第5章 光纖光學(xué)課件光纖的特征參數(shù)與測(cè)試技術(shù)

第五章光纖的特征參數(shù)與測(cè)試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個(gè)重要因素：損耗：光在傳輸時(shí)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第五章光纖的特征參數(shù)與測(cè)試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個(gè)重要因§5.1光纖的損耗

重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9;1dB~0.8; 2dB~.6;3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.012§5.1光纖的損耗重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9光纖的損耗3光纖的損耗3§5.1.1光纖材料的吸收損耗

4§5.1.1光纖材料的吸收損耗455光纖的損耗譜6光纖的損耗譜6不斷拓展的光纖窗口波長(zhǎng)2004年7不斷拓展的光纖窗口波長(zhǎng)2004年7§5.1.2散射損耗

特點(diǎn)：不可能消除的損耗8§5.1.2散射損耗特點(diǎn)：不可能消除的損耗8散射損耗特點(diǎn)：非線性散射產(chǎn)生新的頻率分量機(jī)理：光新光波長(zhǎng)+聲子散射9散射損耗特點(diǎn)：非線性散射產(chǎn)生新的§5.1.3光纖的彎曲損耗

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分類10§5.1.3光纖的彎曲損耗物理機(jī)制光纖發(fā)生彎曲全反射條損耗機(jī)理x11損耗機(jī)理x11高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！12高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！121.宏彎損耗131.宏彎損耗132.過(guò)渡彎曲損耗直彎曲模場(chǎng)不匹配導(dǎo)摸與漏模之間相互耦合功率損失142.過(guò)渡彎曲損耗直彎曲模場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)可以看成某一等效 折射率分布下直光纖彎曲光纖傳播常數(shù)產(chǎn)生相移exp(-ibLz)滿足波導(dǎo)場(chǎng)方程r增加導(dǎo)致ne(r)增加，場(chǎng)分布拓展導(dǎo)模向漏模轉(zhuǎn)化,引起功率泄漏造成“過(guò)渡損耗”。

損耗計(jì)算公式：15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)3.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場(chǎng)半徑W0,相對(duì)折射率差Δ和纖軸的畸變。經(jīng)驗(yàn)公式：模場(chǎng)半徑W0的微小增加將引起微彎損耗的大幅度上升

163.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場(chǎng)半徑W0,相隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被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§5.2光纖的色散與帶寬模間色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)17隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率色散定義

18色散定義18§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散

材料色散波導(dǎo)色散模間色散單色彌散19§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散材料色散波導(dǎo)色散模間色散1.材料色散纖芯材料折射率隨波長(zhǎng)而變化，導(dǎo)致光信號(hào)不同波長(zhǎng)承載的的光脈沖成份的傳播速度也隨波長(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)的二階導(dǎo)數(shù)，亦即折射率隨波長(zhǎng)的非線性變化。因此，不能說(shuō)折射率隨波長(zhǎng)變化就一定導(dǎo)致材料色散。201.材料色散纖芯材料折射率隨波長(zhǎng)而變化，導(dǎo)致光信號(hào)不同波長(zhǎng)群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播塊，短波長(zhǎng)光傳播慢!（負(fù)色散值）反常色散區(qū):短波長(zhǎng)光傳播塊，長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播慢!（正色散值）正常色散區(qū)反常色散區(qū)21群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播塊，短波長(zhǎng)光G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort22G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort22.波導(dǎo)色散

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因?yàn)閷?dǎo)模場(chǎng)分布實(shí)際上是在纖芯和包層中都存在的，因此光波群速度取決于兩者的比例。通常長(zhǎng)波長(zhǎng)光的場(chǎng)分布在包層中延伸更遠(yuǎn)。因此長(zhǎng)波長(zhǎng)光“經(jīng)歷”的材料折射率更小，其群速度就會(huì)比短波長(zhǎng)光更大一些。因此考慮波導(dǎo)色散，長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播快，短波長(zhǎng)光傳播慢。232.波導(dǎo)色散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因?yàn)閷?dǎo)模場(chǎng)分布實(shí)際上總色散24總色散24三種不同類型的單模光纖G.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.65525三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.65G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在1.3μm窗口的單模光纖，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU－T）把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。其特點(diǎn)是當(dāng)工作波長(zhǎng)在1.3μm時(shí)，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1.3μm波段的損耗較大，約為0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的損耗較小，約為0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段為3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的損耗較大，約為20ps/nm·km。這種光纖可支持用于在1.55μm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(hào)，傳輸距離超過(guò)50公里時(shí)，就要求使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊。

26G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在1.3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(jí)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27大多數(shù)已安裝的光纖G.652單模光纖的應(yīng)用27G.653單模光纖(DSF)針對(duì)衰減和零色散不在同一工作波長(zhǎng)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(zhǎng)從1.3μm移到1.55μm的色散位移光纖（DSF，Dispersion－ShiftedFiber）。ITU把這種光纖的規(guī)范編為G.653。

然而，色散位移光纖在1.55μm色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數(shù)較多時(shí)，信道間距較小，這時(shí)就會(huì)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(huì)十分嚴(yán)重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會(huì)減小。針對(duì)這一現(xiàn)象，人們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖（NZ－DSF）G.655。28G.653單模光纖(DSF)針對(duì)衰減和零色散不在同一工作波長(zhǎng)低損耗零色散小有效面積長(zhǎng)距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問(wèn)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(chǎng)淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖的應(yīng)用29低損耗零色散小有效面積G.653單模光纖的應(yīng)用2G.655單模光纖(NZ-DSF)針對(duì)色散位移光纖在1.55μm色散為零，會(huì)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(wèn)題，如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會(huì)減小。針對(duì)這一特點(diǎn)，人們研制了非零色散光纖（NZ－DSF）。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(zhǎng)不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm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(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)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)。

30G.655單模光纖(NZ-DSF)針對(duì)色散位移光纖在1.55在1530－1565nm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?？梢杂姓幕蜇?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(lái)大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。31在1530－1565nm窗口有較低的損耗G.655單模光纖的三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)32三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)323.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時(shí)差Δτm產(chǎn)生原因來(lái)自于各個(gè)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333.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時(shí)差Δ4.偏振模色散(PMD)基模兩個(gè)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：0.5ps/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(zhǎng)距離通信需要考慮PMD的影響，研究PMD補(bǔ)償技術(shù)。344.偏振模色散(PMD)基模兩個(gè)相互正交的偏振模的傳播速色散值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對(duì)于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.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1Gbps速率，因?yàn)槊}沖展寬已經(jīng)達(dá)到100％；但是對(duì)于155Mbps速率系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)槠涿}沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長(zhǎng)).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒(méi)有任何問(wèn)題。35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6nm，傳哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長(zhǎng)220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5mW時(shí)，輸入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長(zhǎng)損耗比1.3mm波長(zhǎng)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(jiǎn)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？課堂測(cè)驗(yàn)(7)習(xí)題：5.4~5.1136課堂測(cè)驗(yàn)(7)習(xí)題：5.4~5.1136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6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對(duì)于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.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1Gbps速率，因?yàn)槊}沖展寬已經(jīng)達(dá)到100％；但是對(duì)于155Mbps速率系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)槠涿}沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長(zhǎng)).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒(méi)有任何問(wèn)題。37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6nm，傳§5.3單模光纖模場(chǎng)半徑

模場(chǎng)半徑是單模光纖的一個(gè)極為重要的參數(shù)。由模場(chǎng)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(wàn)用參數(shù)。單模光纖的模場(chǎng)半徑不僅因測(cè)量方法的不同而異,而且還受模場(chǎng)半徑定義的影響。已提出多種模場(chǎng)半徑的定義,應(yīng)用較廣泛的有:(1)功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)半徑wT;(2)最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑wη;(3)近場(chǎng)二階矩定義模場(chǎng)半徑wrms;(4)遠(yuǎn)場(chǎng)二階矩定義模場(chǎng)半徑wL。38§5.3單模光纖模場(chǎng)半徑模場(chǎng)半徑是單模光纖的一個(gè)極為重功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)半徑wT39功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)半徑wT394040最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑Wη當(dāng)以場(chǎng)分布為g(r)的光源激發(fā)單模光纖時(shí),激發(fā)效率(耦合效率)η以及不重疊度ξ可分別表示為:

f(r)是光纖的近場(chǎng)分布;G(q)和F(q)分別是光源和光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)分布;q＝sinθ/λ0

定義g(r)為高斯分布函數(shù):41最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑Wη當(dāng)以場(chǎng)分布為g(r)的光源激發(fā)單確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測(cè)出光纖的近場(chǎng)分布f(r),改變高斯函數(shù)的WG使η為最大,此時(shí)WG即為Wη;測(cè)出f(r),改變WG使ξ為最小,此時(shí)的WG亦為Wη;測(cè)出光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)分布F(q),改變WG使η為最大,此時(shí)WG為Wη;測(cè)出F(q),改變WG使ξ為最小,亦可求得Wη。42確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測(cè)出光纖的近場(chǎng)分布f(r),改變高模場(chǎng)半徑的其它定義43模場(chǎng)半徑的其它定義43模場(chǎng)半徑定義的比較44模場(chǎng)半徑定義的比較44§5.4單模光纖截止波長(zhǎng)

(樣品光纖長(zhǎng)度取2米)45§5.4單模光纖截止波長(zhǎng)(樣品光纖長(zhǎng)度取2米)45§5.5光纖參數(shù)測(cè)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(chǎng)直徑截止波長(zhǎng)幾何參數(shù)*46§5.5光纖參數(shù)測(cè)試技術(shù)光纖損耗（譜）46ITU-T建議的測(cè)試方法表2.7－1┌─────┬─────────┬───────────┐│參數(shù)│RTM│ATM│├─────┼─────────┼───────────┤│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(chǎng)法│近場(chǎng)法││基帶響應(yīng)│時(shí)域法;頻域法│││色散系數(shù)│相移法;脈沖時(shí)延法│││數(shù)值孔徑│折射近場(chǎng)法│遠(yuǎn)場(chǎng)法││模場(chǎng)直徑│(無(wú))│傳輸場(chǎng)法;橫向偏移法││截止波長(zhǎng)│傳導(dǎo)功率法│模場(chǎng)直徑與波長(zhǎng)關(guān)系法│└─────┴─────────┴───────────┘

RTM:基準(zhǔn)測(cè)試方法 ATM:替代測(cè)試方法47ITU-T建議的測(cè)試方法表2.7－147§5.5.1注入條件與穩(wěn)態(tài)分布48§5.5.1注入條件與穩(wěn)態(tài)分布48擾模器

、濾模器和包層模剝除器49擾模器

、濾模器和包層模剝除器49§5.5.2損耗的測(cè)量50§5.5.2損耗的測(cè)量5051515252§5.5.3折射率分布的測(cè)量1.折射率近場(chǎng)法根據(jù)光纖折射光(輻射模)功率與折射率n(r)成正比而建立起來(lái)的測(cè)試方法。測(cè)量方法:利用透鏡將光束會(huì)聚成很小的光點(diǎn)入射光纖端面,入射最大角θ‘max由輸入光欄控制,θ’max遠(yuǎn)大于光纖數(shù)值孔徑角,以在光纖中激勵(lì)起導(dǎo)模、漏模和輻射模;將光纖的一端浸入折射率匹配液盒之中,可使部分漏模與輻射模逸出光纖,形成一個(gè)空心光錐;利用一個(gè)遮光盤擋住漏模光,同時(shí)限定折射角θ“min,由探測(cè)器接收輻射模功率P(r)53§5.5.3折射率分布的54542.近場(chǎng)掃描法該方法比折射近場(chǎng)法要差一些552.近場(chǎng)掃描法該方法比折射近場(chǎng)法要差一些553.端面反射法

工作原理：基于端面菲涅爾反射的功率反射系數(shù)R和折射率n(r)有著確定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)試R或反射功率P(r)來(lái)確定n(r)：563.端面反射法工作原理：基于端面菲涅爾反射的功率反射系數(shù)§5.5.4

帶寬測(cè)量*1.脈沖展寬測(cè)量*57§5.5.4帶寬測(cè)量*1.脈沖展寬測(cè)量*572.色散的測(cè)量*582.色散的測(cè)量*585959§5.5.5數(shù)值孔徑的測(cè)量(4.90)式60§5.5.5數(shù)值孔徑的測(cè)量(4.90)式606161§5.5.6模場(chǎng)半徑的測(cè)量1.橫向偏移法62§5.5.6模場(chǎng)半徑的測(cè)量1.橫向偏移法62§5.5.7截止波長(zhǎng)的測(cè)量63§5.5.7截止波長(zhǎng)的測(cè)量6364646565哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長(zhǎng)220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5mW時(shí)，輸入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長(zhǎng)損耗比1.3mm波長(zhǎng)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(jiǎn)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？什么叫模場(chǎng)的“穩(wěn)態(tài)分布”?簡(jiǎn)述OTDR的工作原理。簡(jiǎn)述折射近場(chǎng)法的工作原理。簡(jiǎn)述時(shí)域法和頻域法的工作原理。課堂測(cè)驗(yàn)(7)習(xí)題：5.4~5.11；5.18~5.2366課堂測(cè)驗(yàn)(7)習(xí)題：5.4~5.11；5.18~5.236第五章光纖的特征參數(shù)與測(cè)試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個(gè)重要因素：損耗：光在傳輸時(shí)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)_。

67第五章光纖的特征參數(shù)與測(cè)試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個(gè)重要因§5.1光纖的損耗

重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9;1dB~0.8; 2dB~.6;3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.0168§5.1光纖的損耗重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9光纖的損耗69光纖的損耗3§5.1.1光纖材料的吸收損耗

70§5.1.1光纖材料的吸收損耗4715光纖的損耗譜72光纖的損耗譜6不斷拓展的光纖窗口波長(zhǎng)2004年73不斷拓展的光纖窗口波長(zhǎng)2004年7§5.1.2散射損耗

特點(diǎn)：不可能消除的損耗74§5.1.2散射損耗特點(diǎn)：不可能消除的損耗8散射損耗特點(diǎn)：非線性散射產(chǎn)生新的頻率分量機(jī)理：光新光波長(zhǎng)+聲子散射75散射損耗特點(diǎn)：非線性散射產(chǎn)生新的§5.1.3光纖的彎曲損耗

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分類76§5.1.3光纖的彎曲損耗物理機(jī)制光纖發(fā)生彎曲全反射條損耗機(jī)理x77損耗機(jī)理x11高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗小！78高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗小！121.宏彎損耗791.宏彎損耗132.過(guò)渡彎曲損耗直彎曲模場(chǎng)不匹配導(dǎo)摸與漏模之間相互耦合功率損失802.過(guò)渡彎曲損耗直彎曲模場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)可以看成某一等效 折射率分布下直光纖彎曲光纖傳播常數(shù)產(chǎn)生相移exp(-ibLz)滿足波導(dǎo)場(chǎng)方程r增加導(dǎo)致ne(r)增加，場(chǎng)分布拓展導(dǎo)模向漏模轉(zhuǎn)化,引起功率泄漏造成“過(guò)渡損耗”。

損耗計(jì)算公式：81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)3.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場(chǎng)半徑W0,相對(duì)折射率差Δ和纖軸的畸變。經(jīng)驗(yàn)公式：模場(chǎng)半徑W0的微小增加將引起微彎損耗的大幅度上升

823.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場(chǎng)半徑W0,相隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被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§5.2光纖的色散與帶寬模間色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)83隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率色散定義

84色散定義18§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散

材料色散波導(dǎo)色散模間色散單色彌散85§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散材料色散波導(dǎo)色散模間色散1.材料色散纖芯材料折射率隨波長(zhǎng)而變化，導(dǎo)致光信號(hào)不同波長(zhǎng)承載的的光脈沖成份的傳播速度也隨波長(zhǎng)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(duì)波長(zhǎng)的二階導(dǎo)數(shù)，亦即折射率隨波長(zhǎng)的非線性變化。因此，不能說(shuō)折射率隨波長(zhǎng)變化就一定導(dǎo)致材料色散。861.材料色散纖芯材料折射率隨波長(zhǎng)而變化，導(dǎo)致光信號(hào)不同波長(zhǎng)群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播塊，短波長(zhǎng)光傳播慢!（負(fù)色散值）反常色散區(qū):短波長(zhǎng)光傳播塊，長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播慢!（正色散值）正常色散區(qū)反常色散區(qū)87群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播塊，短波長(zhǎng)光G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort88G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort22.波導(dǎo)色散

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因?yàn)閷?dǎo)模場(chǎng)分布實(shí)際上是在纖芯和包層中都存在的，因此光波群速度取決于兩者的比例。通常長(zhǎng)波長(zhǎng)光的場(chǎng)分布在包層中延伸更遠(yuǎn)。因此長(zhǎng)波長(zhǎng)光“經(jīng)歷”的材料折射率更小，其群速度就會(huì)比短波長(zhǎng)光更大一些。因此考慮波導(dǎo)色散，長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播快，短波長(zhǎng)光傳播慢。892.波導(dǎo)色散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因?yàn)閷?dǎo)模場(chǎng)分布實(shí)際上總色散90總色散24三種不同類型的單模光纖G.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.65591三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.65G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在1.3μm窗口的單模光纖，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU－T）把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。其特點(diǎn)是當(dāng)工作波長(zhǎng)在1.3μm時(shí)，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1.3μm波段的損耗較大，約為0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的損耗較小，約為0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段為3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的損耗較大，約為20ps/nm·km。這種光纖可支持用于在1.55μm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(hào)，傳輸距離超過(guò)50公里時(shí)，就要求使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊。

92G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在1.3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(jí)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93大多數(shù)已安裝的光纖G.652單模光纖的應(yīng)用27G.653單模光纖(DSF)針對(duì)衰減和零色散不在同一工作波長(zhǎng)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(zhǎng)從1.3μm移到1.55μm的色散位移光纖（DSF，Dispersion－ShiftedFiber）。ITU把這種光纖的規(guī)范編為G.653。

然而，色散位移光纖在1.55μm色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數(shù)較多時(shí)，信道間距較小，這時(shí)就會(huì)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(huì)十分嚴(yán)重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會(huì)減小。針對(duì)這一現(xiàn)象，人們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖（NZ－DSF）G.655。94G.653單模光纖(DSF)針對(duì)衰減和零色散不在同一工作波長(zhǎng)低損耗零色散小有效面積長(zhǎng)距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問(wèn)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(chǎng)淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖的應(yīng)用95低損耗零色散小有效面積G.653單模光纖的應(yīng)用2G.655單模光纖(NZ-DSF)針對(duì)色散位移光纖在1.55μm色散為零，會(huì)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(wèn)題，如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會(huì)減小。針對(duì)這一特點(diǎn)，人們研制了非零色散光纖（NZ－DSF）。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(zhǎng)不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm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(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)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)。

96G.655單模光纖(NZ-DSF)針對(duì)色散位移光纖在1.55在1530－1565nm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?？梢杂姓幕蜇?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(lái)大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。97在1530－1565nm窗口有較低的損耗G.655單模光纖的三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)98三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)323.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時(shí)差Δτm產(chǎn)生原因來(lái)自于各個(gè)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993.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時(shí)差Δ4.偏振模色散(PMD)基模兩個(gè)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：0.5ps/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(zhǎng)距離通信需要考慮PMD的影響，研究PMD補(bǔ)償技術(shù)。1004.偏振模色散(PMD)基模兩個(gè)相互正交的偏振模的傳播速色散值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對(duì)于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.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1Gbps速率，因?yàn)槊}沖展寬已經(jīng)達(dá)到100％；但是對(duì)于155Mbps速率系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)槠涿}沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長(zhǎng)).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒(méi)有任何問(wèn)題。101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6nm，傳哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長(zhǎng)220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5mW時(shí)，輸入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長(zhǎng)損耗比1.3mm波長(zhǎng)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(jiǎn)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？課堂測(cè)驗(yàn)(7)習(xí)題：5.4~5.11102課堂測(cè)驗(yàn)(7)習(xí)題：5.4~5.1136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6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對(duì)于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.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1Gbps速率，因?yàn)槊}沖展寬已經(jīng)達(dá)到100％；但是對(duì)于155Mbps速率系統(tǒng)沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)槠涿}沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長(zhǎng)).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒(méi)有任何問(wèn)題。103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6nm，傳§5.3單模光纖模場(chǎng)半徑

模場(chǎng)半徑是單模光纖的一個(gè)極為重要的參數(shù)。由模場(chǎng)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(wàn)用參數(shù)。單模光纖的模場(chǎng)半徑不僅因測(cè)量方法的不同而異,而且還受模場(chǎng)半徑定義的影響。已提出多種模場(chǎng)半徑的定義,應(yīng)用較廣泛的有:(1)功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)半徑wT;(2)最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑wη;(3)近場(chǎng)二階矩定義模場(chǎng)半徑wrms;(4)遠(yuǎn)場(chǎng)二階矩定義模場(chǎng)半徑wL。104§5.3單模光纖模場(chǎng)半徑模場(chǎng)半徑是單模光纖的一個(gè)極為重功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)半徑wT105功率傳輸函數(shù)定義模場(chǎng)半徑wT3910640最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑Wη當(dāng)以場(chǎng)分布為g(r)的光源激發(fā)單模光纖時(shí),激發(fā)效率(耦合效率)η以及不重疊度ξ可分別表示為:

f(r)是光纖的近場(chǎng)分布;G(q)和F(q)分別是光源和光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)分布;q＝sinθ/λ0

定義g(r)為高斯分布函數(shù):107最大激發(fā)效率定義模場(chǎng)半徑Wη當(dāng)以場(chǎng)分布為g(r)的光源激發(fā)單確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測(cè)出光纖的近場(chǎng)分布f(r),改變高斯函數(shù)的WG使η為最大,此時(shí)WG即為Wη;測(cè)出f(r),改變WG使ξ為最小,此時(shí)的WG亦為Wη;測(cè)出光纖的遠(yuǎn)場(chǎng)分布F(q),改變WG使η為最大,此時(shí)WG為Wη;測(cè)出F(q),改變WG使ξ為最小,亦可求得Wη。108確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測(cè)出光纖的近場(chǎng)分布f(r),改變高模場(chǎng)半徑的其它定義109模場(chǎng)半徑的其它定義43模場(chǎng)半徑定義的比較110模場(chǎng)半徑定義的比較44§5.4單模光纖截止波長(zhǎng)

(樣品光纖長(zhǎng)度取2米)111§5.4單模光纖截止波長(zhǎng)(樣品光纖長(zhǎng)度取2米)45§5.5光纖參數(shù)測(cè)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(chǎng)直徑截止波長(zhǎng)幾何參數(shù)*112§5.5光纖參數(shù)測(cè)試技術(shù)光纖損耗（譜）46ITU-T建議的測(cè)試方法表2.7－1┌─────┬─────────┬───────────┐│參數(shù)│RTM│ATM│├─────┼─────────┼───────────┤│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(chǎng)法│近場(chǎng)法