光纤技术及应用---第四章

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1、第四章 光纤的传输特性,光纤作为光通信的传输介质，从通信角度来看，主要关心光纤的以下几个传输特性： (1)损耗：只有衰减小到一定程度才可能做长距离通信使用； (2)色散：色散小，脉冲展宽小，从而要求光纤有较小的色散，才可能以高速率传输信号或者说有较大的通信容量。 另外，随着光纤通信的发展，光纤的偏振特性和非线性效应对光信号的传输也有较大的影响。,光通信就是以光波为载波的通信。增加光路带宽的方法有两种：一是提高光纤的单信道传输速率；二是增加单光纤中传输的波长数，即波分复用技术（WDM）。,光纤的传输特性,实现光纤通信，一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。 光纤损耗所谓损耗是指光纤每单位长度上

2、的衰减，单位为dB/km。光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近，因此，了解并降低光纤的损耗对光纤通信有着重大的现实意义。,4.1光纤损耗,一段光纤的损耗由通过这段光纤的光功率损失来衡量， 稳态条件下，单位长度的光纤损耗称为衰减系数 ， 通常定义为 （ ） (1) 式中， 为入射光功率； 为传输后的输出光功率。,1 光纤损耗（衰减）的表示,-是指光纤每单位 长度上的衰减，决定了光信号能在光纤中传输的最远距离。,2019/10/18,6,光纤传输光功率和传输距离 z之间的关系为：,低损耗是实现远距离光纤通信的前提。,产生光纤损耗的机制很复杂，主要与光纤材料本身的特性有关，其次，制造

3、工艺也影响光纤的损耗，影响损耗的制造工艺因素很多。,这是由于光纤基质材料（本征吸收）和杂质（杂质吸收）对光能的吸收而引起的，它们把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括以下几种：,2.损耗机制,光信号在光纤中传输时的损耗注意来着光纤材料的吸收、散射以及光纤弯曲等因素。,（1）吸收损耗,本征吸收：是物质固有的吸收，它使得光功率转变为热消耗掉。本征吸收与光纤基质材料的共振跃迁有关。当光波长满足下列关系时发生共振吸收：,E1和E2是电子或分子振动能级的初态和终态，h是普朗克常数，c是真空中的光速。,它有两个频带，一个在红外的812m区域里，这个波段的本征吸收是由于分子振动

4、。另一个物质固有吸收带在紫外光波段，吸收很强时，它的尾巴会拖到光通信波段（0.71.6m）里去。,光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上，尤其是1550nm波段，长距离大容量的光纤通信系统多工作在这一波段。,（1）紫外（10400nm）吸收 光纤损耗 光纤基质材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围,（2）红外（0.7500m）吸收 光纤损耗 光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其分子振动加剧（或多声子吸收），从而引起的损耗。,声子就是“晶格振动的简正模能量量子。”英文是phonon,-固体物理中的晶格振动。,2

5、019/10/18,10,(b)杂质吸收 由于材料不纯或工艺不完善而引入的杂质，而不是与光纤折射率有关的故意掺杂物。,光纤材料中含有过渡族金属如铁、铜、铬等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由过渡金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。 另外，水分子中OH存在也产生吸收损耗，OH的基本吸收极峰在2.8m红外附近，其中OH-离子的影响比较大，它的吸收峰分别位于950nm，1240mm和1390nm，对光纤通信系统影响较大。,如：在光纤制造过程中掺入了过渡金属和水分，就会引起非常大的吸收。,解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度。（2）制造工艺

6、上改进，如避免使用氢氧焰加热。,2019/10/18,11,光纤的损耗谱形象地描绘了衰减系数与波长的关系。从光纤损耗谱可以看出，衰减系数随波长的增大呈降低趋势；损耗的峰值主要与OH-离子有关。目前，光纤的制造工艺可以消除光纤在1385nm附近的0H-离子的吸收峰，使光纤在整个13001600nm波段都有很低的损耗。,光纤的损耗特性曲线损耗谱（损耗与波长的关系）,图4.1-2，从石英光纤的损耗谱曲线可以看到光纤通信所使用的三个低损耗“窗口”三个低损耗谷，它们分别是850 nm波段短波长波段、1310nm波段和1550nm波段长波长波段。目前，光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波

7、段上，尤其是1550nm波段，长距离大容量的光纤通信系统多工作在这一波段。,其中1310nm窗口的优点是它接近于光纤材料色散为零的波长。,光纤的衰减,2019/10/18,14,（2）散射损耗,散射损耗是由于光纤材料的不均匀引起光的散射，其散射光的大部分不能满足导模条件，称为辐射模而导致损耗。 光纤材料的不均匀包括材料密度的起伏、制造过程中引入的杂质或缺陷等。,瑞利散射：指不均匀性的尺度小于光的波长所产生的散射。 （或半径比光或其他电磁辐射的波长小很多的微小颗粒对入射光的散射（颗粒是单个原子或分子）,米氏散射：材料不均匀尺度较大,当光纤中光功率密度较大时，会出现非线性散射（受激拉曼散射、受激布

8、里渊散射）-指光波在散射后频率发生改变,2019/10/18,15,（3）弯曲损耗,弯曲损耗可以分为：宏弯损耗和微弯损耗,宏弯：指肉眼可见的明显弯曲，如光缆连接处的光纤弯曲。 宏弯损耗：原来接近全反射临界角传输的高阶导模，在光纤弯曲部分其入射角将小于全反射临界角，故转换成辐射模而损耗。弯曲曲率半径越小，弯曲损耗越大。,微弯：是指光纤局部产生的微小畸变，其曲率半径与光纤的横截面尺寸相当，主要是光纤制造和成缆过程中产生的一种随机缺陷。也是使部分高阶导模不再满足全反射条件而成为辐射莫，从而产生损耗。,习题 一段12 km长的光纤线路， 其损耗为1.5 dB/km。 试回答： （1） 如果在接收端保持

9、0.3 W的接收光功率， 则发送端的功率至少为多少？ （2） 如果光纤的损耗变为2.5 dB/km， 则所需的输入光功率为多少？,2019/10/18,17,4.2 光纤色散,光纤色散直接影响光信号传输的脉冲形状，因而限制了通信容量。光纤的损耗和色散共同决定了光纤通信系统所能达到的最大无中继距离。目前：损耗已接近极限值，所以光纤的色散成为影响通信距离和容量的重要因素。,1、光纤色散的定义-在光纤中传输光信号的不同频率成分或不同的模式分量将以不同的速度传播，传过一定距离后必然会产生信号失真，这种现象称为光纤的色散或弥散。 色散越大，光纤中的带宽-距离乘积值越小。在传输距离一定时，带宽越小，所传输

10、的信息容量就越少。,2、光纤色散的种类,光纤的色散主要有材料色散、波导色散和模间色散三种，它们之间还会相互影响。,材料色散：指材料折射率是波长（或频率）的非线性函数，由于不同频率的光波传输群速度不同而导致的色散为材料色散。 波导色散：指导模的传播常数 是波长（或频率）的非线性函数，使得该导模的群速度随光波长的变化而变化，所产生的色散为波导色散（或结构色散）。 模间色散（多模色散）：在多模光纤中，不同模式的群速度不同，所引起的色散为模间色散（多模色散）,2019/10/18,19,几个名词定义： （1）、光纤在特定波长上的色散值：一般定义为该波长上，单位长度光纤的传输延时随波长（或频率）的变化，

11、即：,式中，传输延时 表示波长为 的光波通过单位长度光纤所经历的延迟时间，单位为ps/km， 色散D的单位为ps/(km.nm),2019/10/18,20,（2）相速度 ：指等相位面传播的速度（phase velocity）,单色波：其相速度：,其中：波数：,（3）群速度（group velocity),不同频率的波叠加形成合成波（波包）时，波包的波峰传播速度称为群速度，它代表着波包具有的能量传播速度。,复色光：可视为若干单色波列的叠加。在色散介质中，各单色光以不同的相速度传播，因而，复色光在色散介质中的传播问题也随之复杂化。,vg= d/dk,2019/10/18,21,vg= d/dk,

12、色散介质中：,相速度与群速度的关系：,（1）,-代入（1）式,2019/10/18,22,得到：,讨论：,（1）当,或,-正常色散；,-反常色散,（2）当,或,2019/10/18,23,1、材料色散-源于折射率随波长的变化。,光与物质的相互作用表现在某些特定波长上介质材料对光波场的共振吸收，材料对外场的响应与光的波长有关，因此材料的折射率n是光波频率或波长的函数。,材料色散导致的群延时：指光信号传播单位距离的延迟时间,二者比较：定义群折射率：,-描述介质中群速度比真空中光速慢的倍数,2019/10/18,24,群折射率：,定义色散参量D为：,利用：,群延时表示为：,色散参量D为：,色散参量D

13、为：,-可以看出：材料色散主要取决于折射率随波长的非线性变化，其值在某一特定波长上可能为零，这一波长称为材料的零色散波长。对于石英光纤材料的零色散波长七号位于1.3m附近的低损耗窗口。,2、 波导色散-存在于一个波导模式内，由波导结构引起的色散，也称为模式色散或模内色散，。,实际上;导模的传播常数是波长或频率的非线性函数，书P69 式（4.2-18,19）,选择适当的光纤波导参数，有可能使波导色散和材料色散的绝对值相等而符号相反，从而使单模光纤的总色散为零。,3、 模间色散-存在于多模光纤中，各导模的群速度不同，导致各模式之间的群延时差，从而引起色散。,总之：色散将导致光脉冲在光纤中传输时的脉

14、冲展宽，从而限制了光纤通信的信息传输速率，即通信容量。,4.2.2 光信号在色散光纤中的传输,光纤中传输的信号光是指被适当调制的光频电磁波。对于幅度调制，在输入端（z=0），信号光可以用幅度虽时间的变化关系 f(t) 描述。由于光纤中的损耗和色散，信号光在光纤中传输时，其形状将发生变化，并与传输距离有关，可以用A(z,t) 表示。 不论何种方式调制，信号光总具有一定的光谱宽度。 设信号光的中心频率为 ，则光纤中沿z方向传输的载有信号的线偏振光模场可表示为：,-（22）,2019/10/18,28,而光场可视为所有频率分量的叠加，即：,每一频率分量为：,所以得到：,-（23）,-（24）,将（3

15、）式代入亥姆霍兹方程，并利用分离变量可到：,-（25）,2019/10/18,29,-（27）,-（26）,-决定了光纤中模式光场的横向分布和模式的本征方程，并能确定相应的传播常数。,-决定了信号中各频率成分在光纤中的传输性质，是光信号在频域的传输方程。,当光信号的光谱宽度较窄，色散较小时，可将传播常数 在信号中心频率 附近泰勒级数展开：,其中：,2019/10/18,30,当n=1,n=2时，,-是光纤在光信号中心频率处的群延时；,-是光纤在光信号中心频率处的色散；,略去高阶色散项，可将信号光的频域传输方程写为：,由此可得到信号在光纤中传输距离z处的频谱为：,2019/10/18,31,式中：,为信号在光纤入射端z=0处的频谱。,在已知 和信号初始频谱的情况下，输出信号的形状可以通过下列式求得。,2019/10/18,32,如果,即信号光波长位于光纤的零色散波长上，则输出信号的形状为：,-表明在没有色散的情况下，输出信号的形状与输入信号的形状完全相同，在光纤中的结果只是使信号获得了,的传输延迟。可见，造成信号在光纤中传输畸变的最低效应为二阶色散效应 或D.,2019/10/18,33,同时可得到光信号在光纤中的传输演化-光信号时域传输方程,2019/10/18,