《光纤传输特性》PPT课件.ppt
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1、2.3 光纤传输特性光纤传输特性n n光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,任何信号均能以相同速度任何信号均能以相同速度任何信号均能以
2、相同速度任何信号均能以相同速度无损无畸变无损无畸变无损无畸变无损无畸变地传输。地传输。地传输。地传输。n n但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗损耗损耗损耗和色散和色散和色散和色散,当信号强度较高时还存在非线性。,当信号强度较高时还存在非线性。,当信号强度较高时还存在非线性。,当信号强度较高时还存在非线性。光纤性能是有限制的,随着信道数据率和传光纤性能是有限制的,随着信道数据率和传光纤性能是有限制的,随着信道数据率和传光纤性能是有限制的,随着信道数据率和传输距离的增加,输距离的增加,
3、输距离的增加,输距离的增加,光纤不再是一个透明管道光纤不再是一个透明管道光纤不再是一个透明管道光纤不再是一个透明管道.50%more DWDM channels!3rd4th5thAllWave vs.Conventional FiberMore Usable Optical SpectrumAllWave(全波全波)光纤光纤范崇澄 FS-89光纤的损耗机理光纤的损耗机理(2)n n瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。n n由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于
4、制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。n n大小与大小与大小与大小与 4 4成反比,成反比,成反比,成反比,RRC/C/4 4(dB/kmdB/km)因而主要作因而主要作因而主要作因而主要作用在短波长区。用在短波长区。用在短波长区。用在短波长区。n n瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确瑞利散射损耗对光纤来说
5、是其本身固有的,因而它确瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。n n在在在在1.55 1.55 mm波段,波段,波段,波段,瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 0.120.16 dB/kmdB/km ,是该段损耗的主要原因。,是该段损耗的主要原因。,是该段损耗的主要原因。,是该段损耗的主要原因。光纤的损耗机理光纤的损耗机理(3)n n辐射损耗又称弯曲损耗辐射损耗又称弯曲损耗辐射损耗又称弯曲损耗辐射损耗又称弯曲损耗,包括两类
6、:一是弯曲半径远大,包括两类:一是弯曲半径远大,包括两类:一是弯曲半径远大,包括两类:一是弯曲半径远大于光纤直径,二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。于光纤直径,二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。于光纤直径,二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。于光纤直径,二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。n n定性解释定性解释定性解释定性解释:导模的部分能量在光纤包层中(消失场拖尾):导模的部分能量在光纤包层中(消失场拖尾):导模的部分能量在光纤包层中(消失场拖尾):导模的部分能量在光纤包层中(消失场拖尾)于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时,离中心较远的于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时,离中心较远的于纤
7、芯中的场一起传输。当发生弯曲时,离中心较远的于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时,离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进,以便与纤芯中的场一消失场尾部须以较大的速度行进,以便与纤芯中的场一消失场尾部须以较大的速度行进,以便与纤芯中的场一消失场尾部须以较大的速度行进,以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进,由于这是不可能的,因此这部分场将辐速的速度前进,由于这是不可能的,因此这部分场将辐速的速度前进,由于这是不可能
8、的,因此这部分场将辐速的速度前进,由于这是不可能的,因此这部分场将辐射出去而损耗掉。射出去而损耗掉。射出去而损耗掉。射出去而损耗掉。图图 2.16光纤损耗谱光纤损耗谱(a)三种实用光纤;三种实用光纤;(b)优质单模光纤优质单模光纤 2.3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性2.3.2 光纤的色散特性及色散限制光纤的色散特性及色散限制2.3 光纤传输特性光纤传输特性DispersionDispersion色散色散2.3.2 2.3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性光纤色散:光纤色散:光纤色散:光纤色散:信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中
9、信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同,而引起的信号畸变。传输速度不同,而引起的信号畸变。传输速度不同,而引起的信号畸变。传输速度不同,而引起的信号畸变。将引起光脉将引起光脉将引起光脉将引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响通信距离和容量。冲展宽和码间串扰,最终影响通信距离和容量。冲展宽和码间串扰,最终影响通信距离和容量。冲展宽和码间串扰,最终影响通信距离和容量。色散类型色散类型 模间色散模间色散模间色散模间色散:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速度不同和脉冲展宽度不同
10、和脉冲展宽度不同和脉冲展宽度不同和脉冲展宽(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)波导色散波导色散波导色散波导色散 ():传播常数随频率变化:传播常数随频率变化:传播常数随频率变化:传播常数随频率变化 材料色散材料色散材料色散材料色散 n(n():折射率随频率变化折射率随频率变化折射率随频率变化折射率随频率变化波长色散波长色散波长色散波长色散群速色散群速色散(GVD)n n由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量,脉冲的不同频率分量将
11、以不同的群的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,这种现象称为这种现象称为这种现象称为这种现象称为群速色散(群速色散(群速色散(群速色散(GVDGVD)、模内色散或简)、模内色散或简)、模内色散或简)、模内色散或简言之光纤色散。言之光纤色散。言之光纤色散。言之光纤色散。包括材料色散和波导色散。包括材料色散和波导色散。包括材料色散和波导色
12、散。包括材料色散和波导色散。同一媒质对不同波长的光,具有不同的折射率;在对可见光为透明的媒质内,折射率常随波长的减小而增大,即红光的折射率最小,紫光的折射率最大。群时延是频率的函数群时延是频率的函数群时延是频率的函数群时延是频率的函数,因此任意频谱分量传播,因此任意频谱分量传播,因此任意频谱分量传播,因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。相同距离所需的时间都不一样。相同距离所需的时间都不一样。相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间
13、的推移而展宽。而我们所关心的就是由随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度。群时延:群时延:群时延:群时延:频率为频率为频率为频率为 的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为L L的单模光的单模光的单模光的单模光纤时的时延。纤时的时延。纤时的时延。纤时的时延。群时延群时延光脉冲展宽光脉冲展宽n n以色散参数以色散参数以色散参数以色散参数DDps/(nm.km)ps/(nm.km)表达脉冲展
14、宽表达脉冲展宽表达脉冲展宽表达脉冲展宽 D D的定义为:的定义为:的定义为:的定义为:DD代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为1nm1nm的光波传输的光波传输的光波传输的光波传输1km1km距离后的时延距离后的时延距离后的时延距离后的时延脉冲展宽:脉冲展宽:脉冲展宽:脉冲展宽:以波长单位表达以波长单位表达以波长单位表达以波长单位表达的光信号谱宽的光信号谱宽的光信号谱宽的光信号谱宽单模光纤的色散单模光纤的色散n n材料色散材料色散材料色散材料色散DDMM,纤芯材料的纤芯材料的纤芯材料的纤芯材料的折射率随波长变化折射率随波长变化折射率随波长变化折射率随波长变化导
15、导导导致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径,也会发生脉冲展宽。全相同的路径,也会发生脉冲展宽。全相同的路径,也会发生脉冲展宽。全相同的路径,也会发生脉冲展宽。n n波导色散波导色散波导色散波导色散DDWW ,由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约8080的的的的光功率在纤芯中传播,光功率在纤芯中传播,光功率在纤芯中传播,光功率在纤芯中传播,2020在包层中传播的光在包层中传播的光在包层中传播的光在包层中传播的光
16、功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计。导色散的大小取决于光纤的设计。导色散的大小取决于光纤的设计。导色散的大小取决于光纤的设计。单模光纤的色散单模光纤的色散零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长17ps/nm.k17ps/nm.km1550nmm1550nmD=DD=DMM+D+DWWDispersion of“Standard”Dispersion of“Standard”Single-Mode FiberSingle-Mode F
17、iber DD 正常色散区正常色散区正常色散区正常色散区D0 D DD 反常色散区反常色散区反常色散区反常色散区D0D0兰快红慢兰快红慢兰快红慢兰快红慢光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量(兰移)比较低的频率分(兰移)比较低的频率分(兰移)比较低的频率分(兰移)比较低的频率分量(红移)传输得快量(红移)传输得快量(红移)传输得快量(红移)传输得快零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长DD折射率随波长增大而减小折射率随波长增大而减小折射率随波长增大而减小折射率随波长增大而减小,从而从而从而从而,波长越短波长越短波长越短波长越短,折射率越大折射
18、率越大折射率越大折射率越大,介质中光速也就越介质中光速也就越介质中光速也就越介质中光速也就越慢慢慢慢n n波导色散波导色散波导色散波导色散DDWW对对对对DD的影响依赖于光纤设计参数,如纤芯半径的影响依赖于光纤设计参数,如纤芯半径的影响依赖于光纤设计参数,如纤芯半径的影响依赖于光纤设计参数,如纤芯半径和芯包层折射率差和芯包层折射率差和芯包层折射率差和芯包层折射率差 。根据光纤的这种特性,可改变光。根据光纤的这种特性,可改变光。根据光纤的这种特性,可改变光。根据光纤的这种特性,可改变光纤的色散情况,进行色散位移。纤的色散情况,进行色散位移。纤的色散情况,进行色散位移。纤的色散情况,进行色散位移。
19、色散位移色散位移G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减(dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减(dB/km)(dB/km)1600170
20、014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDM信信号传输速度相近号传输速度相近四波混频四波混频FWM严重严重Problem四波混频四波混频FWMFWM 引起信道串扰引起信道串扰G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减(dB/km)(dB/km)160017001
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