光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)資料課件

1、第五章 光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù) 限制光纖通信發(fā)展的三個重要因素：損耗：光在傳輸時引起能量的損耗，需中繼器進(jìn)行能量補(bǔ)充，傳輸距離短；色散：作為載波的光脈沖脈寬展寬，引起碼間串?dāng)_，誤碼率增加造成失真；非線性：引起DWDM傳輸信道串?dāng)_。 1 5.1 光纖的損耗 2 5.1 光纖的損耗 重要數(shù)據(jù): 0.5dB0.9; 1dB0.8; 2dB.6; 3dB0.5; 10dB0.120dB0.01定義：單位長度光纖光功率衰減分貝數(shù)。損耗的來源：光纖材料的吸收與散射損耗光纖的微彎與宏彎損耗光纖的連接與耦合損耗3光纖的損耗分類45.1.1 光纖材料的吸收損耗 1.基質(zhì)材料的本征吸收2.雜質(zhì)吸收3. 原子缺陷

2、吸收51. 基質(zhì)材料的本征吸收 紫外本征吸收光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引 起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍 0.71.6m 0.05dB/km6晶格紅外本征吸收光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗振動或聲子吸收帶 9.1、12.5、21m 峰值 1010dB/km 材料受到熱激勵 - 結(jié)構(gòu)不完善強(qiáng)粒子輻射 - 材料共價(jià)鍵斷裂 - 原子缺陷吸收光能，引起損耗11Optical Fiber Attenuation12不斷拓展的光纖窗口波長 2004年135.1.2 散射損耗 1.瑞利散射The Lord Rayleigh Jo

3、hn William Strutt, 3rd Baron Rayleigh Rayleigh scattering is more dramatic after sunset. This picture was taken about one hour after sunset at 500m altitude, looking at the horizon where the sun had set. 特點(diǎn)：不可能消除的損耗Figure showing the greater proportion of blue light scattered by the atmosphere relat

4、ive to red light. 14瑞利散射的機(jī)制在光纖中，由于某種遠(yuǎn)小于光波長的不均勻性，例如：折射率不均勻，摻雜離子濃度不均勻等，引起光的散射。是一種線性損耗，與光纖中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)無關(guān)。A，B是與石英和摻雜材料有關(guān)的常數(shù)。是相對折射率差0是工作波長0=1.55m =0.3% 0.16dB/km0=1.3m 0.32dB/km本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值15標(biāo)準(zhǔn)單模光纖損耗曲線摻GeO2的低損耗、低OH含量石英光纖OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：逼近本征損耗單模：本征損耗+OH吸收損耗常溫且未暴露在強(qiáng)輻射下16商用的多模光纖與單模光纖的損

5、耗譜比較多模光纖的損耗大于單模光纖：多模光纖摻雜濃度高以獲得較大的數(shù)值孔徑 (本征散射大)由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖172.受激喇曼散射與受激布里淵散射特點(diǎn)：非線性散射 產(chǎn)生新的頻率分量機(jī)理： 光 新光波長+聲子散射非線性的散射。即當(dāng)光功率超過某一閾值時，才能激勵受激喇曼散射與受激布里淵散射。在傳輸較低的系統(tǒng)中可以不考慮，但在傳輸較高（Gb/s）的系統(tǒng)中要考慮。18 5.1.3 光纖的彎曲損耗 光纖是柔軟的，可以彎曲，可是彎曲到一定程度后，光纖雖然可以導(dǎo)光，但會使光的傳輸途徑改變。由傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模，使一部分光能滲透到包層中或穿過包層 成為輻射模向

6、外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲半徑大于510cm時，由彎曲造成的損耗可以忽略。宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲過渡彎曲：光纖由直到彎曲的突變微 彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的高頻彎曲 19物理機(jī)制光纖發(fā)生彎曲全反射條件破壞約束能力下降導(dǎo)摸轉(zhuǎn)化為輻射摸能量逸出光功率損失損耗機(jī)理2021 高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！221. 宏彎損耗232.過渡彎曲損耗 直 彎曲模場不匹配導(dǎo)摸與漏模之間相互耦合功率損失24損耗分析損耗的機(jī)理：由于光纖由“直”突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)彎曲不一致,引起模場的不匹配,導(dǎo)致導(dǎo)模與漏模之間的相互耦合, 并損失功率。 損耗分析：等效折射率方法彎曲光纖中的場可以看成

7、某一等效折射率分布下直光纖彎曲光纖傳播常數(shù)產(chǎn)生相移exp(-iLz)滿足波導(dǎo)場方程r增加導(dǎo)致ne(r)增加，場分布拓展 導(dǎo)模向漏模轉(zhuǎn)化,引起功率泄漏造成“過渡損耗”。 損耗計(jì)算公式：25彎曲損耗與模場直徑的關(guān)系P包層1 P包層2Loss模場直徑小 Loss模場直徑大Loss低階模 Loss高階模模式剝離器：將光纖纏繞成環(huán)263. 微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場半徑W0,相對折射率差和纖軸的畸變。 經(jīng)驗(yàn)公式：模場半徑W0的微小增加將引起微彎損耗的大幅度上升 27微彎：微米級的高頻彎曲微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均成纜時受到壓力不均使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)

8、致的后果：造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模與宏彎的情況相同，模場直徑大的模式容易發(fā)生微彎損耗28宏彎和微彎對損耗的附加影響宏彎損耗微彎損耗基本損耗l增加，V減少，W0越大長波長處附加損耗顯著29宏彎帶來的應(yīng)用局限：Verizon的煩惱Verizon鐘愛光纖：花費(fèi)230億美元配置了12.9萬公里長的光纖，直接連到180萬用戶家中，提供高速因特網(wǎng)和電視服務(wù)光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號衰減30新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖Photonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康寧公司幫組Verison解決了問題：可彎曲、折返、打結(jié)，已

9、在2500萬戶家庭中安裝日本NTT也完成了這種光纖的研制31柔性光纖的優(yōu)點(diǎn)對光的約束增強(qiáng)在任意波段均可實(shí)現(xiàn)單模傳輸：調(diào)節(jié)空氣孔徑之間的距離可以實(shí)現(xiàn)光纖色散的靈活設(shè)計(jì)減少光纖中的非線性效應(yīng)抗側(cè)壓性能增強(qiáng)32光信號在光纖中傳播時，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：可以通過損耗系數(shù)來衡量光纖鏈路的損耗特性：其中L為光纖長度。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SMF)在1550 nm的損耗系數(shù)為0.2 dB/km。光纖損耗的度量33損耗的補(bǔ)償辦法：放大電放大光電光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3摻鉺光纖放大器345.2 光纖的色散與帶寬隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被

10、展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大 決定了電中繼器之間的距離模間色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion)353637色散定義 385.2.1 階躍型弱導(dǎo)光纖的色散 波導(dǎo)色散模間色散單色彌散 材料色散分類：1. 模內(nèi)色散 - 材料色散 - 波導(dǎo)色散2. 模間色散3. 偏振模色散391. 材料色散纖芯材料折射率隨波長而變化，導(dǎo)致光信號不同波長承載的的光脈沖成份的傳播速度也隨波長而變化，使得光脈沖波形被展寬，稱之為材料色散。材料色散取決于折射率對波長的二階導(dǎo)數(shù)，亦即折射率隨波長的非

11、線性變化。因此，不能說折射率隨波長變化就一定導(dǎo)致材料色散 。40光纖的折射率是波長的函數(shù)n(l)，不同的波長的傳播函數(shù)b不同：可以得到傳播了L后由Dl所帶來的群延時差為：Dm為材料色散系數(shù)。材料色散減小材料色散：選擇譜寬窄的光源41群速度色散 (GVD)正常色散區(qū)反常色散區(qū)正常色散區(qū): 長波長光傳播快，短波長光傳播慢!（負(fù)色散值）反常色散區(qū):短波長光傳播塊，長波長光傳播慢!（正色散值）42G.652 光纖的色散正色散光纖llong lshort4344信號分量的群速率是頻率/波長的函數(shù)：即不同的頻率分量間存在群時延差。信號在傳輸了距離L后，頻率分量w經(jīng)歷的延時為：對于一個譜寬為Dw的脈沖，那么

12、脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：模內(nèi)色散 - 群速度色散 (GVD)GVD 參數(shù)45通常在波長域習(xí)慣用Dl來表示譜寬。根據(jù)w和l之間的關(guān)系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數(shù)： ps/(kmnm)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550 nm處色散系數(shù)為17 ps/kmnm群速度色散46正色散、負(fù)色散和零色散1. 色散系數(shù)D為正：負(fù)色散 b2 v低頻光2. 色散系數(shù)D為負(fù)：正色散 b2 0v高頻光 |Dw|- 波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負(fù)值5051模內(nèi)色散影響下的光纖帶寬：寬譜光源Dl比較大的時候，單模光纖帶寬：例：考慮一個工作在1550 nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15 nm，使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖D = 17 p

13、s/kmnm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積： BL 40 Gb/s)，色散成為首要考慮的因素之一53G.652單模光纖（NDSF）G.653單模光纖（DSF）G.655單模光纖（NZ-DSF）常規(guī)G.655大有效面積G.655三種不同類型的單模光纖54G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長在1.3m窗口的單模光纖，國際電信聯(lián)盟（ITUT）把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。其特點(diǎn)是當(dāng)工作波長在1.3m時，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制。但這種光纖在1.3m波段的損耗較大，約為0.3dB/km0.4dB/km；在1.55m波段的損耗較小，約為0.2dB/km0.25dB/km。色

14、散在1.3m波段為3.5ps/nmkm，在1.55m波段的損耗較大，約為20ps/nmkm。這種光纖可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干線系統(tǒng)，但由于在該波段的色散較大，若傳輸10Gb/s的信號，傳輸距離超過50公里時，就要求使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊。55大多數(shù)已安裝的光纖低損耗 大色散分布 大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴(kuò)容成本高結(jié)論: 不適用于10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652單模光纖的應(yīng)用56G.653單模光纖(DSF)針

15、對衰減和零色散不在同一工作波長上的特點(diǎn)，20世紀(jì)80年代中期，人們開發(fā)成功了一種把零色散波長從1.3m移到1.55m的色散位移光纖（DSF，DispersionShifted Fiber）。ITU把這種光纖的規(guī)范編為G.653。然而，色散位移光纖在1.55m色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數(shù)較多時，信道間距較小，這時就會發(fā)生四波混頻（FWM）導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。如果光纖線路的色散為零，F(xiàn)WM的干擾就會十分嚴(yán)重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一現(xiàn)象，人們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖（NZDSF）G.655。 57低損耗 零色散 小有效面積長距離、單信道超高速ED

16、FA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論: 適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于 DWDM應(yīng)用，處于被市場淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖的應(yīng)用58G.655單模光纖(NZ-DSF)針對色散位移光纖在1.55m色散為零，會產(chǎn)生四波混頻，導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_，不利于多信道的WDM系統(tǒng)的問題，如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一特點(diǎn)，人們研制了非零色散光纖（NZDSF）。非零色散光纖實(shí)質(zhì)上是一種改進(jìn)的色散位移光纖，其零色散波長不在1.55m，而是在1.525m或1.585m處。非零色散光纖削減了色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散移位光纖都只能克服這兩

17、種缺陷中的一種，所以非零色散光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好的傳輸特性，既能用于新的陸上網(wǎng)絡(luò)，又可對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，它特別適合于高密度WDM系統(tǒng)的傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。59在15301565nm窗口有較低的損耗工作窗口較低的色散，一定的色散抑制了非線性效應(yīng)（四波混頻）的發(fā)生。 可以有正的或負(fù)的色散海底傳輸系統(tǒng)正色散SPM效應(yīng)壓縮脈沖，負(fù)色散SPM效應(yīng)展寬脈沖。 為DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的G.655單模光纖的應(yīng)用結(jié)論: 適用于10Gb/s以上速率DWDM傳輸，是未來大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。60三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散

18、區(qū)61單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計(jì)1550 nm13201550 nmG.653 色散位移光纖：讓損耗和色散最低點(diǎn)都在1550 nm辦法：材料色散不變，通過改變折射率剖面形狀來增大波導(dǎo)色散，使零色散點(diǎn)往長波長方向移動普通商用光纖色散位移光纖62G.656 色散平坦光纖在較大的范圍內(nèi)保持相近的色散值，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)普通商用光纖色散平坦光纖63色散補(bǔ)償光纖 (DCF)色散補(bǔ)償光纖傳輸光纖010050100150200傳播長度總色散 (ps/kmnm)TXRX正負(fù)色散率搭配使系統(tǒng)累積色散為零缺點(diǎn)：(1) 高損耗； (2) 短波長過補(bǔ)償、長波長欠補(bǔ)償，不宜用于WDM系統(tǒng)64中途譜反轉(zhuǎn)技術(shù)非線性器件等長、

19、色散性質(zhì)相同的光纖65利用光纖光柵(FBG)進(jìn)行色散補(bǔ)償注：FBG是一種可以反射特定波長的光柵器件663. 模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時差m產(chǎn)生原因來自于各個不同導(dǎo)模的群速不相同模間色散并不是由于頻率不同引起的,故稱其為 單色彌散似乎更為合適674. 偏振模色散 (PMD)基模兩個相互正交的偏振模的傳播速度不同導(dǎo)致光脈沖的展寬，稱之為偏振模色散. 通常其大小為： 0.5 ps/nm/km.低速通信系統(tǒng)（10Gbps以下）通常不考慮PMD的影響. G.652光纖高速（10Gbps以上，例如40Gbps）長距離通信 需要考慮PMD的影響，研究PMD補(bǔ)償技術(shù)。68偏振模色散 (

20、PMD)雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散光纖對傳播模式的兩個偏振分量的傳播速度不同69PMD的外部因素及其特點(diǎn)外部因素：環(huán)境變化如振動、溫度、應(yīng)力等特點(diǎn)：具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性和突發(fā)性因此，PMD補(bǔ)償?shù)碾y度比較大，補(bǔ)償方法目前尚無定論70PMD 對傳輸?shù)挠绊慞MD對40-Gb/s傳輸系統(tǒng)的影響將更加顯著71色散值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度 6 nm，傳輸10 公里距離，色散脈沖展寬值為 : D = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 ps對于 1 Gbps速率的光脈沖，脈寬約為 1 ns. 如果脈沖展寬達(dá)到脈寬的20，則系統(tǒng)將不能工作。上述情形顯然不適合于1 Gbps

21、速率，因?yàn)槊}沖展寬已經(jīng)達(dá)到100；但是對于 155 Mbps速率系統(tǒng)沒有問題，因?yàn)?其脈沖寬度為 6.5 ns，20的展寬為1300ps。如果采用線寬為 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 調(diào)制速率下光譜被展寬 2 GHz，即光源譜寬為2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波長). 則傳輸10 公里距離，色散脈沖展寬值為 : D = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = 3.4 ps顯然這種情形下， 1 Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。72哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5 mW時，輸

22、入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長損耗比1.3mm波長小?光纖的損耗能否降為零？為什么？三角形折射率分布光纖與平方率折射率分布光纖哪種波導(dǎo)色散大？為什么？簡述光纖中三種色散的機(jī)理。在什么條件下光纖的色散為零？習(xí)題：5.4 5.5 5.19課堂練習(xí)735.3 單模光纖模場半徑 模場半徑是單模光纖的一個極為重要的參數(shù)。由模場半徑可以導(dǎo)出等效階躍光纖的構(gòu)成參數(shù),還可估算單模光纖的連接損耗、彎曲損耗以及微彎損耗和光纖的色散值, 因而被稱之為單模光纖的萬用參數(shù)。單模光纖的模場半徑不僅因測量方法的不同而異,而且還受模場半徑定義的影響。已提出多種模場半徑的定義,應(yīng)用較廣泛的有:(1)功率傳輸函數(shù)

23、定義模場半徑wT;(2)最大激發(fā)效率定義模場半徑w;(3)近場二 階矩定義模場半徑wrms;(4)遠(yuǎn)場二階矩定義模場半徑wL。74功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT7576最大激發(fā)效率定義模場半徑W當(dāng)以場分布為g(r)的光源激發(fā)單模光纖時,激發(fā)效率(耦合效率)以及不重疊度可分別表示為:f(r)是光纖的近場分布;G(q)和F(q)分別是光源和光纖的遠(yuǎn)場分布; qsin/0 定義g(r)為高斯分布函數(shù): 77確定W的四種數(shù)學(xué)等效方法測出光纖的近場分布f(r),改變高斯函數(shù)的WG使為最大,此時WG即為W;測出f(r),改變WG使為最小,此時的WG亦為W;測出光纖的遠(yuǎn)場分布F(q),改變WG使為最大,此時WG為W;測出F(q),改變WG使為最小,亦可求得W。 78模場半徑的其它定義79模場半徑定義的比較805.4 單模光纖截止波長 (樣品光纖長度取2米)815.5 光纖參數(shù)測試技術(shù) 光纖損耗（譜）折射率分布帶寬(色散與基帶頻率響應(yīng))*數(shù)值孔徑模場直徑截止波長幾何參數(shù)*82ITU-T 建議的測試方法參 數(shù)RTMATM衰減系數(shù) 切斷法 插入損耗法;背向散射法折射率分布 折射近場法 近場法基帶響應(yīng) 時域法;頻域法 色散系數(shù) 相移法;脈沖時延法 數(shù)值孔徑 折射近場法 遠(yuǎn)場法 模場直徑 (無) 傳輸場法;橫向