《数字通信技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 ppt 作者 张杭 张邦宁 郭道省 王孝国 陈瑾 11-3》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字通信技术 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 ppt 作者 张杭 张邦宁 郭道省 王孝国 陈瑾 11-3（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、11.2 通信光纤（二）,3,内容和要求,内容目的 光纤传输的损耗 光纤的色散 色散控制和补偿技术 要求 了解光纤结构、导光原理、色散、损耗 。,4,1、损耗特点 功率按照指数规律衰减。 假设输入端功率为 ，则在光纤中传输距离后的光功率为： 式中 称为光纤的衰减系数，工程中用作为光纤衰减的单位。如果测得光纤输入端的功率 和输出端的功率 ，则： 式中光纤长度 的单位用。,五、光纤的传输特性损耗,5,2、光纤损耗的组成 本征损耗 杂质吸收损耗 弯曲辐射损耗 连接损耗,五、光纤的传输特性损耗,6,3、本征损耗：是光纤的固有损耗，包括 瑞利散射 固有吸收 紫外吸收 红外吸收,五、光纤的传输特性损耗,7
2、,3、本征损耗：是光纤的固有损耗，包括 紫外本征吸收 对于石英系光纤，当波长短到紫外区域时，石英材料对光波产生强烈的吸收，它的尾部可以拖到通信频段内。这种损耗随波长的增加而减小，在波长0.8-1.6um范围内，大约为0.05dB/Km左右。当石英光纤中掺杂后，由于掺杂的不同，其吸收峰和拖尾也略有差别。对于纤芯掺GeO2的单模光纤，紫外吸收损耗峰移至0.165um左右，拖尾移至0.363um，可按经验公式计算其损耗系数，当 时，损耗约为0.075dB/Km。,五、光纤的传输特性损耗,8,红外本征吸收 石英材料在红外波段有四个固有谐振频率，其波长分别为9.1um、12.5um、21um、36.4u
3、m，在这些谐振波长上，石英材料对电磁波产生强烈的共振吸收，吸收峰可高达1010dB/km。红外吸收的尾巴一直拖到1.5um-1.7um波段，形成了石英系光纤工作波长的上限。常用的石英光纤，红外吸收损耗在 时，约为0.02dB/km；但当 时，将增至0.32dB/km，所以可以认为1.65um是石英光纤工作波长的上限。,五、光纤的传输特性损耗,9,瑞利散射损耗 光在不均匀的介质中传播会被散射，如果结构的不均匀为分子级大小，其不均匀微粒的大小小于光波的波长，则散射的强度将与光波波长的四次方成反比，这种散射称为瑞利散射。这种散射对短波长的光更为强烈，晴空的蓝色即是瑞利散射引起的。在 附近，瑞利散射约
4、0.15dB/km，随着工作波长变短，瑞利散射增加快，在波长1.3um附近达0.3dB/km，瑞利散射损耗是石英系光纤的最主要的本征损耗。,五、光纤的传输特性损耗,10,4、杂质吸收损耗 杂质吸收损耗是由于材料的不纯导致的损耗。其中以OH-离子（羟基）的吸收最为严重，其次是一些过渡金属离子的吸收损耗。 OH-离子在1.39um、1.24um、0.95um三个波长上对光波产生谐振吸收，形成三个谐振吸收峰。正是由于这三个吸收峰的存在，从而形成0.85um、1.31um、1.55um处的三个低损耗窗口。,五、光纤的传输特性损耗,11,5、波导缺陷损耗 结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。 其一般为0.
5、03dB/Km。 6、弯曲损耗 当光线从光纤的平直部分进入弯曲部分时，光线在弯曲部位的入射角会增大，有可能会破坏光纤内部的纤芯和包层分界面的全反射条件，造成折射和漏射，在光纤弯曲的部分形成附加的损耗，称为弯曲损耗。,五、光纤的传输特性损耗,12,7、连接损耗： 光纤对接时产生的损耗。 8、光纤的三个“窗口” 石英光纤对不同波长的光波损耗不同。 0.85波段：光纤研究初期首先发现。 低损耗窗口：1.31m； 极低损耗损耗窗口：1.55m波长。 其中1.31m激光器首先成熟而得到广泛应用。,五、光纤的传输特性损耗,13,9、工具：光纤的损耗谱 根据以上分析和经验， 光纤总损耗与波长的关系可以表示为
6、: 式中，A为瑞利散射系数， B为结构缺陷散射产生的损耗，CW()、IR()和 UV()分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。,五、光纤的传输特性损耗,14,举例,五、光纤的传输特性损耗,15,1、光纤色散的概念： 定义：色散是由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。 2、对传输产生的影响： 色散使得光纤中传输的光脉冲发生展宽。色散和带宽都是衡量光脉冲展宽大小的参数。色散越小，所产生的脉冲展宽就越小，带宽就越大。,六、光纤的传输特性-色散特性,
7、16,3、光纤色散的表示法 最大时延差 为单位长度光纤上的时延差，单位是ps/km。即单位长度光纤中速度最快光路（光波）和最慢光路（光波）的时延之差。时延差越大，色散就越严重。,六、光纤的传输特性-色散特性,17,色散系数 光纤的色散系数 定义为单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为: 式中： 是光源的线宽，单位为nm。 是最大时延差,六、光纤的传输特性-色散特性,18,光纤带宽 经理论推导，光纤的带宽和时延差的关系为: 式中：B为光脉冲为高斯形，光功率下降3dB时的光纤每公里带宽； 是光脉冲传输1km的时延差，单位是 。,六、光纤的传输特性-色散特性,19,4、色散的分类 色散
8、类型 模式色散； 材料色散； 波导色散。 有时也采用下列分类： 模间色散：模式色散是由于信号不是单一模式携带所导致的，又称为模间色散； 模内色散：材料色散和波导色散是由于同一个模式内携带信号的光波频率成分不同所导致的，所以也叫做模内色散。,六、光纤的传输特性-色散特性,20,5、模式色散 在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，各自的相位常数不同，群速不同，到达接收端时模式之间存在时延差 6、材料色散 由于光纤材料的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散，主要是由光源的光谱宽度所引起的。,六、光纤的传输特性-色散特性,21,7、波导色散 同一模式的相位
9、常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散。主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。 注意：普通石英光纤在波长1310nm附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零。因而普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。,六、光纤的传输特性-色散特性,22,8、三种色散的比较 光纤三种色散的大小顺序是：模式色散材料色散波导色散 对于多模光纤，总色散等于三者相加，模式色散是限制带宽方面的主要原因。 对于单模光纤，因只有一个传输模式，不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。,六、光纤的传输特性-色散特性,23,1、光纤损耗与色散特性 损耗特性：在1310n
10、m衰减系数0.35-0.45dB/km，在1550nm损耗最低，衰减系数0.20-0.25dB/km。 色散特性：其特点是零色散波长在1310nm，但1550nm处的色散系数大约为17-18ps/（nmkm），限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离 存在问题：零色散窗口和最低损耗窗口不统一，因此限制了传输速率和传输距离。,七、色散控制和补偿技术,24,新技术对光纤制造技术的新要求：光纤放大器的应用使DWDM系统突破了光功率损耗的限制，使传输距离可以大大延长，但如前所述，此时系统的传输距离还要受到光纤色散的影响。因此必须对光纤传输过程中产生的色散进行控制和补偿。 技术可行性途
11、径 单模光纤的色散主要是材料色散和波导色散的共同贡献。其中波导色散在两个低损耗窗口均为负值，且可以通过设计光纤折射率剖面（改变波导结构）来改变。,七、色散控制和补偿技术,25,七、色散控制和补偿技术,26,零色散光纤：利用波导色散补偿材料色散，从而制作出零色散的单模光纤。 目前色散补偿主要可以通过色散补偿光纤( DCF：Dispersion compensation Fiber)和色散补偿光纤光栅(DCG：Dispersion Compensation Grating)这两种器件来实现。,七、色散控制和补偿技术,27,2、色散补偿光纤DCF 特性：DCF是一种在1550nm窗口附近表现出较大的
12、负色散系数的光纤。这种光纤通过改变光纤的掺杂浓度和改变光纤的波导结构（光纤折射率剖面设计）来获得，其色散系数通常可达-90ps/（nm-km）左右，有的DCF的负色散系数甚至超过了-100ps/（nm-km）。 使用方式：将一定长度这样的光纤串入原有的光纤链路。,七、色散控制和补偿技术,28,大DWDM下的新技术要求：由于DWDM系统占有较宽的光纤频带，因此在设计DCF时，不仅要考虑在某一点的的负色散值与原有光纤链路的匹配，还要考虑色散斜率的匹配，才能保证对所有的波长起到充分的色散补偿作用。 DCF主要缺点：价高，损耗大(超过0.5dB/km)，与原有光纤链路连接时由于波导参数不同有较大的失配
13、损耗，用DCF对120km的G.652光纤线路进行色散补偿需要7-10dB的额外光功率补偿。,七、色散控制和补偿技术,29,使用状况 由于DCF目标是进行色散补偿，为了达成大的负色散系数这个目的，在其设计过程中不得不忽视了对光纤损耗的控制，因此其衰减系数以及与普通光纤的连接损耗均比较大。 将长度较长（10Gbps光信号在G.652光纤上传输120km即需要20km左右DCF进行补偿），放置在局内不经济。,七、色散控制和补偿技术,30,3、DCG色散补偿器件 现象 在正色散系数的光纤中，短波长的光比长波长的光要传播得快一些，造成信号光脉冲展宽。 而在光纤光栅中的传播中，不同波长的光的传输速度与光
14、栅的参数密切相关，通过设计光栅的参数即可获得所需的色散补偿特性。 光纤线性啁啾（chirp）光栅 一种具有色散补偿能力的器件。,七、色散控制和补偿技术,31,DCG色散补偿的原理：线性chirp光纤光栅在光栅的每一点都可视为有一个本地布拉格波长的通带和反射带。若使光栅周期大的一端在前，则长波长的光在光栅前端反射，而短波长的光在光栅末端反射，造成短波长的光比长波长的光多走2倍光栅长度的效果，正好与正色散光纤中的情况相反，从而起到色散补偿的作用 。,七、色散控制和补偿技术,32,由于光纤光栅是反射工作的，因此在应用DCG进行色散补偿时需要使用光纤环行器。,七、色散控制和补偿技术,33,优点 全光纤
15、化、体积小、重量轻、成本低、插入损耗小、灵活方便和一致性高等优点。 据实验报道，10cm长的线性Chirp光纤布拉格光栅即可对10Gbps的光信号在400km的G.652光纤上传输产生的色散进行很好的补偿，此时的插入损耗仅2-3dB。 缺点 不足之处主要在于需要使用光纤环形器，这给其应用带来了一定不便。,七、色散控制和补偿技术,34,4、色散管理 方法：与常规光纤的色散系数、色散斜率的符号相反，并且绝对值相当。使用正色散、负色散光缆交替覆设的方法进行色散管理，很容易就使光缆线路全程的色散值在要求范围之内。 优点：由于这样的负色散光纤不需要引入太大的负色散系数，因此可以兼顾到低损耗。,七、色散控
16、制和补偿技术,35,1、G.651 GIF型光纤，适用于中小容量和中短距离； 2、G.652 名称：单模光纤，又称为“色散未移位单模光纤”。 地位：是最早使用的单模光纤，目前占在用光纤的比例最大，波长性能最佳的单模光纤。 类型：纤芯折射率分布主要有匹配包层和下陷包层两类。,八、实用光纤标准,36,工作波长：均可适用于和窗口工作。 在波长工作时，理论色散值为0，在1310nm处衰减系数为0.35-0.45dB/km左右。 在工作时，传输损耗最低，但色散系数较大。1550nm处的色散系数大约为17-18ps/（nm-km），从而限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离。在1550nm处损耗最低，衰减系数为0
