光纤的传输特性优秀PPT.ppt

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1、光纤的传输特性第1页，本讲稿共58页本章内容n光纤中信号的劣化n光纤的损耗特性 n光纤的色散特性n单模光纤的非线性n光纤的制造工艺第2页，本讲稿共58页3.1 光纤中信号的劣化第3页，本讲稿共58页信号的损伤n任何传输信道均会对信号造成损伤n线性损伤n加性噪声n损耗n外部串扰n信道内部串扰n非线性损伤n信号畸变n乘性噪声第4页，本讲稿共58页光纤中信号的损伤n线性损伤线性损伤n加性噪声加性噪声n多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计n损耗损耗n外部串扰，可忽略不计外部串扰，可忽略不计n色散造成的信号畸变色散造成的信号畸变n内部串扰，

2、来源于光纤的非线性内部串扰，来源于光纤的非线性n非线性损伤非线性损伤n光纤非线性造成的信号畸变光纤非线性造成的信号畸变n乘性噪声，可忽略不计乘性噪声，可忽略不计第5页，本讲稿共58页3.2 光纤的损耗特性第6页，本讲稿共58页 即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗。本征损耗。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。损耗第7页，本讲稿共58页问题n如何表示光纤损耗？如何表示光纤损耗？n光纤损耗的种类及其产生原因是什么？光纤损耗的种类及其产生原因是什么？n如何才能降低光纤的损耗？如何才能降低光纤的损耗？n光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么

3、？光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？n光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？n光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？n单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？n光纤的损耗能够更低吗？如何实现？光纤的损耗能够更低吗？如何实现？n光纤的损耗如何测量？光纤的损耗如何测量？第8页，本讲稿共58页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：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：可以通过损耗系数来衡

4、量光纤链路的损耗特性：其中其中L为光纤长度。标准单模光纤为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在在1550 nm的损耗系数为的损耗系数为0.2 dB/km。第9页，本讲稿共58页光纤损耗的种类n吸收损耗吸收损耗n本征吸收本征吸收n杂质吸收杂质吸收n过渡金属离子过渡金属离子n氢氧根离子氢氧根离子n散射损耗散射损耗n瑞利散射瑞利散射n米氏散射米氏散射n弯曲损耗弯曲损耗n宏弯和微弯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第10页，本讲稿共58页光纤的损耗谱0.80.81.01.01.21.21.41.41.61.61.81.8波长波长(um)(um)0.010.010.050.050.10

5、.10.50.51 15 510105050100100 损损耗耗d dB B/k km m波导缺陷波导缺陷紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射实验值实验值OHOH-吸收吸收第11页，本讲稿共58页微弯损耗和宏弯损耗机理n宏弯损耗宏弯损耗n曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲n微弯损耗微弯损耗n光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲消逝场q qcqRq qCladdingCore场分布第12页，本讲稿共58页降低光纤损耗的方法n工作波长选择工作波长选择n选择在低损耗窗口选择在低损耗窗口n超纯原料超纯原料n降低过渡金属离子浓度

6、降低过渡金属离子浓度n生产工艺生产工艺n减小不均匀性减小不均匀性n减小减小OH-离子的引入离子的引入n光纤保护光纤保护第13页，本讲稿共58页光纤的典型损耗特性n850nmn3dB/kmn1310nmn0.30.4dB/km(典型值为0.35dB/km)n1550nmn0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km）n(理论极限值0.154dB/km)第14页，本讲稿共58页使用过程中光纤的损耗变化n变化趋势变化趋势n损耗增大损耗增大n原因原因n热胀冷缩热胀冷缩n油膏特性变差油膏特性变差n光纤受水分侵蚀光纤受水分侵蚀nOH-吸收损耗增大吸收损耗增大n光纤分子缺陷增多光纤分子缺陷增多第15页，本

7、讲稿共58页单模与多模光纤损耗对比n单模光纤损耗要小一些单模光纤损耗要小一些n原因包括以下几点：原因包括以下几点：n光能量主要在纤芯中传输光能量主要在纤芯中传输n纤芯所需原料少，更易保证其纯度纤芯所需原料少，更易保证其纯度n纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小n包层更厚，包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中离子更难入侵到纤芯中n纤芯小，弯曲损耗更低纤芯小，弯曲损耗更低第16页，本讲稿共58页超低损耗光纤n瑞利损耗与波长的关系瑞利损耗与波长的关系n为什么工作波长不能选择得更长一些？为什么工作波长不能选择得更长一些？n卤化物光纤卤化物光纤n氟化物光纤，本征吸收区

8、波长较石英光纤更长一些氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些n最低损耗窗口在最低损耗窗口在2550nm附近附近n最低损耗低达最低损耗低达 0.010.001dB/kmn难度难度n超纯原料超纯原料n微晶体化微晶体化第17页，本讲稿共58页光纤损耗的测量n测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法n剪断法、插入损耗法剪断法、插入损耗法第18页，本讲稿共58页n后向散射法后向散射法 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。的方法。第19页，本讲稿共58页3.3 光纤的色散第20页，

9、本讲稿共58页色散的含义n色散：色散：n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象n色散对光信号包络传播的影响色散对光信号包络传播的影响n包络展宽包络展宽n光纤通信中色散的含义光纤通信中色散的含义n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第21页，本讲稿共58页光纤色散对通信的影响n影响链：影响链：n色散导致传输的光脉冲展宽色散导致传输的光脉冲展宽n光脉冲展宽导致码间串扰光脉冲展宽导致码间串扰n码间串扰导致系统误码率增大码间串扰导致系统误码率增大n通信系

10、统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降低通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降低码间串扰的程度，可以码间串扰的程度，可以n减小信息速率，增大光脉冲间隔减小信息速率，增大光脉冲间隔n减少传输距离，降低脉冲展宽程度减少传输距离，降低脉冲展宽程度n归纳：归纳：n光纤的色散直接影响其传输带宽距离积光纤的色散直接影响其传输带宽距离积n色散越大，带宽距离积越小色散越大，带宽距离积越小第22页，本讲稿共58页色散对通信系统的影响第23页，本讲稿共58页光纤色散的种类n模式色散n多模色散n偏振模色散n波长色散n材料色散n波导色散单模光纤单模光纤中依然存在中依然存在第24页，本讲稿共58页多模色散n模

11、式色散影响机理模式色散影响机理n信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多）信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多）n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n时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积n模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散n显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就越严重，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其带宽距离积就越小n消除方法：单模传输

12、消除方法：单模传输第25页，本讲稿共58页单模光纤的双折射n单模光纤的实际工作模式单模光纤的实际工作模式nLP01x 模和模和 LP01y模模n它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即 x=yn由于以下原因，光纤存在双折射现象由于以下原因，光纤存在双折射现象n几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤n应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性n外加电磁场影响外加电磁场影响n光纤的双折射现象将导致光纤的双折射现象将导致LP01x 模和模和 LP01y模沿模沿 z 轴的

13、传播速轴的传播速率不完全相同，即率不完全相同，即 x y，这将导致偏振模色散，这将导致偏振模色散第26页，本讲稿共58页偏振模色散图第27页，本讲稿共58页偏振模色散（PMD）n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n偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重，n通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散第28页，本讲稿共58页波长色散单位长度光纤上光信号的群时延：单位长度光纤上光信号的群时延：n群速度是表征光信号包络传播速度的量群速度是表征光信号包络传播速度的量第29页，本讲稿共58页波长色散n与光信号谱宽成比例的色散效应

14、，称为波长色散或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，群速度色散)或色度色散或色度色散第30页，本讲稿共58页波长色散的组成n光纤的波长色散组成光纤的波长色散组成n材料色散材料色散n波导色散波导色散n折射率剖面色散折射率剖面色散第31页，本讲稿共58页材料色散 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的函数引起的石英材料：石英材料：G1=0.6961 G2=0.4079 G3=0.8974 1=0.0684 m 2=0.1162 m 3=9.89

15、62 m第32页，本讲稿共58页材料色散系数n材料色散系数：第33页，本讲稿共58页波导色散波导色散系数波导色散系数00.511.522.53-0.500.511.52第34页，本讲稿共58页单模光纤的色散系数1.21.31.551.65-100102030DmDwDn单位：单位：ps/(nm.km)第35页，本讲稿共58页色散斜率n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n单位：单位：ps/(nm2.km)n给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为第36页，本讲稿共58页单模光纤的分类15

16、50D(nm)1310G.652（常规SM）G.653(DSF)G.655(NZ-DSF)n分类依据：单模光纤的零色散波长分类依据：单模光纤的零色散波长n类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型第37页，本讲稿共58页色散对通信容量限制的估算n高斯光脉冲的展宽因子n 高斯光源的均方根谱宽，第38页，本讲稿共58页色散对通信容量限制的估算n光源谱宽限制其中，s为色散斜率n非零色散点：BL|D|1 n零色散点附近：n信号谱宽限制n非零色散点：n零色散点附近：其中，第39页，本讲稿共58页3.4 SM光纤的非线性传输特性第40页，本讲稿共58页

17、电介质的极化n电介质的极化通常用极化强度矢量 P 来描述 真空介电常数(i)媒质的电极化率张量 (i)是i+1阶张量 n对各向同性电介质，有n极化强度与电场强度的关系为第41页，本讲稿共58页极化的非线性其中，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第42页，本讲稿共58页极化强度与折射率极化强度电位移矢量折射率第43页，本讲稿共58页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：光的克尔效应光的克尔效应第44页，本讲稿共58页SPMn由于非线性折射率的存在

18、，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 Modulation)n对光纤通信的负面影响n光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移n光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移n在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度n有益应用n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n取得平衡时，可获得光孤子传输第45页，本讲稿共58页FWMn频率条件n相位匹配条件n对于多波长光通信系统，如果对于多波长光通信系统，如果 和和 与其他波长信道频率相与

19、其他波长信道频率相近，即会造成波长信道间的串扰近，即会造成波长信道间的串扰n光纤色散系数较大时，四波混频不易产生光纤色散系数较大时，四波混频不易产生第46页，本讲稿共58页FWMnFWM(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nDWDM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n克服办法nFWM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n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n有益应用n波长变换第

20、47页，本讲稿共58页3.5 光纤和光缆的制造第48页，本讲稿共58页光纤制造工艺光纤原料光纤原料制备及提纯制备及提纯光纤预制棒熔炼光纤预制棒熔炼及表面处理及表面处理拉丝及一次拉丝及一次涂覆工艺涂覆工艺光纤张力筛选光纤张力筛选及着色工艺及着色工艺二次涂覆工艺二次涂覆工艺合格光纤合格光纤质量检测质量检测与控制与控制第49页，本讲稿共58页n纤芯材料纤芯材料n纯石英中掺纯石英中掺GeO2、P2O5等高折射率掺杂剂等高折射率掺杂剂n包层材料包层材料n纯石英中掺纯石英中掺B2O3、F等低折射率掺杂剂等低折射率掺杂剂第50页，本讲稿共58页 图 二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套

21、管；(d)带状线 第51页，本讲稿共58页光纤成缆n成缆目的n增强机械强度n增加空间密度n防止侵蚀n光缆种类n层绞式、骨架式、中心束管式和带状式n光缆结构n由缆芯、加强原件和护套第52页，本讲稿共58页第53页，本讲稿共58页 实际使用的光缆分类实际使用的光缆分类 分类方法分类方法 光缆种类光缆种类按所使用的光线分类单模光缆、多模光缆、（阶跃型、渐变型）按缆芯结构划分层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式按外护套结构分类无铠装、钢带铠装、钢丝铠装按光缆中有无金属分类有金属光缆、无金属光缆按维护方式分类充油光缆、充气光缆按敷设方式分类直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆按适用范围分类中继光缆、

22、海底光缆、用户光缆、局内光缆、长途光缆第54页，本讲稿共58页 光缆的传输特性取决于被覆光纤。光缆的传输特性取决于被覆光纤。1.拉力特性拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强件的材料和横截面积。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，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多数光缆能承受的最大侧压力在在100400 kg/10 cm。光缆特性第55页，本讲稿共58页3.弯曲特性弯曲特性 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

23、以及光缆的材料和结构。和结构。4.温度特性温度特性 光纤本身具有良好的温度特性。在我国，对光缆使用温度的要求，一般光纤本身具有良好的温度特性。在我国，对光缆使用温度的要求，一般在低温地区为在低温地区为-40+40，在高温地区为在高温地区为-5+60。第56页，本讲稿共58页小结第57页，本讲稿共58页小结n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损伤n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

24、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曲损耗包括宏弯和微弯损耗n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纤的色散越大，其带宽距离积就越小n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色散波长与低损耗波长吻合n光纤的非线性效应光纤的非线性效应n光纤和光缆的制造光纤和光缆的制造第58页，本讲稿共58页