要指出的是，射線分析方法雖然具有易于理解的優(yōu)點，但其本質(zhì)上是一種近似分析方法，只能定性地解釋光纖的傳光原理，并不能作為定量的分析依據(jù)。,36,階躍折射率光纖中的全反射傳輸,37,,,,,,光纖軸線方向,,,,,,,纖芯（n1）,包層（n2）,n1n2,思考：如果光纖發(fā)生彎曲 或形變會有什么結(jié)果？,此處亦

13、有折射現(xiàn)象，如何由光纖內(nèi)部的全反射條件推導(dǎo)處此處的入射條件？（入射角/接收角）,空氣（n0）,,38,子午光線和偏射光線,39,子午光線是平面曲線 偏射光線是空間曲線,最大入射角、最大可接收角和數(shù)值孔徑,最大入射角 最大可接收角： 數(shù)值孔徑為 式中，n1,n2 分別為光纖芯和包層的折射率， 為相對折射率差。,40,補充例題,例1：一階躍折射率分布光纖的參數(shù)為n1=1.52，n2=1.49。 （1）光纖放在空氣中，光從空氣中入射到光纖端面軸線處的最大可接收角是多少？ （2）光纖浸在水中（水的折射率為1.33），光從水中入射到光纖端面軸線處的最大可接收角是多少？ 解： 最大可接收角 （1）空氣n

14、0=1， （2）水n0=1.33，,41,2.2 電磁波在光纖中傳輸?shù)幕痉匠?為全面精確的分析光波導(dǎo)，可采用波動理論。本節(jié)從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出波動方程，然后對光纖進行分析。 需要指出的是，這里重點是理解分析和推導(dǎo)的思路和方法，而不是具體的過程。,42,溫習(xí)：二個算子（直角坐標(biāo)系中）,哈密頓（Hamilton）算子： 拉普拉斯（Laplace）算子,43,溫習(xí)：三個重要的恒等式,（u為標(biāo)量函數(shù)）； ；,44,2.2.1 麥克斯韋方程組和波動方程,微分形式的麥克斯韋方程組描述了空間和時間的任意點上的場矢量。對于無源的，均勻的，各向同性的介質(zhì)，麥克斯韋方程組可表示如下： （2-2）

15、 （2-3） （2-4） （2-5） 式中 為電場強度矢量， 為磁場強度矢量， 為電位移矢量， 為磁感應(yīng)強度矢量， 為哈密頓算符，“ ”代表取旋度，“ ”代表取散度。,45,麥克斯韋方程組和波動方程（續(xù)）,對于無源的、各向同性的介質(zhì)，有 ， 式中 為介質(zhì)的介電常數(shù)， 為介質(zhì)的導(dǎo)磁率。 在研究介質(zhì)的光學(xué)特性時，通常不使用 ，而是使用介質(zhì)的折射率n，兩者的關(guān)系是：,46,由麥克斯韋方程推出波動方程,47,利用矢量恒等式,由2-4式得,,同理可得式212,（2-11）,對2-2式兩邊取旋度：,2.2.2 亥姆霍茲（Helmholtz）方程和波參數(shù),對于正弦交變電磁場，麥克斯韋方程組表示

16、為,48,正弦交變電磁場的亥姆霍茲方程,可利用真空中參數(shù) ， ，光速c，光波長 來表示波參數(shù),49,2.2.3 基本波導(dǎo)方程,討論分析介質(zhì)波導(dǎo)（光纖）所必需的基本波導(dǎo)方程。光波導(dǎo)（光纖）結(jié)構(gòu)選擇Z軸為光波導(dǎo)的縱向軸。光波導(dǎo)中的能量沿+Z方向傳播，并假定介電常數(shù)只隨x，y變化而與z無關(guān)。波導(dǎo)中的場可以寫為： 和 2-19 代入麥克斯韋方程，可以得到其分量的展開式： 2-20,50,51,將場分量t和z的微商代入2-20式并寫成分量形式，再經(jīng)過數(shù)學(xué)處理可用縱向方向來表示橫向方

17、向分量,2-242-27 上式中， 為傳輸常數(shù),縱向分量可通過求解波動方程得到,2-28 2-29 上兩式改寫為 2-30 2-31 稱為橫向拉普拉斯算子。,52,2.2.4 柱面坐標(biāo)系下的波動方程,將前述的波動方程從直角坐標(biāo)系變換至柱面座標(biāo)系，可得2-382-43式,53,,2.3 階躍折射率光纖模式分析,本節(jié)將用波動理論來分析階躍折射率分布光纖，得到在光纖中傳播的各種模式的表示方法。討論各模式的截止條件，并引入線性極化模的概念。 用于分析的階躍折射率光纖幾何圖形如圖2-7所示。假設(shè)光纖包層的半徑 b 足夠大，以使得包層

18、內(nèi)電磁場按指數(shù)冪衰減，并在包層和空氣的界面處趨于 0，這樣就可以把光纖作為兩種介質(zhì)的邊界問題進行分析。,54,55,圖2-7 階躍折射率光纖幾何圖形,1. 矢量分析法,矢量分析法，就是把電磁場作為矢量場來求解。用這種方法來分析光纖可以精確的分析光纖中的各種模式，各模式的截止條件等*。 *本課程中，不是專門討論如何求解精確的矢量解，而是根據(jù)精確矢量模式分析導(dǎo)出符合某種特定要求（滿足特定模式傳輸/截止條件）的光纖參數(shù)。,56,57,特征方程,為了獲得階躍折射率分布光纖中的精確模式，必須在光纖的纖芯和包層兩個區(qū)域內(nèi)從上面所示的柱面坐標(biāo)中的修正波動方程解出Ez、Hz，然后再求得場的橫向分量E、Er、H

19、、Hr的表達式。 用分離變量法求解，可得2-49式（推導(dǎo)過程從略）,纖芯和包層中場分量的求解,纖芯中： 包層中： 纖芯和包層中的橫向分量由2-592-60給出,58,幾個重要參數(shù),橫向傳播常數(shù) 橫向衰減常數(shù) 歸一化頻率,59,由邊界條件引出特征方程,式2-49是貝塞爾方程，考慮到場在纖芯和包層中的傳輸以及邊界條件，可得特征方程 其中 可見方程中主要的參量是m、a、、n1、n2和。,60,由特征方程求解 值主要步驟： 確定已知參量 、、和； 將和特征方程聯(lián)立，求出或 ； 從 或 ，求出 。,61,場特征參量、 和 可通過特征方程確定，并可通過特征方程討論模式截止條件和對模式的分類。,2. 模式

20、分類,當(dāng)m=0時，可以得到兩套獨立的分量，一套是Hz、Hr、E，Z向上只有H分量，稱為TE模；一套是Ez、Er、H，Z向上只有E分量，稱為TM模。 當(dāng)m0時，Z向上既有Ez分量，又有Hz分量，稱之為混合模。若Z向上的Ez分量比Hz分量大，稱為EHmn模；若Z向上的Hz分量比Ez分量大，稱為HEmn模。下標(biāo)m和n都是整數(shù)。m是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示纖芯沿方位角繞一圈場變化的周期數(shù)。n是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心（r=0）到纖芯與包層交界面（r=a）場變化的半周期數(shù)。,62,3. 模式截止條件,對每一個傳播模來說，在包層中它應(yīng)該是衰減很大

21、，不能傳輸。如果一個傳播模，在包層中不衰減，也就是表明該模是傳過包層而變成了輻射模，則就認(rèn)為該傳播模被截止了。所以一個傳播模在包層中的衰減常數(shù)W=0時，表示導(dǎo)模截止。 由模式分析導(dǎo)出的截止條件是光纖通信最重要的基礎(chǔ)結(jié)論之一，也是前述的指導(dǎo)光纖參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提條件,63,64,圖2-8 貝塞爾函數(shù)曲線,圖2-9 模式場型圖 （部分）,65,a) HE11 (基模) b) TE01,2.3.2 弱導(dǎo)光纖和線性極化模,從前面的分析得到的是階躍折射率光纖中場的嚴(yán)密解，其波動方程和特征方程的精確求解都非常復(fù)雜。而在實際的光纖通信中，由于光纖包層的折射率n2僅略低于纖芯層的折 射率n1

22、，即它們的相對折射率差 ，這樣的光 纖稱之為弱導(dǎo)光纖。在弱導(dǎo)光纖中場的縱向分量和橫向分量相比是很小的，電磁場幾乎是橫向場，電磁場也幾乎是線性極化的。此時我們可以用標(biāo)量近似法來分析階躍折射率光纖中的模式。在1的條件下，用標(biāo)量近似法得到的模式就是線性極化模，稱之為LP模。,66,LP 模與精確矢量模之間的關(guān)系,LPmn模是由HEm+1，n模和EHm-1，n模線性迭加而成，其中每個模包括兩個正交的線偏振狀態(tài)，所以LPmn模是四重簡并。但LP0n模的情況比較特殊，因為m=0，EHm-1，n模的角向階數(shù)是-1，這是沒有物理意義的。所以LP0n模僅由HE1n模構(gòu)成，是雙重簡并。 線性極化模LP模與H

23、E、EH模之間的關(guān)系如教材表2-5所示。,67,68,圖2-10 LP0n和LP1n的u 值范圍,m=0,m=1,69,表2.5 LP模與HE、EH模的關(guān)系,第二章 光纖傳輸理論及傳輸特性,2.1 光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類型 2.2 電磁波在光纖中傳輸?shù)幕痉匠?2.3 階躍折射率光纖模式分析 2.4 單模傳輸 2.5 射線光學(xué)理論 2.6 光纖傳輸特性,70,2.4 單模傳輸,在前面討論模式截止時知道，階躍折射率光纖的傳播模式是歸一化頻率V的函數(shù)。當(dāng) （2-101） 時，光纖中傳播的唯一的模式為LP01模（即HE11模），光纖為單模傳輸。 式（2-101）

24、為單模傳輸條件。為判斷一根光纖何時能實現(xiàn)單模傳輸？單模光纖中能量的集中程度如何描述？下面引入單模光纖的兩個基本參數(shù)：截止波長和模場直徑。,71,,72,1. 截止波長,在前面的分析中已知，只有歸一化頻率V小于LP11模的截止頻率（Vc=2.4048）時，才能保證光纖中只傳輸基模（LP01模或HE11模），所以單模光纖理論截止波長 為 （2-102） 截止波長是單模光纖的基本參量，也是單模光纖最基本的參數(shù)。,73,截止波長和工作波長的關(guān)系,判斷一根光纖是不是單模傳輸，只要比較一下它的工作波長 與截止波長 c 的大小就可以了。如果 c ，則為單模光纖，該光纖只能傳輸基模；如果 c ，就不是單模光

25、纖，光纖中除了基模外，還能傳輸其它高階模。 目前工程上有四種截止波長： （1）理論截止波長c1； （2）2米長光纖截止波長c2； （3）光纜制造長度的截止波長c3； （4）一個中繼段的截止波長c4。 一般是c1c2 c3 c4。,74,2. 模場直徑,單模光纖中基模（LP01?；騂E11模）場強在光纖的橫截面內(nèi)有一特定的分布，該分布與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)。光功率被約束在光纖橫截面的一定范圍內(nèi)。也就是說，單模光纖傳輸?shù)墓饽懿皇峭耆性诶w芯內(nèi)，而是有相當(dāng)部分在包層中傳播。所以不用纖芯直徑來作為衡量單模光纖中功率分布的參數(shù)，而用所謂的模場直徑作為描述單模光纖傳輸光能集中程度的參數(shù)。,75,第二章 光纖傳

26、輸理論及傳輸特性,2.1 光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類型 2.2 電磁波在光纖中傳輸?shù)幕痉匠?2.3 階躍折射率光纖模式分析 2.4 單模傳輸 2.5 射線光學(xué)理論 2.6 光纖傳輸特性,76,2.6 光纖傳輸特性,光信號經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后要產(chǎn)生衰減和畸變，因而輸出信號和輸入信號不同，光脈沖信號不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號衰減和畸變的主要原因是光在光纖中傳輸時存在損耗和色散等性能劣化。損耗和色散是光纖的最主要的傳輸特性，它們限制了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量。本節(jié)要討論光纖損耗和色散的機理和特性。,77,2.6.1 損耗特性（Attenuation）,光纖的損耗將導(dǎo)致傳輸信號的衰減。在

27、光纖通信系統(tǒng)中，當(dāng)入纖的光功率和接收靈敏度給定時，光纖的損耗將是限制無中繼傳輸距離的重要因素。,78,損耗和損耗系數(shù)的定義,當(dāng)工作波長為 時，L公里長光纖的衰減 ，及光纖每公里衰減 用下式表示： dB dB/km （2-145） 式中：Pi、Po分別為光纖的輸入、輸出的光功率，單位W。L為光纖長度，單位km。 稱為損耗系數(shù)（衰減系數(shù)），單位dB/km,79,光纖衰減的產(chǎn)生機理,造成光纖中能量損失的原因是吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。 吸收損耗與光纖材料有關(guān)； 散射損耗與光纖材料及光纖中的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)； 輻射損耗則是由光纖幾何形狀的微觀和宏觀擾動引起的。,80,1.

28、 光纖的吸收損耗,本征吸收是由材料中的固有吸收引起的。材料中存在著紫外光區(qū)域光譜的吸收和紅外光區(qū)域光譜的吸收。吸收損耗與光波長有關(guān)。紫外吸收帶是由于原子躍遷引起的。紅外吸收是由分子振動引起的。 SiO2的光纖材料中含有一定的摻雜劑（如鍺Ge，硼B(yǎng)，磷P等）和躍遷金屬雜質(zhì)（如鐵Fe，銅Cu，鉻Cr等）。這些成分的存在把紫外吸收尾部轉(zhuǎn)移到更長的波長上去。所含的雜質(zhì)離子，在相應(yīng)的波長段內(nèi)有強烈的吸收。雜質(zhì)含量越多，損耗越嚴(yán)重。除了躍遷金屬雜質(zhì)吸收外，氫氧根離子（OH-）的存在也產(chǎn)生了大的吸收。,81,2. 光纖的散射損耗,散射損耗是由于材料不均勻，使光散射而引起的損耗。 瑞利散射損耗 瑞利散射是

29、由于光纖內(nèi)部的密度不均勻引起的。瑞利散射損耗的大小與 成正比。 波導(dǎo)散射損耗 光纖在制造過程中，會發(fā)生某些缺陷。這就會產(chǎn)生散射損耗。,82,,83,圖2-19 光纖損耗波長特性,,,,850,1310,1550,3. 光纖的輻射損耗,光纖受到某種外力作用時，會產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲。彎曲后的光纖可以傳光，但會使光的傳播途徑改變。一些傳輸模變?yōu)檩椛淠＃鹉芰康男孤@種由能量泄漏導(dǎo)致的損耗稱為輻射損耗。,84,,,85,2.6.2 色散特性（Dispersion）,光纖的色散是由于光纖中所傳輸?shù)墓庑盘柕牟煌念l率成分和不同模式成分的群速不同而引起的傳輸信號的畸變的一種物理現(xiàn)象。 它將傳輸脈

30、沖展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率。傳輸距離越長，脈沖展寬越嚴(yán)重，所以色散限制了光纖的通信容量，也限制了無中繼傳輸距離。 光纖中的色散可分為材料色散、模式間色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散等。,86,色散分類,材料色散：由于材料本身折射率隨頻率而變，于是信號各頻率的群速度不同，引起色散。 模式間色散：在多模傳輸下，光纖中各模式在同一光源頻率下傳輸系數(shù)不同，因而群速度不同而引起色散。 波導(dǎo)色散：它是模式本身的色散。對于光纖中某一模式本身，在不同頻率下，傳輸系數(shù)不同，群速不同，引起色散。 偏振模色散：輸入光脈沖激勵的兩個正交的偏振模式之間的群速度不同而引起的色散。,87,單模光纖和多模光纖中色散構(gòu)成不同,

31、材料色散和波導(dǎo)色散是發(fā)生在同一模式內(nèi)，所以稱之為模內(nèi)色散；而模式間色散和偏振模色散，可稱之為模間色散。 對于多模傳輸，模間色散占主導(dǎo)，材料色散相對較小，波導(dǎo)色散一般可以忽略。 對于單模傳輸，材料色散占主導(dǎo)，波導(dǎo)色散較小。由于光源不是單色的，總有一定的譜寬，這就增加了材料色散和波導(dǎo)色散的嚴(yán)重性。,88,定義色散系數(shù)為 ps/nmkm 其中 光波長間隔（以波長 為中心）， 光波長間隔對應(yīng)的群時延差， 色散系數(shù)的物理含義是指經(jīng)單位長度光纖傳輸后，單位光波長間隔對應(yīng)的群時延差。,89,色散系數(shù),1. 單模傳輸時的色散及時延失真,材料色散 由于光纖中存在著材料色散和波導(dǎo)色散，

32、光信號通過單模光纖傳播時，會發(fā)生光脈沖形狀畸變（群時延失真），材料色散是主要的影響。引起這種色散的原因是光波在媒質(zhì)中傳播的群時延與波長有關(guān)。模的群時延可由下式給出： （2-147） 式中：Ng 為媒質(zhì)的群折射率。,90,群時延引起的色散,由于材料色散導(dǎo)致時延差，其色散系數(shù)定義為 Dm表示單位譜寬下傳輸單位長度所造成的脈沖展寬。光譜線寬度為 （nm），長度為 L（km）的總的材料色散時延差可以表示為 （2-153）,91,波導(dǎo)色散,由于光纖的結(jié)構(gòu)、相對折射率差等多方面的原因，有一部分光會進入包層內(nèi)傳播（這部分光能量的大小與光波長有關(guān)），其速度要比在纖芯中傳播快，所以將這種由于

33、某一傳輸模的群速度隨光波長而變所引起的脈沖展寬稱為波導(dǎo)色散。 光波長越大，進入包層的光越多，群速度變化越大，波導(dǎo)色散越嚴(yán)重，描述波導(dǎo)色散可采用波導(dǎo)色散系數(shù)Dw。 （2-154）,92,高階色散,高階色散可用色散斜率 來表示，S也叫二階色散系數(shù)。 （2-155） 上式中，2和3分別是傳輸常數(shù)在中心頻率0處展開成泰勒級數(shù)的二次和三次項。常規(guī)單模光纖在0=D處，S約為0.085ps/(kmnm2)，色散位移光纖DSF約為0.05ps/( kmnm2)。當(dāng)0偏離D只有10nm時，|2|可達1ps2/km。,93,,隨機雙折射和偏振模色散,偏振模色散主要是由于光纖的雙折射效應(yīng)引起的

34、。實際光纖總有某種不同程度的不完善，例如纖芯幾何形狀的橢圓變形、光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力、光纖的彎曲扭絞等引起的折射指數(shù)的各向異性，都將使LP01x 模和LP01y模的簡并受到破壞，它們的相位常數(shù)x、y不再相等，這種現(xiàn)象就稱之為雙折射現(xiàn)象。 由于LP01x模和LP01y模的相位常數(shù)x、y不同，將引起這兩個模式傳輸?shù)牟煌剑瑥亩纬缮?，這種色散也叫做偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）。,94,偏振模色散現(xiàn)象,,95,96,表2-7 PMD與系統(tǒng)傳輸速率/最大傳輸距離的關(guān)系,97,圖2-22 常規(guī)單模光纖的 D 與 關(guān)系,2. 多模傳輸時的色散及時延失真,對

35、于多模光纖的色散主要是由模式間色散形成。在階躍折射率分布的多模傳輸光纖中，每一種模式都有其相應(yīng)的光纖端面入射角。高次模對應(yīng)于大的端面入射角，低次模對應(yīng)于較小的端面入射角。對于高次模，在到達光纖的終端以前，在纖芯-包層界面處反射的光到終端時就產(chǎn)生了時延，迭加成為了展寬了的光脈沖。 （2-160）,98,2.6.3 光纖的帶寬和沖激響應(yīng),光纖色散的大小除了用輸出脈沖的展寬來表征外，還可以用光纖的帶寬來表征。 在被測光纖上輸入一個單色光，并對它進行強度調(diào)制，改變調(diào)制頻率，觀察光纖的輸出光功率與調(diào)制頻率的關(guān)系，從而得到光纖的頻率響應(yīng)。,99,1. 光纖的

36、帶寬,帶寬的表示可用光帶寬和電帶寬兩種表示方法。 表示經(jīng)光纖傳輸后，輸出光功率下降3dB，此時稱fc為光纖的光帶寬。光檢測器輸出的電流是正比于被檢測的光功率，因此可用電流來表示： 此時稱fc為光纖的電帶寬。 顯然，我們所說的-3dB光帶寬和-6dB電帶寬，實際上是光纖的同一帶寬。,100,2. 光纖的沖激響應(yīng),光纖的沖激響應(yīng)實質(zhì)是用時域來表示光纖的帶寬特性。光纖的沖激響應(yīng)為： （2-164） 式中：F-1表示傅立葉反變換,101,2.6.4 光纖中的非線性效應(yīng),光纖的制造材料本身并不是一種非線性材料，但光纖的結(jié)構(gòu)使得光波以較高的能量沿光纖長度聚集在

37、很小的光纖截面上，會引起明顯的非線性光學(xué)效應(yīng)，對光纖傳輸系統(tǒng)的性能和傳輸特性產(chǎn)生影響。 特別是近幾年來，隨著光纖放大器的出現(xiàn)和大量使用，提高了傳輸光纖中的平均入纖光功率，使光纖非線性效應(yīng)顯著增大。所以光纖非線性效應(yīng)及其可能帶來的對系統(tǒng)傳輸性能的影響必須加以考慮。,102,非線性效應(yīng)類型,在高強度電磁場中電介質(zhì)的響應(yīng)會出現(xiàn)非線性效應(yīng)，光纖也不例外，這種非線性響應(yīng)分為受激散射和非線性折射。 散射分為彈性散射和非彈性散射。彈性散射中，被散射的光的頻率（或光子能量）保持不變，相反在非彈性散射中被散射的光的頻率將會降低。 在較高功率下，考慮到非線性的影響，石英的折射率會發(fā)生變化，并產(chǎn)生一個非線性相位

38、移。,103,1. 受激拉曼散射（SRS）,如果高頻率信道與低頻率信道的頻率差在光纖的拉曼增益譜內(nèi)，則高頻率信道的能量可能通過受激拉曼散射向低頻率信道的信號傳送，這種能量的轉(zhuǎn)移不但使低頻信道能量增加而高頻信道的能量減小，更重要的是能量的轉(zhuǎn)移與兩個信道的碼形有關(guān)，從而形成信道間的串?dāng)_，使接收噪聲增加而接收靈敏度劣化。,104,2. 受激布里淵散射（SBS）,高頻信道的能量也可能通過SBS向低頻信道傳送，但由于SBS的增益譜很窄（約10100MHz），為實現(xiàn)泵浦光與信號光能量的轉(zhuǎn)移，要求兩者頻率嚴(yán)格地匹配，所以只要對信號載頻設(shè)計得好，可以很容易地避免SBS引起的干擾。并且SBS要求兩個信號光反向傳

39、輸，所以如果所有信道的光都是同方向傳輸?shù)模瑒t不存在SBS引起的干擾。,105,3. 交叉相位調(diào)制（XPM）,當(dāng)某一信道信號沿光纖傳輸時，信號的相位移不僅與自身的強度有關(guān)，而且與其它信道的光信號強度有關(guān)，對于IM/DD系統(tǒng)，由于檢測只與入射光的強度有關(guān)而與相位無關(guān)，所以XPM不構(gòu)成對系統(tǒng)性能的影響，但在相干檢測方式中，信號相位的改變將會引起噪聲，因此XPM會對這種系統(tǒng)形成信道串?dāng)_。,106,4. 四波混頻（FWM）,在四波混頻中，三個信道的頻率i、j和k（i，j，k可取1到最大信道數(shù)N），通過混頻而產(chǎn)生第四個頻率為ijkijk的信號。如果信道間隔是等分的，則這第四個頻率會與某一個信道的頻率相同，

40、這樣通過FWM導(dǎo)致能量在信道之間的轉(zhuǎn)換。 FWM的形成需要相位匹配條件 。當(dāng)各信道信號的光波長在光纖的零色散附近時，材料色散對相位失配的影響很小，較容易滿足相位匹配條件。,107,2.6.5 單模光纖性能指標(biāo),ITU-T規(guī)定的單模光纖包括： G.652光纖（常規(guī)單模光纖/標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）； G.653（色散位移光纖）； G.654（低損耗光纖）； G.655（非零色散位移光纖）； 色散平坦光纖； DCF（色散補償光纖）；,108,109,G.652光纖的性能指標(biāo)與要求,G.652光纖又稱為常規(guī)單模光纖或標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（STD SMF），被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸。在1310nm窗口處有零色散。

41、在1550nm窗口處有較大的色散，達+18ps/nmkm。,,110,G.653光纖的性能指標(biāo)與要求,G.653光纖又稱為色散位移光纖（DSF），將在1310nm附近的零色散點，移至1550nm波長處，使其在1550nm波長處的衰減系數(shù)和色散系數(shù)均很小。主要用于單信道長距離海底或陸地通信干線，其缺點是不適合波分復(fù)用系統(tǒng)。,,111,G.654光纖的性能指標(biāo)與要求,G.654光纖又稱為1550nm損耗最小光纖，它在1550nm處衰減系數(shù)很小，0.2dB/km，光纖的彎曲性能好。主要用于無需插入有源器件的長距離無再生海底光纜系統(tǒng)。其缺點是制造困難，價格貴。,,112,G.655光纖的性能指標(biāo)與要求

42、,G.655光纖稱為非零色散位移光纖（NZ DSF）。G.655 光纖在1550nm波長處有一低的色散（但不是最?。?，能有效抑制“四波混頻”等非線性現(xiàn)象。適用于速率高于10Gb/s的使用光纖放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)。,,113,G.656 光纖的性能指標(biāo)與要求,為充分開發(fā)和利用光纖的有效帶寬，需要光纖在整個光纖通信的波長段（13101550nm）能有一個較低的色散，G.656色散平坦光纖就是能在13101550nm波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)低的色散（1ps/nmkm）的一種光纖。,,114,DCF（色散補償光纖）的性能指標(biāo)與要求,DCF是一種具有很大負(fù)色散系數(shù)的光纖，用來補償常規(guī)光纖工作于1310nm或1550nm處所產(chǎn)生的較大的正色散。,,115,圖2-27 傳輸光纖色散特性,本章小結(jié)及知識點,光纖的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù) 光纖單模傳輸條件及截止波長 射線分析法及臨界角和接收角 光纖主要傳輸參數(shù)及其含義 光纖非線性效應(yīng)概念 G.652、G.653和G.655等光纖的主要性能指標(biāo),116,