光纤的传输特性资料讲解.ppt

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1、第三章第三章 光纤的传输光纤的传输(chun sh)(chun sh)特性特性3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性3.3 成缆对光纤特性的影响成缆对光纤特性的影响3.4 典型典型(dinxng)光纤参数光纤参数第一页，共42页。3.1 光纤的损耗光纤的损耗(snho)特性特性3.1.1 吸收损耗吸收损耗吸吸收收损损耗耗是是由由制制造造光光纤纤材材料料本本身身以以及及其其中中(qzhng)的的过过渡渡金金属属离离子子和和氢氢氧氧根根离离子子(OH)等等杂杂质质对对光光的的吸吸收收而而产产生生的的损损耗耗，前前者者是是由由光光纤纤材材料料本本身身的的特特性性所所

2、决决定定的，称为本征吸收损耗。的，称为本征吸收损耗。第二页，共42页。1.本征吸收损耗本征吸收损耗本征吸收损耗在光学波长及其附本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。近有两种基本的吸收方式。(1)紫外吸收损耗紫外吸收损耗紫外吸收损耗是由光纤中传输的紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能光子流将光纤材料中的电子从低能级级(nngj)激发到高能级激发到高能级(nngj)时，光子流中的能量将被电子吸收，时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。从而引起的损耗。第三页，共42页。(2)红外吸收损耗红外吸收损耗红红外外吸吸收收损损耗耗是是由由于于光光纤纤中中传传播播

3、的的光光波波与与晶晶格格相相互互作作用用时时，一一部部分分光光波波能能量量传传递递给给晶晶格格，使使其其振振动动加加剧剧，从从而而引起的损耗。引起的损耗。2.杂质吸收损耗杂质吸收损耗光光纤纤中中的的有有害害杂杂质质主主要要(zhyo)有有过过渡渡金金属属离离子子，如如铁铁、钴钴、镍镍、铜铜、锰、铬等和锰、铬等和OH。第四页，共42页。3.原子缺陷吸收原子缺陷吸收(xshu)损耗损耗通通常常在在光光纤纤的的制制造造过过程程中中，光光纤纤材材料料受受到到某某种种热热激激励励或或光光辐辐射射时时将将会会发发生生某某个个共共价价键键断断裂裂而而产产生生原原子子缺缺陷陷，此此时时晶晶格格很很容容易易在在

4、光光场场的的作作用用下下产产生生振振动动，从从而而吸吸收收(xshu)光光 能能，引引 起起 损损 耗耗，其其 峰峰 值值 吸吸 收收(xshu)波长约为波长约为630nm左右。左右。第五页，共42页。3.1.2 散射损耗散射损耗1.线性散射损耗线性散射损耗任任何何光光纤纤波波导导都都不不可可能能是是完完美美无无缺缺的的，无无论论是是材材料料(cilio)、尺尺寸寸、形形状状和和折折射射率率分分布布等等等等，均均可可能能有有缺缺陷陷或或不不均均匀匀，这这将将引引起起光光纤纤传传播播模模式式散散射射性性的的损损耗耗，由由于于这这类类损损耗耗所所引引起起的的损损耗耗功功率率与与传传播播模模式式的的

5、功功率率成成线线性性关关系系，所以称为线性散射损耗。所以称为线性散射损耗。第六页，共42页。(1)瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。程，属于固有散射。对于短波长光纤，损耗主要对于短波长光纤，损耗主要(zhyo)取决于瑞利散射损耗。值得强取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。耗的理论极限值。第七页，共42页。(2)光光纤纤结结构构不不完完善善引引起起(ynq)的的散散射射损耗损耗(波导散射损耗波导散射损

6、耗)在在光光纤纤制制造造过过程程中中，由由于于工工艺艺、技技术术问问题题以以及及一一些些随随机机因因素素，可可能能造造成成光光纤纤结结构构上上的的缺缺陷陷，如如光光纤纤的的纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面不不完完整整、芯芯径径变变化化、圆圆度度不不均均匀匀、光光纤纤中中残残留留气气泡和裂痕等等。泡和裂痕等等。第八页，共42页。2.非线性散射损耗非线性散射损耗光纤中存在两种非线性散射，它光纤中存在两种非线性散射，它们们(t men)都与石英光纤的振动激发都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。激布里渊散射。第九页，共42页。3.1.3 弯曲

7、损耗弯曲损耗光光纤纤的的弯弯曲曲有有两两种种形形式式：一一种种是是曲曲率率半半径径比比光光纤纤的的直直径径大大得得多多的的弯弯曲曲，我我们们习习惯惯称称为为(chn wi)弯弯曲曲或或宏宏弯弯；另另一一种种是是光光纤纤轴轴线线产产生生微微米米级级的的弯弯曲曲，这这种种高高频弯曲习惯称为频弯曲习惯称为(chn wi)微弯。微弯。第十页，共42页。在光缆在光缆(un ln)的生产、接续和施的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。工过程中，不可避免地出现弯曲。微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和

8、套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。的。第十一页，共42页。3.1.4 光纤损耗系数光纤损耗系数为为了了衡衡量量一一根根光光纤纤损损耗耗特特性性的的好好坏坏，在在此此引引入入损损耗耗系系数数(或或称称为为衰衰减减系系数数)的的概概念念，即即传传输输单单位位长长度度(1km)光光 纤纤 所所 引引 起起 的的 光光 功功 率率(gngl)减减小小的的分分贝贝数数，一一般般用用表表示示损损耗耗系系数数，单单位位是是dB/km。用数学表达式表示为：用数学表达式表示为：第十二页，共42页。式

9、中：式中：L为光纤长度，以为光纤长度，以km为单位；为单位；P1和和P2分别为光纤的输入分别为光纤的输入(shr)和输出和输出光功率，以光功率，以mW或或W为单位。为单位。第十三页，共42页。3.2 光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性3.2.1 色散的概念色散的概念3.2.2 模式色散模式色散所所谓谓(suwi)模模式式色色散散，用用光光的的射射线线理理论论来来说说，就就是是由由于于轨轨迹迹不不同同的的各各光光线线沿沿轴轴向向的的平平均均速速度度不同所造成的时延差。不同所造成的时延差。第十四页，共42页。1.阶跃型光纤中的模式色散阶跃型光纤中的模式色散在在阶阶跃跃型型光光纤纤中中，传传播播

10、(chunb)最最快快的的和和最最慢慢的的两两条条光光线线分分别别是是沿沿轴轴线线方方向向传传播播(chunb)的的光光线线和和以以临临界界角角c入入射射的的光光线线，如如图图3.6所所示示。因因此此，在在阶阶跃跃型型光光纤纤中中最最大大色色散散是是光光线线和和光光线线到到达达终终端端的的时延差。时延差。第十五页，共42页。图图3.6 阶跃型光纤的模式阶跃型光纤的模式(msh)色散色散第十六页，共42页。2.渐变型光纤中的模式色散渐变型光纤中的模式色散在在渐渐变变型型光光纤纤中中合合理理地地设设计计光光纤纤折折射射率率分分布布，使使光光线线在在光光纤纤中中传传播播时时速速度度得得到到补补偿偿，

11、从从而而模模式式色色散散引引起起(ynq)的光脉冲展宽将很小。的光脉冲展宽将很小。第十七页，共42页。3.2.3 材料色散材料色散一般情况下，材料色散往往一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量，是用色散系数这个物理量来衡量，色散系数定义为单位波长间隔内色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份各频率成份(chng fn)通过单位通过单位长度光纤所产生的色散，用长度光纤所产生的色散，用D()表示，单位是表示，单位是ps/（nmkm）。）。第十八页，共42页。2.材料色散材料色散(ssn)在在已已知知材材料料色色散散(ssn)系系数数的的前前提提下下，材材料料色色散散(ssn)的的表表达

12、达式式可可根根据据色色散散(ssn)系系数数的的定定义义导导出出，材料色散材料色散(ssn)用用m表示。表示。m()=Dm()L式式(3-25)中中：为为光光源源的的谱谱线线宽宽度度，即即光光功功率率下下降降到到峰峰值值光光功功率率一一半半时时所所对对应应的的波波长长范范围围；L是是光光纤纤的的传播长度。传播长度。第十九页，共42页。3.2.4 波导色散波导色散式式(3-23)中中的的第第二二项项与与波波导导的的归归一一化化传传播播常常数数b和和波波导导的的归归一一化化频频率率V有有关关，而而b和和V又又都都是是光光纤纤折折射射率率剖剖面面(pumin)结结构构参参数数的的函函数数，所所以以式

13、式(3-23)中中的的第第二二项项称称之之为为波波导导色色散散系系数数，用用Dw()表表示。示。第二十页，共42页。3.2.5 极化色散极化色散极极化化色色散散也也称称为为偏偏振振模模色色散散，用用p表表示示。从从本本质质上上讲讲属属于于模模式式色色散散，这这里里仅仅给给出出粗粗略略的的概概念念(ginin)。单单模模光光纤纤中中可可能能同同时时存存在在LP01x和和LP01y两两种种基基模模，也也可可能能只只存存在在其其中中一一种种模模式式，并并且且可可能能由由于于激激励励和和边边界界条条件件的的随随机机变变化化而出现这两种模式的交替。而出现这两种模式的交替。第二十一页，共42页。当当光光纤

14、纤中中存存在在(cnzi)着着双双折折射射现现象象时时，两两个个极极化化正正交交的的LP01x和和LP01y模模传传播播常常数数x和和y不不相相等等。对对于于弱弱导导光光纤纤，y和和x之差可以近似地表示为：之差可以近似地表示为：式式中中：nx和和ny分分别别为为x方方向向和和y方方向向的的折折射射率。率。第二十二页，共42页。3.2.6 总色散总色散光纤的总色散为：光纤的总色散为：值值得得说说明明的的是是，单单模模光光纤纤一一般般只只给给出出色色散散系系数数D，其其中中包包含含了了材材料料色色散散和和波波导导(b do)色色散散的的共同影响。共同影响。第二十三页，共42页。3.2.7 光光纤纤

15、的的色色散散和和带带宽宽对对通通信信容量的影响容量的影响光光纤纤的的色色散散和和带带宽宽描描述述的的是是光光纤纤的的同同一一特特性性。其其中中(qzhng)色色散散特特性性是是在在时时域域中中的的表表现现形形式式，即即光光脉脉冲冲经经过过光光纤纤传传输输后后脉脉冲冲在在时时间间坐坐标标轴轴上上展展宽宽了了多多少少；而而带带宽宽特特性性是是在在频频域域中中的的表表现现形形式式，在在频频域域中中对对于于调调制制信信号号而而言言，光光纤纤可可以以看看作作是是一一个个低低通通滤滤波波器器，当当调调制制信信号号的的高高频频分分量量通通过过光光纤纤时时，就就会会受受到到严严重重衰衰减减，如如图图3.12所

16、示。所示。第二十四页，共42页。图图3.12 光纤的带宽光纤的带宽(f为调制信号为调制信号(xnho)频率频率)第二十五页，共42页。通通常常把把调调制制信信号号经经过过光光纤纤传传播播后后，光光功功率率下下降降一一半半(即即3dB)时时的的频频率率(fc)的的大大小小，定定义义为为光光纤纤的的带带宽宽(B)。由由于于它它是是光光功功率率下下降降3dB对对应应(duyng)的的频频率率，故故也也称称为为3dB光带宽。可用式光带宽。可用式(3-33)表示。表示。第二十六页，共42页。光光功功率率总总是是(zn sh)要要用用光光电电子子器器件件来来检检测测，而而光光检检测测器器输输出出的的电电流

17、流正正比比于于被被检测的光功率，于是：检测的光功率，于是：从从式式(3-34)中中可可以以看看出出，3dB光光带带宽宽对应于对应于6dB电带宽。电带宽。第二十七页，共42页。1.色散色散(ssn)与带宽的关系与带宽的关系既既然然脉脉冲冲展展宽宽、色色散散(ssn)和和带带宽宽描描述述着着光光纤纤的的同同一一个个特特性性，那那么么它们之间必然存在着一定的联系。它们之间必然存在着一定的联系。2.模模 式式 畸畸 变变 带带 宽宽 和和 波波 长长 色色 散散(ssn)带宽带宽由由于于总总色色散散(ssn)包包括括模模式式色色散散(ssn)、材材料料色色散散(ssn)和和波波导导色色散散(ssn)，

18、所所以以光光纤纤的的总总带带宽宽也也可表示为：可表示为：第二十八页，共42页。式式中中：BM是是由由模模式式色色散散引引起起的的模模式式畸畸变变(jbin)带带宽宽；Bc是是由由材材料料色色散散和和波波导色散引起的波长色散带宽。导色散引起的波长色散带宽。第二十九页，共42页。波长色散带宽定义为：波长色散带宽定义为：式式中中：是是光光源源的的谱谱线线宽宽度度，单单位位是是nm；L是是光光纤纤的的长长度度，单单位位是是km；D()是是材材料料色色散散和和波波导导(b do)色色散散的的色色散散系系数数(即即波波长长色色散散系系数数)，单单位位是是ps/(nmkm)，其中材料色散占主导地位。其中材料

19、色散占主导地位。第三十页，共42页。3.链路总带宽对通信容量的影响链路总带宽对通信容量的影响光光纤纤链链路路总总带带宽宽与与光光纤纤长长度度之之间间的的关关系系要要分分光光纤纤链链路路中中间间有有无无接接头头。对对于于无无接接头头的的一一个个制制造造长长度度的的光光纤纤总总带带宽宽BT与与其其单单位位公公里里带带宽宽B的的关关系系如如下下：BT=BL-式式中中：L是是光光纤纤的的制制造造长长度度(km)，为为带带宽宽距距离离指指数数，它它的的取取值值与与光光纤纤的的 剖剖 面面 分分 布布 及及 模模 耦耦 合合 状状 态态(zhungti)有有关关，一一般般在在0.51.0之之间间(多多模模

20、光光纤纤取取0.50.9，单单模模光光纤纤1)。第三十一页，共42页。3.3 成缆对光纤特性成缆对光纤特性(txng)的影响的影响3.3.1 光缆特性光缆特性1.拉力特性拉力特性光光缆缆能能承承受受的的最最大大拉拉力力取取决决于于加加强强构构件件的的材材料料和和横横截截面面积积，一一般般(ybn)要要求求大大于于1km光光缆缆的的重重量，多数光缆在量，多数光缆在100400kg范围。范围。第三十二页，共42页。2.压力特性压力特性光缆能承受的最大侧压力取决于光缆能承受的最大侧压力取决于护套护套(h to)的材料和结构，多数光的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在缆能承受的最大侧压力在100

21、400kg/10cm。3.弯曲特性弯曲特性弯曲特性主要取决于纤芯与包层弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差的相对折射率差以及光缆的材料和以及光缆的材料和结构。结构。4.温度特性温度特性光纤本身具有良好的温度特性。光纤本身具有良好的温度特性。第三十三页，共42页。3.3.2 成缆对光纤特性的影响成缆对光纤特性的影响1.成缆的附加损耗成缆的附加损耗不不良良的的成成缆缆工工艺艺，把把光光纤纤制制成成光光缆缆(un ln)后后，会会带带来来附附加加损耗，称之为成缆损耗。损耗，称之为成缆损耗。2.成成缆缆可可以以改改善善光光纤纤的的温温度度特特性性套套塑塑光光纤纤或或带带有有表表面面涂涂层层的的光

22、光纤纤，它它的的损损耗耗随随温温度度变变化化如如图图3.14中虚线所示。中虚线所示。第三十四页，共42页。图3.14 光纤和光缆(un ln)的温度特征第三十五页，共42页。把光纤制成光缆，温度特性会得到相把光纤制成光缆，温度特性会得到相当大的改善，如图当大的改善，如图3.14中的实线所示。中的实线所示。3.机械强度增加机械强度增加这一点是很显然的。一般这一点是很显然的。一般(ybn)光光纤的断点强度约为纤的断点强度约为15kg，而由于光缆结，而由于光缆结构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层构中加入了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此其断点强度远大于上述值；不仅等，因此其断点强度远大于上述值；

23、不仅如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性如此，光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明显增强。能都有明显增强。第三十六页，共42页。3.4 典型典型(dinxng)光光纤参数纤参数目目前前，ITU-T(国国际际电电信信联联盟盟电电信信标标准准化化机机构构)分分别别对对G.651光光纤纤、G.652光光纤纤、G.653光光纤纤、G.654光光纤纤、G.655光光纤纤的的主主要要参数特性进行了标准化。参数特性进行了标准化。G.651光光纤纤称称为为(chn wi)渐渐变变型型多多模模光光纤纤，这这种种光光纤纤在在光光纤纤通通信信发发展展初初期期广广泛泛应应用用于于中中小小容容量量、中中短短距距离离的

24、的通通信信系系统统中。中。第三十七页，共42页。G.652光光纤纤称称为为常常规规(chnggu)单单模模光光纤纤，其其特特点点是是在在波波长长1.31m处处色色散散为为零零，系统的传输距离一般只受损耗的限制。系统的传输距离一般只受损耗的限制。G.653光光纤纤称称为为色色散散位位移移光光纤纤，其其特特点点是是在在波波长长1.55m处处色色散散为为零零，损损耗耗又又最最小。小。第三十八页，共42页。G.654光光纤纤称称为为截截止止波波长长光光纤纤，其其特特点点是是在在波波长长1.31m处处色色散散为为零零，在在1.55m处处色色散散为为1720ps/nmkm，和和G.652光光纤纤相同相同(xin tn)。G.655光光纤纤称称为为非非零零色色散散位位移移光光纤纤，是一种改进的色散位移光纤。是一种改进的色散位移光纤。第三十九页，共42页。第四十页，共42页。第四十一页，共42页。第四十二页，共42页。