光纤通信原理第2章光纤3特性--36课时课件.ppt

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1、第二章 光纤(3)特性2.4 光纤的损耗特性2.5 光纤的色散特性及带宽第二章 光纤3光纤的传输特性2.4 光纤的损耗特性光纤的损耗常数p（1/km)用dB表示的损耗常数(dB/km)思考：思考：为何使用为何使用dB?dB?图图2.4.1 2.4.1 光纤链路的各种损耗光纤链路的各种损耗材料吸收损耗（本征）材料吸收损耗（本征）红外吸收、紫外吸收OH-吸收金属离子吸收散射损耗散射损耗瑞丽散射波导散射非线性损耗功率非常大辐射损耗辐射损耗弯曲损耗光源光源1260126013601360146014601530 1530 1565156516251625O OE ES SU U80nm180nm131

2、0波段1550波段图2.4.2 光纤损耗谱特性材料吸材料吸收损耗收损耗金属离子吸收损耗：金属离子吸收损耗：吸收峰复杂，范围在500nm1100nm，目前的工艺技术已经基本解决。OH根吸收损耗：根吸收损耗：石英的O-H键的吸收峰=2.73 m，与Si-O键震动峰相互作用，在950nm、1240nm、1390nm处产生吸收峰，对1310 nm处的损耗贡献0.3dB/km，1550nm约0.2 0.3dB/km；目前的工艺技术已经基本解决。1260126013601360146014601530 1530 1565156516251625O OE ES SU U80nm180nm1310波段1550

3、波段图2.4.2 光纤损耗谱特性散射损耗散射损耗瑞利吸收损耗：瑞利吸收损耗：光纤热熔拉制过程中产生的局部折射率变化，损耗正比于-4，对1310 nm处的损耗贡献0.2dB/km，1550nm忽略1260126013601360146014601530 1530 1565156516251625O OE ES SU U80nm180nm1310波段1550波段图2.4.2 光纤损耗谱特性散射损耗散射损耗波导吸收损耗：波导吸收损耗：光纤热熔拉制过程中产生的局部直径变化，导模转换成辐射模；全波段影响；目前工艺已解决，忽略非线性损耗：非线性损耗：光纤中光功率很高时的四波混频、受激喇嘛散射 等产生的能量

4、转移（波长变化）；WDM系统影响大。2.5 光纤的色散特性n单模光纤色散概念单模光纤色散概念：n由于某种原因造成含有多种波长成分光源多种波长成分光源的光束以不同的群速度在光纤中传输而产生的时间差时间差时间差时间差，造成所传输的脉冲宽度展宽脉冲宽度展宽脉冲宽度展宽脉冲宽度展宽n单模光纤色散产生的条件单模光纤色散产生的条件n光源光源：LD不是“纯单色光源”（0）n光纤光纤：色散系数（ps/nm*km）不为0n色散类别色散类别n n模间色散模间色散模间色散模间色散-多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤n模式色散-不同模式的光程差n n模内色散模内色散模内色散模内色散-单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤n材

5、料色散-材料折射率随波长的非线性变化n波导色散-包层模与传导模间的群速度差n偏振色散-不同偏振模式间的群速度差简单的理解：简单的理解：1.MMF：V一定，一定，L不一样不一样2.SMF：L一定，一定，v不一样不一样多模阶跃光纤色散概念多模阶跃光纤色散概念：不同模式光线在光纤中走过的路程不同产生的时间差色散的定量描述n群速度-电磁波某种模式的能量传输速度n群时延-光脉冲沿单位长度光纤传播的延迟时间n群时延差群时延差-某特定模式内的最大与最小光谱成分传输一定距离后产生的时间差n色散系数色散系数DX-产生色散的原因；单位长度、单位波长差产生的延时2.5.52.5.62.5.2 材料色散和波导色散2）

6、波导色散波导特性由波导参数决定波导结构参数：V和b分别为归一化频率与归一化传播常数图2.5.2 Vb的一阶及二阶微分与V的关系单模光纤=0.01，n2=1.5，单模传输时，V22.4，其二阶导数值约为0.2，ps/(nmkm）2.5.14包层模与传导模间的群速度差波导色散系数的特点：波导色散系数的特点：1、绝对值为负；2、大小与波长成反比；3、大小与V相关光纤芯径光纤芯径越小波导色散越大越小波导色散越大?图2.3.5 LP模光功率分布与V的关系归一化频率定义：1、V的物理意义：光纤的结构参数光纤的结构参数2、光纤芯径a越小，V越小，包层中的光能量越多，芯层中的光能量越越少3、折射率为n的介质中

7、，光 电传播速度为 ，而 ，所以，包层中的光的传播速度快于芯层2.5.4 偏振色散 偏振模色散也称为极化色散，用p表示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给出粗略的概念。单模光纤中可能同时存在LP01x和LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两种模式的交替。当光纤中存在着双折射现象时，两个极化正交的LP01x和LP01y模传播常数x和y不相等。对于弱导光纤，y和x之差可以近似地表示为：式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射率。偏振产生的延时为2.5.6 光纤的传输带宽n脉冲展宽与带宽的关系图2.5.9 光纤沿线相邻脉冲的展宽及衰减图2.5.1

8、0 光纤的脉冲响应定义：定义：相连两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最大脉冲速率对应的带宽为该光纤链路的频带宽度最大可用带宽傅里叶变换傅里叶变换注意注意：光纤带宽是长度的函数，一般指：1km长度光纤的带宽数学表述研究表明：光在光纤中传输，由于色散产生脉冲展宽经过傅里叶变研究表明：光在光纤中传输，由于色散产生脉冲展宽经过傅里叶变换到频域相当于光纤的带宽变窄；假设输出脉冲服从高斯分布换到频域相当于光纤的带宽变窄；假设输出脉冲服从高斯分布经过傅里叶变换经过傅里叶变换2.5.32定义定义3dB3dB带宽为：带宽为：2.5.34 为均方根脉冲展宽为均方根脉冲展宽2.5.37L L L L公里长度光纤的总带宽公

9、里长度光纤的总带宽公里长度光纤的总带宽公里长度光纤的总带宽f f f f单模光纤：y=1多模光纤：y=0.5-0.91km1km长度光纤！长度光纤！n分别计算多模阶跃光纤（n1=1.5,=0.01）、渐变光纤(n1=1.5,=0.01）、单模光纤（0色散点附近，D=1ps/nmkm，LD的=1nm）的-3dB带宽，设光源的脉冲宽度很小忽略不计答：利用公式答：利用公式多模阶跃光纤：多模阶跃光纤：多模渐变光纤：多模渐变光纤：单模阶跃光纤：单模阶跃光纤：单模阶跃光纤：单模阶跃光纤：P52公式2.5.37下面几个结果的计算光纤中脉冲总展宽：光纤中脉冲总展宽：光纤中脉冲总展宽：光纤中脉冲总展宽：2.5.

10、28补充：光纤带宽的测量补充：光纤带宽的测量网络分析仪O/EE/O光纤光纤输出输出输入输入E/O:光源带宽；光源带宽；O/E：探测器带宽：探测器带宽光功率正比于光检测器输出的光电流，而电功率正比于电流电压乘积光功率正比于光检测器输出的光电流，而电功率正比于电流电压乘积从上式中可以看出，从上式中可以看出，从上式中可以看出，从上式中可以看出，-3dB-3dB光带宽对应于光带宽对应于光带宽对应于光带宽对应于-6dB-6dB电带宽电带宽电带宽电带宽电功率测量仪器光带宽光带宽光带宽光带宽电带宽电带宽电带宽电带宽思考题1.理解图2.4.2光纤损耗谱特性曲线，试说明影响1310nm和1550nm波段光纤损耗的主要原因是什么？如何解决？2.试阐述本征吸收损耗、散射损耗、辐射损耗的物理机理；3.什么是色散？对光纤通信系统的危害是什么？4.单模光纤中的材料色散、模式色散的机理和色散系数的数学表达式的物理意义；5.色散位移光纤的物理机理；6.脉冲展宽与光纤带宽的关系？