光纤光学4章

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1、4.3 光纤传输特性,非线性：引起DWDM传输信道串扰。,三个重要因素: 损耗、色散、非线性,4.3 光纤传输特性,光纤的衰减：包括耦合损耗、吸收损耗、散射损耗 和弯曲损耗 耦合损耗：对于通信用长光纤，这项不重要 剩余功率：,以 dB为单位计算光纤的损耗,重要数据: 0.5dB0.9; 1dB0.8；2dB0.6; 3dB0.5; 10dB0.1；20dB0.01,总损耗dB (dB/kM) x L (kM) dB 度量功率，分别为dBm 和 dB 0dBm 和 0dB分别相当与1mW和1 W dBm与mW间的换算关系： dBm10lgP(mW) 以dBm为单位，则,光纤的损耗,石英光纤的损耗

2、谱,材料吸收损耗,材料吸收损耗,光纤的损耗谱,光纤通信波长,2004年,全波光纤,全波光纤：从1280nm到1625nm波长都可以使用。,除去,OH,峰外，,可用波长 300nm,低损耗窗口,波长,光纤衰减,2、散射损耗,特点：不可能消除的损耗,2、散射损耗,特点：产生新的频率分量,受激拉曼散射和受激布里渊散射的阈值，对于不同光纤 多模光纤的阈值：约为500W和2.5W； 单模光纤的阈值：降为500mW与2.5mW,3、散射和吸收损耗的对比,长波长区域： 损耗主要来自吸收的影响。玻璃中的OH-1的吸收在长波长去急剧增加，1.65m外很少用于通信系统 短波长区域： 损耗主要来自瑞利散射，其大小随

3、着波长减小激烈增大,4、弯曲损耗,a、宏弯损耗：实际应用中必需的盘绕、曲折等引起的宏观弯曲。 b、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。,物理机制,光纤发生弯曲,全反射条件破坏,约束能力下降,导摸转化为辐射摸,能量逸出,光功率损失,损耗机理-光线理论解释,1,2,损耗机理-波动理论解释,x,高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！,宏弯损耗多模光纤,过渡弯曲损耗,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

4、 产生相移exp(-ibLz)=exp(-i) 由几何关系：Z=(Rc+rcos) 在纤轴处，场不变，bL=b，Z=Rc，=bRc 可得：,过渡弯曲损耗,满足波导场方程 假设,结论：1、场的形式不变，即场的分布曲线不变； 2、场分布的最大值朝r增大处移动。即场分布不再以纤芯为中心对称分布，而是向r增大的方向发生偏移。 场偏移的结果是导模向漏模转化，引起功率泄露，造成过渡损耗。,过渡弯曲损耗的计算,在高斯分布下： 入射光功率：,出射光功率：,损耗系数：,由上可以看出： 1、过渡损耗，与a/RC即弯曲程度有关； RC减小，增大（弯曲越狠，损耗越大） 2、与模场半径有关 3、与归一化频率有关 V越大

5、，允许传输导模数越多，则增大 （高阶模式的弯曲损耗强于低阶模式）,过渡弯曲损耗的计算,典型单模光纤过渡弯曲损耗的计算,V=2.4，=0.003，/a=1，a=5um, Rc=2cm,则=0.52dB,微弯损耗,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。 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,色散：光脉冲在光纤中传输时，光脉冲被展宽的现象。,T1,T2,T2 T1, f2f1 ，则色散限制了光纤中信号的传输速率。 也限制了无电中继的传输距离。,4.3.2 光纤的色散与带宽,色散种类： 模间（模式）色散：多模传输 材料色散：折射率对波长的依赖 波导

6、色散：波导特性随波长变化 偏振模色散：单模光纤中特有,4.3.2 光纤的色散与带宽,色度色散 模内色散,色散的种类,材料色散：材料折射率随入射波长发生非线性的变化引起的色散，与入射光波频率有关。 变 n变 Vg变；,模间色散：多个模式传输时，不同模式的传输速度不同引起的色散。只存在于多模光纤，单模光纤中不考虑。 偏振模式色散：不同的偏振态偏振模式传输速度不同所导致的色散。在高速率下必须考虑。 通常小于0 .5 ps/nm/km,色散的种类,色度色散：包括材料色散和波导色散 多模光纤的色散 单模光纤的色散,色度色散（模内色散）,最大时延差： 光纤的脉冲展宽： 减少可以减小 脉冲的展宽，但是减小

7、则NA减小,多模色散SIOF,多模色散GIOF,渐变折射率分布光纤的纤芯中,折射率n(r)是径向距离r的函数； g=1: 三角分布 g=2: 平方率分布 g=： 阶跃分布,多模色散GIOF,脉冲展宽： 可见：对于渐变折射率分布光纤 色散可以减少/10。,即如果1，可以减少1/1000。 实际只能减低到1/100， 原因：折射率分布很难精确控制,2、色度色散的波长相关性,色度色散：群速度与波长相关而造成的波长展宽，包括波导色散和材料色散 色度色散：光源谱宽为1nm时，光脉冲信号传播1km所引起的脉冲展宽。脉冲展宽通常很小，以ns、ps为单位（1ps=10-12s）,2、色度色散的波长相关性,色度

8、色散的波长相关：波导色散和材料色散在某一波长处可以相互抵消 对于标准 石英单模光纤： 波导色散和材料色散的和在1310nm处为零 色散漂移：通过改变波导色散，色散零点移到别的波长，通常为1550nm，即为色散位移光纤 材料色散：折射率随波长变化，折射率高，光速越慢，材料色散存在正负，,3色度色散的深入讨论-材料色散,材料色散引起的群延迟：,材料色散系数：,可见： 材料色散取决于折射率对于波长的二阶导数，表明群时延随波长变化的快慢程度。波长不同，引起的材料色散不同。色散来源于折射率的非线性变化。（若是线性，二阶导数为零）,石英光纤的材料色散,对于石英光纤：,1.27um,Dn,二次曲线形状,3

9、色度色散的深入讨论-波导色散,波导色散：参数V变化引起，与频率有关。 变 V（U，W）变 变 Vg变； 对于阶跃折射率单模光纤 波导色散很小，但很重要 波导色散也有符号，用来表明波长变化是如何影响色散的 色散补偿单模光纤- 合理设计光纤的波导参数，使其有较大的负波导色散，抵消正的材料色散,波导色散,波导色散,材料色散,1.27um,1.31um,总色散,D,4 色散斜率,假设一定波长范围内色散是线性变化 处在这个范围内的波长处的色散大小为: 色散斜率给出了色散值在一定波长范围内的变化,5、光源带宽与色散,光源带宽越宽，则色散越大，脉冲展宽越大 所以， LD光源用在长途通信上 LED光源一般用在

10、短距离通信上 长距离、高速通信网络对光源要求很高,6、色度色散的补偿和修饰,6、色度色散的补偿和修饰,色散补偿光纤：具有较大的负波导色散，总的色度色散为负值 因此要求：较短且在光接收机端 原因：1、 损耗较大 2 、纤芯面积小，非线性效应大 某一处的色散补偿 补偿新技术：1、布拉格光栅 2 、光延迟线 信号延迟与波长相关,7、多波长传输与色散,C波段 光纤放大器 带宽35nm L波段光纤放大器 带宽55nm C+L波段 95nm 色散补偿复杂 补偿措施：1、采用额外的补偿元件 2、将色散补偿光纤和传输光纤混合使用,8、偏振模色散,理想光纤，两种不同的偏振模没法区分，是简并的 产生原因：由于光纤

11、内部应力和外界压力引起折射率的微小差别，造成双折射，因而有了偏振模色散 偏振模色散不是传输长度的简单累加 因为 1、双折射沿光纤是随机变化 2、两种偏振模间的转化是随机的 因此脉冲展宽是一种统计量，随光纤长度的平方根增大,8、偏振模色散,特征偏振模色散：光纤制作后均有一个指标 DPMD来表征偏振模色散的大小。 脉冲展宽为 光纤偏振模色散一般为：0.050.2ps/km-1/2 成缆后为：0. 5ps/km-1/2 需要考虑使用的场合：传输速率超过2.5Gbit/s时，才考虑偏振模色散的影响 补偿办法：偏振模色散补偿器,9、色散与传输速度,输出脉宽 系统最大比特率的估算： 光纤通信传输容量：B

12、x L 单位 ：MHzkm 带宽：MHz,4.3.3、光纤中的非线性效应,产生的根源：光纤的折射率随着光功率变化或色散现象 科尔效应：折射率随着光功率发生改变 与输入信号的类型不同可以划分为： 自相位调制： 交叉相位调制： 四波混频： 与色散相关的现象分为： 受激布里渊散射和受激拉曼散射,4.3.3、光纤中的非线性效应,受激布里渊散射和受激拉曼散射的主要区别：布里渊散射产生的与声子相关，拉曼散射与分子振动相关 布里渊散射：带宽增益大约为20MHz ，光沿背向散射 受激布里渊散射：主要用于窄带放大器中 拉曼散射：带宽增益为THz，光沿前向和背向散射 Stoke波：fR=fS- 反Stoke波：f

13、R=fS+ 对于 受激拉曼散射和受激布里渊散射产生的阈值 多模光纤的阈值约为500W和2.5W； 单模光纤的阈值降为500mW与2.5mW,4.3.3、光纤中的非线性效应,科尔效应：n=n1+nnI I为光场强度，nn为非线性折射率： 自相位调制SPM：光纤中信号的相位为 第二项为相位非线性位移，产生伪相位调制 特点：SPM导致的啁啾与色散引起的线性啁啾是叠加关系， 当色散系数为正，与SPM同号，脉冲展宽 当色散系数为负，与SPM反号，脉冲压缩,交叉相位调制XPM：当光纤中传输的信号数量N较大时，频率为fi的信号相位不仅与功率有关，还与其他频率的信号功率有关，从而产生与其他频率信号相关的调制信

14、号,四波混频： 4 1 2 3 四波混频效应是一种可以累加的效应， 主要的影响：光纤的色度色散接近于零时，这种累加效应明显，造成噪声 解决的方法：采用非零色散位移光纤，将零色散点移光纤通信波段外，在通信波段保持小色散系数，破坏相位匹配条件抑制四波混频效应,4、孤子传输,孤子的产生：色散与SPM的平衡 自相位调制中，SPM导致的啁啾现象与色散引起的线性啁啾是叠加关系 产生原因：当色散系数为负，与SPM反号时，脉展宽与压缩两者平衡下，光脉冲信号不会随着传输距离发射变化,5、弹光效应,弹光效应的产生： 机械应力引起的折射率变化。 应力作用下的弹光效应：光纤受压力时表现的应力双折射现象 张力作用下的弹

15、光效应：光纤弯曲时，存在张力对双折射的影响 保偏光纤：人为加上较强的张力，增加光纤的双折射,作业 一光纤长200公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 谱宽为4nm的光脉冲，在某单模光纤中传输50km后，脉冲在时域上展宽3000ps，该光纤总色度色散系数为多少？ 3、某单模光纤损耗系数为0.3dB/km，入纤功率为3dBm，传输10km后，输出功率为多少？,4.1、不同波导结构的石英光纤,1、渐变折射率多模光纤,渐变折射率分布光纤：折射率n(r)是径向距离r的函数； g=1: 三角分布 g=2: 平方率分布 g=： 阶跃分布,1、渐变折射率多模光纤,实用渐变折射率光纤,标准渐变折射率光纤的纤芯直径： 50或62.5m； 包层直径：125 m 渐变折射率光纤的局限性 1、残余的模式色散和模噪声 2、理想的折射率分布在实际生长上很难精确控制 限制了渐变折射率在高性能通信中的应用,2、单模光纤,标准单模光纤：为折射率阶跃型分布光纤，纤芯直径9m,其相对折射率差为0.36，是一种弱导光纤 主要的两种阶跃型单模光纤 1、匹配包层光纤：纤芯为掺锗的石英，包层为纯石英 2、凹陷包层光纤：纤芯为少量锗的石英，包层为掺氟的石英，外层包层为纯石英,3 色散