《光纤的传输特性》PPT课件

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1、第二章光纤与光缆(2)光纤的非线性效应光纤的色散光纤的损耗本节内容：光纤的传输特性光纤的损耗光波在光纤中传输，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。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。光纤的损耗主要取决于：1.吸收损耗2.散射损耗3.弯曲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。本征吸收损耗：由制造光纤材料本身(如SiO2)的特性所决定，包括紫外吸收、红外吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存

2、在本征吸收。原子缺陷吸收在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励造成结构的不完善或在使用时暴露在强粒子的光辐射下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。1rad(Si)=0.01J/kg非本征吸收原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。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)本征吸收(

3、1)紫外吸收光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。(2)红外吸收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。z晶格光传播方向kEx光纤吸收损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/km几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较散射损耗光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上的不完善，会发生散射现象。瑞利散射：尺度小于光波长的材料密度的不均匀对入射光产生的本征散射，短波长的光容易发生这种散射[造成原因]—分子密度分布不均匀

4、；掺杂分子导致折射率不均匀波导散射：由波导缺陷导致的散射[造成原因]—纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀以及残留气泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工艺基本可以克服波导散射）本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值产品级典型的光纤损耗谱多模光纤的损耗大于单模光纤：-为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高-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微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲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消逝场qqq¢qcq¢RCladdingCore场分布宏

5、弯：当曲率半径减小时，辐射损耗呈指数增加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：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模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弯曲损耗随模场直径增加显著增加光纤弯曲带来额外损耗宏弯损耗微弯损耗基本损耗l增加，V减少前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离L的增加呈指数衰减：那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的损耗系数定义为：其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出

6、光功率。一般标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。光纤损耗的计算第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰第三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km常用单模光纤的损耗光纤的色散色散引起的信号失真模内色散(群速率色散)-材料色散：每种光源都有一定的谱宽，而光纤材料对不同的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成分在光纤中传播的群速度不同。-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，从而导致色散。它的大小取决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。模间色散：不同传

7、播模式在光纤中具有不同的传播路径和速率，造成模间色散。偏振模色散：环境因素造成光不同偏振态的传播时延差。fA(1)光源输出都有一定的谱宽l1l2l3l1l2l3(2)单模光纤中传播模80%能量在纤芯20%能量在包层色散的直接后果是产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难模内色散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，频率分量w经历的延时为：假设输入脉冲的谱宽Dw不太宽，那么脉冲展宽的多少