光纖通信原理第三章光纖的傳輸特性.ppt

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第三章光纖的傳輸特性 3 1光纖的損耗特性3 2光纖的色散特性3 3成纜對(duì)光纖特性的影響3 4典型光纖參數(shù) 3 1光纖的損耗特性 3 1 1吸收損耗 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子 OH 等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗 前者是由光纖材料本身的特性所決定的 稱(chēng)為本征吸收損耗 1 本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式 1 紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí) 光子流中的能量將被電子吸收 從而引起的損耗 2 紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí) 一部分光波能量傳遞給晶格 使其振動(dòng)加劇 從而引起的損耗 2 雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子 如鐵 鈷 鎳 銅 錳 鉻等和OH 3 原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過(guò)程中 光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷 此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng) 從而吸收光能 引起損耗 其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右 3 1 2散射損耗 1 線(xiàn)性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的 無(wú)論是材料 尺寸 形狀和折射率分布等等 均可能有缺陷或不均勻 這將引起光纖傳播模式散射性的損耗 由于這類(lèi)損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線(xiàn)性關(guān)系 所以稱(chēng)為線(xiàn)性散射損耗 1 瑞利散射 瑞利散射是一種最基本的散射過(guò)程 屬于固有散射 對(duì)于短波長(zhǎng)光纖 損耗主要取決于瑞利散射損耗 值得強(qiáng)調(diào)的是 瑞利散射損耗也是一種本征損耗 它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值 2 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗 波導(dǎo)散射損耗 在光纖制造過(guò)程中 由于工藝 技術(shù)問(wèn)題以及一些隨機(jī)因素 可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷 如光纖的纖芯和包層的界面不完整 芯徑變化 圓度不均勻 光纖中殘留氣泡和裂痕等等 2 非線(xiàn)性散射損耗 光纖中存在兩種非線(xiàn)性散射 它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān) 分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射 3 1 3彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式 一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲 我們習(xí)慣稱(chēng)為彎曲或宏彎 另一種是光纖軸線(xiàn)產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲 這種高頻彎曲習(xí)慣稱(chēng)為微彎 在光纜的生產(chǎn) 接續(xù)和施工過(guò)程中 不可避免地出現(xiàn)彎曲 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí) 光纖的纖芯 包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的 其損耗機(jī)理和彎曲一致 也是由模式變換引起的 3 1 4光纖損耗系數(shù) 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞 在此引入損耗系數(shù) 或稱(chēng)為衰減系數(shù) 的概念 即傳輸單位長(zhǎng)度 1km 光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù) 一般用 表示損耗系數(shù) 單位是dB km 用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為 式中 L為光纖長(zhǎng)度 以km為單位 P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率 以mW或 W為單位 3 2光纖的色散特性 3 2 1色散的概念 3 2 2模式色散 所謂模式色散 用光的射線(xiàn)理論來(lái)說(shuō) 就是由于軌跡不同的各光線(xiàn)沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差 1 階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中 傳播最快的和最慢的兩條光線(xiàn)分別是沿軸線(xiàn)方向傳播的光線(xiàn) 和以臨界角 c入射的光線(xiàn) 如圖3 6所示 因此 在階躍型光纖中最大色散是光線(xiàn) 和光線(xiàn) 到達(dá)終端的時(shí)延差 圖3 6階躍型光纖的模式色散 2 漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布 使光線(xiàn)在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償 從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小 3 2 3材料色散 一般情況下 材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來(lái)衡量 色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散 用D 表示 單位是ps nm km 2 材料色散 在已知材料色散系數(shù)的前提下 材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出 材料色散用 m表示 m Dm L式 3 25 中 為光源的譜線(xiàn)寬度 即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍 L是光纖的傳播長(zhǎng)度 3 2 4波導(dǎo)色散 式 3 23 中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān) 而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù) 所以式 3 23 中的第二項(xiàng)稱(chēng)之為波導(dǎo)色散系數(shù) 用Dw 表示 3 2 5極化色散 極化色散也稱(chēng)為偏振模色散 用 p表示 從本質(zhì)上講屬于模式色散 這里僅給出粗略的概念 單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x和LP01y兩種基模 也可能只存在其中一種模式 并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替 當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí) 兩個(gè)極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù) x和 y不相等 對(duì)于弱導(dǎo)光纖 y和 x之差可以近似地表示為 式中 nx和ny分別為x方向和y方向的折射率 3 2 6總色散 光纖的總色散為 值得說(shuō)明的是 單模光纖一般只給出色散系數(shù)D 其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響 3 2 7光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響 光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性 其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式 即光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少 而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式 在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言 光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器 當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí) 就會(huì)受到嚴(yán)重衰減 如圖3 12所示 圖3 12光纖的帶寬 f為調(diào)制信號(hào)頻率 通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后 光功率下降一半 即3dB 時(shí)的頻率 fc 的大小 定義為光纖的帶寬 B 由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率 故也稱(chēng)為3dB光帶寬 可用式 3 33 表示 光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè) 而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率 于是 從式 3 34 中可以看出 3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬 1 色散與帶寬的關(guān)系 既然脈沖展寬 色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性 那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系 2 模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬由于總色散包括模式色散 材料色散和波導(dǎo)色散 所以光纖的總帶寬也可表示為 式中 BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬 Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬 波長(zhǎng)色散帶寬定義為 式中 是光源的譜線(xiàn)寬度 單位是nm L是光纖的長(zhǎng)度 單位是km D 是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù) 即波長(zhǎng)色散系數(shù) 單位是ps nm km 其中材料色散占主導(dǎo)地位 3 鏈路總帶寬對(duì)通信容量的影響光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無(wú)接頭 對(duì)于無(wú)接頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下 BT B L 式中 L是光纖的制造長(zhǎng)度 km 為帶寬距離指數(shù) 它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān) 一般在0 5 1 0之間 多模光纖取0 5 0 9 單模光纖 1 3 3成纜對(duì)光纖特性的影響 3 3 1光纜特性 1 拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積 一般要求大于1km光纜的重量 多數(shù)光纜在100 400kg范圍 2 壓力特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu) 多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100 400kg 10cm 3 彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差 以及光纜的材料和結(jié)構(gòu) 4 溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性 3 3 2成纜對(duì)光纖特性的影響1 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝 把光纖制成光纜后 會(huì)帶來(lái)附加損耗 稱(chēng)之為成纜損耗 2 成纜可以改善光纖的溫度特性套塑光纖或帶有表面涂層的光纖 它的損耗隨溫度變化如圖3 14中虛線(xiàn)所示 圖3 14光纖和光纜的溫度特征 把光纖制成光纜 溫度特性會(huì)得到相當(dāng)大的改善 如圖3 14中的實(shí)線(xiàn)所示 3 機(jī)械強(qiáng)度增加 這一點(diǎn)是很顯然的 一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為1 5kg 而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件 護(hù)套 甚至鎧裝層等 因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值 不僅如此 光纜的抗側(cè)壓 抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng) 3 4典型光纖參數(shù) 目前 ITU T 國(guó)際電信聯(lián)盟 電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu) 分別對(duì)G 651光纖 G 652光纖 G 653光纖 G 654光纖 G 655光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化 G 651光纖稱(chēng)為漸變型多模光纖 這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量 中短距離的通信系統(tǒng)中 G 652光纖稱(chēng)為常規(guī)單模光纖 其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1 31 m處色散為零 系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制 G 653光纖稱(chēng)為色散位移光纖 其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1 55 m處色散為零 損耗又最小 G 654光纖稱(chēng)為截止波長(zhǎng)光纖 其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1 31 m處色散為零 在1 55 m處色散為17 20ps nm km 和G 652光纖相同 G 655光纖稱(chēng)為非零色散位移光纖 是一種改進(jìn)的色散位移光纖