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1、Asignment2,讲评WORD文档,CHAPTER ,Optical Fiber,3.5 光纤损耗（Loss of Fiber),光纤特性 损耗/衰减传输（中继）距离； 色散/带宽通信容量/传输速率； 单模光纤中的偏振态及其演化 偏振模色散与传感。,3.5 光纤损耗（Loss of Fiber),3.5.l 损耗的表示方法,2是衰减系数或称功率损耗系数 (Attenuation),（Np,奈培）,衰减系数a定义为：,（dB,分贝）,两者关系：,衰减系数（dB）与透过率T(%)的关系,光纤损耗: 材料本身(intrinsic 本征损耗) 吸收 散射 光纤的弯曲和微弯(extrinsic外来损
2、耗）,3.5.2传输损耗机理 Mechanism of transmission loss,1吸收损耗 (Absorption Loss) 吸收损耗都与光纤材料中的量子跃迁有关: 电子不同能级间的量子跃迁(紫外波段很强的电子吸收带) 分子不同振动状态之间的量子跃迁(红外波段振动吸收带 ) 吸收光满足下面关系：,3.5.2 传输损耗机理,h 为普朗克常量，c为光速。电子或分子吸收一个波长为的光子（能量为hc/）后从E1能级跃迁到E2能级。,表3-4几种金属离子的吸收峰波长及使aldBkm时最大杂质浓度,纯SiO2在近红外波段已处在呈指数衰减曲线的吸收带尾部，因而目前通信光纤采用高纯度的石英材料。
3、,传输损耗机理,图314 OH根的吸收谱（浓度104）,OH根-分子振动吸收，基频、二次、三次和四次谐波分别产生相应于 、 、 和 的子吸收峰。 在 处，浓度为1106的OH根就能引起1.25dBkm的吸收损耗。在1240nm和1380nm波长上吸收更高。,瑞利散射：介质中杂质或物质微小不均匀，其线度小于入射光波时，所引起的散射就是瑞利散射。 电磁场理论：散射是小粒子作受迫振动，形成电偶极振荡而发射的次波； 由于是随机的，因而散射波是非相干的。 散射波的频率与入射波相同。 单散射中心，如入射光是线偏振光，则散射光也是线偏振光， 散射光强总是正比于14。 光纤中瑞利散射是不可避免的。光纤中散射光
4、大部分不满足导模条件而成为辐射模，损耗掉衰减系数a与14成比例，即随波长增大，损耗迅速减小。 理论与实验指出，对熔融SiO2， 和 时，其散射损耗的极限值分别为0.8dBkm和0.3dBkm。,2散射损耗（Scattering Loss),传输损耗机理,图3-16 典型的光纤谱损耗示意图,光纤损耗,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗 (dB/km),波 长 (nm),OH离子吸收峰,第三传输窗口,光纤损耗,A和B为与光纤参数（芯半径a、外径2b、相对折射率差）有关的常数。,3弯曲损耗,图3-15 弯曲损耗示意图,弯曲曲率
5、半径越小，弯曲损耗越大。 普通光纤，弯曲直径为33mm，弯曲损耗为0.5dB（约11%）,厂家给出所允许的最小弯曲半径：,光纤损耗,微弯是指光纤轴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，它主要是光纤生产过程中产生的一种随机缺陷。这种畸变也会使部分高阶模不再满足全反射条件而成为辐射模，从而产生损耗。,4微弯损耗,图3-16 微弯损耗示意图,N为微弯个数，h为微弯凸起高度，表示统计平均，Ec和Ef，分别是涂层和光纤的杨氏模量。,在多模光纤中，各模式携带功率在芯一包层横截面上的分布是不同的，因而其损耗系数也不同。如果光纤中所有模式携带的功率相对分布达到稳定状态，与注入条件无关，实际测量
6、结果才会是合理的。,1稳态功率分布与注入条件,光纤损耗测量,CCITT规定多模光纤的损耗测量其稳态注入条件为： 近场光强分布半幅值全宽度为， 远场光强分布半幅值半宽度的数值孔径为0.11士0.02。,扰模器的作用是强化模式耦合，在较短的光纤中即可实规模功率的稳态分布。 滤模器的作用是滤除某些模式，以保证稳态分布实现。 包层模剥离器的作用是使包层模转化为辐射模而被去除掉。,测量时，为实现稳态功率分布必须采用必要的注入技术： 光源发出的光首先经过扰模器、滤模器和包层模剥离器，然后才耦合进入待测光纤。,光纤损耗测量,图3-18 扰模器示意图 a盘绕式； bSGS三段式,单模光纤无模功率分布问题无需扰
7、模器，但往往使用滤模器除去LP11模。,光纤损耗测量,2剪断法测量原理,图3-19 剪断法光纤谱损耗测量装置,待测（长）光纤的输出光功率P（z）， 入射端2m左右（短光纤）视为待测光纤的输入功率 P（0）， 改变入射光波长，则可得到光纤谱损耗。,光纤损耗测量,3背向散射法/光时域反射计（OTDR）法,测量输人端z0处背向散射光的功率P（0）和距离为z处的背向散射光功率P（z），即可求出损耗系数a。仪器叫作光时域反射计（OTDR）。 最大困难在于如何提取深埋在噪声中的极弱的背向散射信号。在OTDR中采用了积分放大器（Boxcar）等多种抑制噪声、增强信号的方法。,光纤损耗测量,OTDR具有许多功
8、能： 测出了光纤输入耦合端产生的菲涅耳反射损耗； 测出了AB段光纤传输损耗aAB（VA一VB）LAB，即AB段曲线斜率，实际上CD段的斜率即为CD段光纤损耗系数aCD，或曰OTDR可同时测出不同段光纤的损耗； 测出了光纤接头产生的反射损耗 测出了光纤内缺陷或损伤产生的反射损耗； 测出了光纤尾端的菲涅耳反射损耗,图3-20 OTDR测量曲线示例,测出光纤长度Lcn1t0 ，式中c为光速，n1为光纤平均折射率，t0为光脉冲从起点经尾端反射返回到起点所经时间在工程上用OTDR检测光缆的故障点。,光纤损耗测量,优点： 由于OTDR集光源与探测器于一体，只需在光纤一端测量，工程上使用很方便。 在光纤传感
9、器，特别是分布式传感器中OTDR也有广泛应用。,3.6 光纤色散与带宽 Dispersion and Bandwidth in Fiber,光纤特性 损耗/衰减传输（中继）距离； 色散/带宽通信容量/传输速率； 单模光纤中的偏振态及其演化 偏振模色散与传感。,3.6.1 光纤色散概念 Conception of Dispersion in Fiber,假定由振幅a相同、圆频率相近、沿z轴方向传播的两个平面单色波叠加形成的复色波：,1.2.5 相速与群速,实际光波由不同频率的单色波叠加而成的“复色波”。 准单色波：,或称为波群,（144）,3.6.1 光纤色散概念 Conception of D
10、ispersion in Fiber,1.2.5 相速与群速,（144）,相速与群速,指数部分代表一个圆频率为 ，波长为 ，沿z方向传播的平面波，称为“载波”（A)； 振幅不再是常量2a，是随时间和传播距离作余弦变化，称作圆频率为 的“调制波”（B)。 因为 和 ，所以振幅的变化比位相变化缓慢，即形成拍的现象，,相速与群速,波群的振幅函数有一系列极大值，相互间隔为,（z固定）或,（t固定）,位相函数的各个极大间隔为,（z固定）或,（t固定）,等幅面的传播速度为,等相面的传播速度为,群速度,相速度,相速与群速,相速与群速的关系,光波在介质中的群速度随波长不同而变化，称为色散。,群速小于相速,群速
11、大于相速,经典光学中用色散率 定义这种色散的大小，用n-曲线描述这种色散关系。,波长增加时折射率和色散率都减小的情况称为正常色散；反之称为反常色散。,正常色散,对应,对应,反常色散,材料色散,光纤色散概念,光信号在光纤中传输时，群速度不同，产生时延差，对模拟信号就会产生波形失真，对脉冲信号波形被展宽，这种延迟畸变现象就称作色散。,图3-21 由于脉冲展宽产生的码间干扰 （a）输入脉冲；（b）距离为L1时输出的可分辨脉冲；（c）距离为L2时输出的不可分辨脉冲,产生误码，限制了光纤通信线路的最高信息传输速率，或称通信容量。,光纤色散概念,四种类型色散。 1模式色散：多模光纤中，不同模式之间群速度不
12、同而产生的色散。 2材料色散：由于光纤材料折射率随光波长（频率）而变引起的色散。 3波导色散：光纤某一模式对不同波长群速度不同，传播常数不同而产生的色散。 4偏振色散：单模光纤中，由于光纤双折射使两个正交偏振模和产生时延差而出现的色散。严格讲，偏振色散就是一种（偏振）模式色散。 材料色散和波导色散都与光源的谱线宽度成正比，因此又把它们总称为波长色散。,光纤色散概念,数字通信要求时延差小于脉冲宽度的四分之一 传输速率,SI多模光纤的=1.7，相应BRmax仅为9.44 Mbit/skm ; GI多模光纤中，相应的最高比特率为4.44 Gbit/skm; 是SI多模光纤的470倍。 单模光纤，无模
13、间色散。,（bit/s）,单位长度光纤的时延为,3.6.2光纤色散表示法,从群速度出发计算时延差-光纤中的色散。,（ns/km）,时延对（或k0、）的一阶微商。,单位长度光纤产生的群时延差,时延差对 （或k,或）的二阶导数； 时延差与光源谱线宽度 （或 、 )成比例。,单位长度光纤的时延为,3.6.2光纤色散表示法,从群速度出发计算时延差-光纤中的色散。,（ns/km）,时延对（或k0、）的一阶微商。,第二种描述,第三种描述,3.6.2光纤色散表示法,单位长度光纤产生的群时延差,时延差对 （或k,或）的二阶导数； 时延差与光源谱线宽度 （或 、 )成比例。,第二种描述,第三种描述,光纤零色散波
14、长,一个脉冲传输1km时，其中=800nm的部分要比= 900 nm的部分迟到10 ns，而在= 1300 nm附近，不同波长成分到达时间几乎相同，即时延与波长无关。这一波长称为零色散波长。,图3-22 传播单位长度的时延与波长关系4,波长色散（材料色散和波导色散)与光源的谱线宽度成比例; 模式色散和偏振色散与波长无关。,作线性近似，令 ，定义为单模光纤波长色散系数，单位为psnmkm，它表示了单位波长间隔内各波长成分通过单位长度光纤所产生的时延。 令 表示时延差， ，作线性近似，则,3.6.3 单模光纤的色散系数,单位长度的时延写成台劳级数形式：,（3119）,3.6.3 单模光纤的色散系数,用（3-116）式可求出色散系数D（）,（3119）,（3116）,为求出D（），必须首先找出
