《光纤的传输特性ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤的传输特性ppt课件（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本章内容,光纤中信号的劣化 光纤的损耗特性 光纤的色散特性 单模光纤的非线性 光纤的制造工艺,3.1 光纤中信号的劣化,信号的损伤,任何传输信道均会对信号造成损伤 线性损伤 加性噪声 损耗 外部串扰 信道内部串扰 非线性损伤 信号畸变 乘性噪声,光纤中信号的损伤,线性损伤 加性噪声 多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计 损耗 外部串扰，可忽略不计 色散造成的信号畸变 内部串扰，来源于光纤的非线性 非线性损伤 光纤非线性造成的信号畸变 乘性噪声，可忽略不计,3.2 光纤的损耗特性,即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。,损耗,问题,如何表示光纤
2、损耗？ 光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？,光纤损耗的表示方法,光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减： 可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性： 其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。,光纤损耗的种类,吸收损耗 本征吸收 杂质吸收 过渡金属离子 氢氧根离子 散射损耗 瑞利散射 米氏散射
3、 弯曲损耗 宏弯和微弯,本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值,光纤的损耗谱,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,1.8,波长(um),0.01,0.05,0.1,0.5,1,5,10,50,100,损耗dB/km,微弯损耗和宏弯损耗机理,宏弯损耗 曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲 微弯损耗 光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲,降低光纤损耗的方法,工作波长选择 选择在低损耗窗口 超纯原料 降低过渡金属离子浓度 生产工艺 减小不均匀性 减小OH-离子的引入 光纤保护,光纤的典型损耗特性,850nm 3dB/km 1310nm 0.30.4dB/km(典型值为0.35dB/km) 155
4、0nm 0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km） (理论极限值0.154dB/km),使用过程中光纤的损耗变化,变化趋势 损耗增大 原因 热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀 OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多,单模与多模光纤损耗对比,单模光纤损耗要小一些 原因包括以下几点： 光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度 纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小 包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中 纤芯小，弯曲损耗更低,超低损耗光纤,瑞利损耗与波长的关系 为什么工作波长不能选择得更长一些？,卤化物光纤 氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些 最低损耗窗口在2550nm
5、附近 最低损耗低达 0.010.001dB/km 难度 超纯原料 微晶体化,光纤损耗的测量,测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法,剪断法、插入损耗法,后向散射法,利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法。,3.3 光纤的色散,色散的含义,色散： 不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理现象 色散对光信号包络传播的影响 包络展宽 光纤通信中色散的含义 一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为色散,光纤色散对通信的影响,影响链： 色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大 通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要
6、降低码间串扰的程度，可以 减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度 归纳： 光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小,色散对通信系统的影响,光纤色散的种类,模式色散 多模色散 偏振模色散 波长色散 材料色散 波导色散,多模色散,模式色散影响机理 信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各不相同 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积 模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散 显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输,单模光纤的双折
7、射,单模光纤的实际工作模式 LP01x 模和 LP01y模 它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 x=y 由于以下原因，光纤存在双折射现象 几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤 应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性 外加电磁场影响 光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传播速率不完全相同，即 xy，这将导致偏振模色散,偏振模色散图,偏振模色散（PMD）,光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传播速率不完全相同，即 xy，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重， 通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散,
8、波长色散,单位长度光纤上光信号的群时延：,群速度是表征光信号包络传播速度的量,波长色散,与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)或色度色散,波长色散的组成,光纤的波长色散组成 材料色散 波导色散 折射率剖面色散,材料色散,材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是频率的函数引起的,石英材料： G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m,材料色散系数,材料色散系数：,波导色散,波导色散系数,单模光纤的色散系数,单位：ps/(nm.km),色散
9、斜率,色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率,单位：ps/(nm2.km),给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为,单模光纤的分类,D,(nm),1310,G.652（常规SM）,G.653(DSF),G.655 (NZ-DSF),分类依据：单模光纤的零色散波长,类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型,色散对通信容量限制的估算,高斯光脉冲的展宽因子,高斯光源的均方根谱宽，,色散对通信容量限制的估算,光源谱宽限制,其中，s为色散斜率,非零色散点：,BL|D| 1,零色散点附近：,3.4 SM光纤的非线性传输特性,电介质的极化,电介质的极化通常用极化强度矢量 P 来描述,
10、 真空介电常数 (i) 媒质的电极化率张量 (i)是i+1阶张量,对各向同性电介质，有,极化强度与电场强度的关系为,极化的非线性,其中， 是原子内部的库仑场,通常外加电场EEat，所以|PNL|PL|，电介质的非线性不显著,各阶电极化率张量间的关系,极化强度与折射率,极化强度,电位移矢量,折射率,光纤的非线性折射率,石英SiO2具有反演对称的分子结构，故其二阶非线性极化率，此外，忽略高阶项，可得,石英光纤的折射率：,光的克尔效应,SPM,由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM (Self-Phase Modulati
11、on) 对光纤通信的负面影响 光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移 光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移 在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度 有益应用 如果工作在光纤的反常色散区，SPM对光信号脉冲有相反的效果，即减轻了脉冲展宽，极端情况下甚至能够压缩光脉冲宽度 取得平衡时，可获得光孤子传输,FWM,频率条件,相位匹配条件,对于多波长光通信系统，如果 和 与其他波长信道频率相近，即会造成波长信道间的串扰,光纤色散系数较大时，四波混频不易产生,FWM,FWM(Four Wave Mixing)，由光纤介质的三阶非线性极化引起，存在于DWDM系统中，影响较大 D
12、WDM中，由于纤芯细，光载波数量多，纤芯内总的功率密度高，容易引起明显的非线性效应 克服办法 FWM对相位匹配要求很严格，光纤中存在的色散很容易破坏载波间的相位匹配条件 应用DWDM时，工作波长不选在光纤的 0 色散波长附近，或在工作波长范围内将光纤故意设计成非0的色散，如G.655光纤 有益应用 波长变换,3.5 光纤和光缆的制造,光纤制造工艺,光纤原料 制备及提纯,光纤预制棒熔炼 及表面处理,拉丝及一次 涂覆工艺,光纤张力筛选 及着色工艺,二次涂覆工艺,合格光纤,质量检测 与控制,纤芯材料 纯石英中掺GeO2、P2O5等高折射率掺杂剂 包层材料 纯石英中掺B2O3、F等低折射率掺杂剂,图
13、二次被覆光纤(芯线)简图 (a) 紧套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 带状线,光纤成缆,成缆目的 增强机械强度 增加空间密度 防止侵蚀 光缆种类 层绞式、骨架式、中心束管式和带状式 光缆结构 由缆芯、加强原件和护套,实际使用的光缆分类,光缆的传输特性取决于被覆光纤。 1. 拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强件的材料和横截面积。 2. 压力特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构， 多数光缆能承受的最大侧压力在100400 kg/10 cm。 ,光缆特性,3. 弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。 4. 温度特性 光纤本身具有良
14、好的温度特性。在我国，对光缆使用温度的要求，一般在低温地区为-40+40 ， 在高温地区为-5+60 。 ,小结,小结,光信号在光纤传输传输过程中主要会受到损耗、色散、光纤的非线性效应等损伤 光纤的损耗包括吸收损耗、散射损耗及弯曲损耗，其中：吸收损耗包括本征吸收和杂质吸收损耗；散射损耗包括瑞利散射和由波导缺陷引起的米氏散射损耗；弯曲损耗包括宏弯和微弯损耗 光纤的色散导致光信号脉冲展宽，码间串扰增大，系统误码率升高。光纤的色散越大，其带宽距离积就越小 光纤的色散包括模式色散和波长色散，其中，模式色散包括多模色散和偏振模色散，波长色散包括材料色散和波导色散。多模光纤中多模色散占主导地位，单模光纤中以材料色散和波导色散为主，调整波导色散可设计出色散位移光纤，使低色散波长与低损耗波长吻合 光纤的非线性效应 光纤和光缆的制造,
