第2章-光纖傳輸特性 損耗 色散

1、2.6 光纖傳輸特性 主要內(nèi)容損耗色散光纖的帶寬和沖激響應(yīng)光纖中的非線性效應(yīng)單模光纖性能指標(biāo)2.6.1損耗 1、損耗的定義：當(dāng)光在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸減小，這種現(xiàn)象即稱為光纖的損耗。2、損耗一般用損耗系數(shù)表示： (單位：dB/km)損耗大小影響光纖的傳輸距離長短和中繼距離的選擇 ，影響光纖通信系統(tǒng)的成本1 0lgino u tPLP 3、損耗的種類吸收損耗散射損耗其他損耗吸收損耗本征吸收損耗是由于光纖材料本身吸收光能量產(chǎn)生的。主要存在紅外波段的分子振動吸收和紫外波段的電子躍遷吸收。紅外吸收對長波長有影響，紫外吸收對短波長有影響。雜質(zhì)吸收損耗主要是由于光纖中含有的各種過渡

2、金屬離子和氫氧根（OH-）離子在光的激勵下產(chǎn)生振動，吸收光能量造成。 （OH-）離子的吸收對光通信的長波長影響比較大（主要在1.38um)。散射損耗散射損耗是指在光纖中傳輸?shù)囊徊糠止庥捎谏⑸涠淖儌鬏敺较?，從而使一部分光不能到達(dá)收端所產(chǎn)生的損耗。主要包含瑞利散射損耗、 非線性散射損耗和波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗。瑞利散射損耗是由于光纖材料折射率分布小尺寸的隨即不均勻性所引起的本征損耗。瑞利散射損耗與波長的四次方成反比，即波長越短，損耗越大。因此對短波長窗口影響較大。非線性散射損耗是當(dāng)光強(qiáng)度大到一定程度時，產(chǎn)生非線性喇曼散射和布里淵散射，使輸入光信號的能量部分轉(zhuǎn)移到新的頻率成分上而形成損耗。因此非線性散射

3、損耗是隨傳播頻率變化的。在常規(guī)光纖中由于半導(dǎo)體激光器發(fā)送光功率較小，該損耗可忽略。但在DWDM系統(tǒng)中，由于總功率很大，就必須考慮其影響。波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗是由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷引起的損耗，與波長無關(guān)。光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)缺陷主要由熔煉和拉絲工藝不完善造成。其他損耗主要是連接損耗和彎曲損耗和微彎損耗。連接損耗是由于進(jìn)行光纖接續(xù)是端面不平整或光纖位置未對準(zhǔn)等原因造成接頭處出現(xiàn)損耗。其大小與連接使用的工具和操作者技能有密切關(guān)系。彎曲損耗是由于光纖中部分傳導(dǎo)模在彎曲部位成為輻射模而形成的損耗。它與彎曲半徑成指數(shù)關(guān)系，彎曲半徑越大，彎曲損耗越小。微彎損耗是由于成纜時產(chǎn)生不均勻的側(cè)壓力，導(dǎo)致纖芯與包層的界面出現(xiàn)局部

4、凹凸引起。連接與耦合損耗：軸偏角度偏彎曲損耗（宏彎損耗和微彎損耗） 單模光纖中的宏彎損耗：a)光纖中的模場分布 b)彎曲光纖中的模場分布微彎損耗 宏彎損耗彎曲損耗是光信息傳輸所受衰減的主要原因之一，它與光纖敷設(shè)的彎曲半徑有關(guān)，最小彎曲半徑常作為光纖的一項參數(shù)給出。彎曲半徑應(yīng)超出光纖包層直徑的150倍；對短期應(yīng)用，應(yīng)超過包層直徑的100倍。如果包層直徑為125m的話，這兩個數(shù)值分別19mm和13mm。利用光纖的彎曲損耗特性，可以在光纖鏈路上引入一些可控的衰減。在需要對光進(jìn)行可控衰減時，通過將光纖繞上幾圈就可以實現(xiàn)，所繞圈數(shù)和半徑均可控制衰減量。 4 光纖的損耗波譜曲線損耗dB/km一般測試曲線長

5、波長窗口瑞利散射波導(dǎo)缺陷吸收紫外吸收紅外吸收短波長窗口光纖通信所使用的三個低損耗窗口光纖通信所使用的三個低損耗窗口: :0.85um 0.85um 約為約為 2.5dB/km2.5dB/km1.31um 1.31um 約為約為 0.5dB/km0.5dB/km1.55um 1.55um 約為約為 0.2dB/km0.2dB/km2.6.2 光波導(dǎo)中信號失真1什么是色散，色散的分類名詞：色散信號在光纖中是由不同的頻率成份和不同的模式成份攜帶的，這些不同的頻率成份和模式成份有不同的傳播速度，使得光纖輸出波形在時間上產(chǎn)生展寬。色散種類：模內(nèi)色散（色度色散）和模間色散，偏振模色散（單模光纖中）。2 模

6、內(nèi)色散（色度色散）模內(nèi)色散包括材料色散和波導(dǎo)色散材料色散：纖芯的材料的折射率隨波長的變化導(dǎo)致色散。折射率隨波長的變化,使不同波長的群速度不同，造成時延差,發(fā)生脈沖展寬。在1.27um處最小波導(dǎo)色散：原因是由于光纖中只有80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播，由于包層中傳播速率大于纖芯，就出現(xiàn)色散。波導(dǎo)色散的大小取決于光纖的設(shè)計色度色散3 偏振模色散4 模間色散模間色散產(chǎn)生的原因：即使在同一頻率的光，不同的模式群速率不一樣，也產(chǎn)生色散。它主要取決于光纖的折射率分布。模間色散主要存于多模光纖中。5 光纖各種色散對傳輸?shù)挠绊懀耗ｉg色散材料色散偏振模色散6 色散效應(yīng)對高速通信系統(tǒng)的影響10 G

7、b/s40 Gb/s 7 階躍型光纖的模式色散 在階躍型光纖中，當(dāng)光線端面的入射角小于端面臨界角時，將在纖芯中形成全反射。若每條光線代表一種模式，則不同入射角的光線代表不同的模式，不同入射角的光線，在光纖中的傳播路徑不同，而由于纖芯折射率均勻分布，纖芯中不同路徑的光線的傳播速度相同，因此不同路徑的光線到達(dá)輸出端的時延不同，從而產(chǎn)生脈沖展寬，形成模式色散。漸變型光纖中光線的傳播路徑是近似于正弦形曲線，其中正弦幅度大的光線傳播距離長，而正弦幅度小的光線傳輸路程短，但由于漸變型光纖纖芯折射率分布在軸心處最大并沿徑向逐漸減小，所以正弦幅度最大的光線由于離軸心遠(yuǎn)，折射率小而傳播速率高，而正弦幅度最小的光

8、線由于離軸心近，折射率大而傳播速率低，結(jié)果在到達(dá)輸出端時相互之間的時延差近似為零，從而使?jié)u變型多模光纖的模式色散較小。一般漸變型多模光纖的每公里長度上的最大時延差為2)0(21Cnm8 漸變型光纖的模式色散9 單模光纖：色度色散和偏振模色散色度色散 兩類：材料色散 波導(dǎo)色散 色度色散參數(shù)為波長的函數(shù)；matwgD=D=D=材料色散，波導(dǎo)色散，總色散偏振模色散：兩個偏振模式因光纖的不完善而出現(xiàn)傳輸常數(shù)的差異時產(chǎn)生的色散偏振模色散與色度色散相比相對較小 表2-7 PMD2-7 PMD與系統(tǒng)傳輸速率以及最大傳輸距離的關(guān)系PMD/(ps/km1/2)最大傳輸距離/km2.5Gbit/s10Gbit/s40bit/s3.018011 9 95 5% %波波長長 色色散散位位移移光光纖纖（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纖纖（N NZ