1、第三章光纤的损耗和色散 主要内容 光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化 3 1光纤的损耗 即便是在理想的光纤中都存在损耗 本征损耗 光纤的损耗限制了光信号的传播距离 这些损耗主要包括 1 吸收损耗2 散射损耗3 弯曲损耗 损耗 吸收损耗 原子缺陷吸收 由于光纤材料的原子结构的不完整造成 非本征吸收 由过渡金属离子和氢氧根离子 OH 等杂质对光的吸收而产生的损耗 本征吸收 材料本身 如SiO2 的特性决定 即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收 本征吸收 1 紫外吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级 同时引起入射光的能量损耗 一般发生在短波长范围 晶格
2、2 红外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 使其振动加剧 从而引起的损耗 本征吸收曲线 非本征吸收 光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH 吸收峰 2dB 解决方法 1 光纤材料化学提纯 比如达到99 9999999 的纯度 OH 和过渡金属离子 如铁 钴 镍 铜 锰 铬等 2 制造工艺上改进 如避免使用氢氧焰加热 汽相轴向沉积法 原子缺陷吸收 1rad Si 0 01J kg 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动 光纤制造 材料受到热激励 结构不完善 强粒子辐射 材料共价键断裂 原子缺陷 吸收光能 引起损耗 散射损耗 光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善
3、导致散射现象1 瑞利散射2 波导散射 瑞利散射 波导在小于光波长尺度上的不均匀 分子密度分布不均匀 掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射瑞利散射一般发生在短波长 本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值 波导散射 导致的原因是波导缺陷 纤芯和包层的界面不完备 圆度不均匀 残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射 标准单模光纤损耗曲线 掺GeO2的低损耗 低OH 含量石英光纤 OH 0 154dB km AllWavefiber AllWave 逼近本征损耗单模 本征损耗 OH 吸收损耗 常温且未暴露在强辐射下 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
4、于单模光纤 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 本征散射大 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 多模光纤 单模光纤 弯曲损耗 宏弯 曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加 弯曲损耗与模场直径的关系 P包层1 P包层2 Loss模场直径小 Loss模场直径大 Loss低阶模 Loss高阶模 模式剥离器 将光纤缠绕成环 微弯 微米级的高频弯曲 微弯的原因 光纤的生产过程中的带来的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导致的后果 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
5、发生宏弯损耗 宏弯和微弯对损耗的附加影响 宏弯损耗 微弯损耗 基本损耗 l增加 V减少 W0越大 长波长处附加损耗显著 宏弯带来的应用局限 Verizon的烦恼 Verizon钟爱光纤 花费230亿美元配置了12 9万公里长的光纤 直接连到180万用户家中 提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境 宏弯引起信号衰减 新技术 抗宏弯的柔性光纤 PhotonicCrystalFiber PhotonicBandgapFiber 康宁公司帮组Verison解决了问题 可弯曲 折返 打结 已在2500万户家庭中安装日本NTT也完成了这种光纤的研制 柔性光纤的优点 对光的约束增强在任意波
6、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减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强 光纤损耗的度量 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 可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性 其中L为光纤长度 标准单模光纤 SMF 在1550nm的损耗系数为0 2dB km 损耗的补偿办法 放大 电放大光 电 光2 5 0 6 0 6m3全光放大EDFA拉曼放大器0 05 0 3 0 2m3 掺铒光纤放大器 主要内容 光纤的损耗色散及其引起的信号失真单模光纤的色散优化 3 2色散引起的信号失真 光信号包含不同的频率 模式 偏振分量 f 光源输出有一定谱宽 100KHz
7、 10MHz 信号具有不同的频谱分量 色散的定义 分类 1 模内色散 材料色散 波导色散2 模间色散3 偏振模色散 色散使信号不同的成分传播速度不同 使信号在目的端产生码间干扰 给信号的最后判决造成困难 l1 l2 l3 l1 l2 l3 模内色散 材料色散 光纤材料对不同的频率成份折射率 传播速率 不同 单模光纤中传播模80 能量在纤芯20 能量在包层 模内色散 波导色散 信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度 模内色散 群速度色散 GVD 信号分量的群速率是频率 波长的函数 即不同的频率分量间存在群时延差 信号在传输了距离L后 频率分量w经历的延时为 对于一个谱宽为Dw的脉
8、冲 那么脉冲展宽的多少可以由下式决定 GVD参数 群速度色散 通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽 根据w和l之间的关系 代入DT中 那么可以得到 其中D l 称为色散系数 ps km nm 标准单模光纤在1550nm处色散系数为 17ps km nm 正色散 负色散和零色散 1 色散系数D为正 负色散b2v低频光2 色散系数D为负 正色散b2 0v高频光 v低频光3 色散系数D为零 零色散 材料色散 光纤的折射率是波长的函数n l 不同的波长的传播函数b不同 可以得到传播了L后由Dl所带来的群延时差为 Dm为材料色散系数 减小材料色散 选择谱宽窄的光源 波导色散 假设纤芯和包层的折射率与波长无关
9、 而且折射率差D n1 n2 n1非常小 传播函数b近似等于 可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为 其中V为归一化频率 进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽 其中 标准单模光纤总的模内色散 材料色散的影响一般大于波导色散 Dm Dw 波导色散系数通常为负值 总色散系数D Dm Dw 模内色散影响下的光纤带宽 宽谱光源 Dl比较大的时候 单模光纤带宽 例 考虑一个工作在1550nm的系统 光源谱宽为15nm 使用标准单模光纤D 17ps km nm 那么系统带宽和距离乘积 BL 1Gb s km 带宽距离积 模内色散对传输带宽的影响 不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系结论 1
10、光源线宽越宽色散越严重2 零色散光纤对提高系统性能作用明显 对于高速光链路 40Gb s 色散成为首要考虑的因素之一 模间色散 多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散 对于子午光线 经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为 DL为两种模式的光程差 偏振模色散 PMD 双折射效应导致了偏振模色散 光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同 PMD的外部因素及其特点 外部因素 环境变化如振动 温度 应力等特点 具有很强的不稳定性和突发性因此 PMD补偿的难度比较大 补偿方法目前尚无定论 PMD对传输的影响 PMD对 40 Gb s传输系统的影响将更加显著 主要内容 光纤的损耗色散及
11、其引起的信号失真单模光纤的色散优化 3 5单模光纤的色散优化设计 1550nm G 653色散位移光纤 让损耗和色散最低点都在1550nm 办法 材料色散不变 通过改变折射率剖面形状来增大波导色散 使零色散点往长波长方向移动 普通商用光纤 色散位移光纤 G 656色散平坦光纤 在较大的范围内保持相近的色散值 适用于波分复用系统 普通商用光纤 色散平坦光纤 色散补偿光纤 DCF 正负色散率搭配使系统累积色散为零 缺点 1 高损耗 2 短波长过补偿 长波长欠补偿 不宜用于WDM系统 中途谱反转技术 非线性器件 等长 色散性质相同的光纤 利用光纤光栅 FBG 进行色散补偿 注 FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件
