Transcript 3.1 光纤的损耗特性
第三章 光纤中的信号劣化 3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性 3.4 单模光纤的优化设计 相关问题： 光纤中信号衰减的机理是什么样的？ 为什么光信号在光纤中传播的时候会 产生失真？ 失真会严重到什么程度？ 即使是最好的光纤，光从它的一端传到 另一端，强度也会有所减弱。光纤中的信 号劣化与光纤的传输特性有关。光纤的传 输特性主要是指光纤的损耗特性、色散特 性和非线性特性。 3.1 光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加， 而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减 作用，称为光纤的损耗（或衰减）。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光 纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯 曲损耗三种损耗。 3.1.1 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属 离子和氢氧根离子(OH－)等杂质对光的吸收而产生的 损耗，包括: 1. 本征吸收损耗 2. 杂质吸收损耗 3. 原子缺陷吸收损耗 1. 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。 (1) 紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到 高能级时，光子流中的能量将被电子吸 收，从而引起的损耗。吸收峰在0.16m, 尾巴延伸至光纤通信波段,在短波长区达 1dB/km,长波长区约0.05 dB/km。 (2) 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，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。 Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在 9.1、12.5、21 m，尾巴延伸至1.5~1.7 m，造成光纤工作波长的上限。 2. 杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬 等和OH－。 OH离子吸收： O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波 长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在 1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.5~1.1 m)， 目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。 OH－吸收峰 解决方法： (1)对制造光纤的材料进行严格的化学 提纯，比如材料达到99.9999999%的 纯度 (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) 3. 通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或 光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶 格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损 耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。 800 人死亡 1 rad(Si) = 0.01 J/kg 光纤吸收损耗曲线 掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤 几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较 OH－ 0.154 dB/km 3.1.2 散射损耗 空气中浮游着无数的烟雾、尘粒，光照 射到这些微粒上，微粒把光朝四面八方散 射，微粒越多，光柱越亮，光的散射损耗 越大，照射的距离也就越短。这种散射叫 分子散射。一切物质都由分子构成，光纤 材料也不例外，所以散射损耗不可避免。 另有一种散射是由光纤材料的内部结构 不完整所引起，比如光纤中有气泡、杂质， 粗细不均匀，特别是纤芯包层的界面不平 滑，光传输到这里，也会被散射到各个方 面。 1. 任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布 等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引 起光纤传播模式散射性的损耗，由于这 类损耗所引起的损耗功率与传播模式的 功率成线性关系，所以称为线性散射损 耗。 (1) 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损 耗称为瑞利散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本 征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀， 进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变 化），引起光的散射--瑞利散射。大小与4成反比。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km，仍 是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内 工作，瑞利损耗的影响将会减小（3 m处约0.01 dB/km)， 但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。采用新型材 料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤。 (2) 波导散射损耗 在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些 随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤 芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光 纤中残留气泡和裂痕等等。 光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导 模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射 模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），目前的光 纤制造水平，可将芯径的变动控制到<1%，相应的散 射损耗<0.03 dB/km，可以忽略。 2. 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，分别为 受激喇曼散射和受激布里渊散射。 3.1.3 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率 半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们 习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴 线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习 惯称为微弯。 宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避 免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产 生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增 加。 场分布 消逝场 Cladding Core q q q < q q q > qc q R 高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模 微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光 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， 其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变 换引起的。微弯导致了导播模与泄漏模 或非导波模之间的重复性能量耦合。 微弯损耗 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 低阶模功率耦合到高阶模 高阶模功率损耗 减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套 宏弯和微弯对损耗的附加影响 基本损耗 宏弯损耗 微弯 损耗 光纤弯曲带来额外损耗 V 2a n12 2 1/ 2 n2 增加，V减少 2a NA 弯曲损耗随模场直径增加显著增加 3.1.4 为了衡量一根光纤损耗特性的好坏， 在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概 念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的 光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗 系数，单位是dB/km。用数学表达式表示 为： 式中：L为光纤长度，以km为单位；P1 和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以 mW或μW为单位。 在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在 1310nm和1550nm附近，即通常说的1310nm 窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分 为C-band（1525nm～1562nm）和L-band （1565nm～1610nm）。一般标准单模光纤 在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。如图所 示。 光纤的损耗特性 损耗的补偿办法：（1）电放大： 光电光 （2）全光放大： EDFA、拉曼放大器 3.2 光纤的色散特性 3.2.1 色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝 紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃） 或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的 折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度 不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。 自然光的色散 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些 频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽， 这就是光纤的色散，如图所示。色散一般用时延差来表示，所 谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的 时间之差。 色散引起的脉冲展宽示意图 色散分类 模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有） 材料色散：不同频率不同折射率 波导色散：不同频率不同模场分布 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度 t1 t2 t3 t4 脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。 因此，射散特性限制了光纤的传输容量。 色散描述方式 信号分量的群速率是频率/波长的函数： 1 2 vg 2c 1 即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L，频 率分量经历的延时为： L d T L vg d 假设输入脉冲的谱宽D不太宽，那么脉冲展宽的多少可以由 下式决定： dT d L d 2 DT D D L D L 2 D 2 d d vg d d 2 2 d 2 群速度色散(GVD)（ps2/km) 通常光源的谱宽用D来表示。根据和之间的关系 2c D 2c 2 D 代入DT中，那么可以得到： DT L2D L D D 其中D()称为色散系数 (单位长度群延迟差): D ( ) 2c 2 2 ps/(km·nm) 3.2.2 模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速 度，在传输过程中，不同模式的光束的时 间延迟不同而产生的色散，称模式色散。 所谓模式色散，用光的射线理论来说， 就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均 速度不同所造成的时延差。 1. 在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的 两条光线分别是沿轴线方向传播的光线 ①和以临界角θc入射的光线②，如图3.6 所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散 是光线①和光线②到达终端的时延差。 图3.6 阶跃型光纤的模式色散 n1 1 1 n12 DT 1 L DL c sin q c c n2 DL为两种模式的光程差。 2. 渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折 射率分布，使光线在光纤中传播时速度 得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲 展宽将很小。 DT L n1D / 8c 2 3.2.3 材料色散 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的 群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延 迟不同。由于材料折射率随光信号频率的变化而不 同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由 此引起的色散称为材料色散。 一般情况下，材料色散往往是用材料色散系数这 个物理量来衡量，材料色散系数定义为单位波长间 隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散。 光纤的折射率是波长的函数n()，则不同的波长的传 播函数不同： 2n( ) L 2 L L dn T n vg 2c c d 可以得到传播了L后波长所经历的群延时(材料色散)为： dT d 2n DTm D DL DL Dm ( ) 2 d c d 式中：Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光 功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。 Dm为材料色散系数。 d 2n Dm ( ) c d2 减小材料色散方法：选择谱宽窄的光源，采用较长的工作波长。 3.2.4 波导色散 单模光纤只有约80% 的光功率在纤芯中传播， 20%在包层中传播的光 功率其速率要更大一些。 这种由于光纤波导结构 引起的色散称为波导色 散。 假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D = (n1-n2)/n1非常小，传播函数近似等于： n2 k (bD 1) 可以得到传播了L后波长所经历的群延时为： Tw 1 d L d (Vb ) n2 n2 D c dk c dV 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： n D d 2 (Vb ) dT DTw DL Dw ( ) D DL 2 V 2 d dV c w 其中Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一 半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。 Dw(λ)为波 导色散系数 n2 D d 2 (Vb ) Dw ( ) V c dV 2 波导色散系数一般为负值 例：令n2 = 1.48，D = 0.2%， 从左图可以看出当V = 2.4时，有： d 2 (Vb ) V 0.26 2 dV 因此可以算出在1320 nm处， 波导色散为： 2.4 d 2 (Vb ) 随 V变化的曲线 V 2 dV n2 D d 2 (Vb ) Dw ( ) V 1.9 2 c dV 标准单模光纤总的模内色散 一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw| D Dm Dw 1320 波导色散特性取决于光纤的特性，如：芯径a，相对折射率差以及折射 率分布等，因此可以通过改变光纤特性来改变其色散特性。色散的改变 主要集中在零色散波长的位移和色散平坦两方面。 3.2.5 偏振模色散（极化色散） 偏振模色散（PMD）也称为极化色散。由于光信号的两个正交 偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。 偏振模色散 偏振模色散产生的原因 本征光纤双折射 + • 外界的挤压 随机的偏振模耦合 • 光纤的弯曲、扭转 • 外界环境温度的变化等 双折射的光通信器件 EDFA ，FBG ，DCF Isolators , Couplers , Filters etc. 偏振模色散 (PMD) PMD 受环境(如振动、温度、应力等)影响非常显著，跟模内 色散相比具有不稳定性和突发性。因此，PMD补偿的难度比 较大，关于补偿的方法目前尚无定论。 PMD 对传输的影响 PMD特点 一般采用两偏振模的群时延差(Differential Group Delay)来表示偏 振模色散的大小 D L L L 1x 1 y LD1 vgx vgx 两偏振模之间的模式耦合随波长和时间随机变化，所以偏振模色 散是一个统计量，并随时间而变化 当光纤很长时，PMD呈现为麦克斯韦分布。这个分布可以是一组 相同的光纤在同一波长处测量的结果，也可以是一根光纤在同一波 长处但不同时间的测量结果，或者是同一光纤在不同波长处的测量 结果 PMD表征方式 由于统计特性，群时延差(DGD)很难用于实际测量 通常采用以下几种方式来定义PMD值： 群时延差的平均值( Mean Differential Group Delay) D (ps) 群时延差的平均值系数 D / L ps L 传输时间的均方差 D 2 (RMS DGD ，约为1.08 D ) 实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多 PMD对光通信系统的影响 按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导致的系统 功率代价在1dB以下，偏振模色散的群时延差的平均值必须小 于一比特周期的十分之一(10ps for a 10Gb/s system) 。 当大于这 一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！ 比特率 (Gb/s) 允许的DGD平均值 (ps) Mean DGD 系数 为 0.1ps/km光纤的传输 距离（km) 2.5 10 40 40 10 2.5 <160000 <10000 <625 3.2.6光纤总色散 光纤的总色散为： τM模式色散，τm材料色散，τW波导色散。 单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材 料色散和波导色散的共同影响。 三种光纤的总色散: 1300nm最优化光纤 色散平坦光纤 色散位移光纤 3.2.7 光纤的色散和带宽对通信 容量的影响 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特 性。其中色散特性是在时域中的表现形式， 即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴 上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表 现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤 可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的 高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减， 如图3.12所示。 图3.12 光纤的带宽(f为调制信号频率) 通常把调制信号经过光纤传播后，光功 率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小， 定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率 下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带 宽。可用下式表示。 光功率总是要用光电子器件来检测，而 光检测器输出的电流正比于被检测的光 功率，于是： 从上式中可以看出，3dB光带宽对应于 6dB电带宽。 1. 既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光纤 的同一个特性，那么它们之间必然存在 着一定的联系。 2. 模式畸变带宽和波长色散带宽 由于总色散包括模式色散、材料色散和 波导色散，所以光纤的总带宽也可表示 为： 式中：BM 是由模式色散引起的模式畸变带 宽；Bc 是由材料色散和波导色散引起的波 长色散带宽。 波长色散带宽定义为： 式中：Δλ是光源的谱线宽度，单位是nm； L是光纤的长度，单位是km；D(λ)是材料 色散和波导色散的色散系数(即波长色散 系数)，单位是ps/(nm·km)，其中材料色 散占主导地位。 3. 链路总带宽对通信容量的影响 光纤链路总带宽与光纤长度之间的关系要 分光纤链路中间有无接头。对于无接头的 一个制造长度的光纤总带宽BT与其单位公 里带宽B BT=B·L-γ 式中：L是光纤的制造长度(km)，γ为带宽 距离指数，它的取值与光纤的剖面分布及 模耦合状态有关，一般在0.5～1.0之间(多 模光纤取0.5～0.9，单模光纤γ＝1)。 3.3 单模光纤的优化设计 光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响 输入信号 损耗 输出信号 衰减 时间 色散 脉冲展宽 时间 非线性 信号畸变,串扰 频率 性能均衡优化：宽谱范围内，综合优秀品质 •色散：适当 •色散斜率：小 •有效面积：大 非线性 适当色散 大有效面积 DWDM系统 性能均衡 长距离传输 低损耗 低色散斜率 带宽资源 单摸光纤优化设计参数：截止波长、色散、模场直径、弯曲损耗 G.653 色散位移光纤： 让损耗和色散最低点都在1550 nm 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 1550 nm 1550 nm 1320 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 总色散 30 20 普通光纤 10 普通商用光纤 0 2 1 色散平坦光纤 -10 -20 -30 1.1 1.2 1.3 1.4 ( m) 1.5 1.6 1.7 色散平坦光纤 色散补偿光纤 (DCF) 色散补偿光纤 TX RX 总色散 (ps/nm) 传输光纤 100 0 50 100 150 200 传播长度 正负色散率搭配使系统累积色散为零 存在的问题：(1) 高损耗；(2) 非线性效应强；(3) 短波长过补 偿、长波长欠补偿 解决方案 特殊设计折射率剖面 三维折射率剖面 几种新型光纤 康宁LEAF光纤 Corning Leaf Index Profile LEAF: Large Effective Area Fiber 住友纯波导光纤 Sumitomo Pure Guide Index Profile 朗讯真波光纤 Lucent Truewave Index Profile 武汉长飞大保实光纤 ITU-T关于单模光纤的技术规范 色散与损耗 G.652 & G.654 EDFA 频带 0.5 衰减 (dB/km) 20 G.653 0.4 10 0 0.3 -10 G.655 0.2 -20 0.1 1100 1200 1300 波长(nm) 1400 1500 1600 1700 色散(ps/nm.km) 0.6 几种常用光纤的特性 作业： 3.1-3.4