江汉大学江汉大学第五章第五章 光纤的特征参数与测试技术光纤的特征参数与测试技术 限制光纤通信发展的三个重要因素：限制光纤通信发展的三个重要因素：损耗：损耗：光在传输时引起能量的损耗，需中继器进行能量补充，传输距离短；色散：色散：作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间串扰，误码率增加造成失真；非线性：非线性：引起DWDM传输信道串扰。 1江汉大学江汉大学 5.1 光纤的损耗光纤的损耗 2江汉大学江汉大学 5.1 光纤的损耗光纤的损耗 重要数据重要数据: 0.5dB0.9; 1dB0.8; 2dB.6; 3dB0.5; 10dB0.1 20dB0.01定义：单位长度光纤光功率衰减分贝数。定义：单位长度光纤光功率衰减分贝数。损耗的来源：损耗的来源：1.光纤材料的吸收与散射损耗光纤材料的吸收与散射损耗2.光纤的微弯与宏弯损耗光纤的微弯与宏弯损耗3.光纤的连接与耦合损耗光纤的连接与耦合损耗3第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学光纤的损耗分类光纤的损耗分类4第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学5.1.1 光纤材料的吸收损耗光纤材料的吸收损耗 1.基质材料的本征吸收基质材料的本征吸收2.杂质吸收杂质吸收3. 原子缺陷吸收原子缺陷吸收5第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学1. 基质材料的本征吸收基质材料的本征吸收 紫外本征吸收紫外本征吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围 0.71.6m 0.05dB/km6第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学晶格红外本征吸收红外本征吸收光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗其振动加剧，从而引起的损耗振动或声子吸收带振动或声子吸收带 9.1、12.5、21m 峰值峰值 1010dB/km 材料受到热激励热激励 - 结构不完善强粒子辐射辐射 - 材料共价键断裂 - 原子缺陷吸收光能，引起损耗11第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学Optical Fiber Attenuation12第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学不断拓展的光纤窗口波长不断拓展的光纤窗口波长 20042004年年13第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学5.1.2 散射损耗散射损耗 1.瑞利散射瑞利散射The Lord Rayleigh John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh Rayleigh scattering is more dramatic after sunset. This picture was taken about one hour after sunset at 500m altitude, looking at the horizon where the sun had set. 特点：不可能消除的损耗特点：不可能消除的损耗Figure showing the greater proportion of blue light scattered by the atmosphere relative to red light. 14第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学瑞利散射的机制瑞利散射的机制在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起光的散射。光的散射。是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。A，B是与石英和掺杂材料有关的常数。是与石英和掺杂材料有关的常数。是相是相对对折射率差折射率差0是工作波是工作波长长0=1.55m =0.3% 0.16dB/km0=1.3m 0.32dB/km本征散射和本征吸收一本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最起构成了损耗的理论最小值小值15第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学标准单模光纤损耗曲线掺掺GeO2的低损耗、低的低损耗、低OH含量石英光纤含量石英光纤OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：逼近本征损耗：逼近本征损耗单模：本征损耗单模：本征损耗+OH吸收损耗吸收损耗常温且未暴露常温且未暴露在强辐射下在强辐射下16第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：多模光纤的损耗大于单模光纤：v多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大本征散射大)v由于纤芯由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤17第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学2.受激喇曼散射与受激布里渊散射受激喇曼散射与受激布里渊散射特点：非线性散射特点：非线性散射 产生新的频率分量产生新的频率分量机理：机理： 光光 新光波长新光波长+声子声子散射散射非线性的散射。即当光功率超过某一阈值时，才能非线性的散射。即当光功率超过某一阈值时，才能激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输较低激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输较低的系统中可以不考虑，但在传输较高（的系统中可以不考虑，但在传输较高（Gb/s）的系）的系统中要考虑。统中要考虑。18第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学 5.1.3 光纤的弯曲损耗光纤的弯曲损耗 光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层中或穿过包层 成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于生损耗。当弯曲半径大于510cm时，由弯曲造成时，由弯曲造成的损耗可以忽略。的损耗可以忽略。宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变微微 弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲 19第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学物理机制物理机制光纤发生弯曲光纤发生弯曲全反射条件破坏全反射条件破坏约束能力下降约束能力下降导摸转化为辐射摸导摸转化为辐射摸能量逸出能量逸出光功率损失光功率损失损耗机理损耗机理20第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学21第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学 高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！22第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学1. 宏弯损耗宏弯损耗23第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学2.过渡弯曲损耗过渡弯曲损耗 直 弯曲模场不匹配导摸与漏模之间相互耦合功率损失24第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学损耗分析损耗分析损耗的机理：由于光纤由损耗的机理：由于光纤由“直直”突然变突然变“弯曲弯曲”或各段波导弯曲不一致或各段波导弯曲不一致,引起引起模场的不匹配模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相互耦合导致导模与漏模之间的相互耦合, 并损失功率。并损失功率。 损耗分析：等效折射率方法损耗分析：等效折射率方法v弯曲光纤中的场可以看成某一等效弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤折射率分布下直光纤v弯曲光纤传播常数弯曲光纤传播常数v产生相移产生相移exp(-iLz)v满足波导场方程满足波导场方程vr增加导致增加导致ne(r)增加，场分布拓展增加，场分布拓展 导模向漏模转化导模向漏模转化,引起功率泄漏引起功率泄漏造成造成“过渡损耗过渡损耗”。v 损耗计算公式：损耗计算公式：25第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学弯曲损耗与模场直径的关系P包层包层1 P包层包层2Loss模场直径小模场直径小 Loss模场直径大模场直径大Loss低阶模低阶模 Loss高阶模高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环模式剥离器：将光纤缠绕成环26第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学3. 微弯曲损耗微弯曲损耗v单模光纤微弯损耗单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径主要取决于模场半径W0,相对折射率差相对折射率差和纤和纤轴的畸变。轴的畸变。 v经验公式：经验公式：v模场半径模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升 27第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：导致的后果：造成能量辐射损耗造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生微弯损耗与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生微弯损耗28第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗宏弯损耗微弯微弯损耗损耗基本损耗基本损耗l增加，V减少，W0越大长波长处附加损耗显著29第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光纤：花费钟爱光纤：花费230亿美元配置了亿美元配置了12.9万公里长的光万公里长的光纤，直接连到纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减遇到困境：宏弯引起信号衰减30第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学新技术：抗宏弯的柔性光纤Photonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康宁公司帮组康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在已在2500万户家庭中安装万户家庭中安装日本日本NTT也完成了这种光纤的研制也完成了这种光纤的研制31第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学柔性光纤的优点对光的约束增强对光的约束增强在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离可以实现光纤色散的灵活设计可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强抗侧压性能增强32第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学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的损耗系的损耗系数为数为0.2 dB/km。光纤损耗的度量33第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学损耗的补偿办法：放大电放大电放大光光电电光光2.5 0.6 0.6 m3全光放大全光放大EDFA拉曼放大器拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器34第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学5.2 光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽随着光脉冲在光纤中传输随着光脉冲在光纤