第03章光纤的传输特性精选文档.ppt

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1、第第03章光纤的传输特性章光纤的传输特性本讲稿第一页，共四十二页3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性3.1.1 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决决定定的的，称称为为本本征征吸收损耗。吸收损耗。本讲稿第二页，共四十二页1.本征吸收损耗本征吸收损耗在光学波长及其附近有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。两种基本的吸收方式。(1)紫外吸收损耗紫紫外外吸吸收收损损耗

2、耗是是由由光光纤纤中中传传输输的的光光子子流流将将光光纤纤材材料料中中的的电电子子从从低低能能级级激激发发到到高高能能级级时时，光光子子流流中中的的能能量量将将被被电电子子吸吸收收，从而引起的损耗。从而引起的损耗。本讲稿第三页，共四十二页(2)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，从从而而引引起起的的损损耗。耗。2.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有有过过渡渡金金属属离离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和子，如铁、钴、镍、铜、

3、锰、铬等和OH。本讲稿第四页，共四十二页3.原子缺陷吸收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，从从而而吸吸收收光光能能，引引起起损损耗耗，其其峰峰值值吸吸收收波波长长约约为为630nm左右。左右。本讲稿第五页，共四十二页3.1.2 散射损耗1.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、尺尺寸寸、形形状状和和折折射射率

4、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功功率率成成线线性关系，所以称为线性散射损耗。性关系，所以称为线性散射损耗。本讲稿第六页，共四十二页(1)瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。属于固有散射。对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗耗也是一种本征

5、损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。一起构成光纤损耗的理论极限值。本讲稿第七页，共四十二页(2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)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、光光纤纤中中残留气泡和裂痕等等。残留气泡和裂痕等等。本讲稿第八页，共四十二页2.非线性散射损耗光纤中存在两种非线性散射，它们都光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别

6、为受与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。激喇曼散射和受激布里渊散射。本讲稿第九页，共四十二页3.1.3 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，这这种种高高频频弯弯曲曲习习惯惯称称为为微弯。微弯。本讲稿第十页，共四十二页在光缆的生产、接续和施工过程中，在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。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

7、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。本讲稿第十一页，共四十二页3.1.4 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，单位是单位是dB/km。用数学表

8、达式表示为：。用数学表达式表示为：本讲稿第十二页，共四十二页式中：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分别为光纤的输入和输出光功率，分别为光纤的输入和输出光功率，以以mW或或W为单位。为单位。本讲稿第十三页，共四十二页3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性3.2.1 色散的概念3.2.2 模式色散所所谓谓模模式式色色散散，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度不同所造成的时延差。速度不同所造成的时延差。本讲稿第十四页，共四十二页1.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

9、播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光线和光线到达终端的时延差。到达终端的时延差。本讲稿第十五页，共四十二页图图3.6 阶跃型光纤的模式色散阶跃型光纤的模式色散本讲稿第十六页，共四十二页2.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，从从而而模模式式色色散散引引起起的的光光脉脉冲

10、冲展宽将很小。展宽将很小。本讲稿第十七页，共四十二页3.2.3 材料色散一一般般情情况况下下，材材料料色色散散往往往往是是用用色色散散系系数数这这个个物物理理量量来来衡衡量量，色色散散系系数数定定义义为为单单位位波波长长间间隔隔内内各各频频率率成成份份通通过过单单位位长长度度光光纤纤所所产产生生的的色色散散，用用D()表表示示，单单位位是是ps/（nmkm）。）。本讲稿第十八页，共四十二页2.材料色散在在已已知知材材料料色色散散系系数数的的前前提提下下，材材料料色色散散的的表表达达式式可可根根据据色色散散系系数数的的定定义义导导出出，材料色散用材料色散用m表示。表示。m()=Dm()L式式(3

11、-25)中：中：为光源的谱线宽度，为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；的波长范围；L是光纤的传播长度。是光纤的传播长度。本讲稿第十九页，共四十二页3.2.4 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结结构构参参数数的的函函数数，所所以以式式(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数，用系数，用Dw()表示。表示。本讲稿第二十页，共四十二页3.2.5 极化色散极

12、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粗略的概念。出粗略的概念。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化而出现这两种模式的交替。变化而出现这两种模式的交替。本讲稿第二十一页，共四十二页当当光光纤纤中中存存在在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

13、导光光纤纤，y和和x之之差差可可以以近近似地表示为：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。本讲稿第二十二页，共四十二页3.2.6 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色散的共同影响。色散的共同影响。本讲稿第二十三页，共四十二页3.2.7 光纤的色散和带宽对通信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

14、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，就就会会受到严重衰减，如图受到严重衰减，如图3.12所示。所示。本讲稿第二十四页，共四十二页图图3.12 光纤的带宽光纤的带宽(f为调制信号频率为调制信号频率)本讲稿第二十五页，共四十二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

15、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对对应应的的频频率率，故故也也称称为为3dB光光带带宽宽。可用式可用式(3-33)表示。表示。本讲稿第二十六页，共四十二页光光功功率率总总是是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流正正比比于于被被检检测测的的光光功率，于是：功率，于是：从从式式(3-34)中中可可以以看看出出，3dB光光带带宽宽对对应于应于6dB电带宽。电带宽。本讲稿第二十七页，共四十二页1.色散与带宽的关系既既然然脉脉冲冲展展宽宽、色色散散和和带

16、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，那那么么它它们们之之间间必必然然存存在在着一定的联系。着一定的联系。2.模式畸变带宽和波长色散带宽由由于于总总色色散散包包括括模模式式色色散散、材材料料色色散散和和波波导导色色散散，所所以以光光纤纤的的总总带带宽宽也也可可表表示示为：为：本讲稿第二十八页，共四十二页式式中中：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带带宽宽；Bc是是由由材材料料色色散散和和波波导导色色散散引引起起的波长色散带宽。的波长色散带宽。本讲稿第二十九页，共四十二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

17、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)，其其中中材材料料色色散占主导地位。散占主导地位。本讲稿第三十页，共四十二页3.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带宽里带宽B的关系如下：的关系如下：BT=BL-式式中中：L是是光光纤纤的的制制造造长长度

18、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有有关关，一一般般在在0.51.0之之间间(多多模光纤取模光纤取0.50.9，单模光纤，单模光纤1)。本讲稿第三十一页，共四十二页3.3 成缆对光纤特性的影响成缆对光纤特性的影响3.3.1 光缆特性1.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，一一般般要要求求大大于于1km光缆的重量，多数光缆在光缆的重量，多数光缆在100400kg范围。范围。本讲稿第三十二页，共四十二页2.压力特性光缆能承受的最大侧压力取决于护套

19、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的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在压力在100400kg/10cm。3.弯曲特性弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差对折射率差以及光缆的材料和结构。以及光缆的材料和结构。4.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。本讲稿第三十三页，共四十二页3.3.2 成缆对光纤特性的影响1.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后后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。会带来附加损耗，称之为成缆损耗。2.成缆可以改善光纤的温度特性套套塑塑光光

20、纤纤或或带带有有表表面面涂涂层层的的光光纤纤，它它的损耗随温度变化如图的损耗随温度变化如图3.14中虚线所示。中虚线所示。本讲稿第三十四页，共四十二页图3.14 光纤和光缆的温度特征本讲稿第三十五页，共四十二页把光纤制成光缆，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.机械强度增加这这一一点点是是很很显显然然的的。一一般般光光纤纤的的断断点点强强度度约约为为15kg，而而由由于于光光缆缆结结构构中中加加入入了了加加强强构构件件、护护套套、甚甚至至铠铠装装层层等等，因因此此其其断断点点强强度度远远大大于于上上述述值值；不

21、不仅仅如如此此，光光缆缆的的抗抗侧侧压压、抗抗冲冲击击和和抗抗扭扭曲曲性性能能都都有有明明显增强。显增强。本讲稿第三十六页，共四十二页3.4 典型光纤参数典型光纤参数目目前前，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容量、中短距离的通信系统中。小容量、中短距离的通信系统中。

22、本讲稿第三十七页，共四十二页G.652光光纤纤称称为为常常规规单单模模光光纤纤，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，系系统统的的传传输距离一般只受损耗的限制。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。本讲稿第三十八页，共四十二页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。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。本讲稿第三十九页，共四十二页本讲稿第四十页，共四十二页本讲稿第四十一页，共四十二页本讲稿第四十二页，共四十二页