光纖通信(人郵版)-第03章光纖的傳輸特性

1、第三章 光纖的傳輸特性,3.1 光纖的損耗特性3.2 光纖的色散特性3.3 成纜對(duì)光纖特性的影響3.4 典型光纖參數(shù),3.1 光纖的損耗特性,3.1.1 吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過(guò)渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。,1. 本征吸收損耗本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。(1) 紫外吸收

2、損耗紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。,(2) 紅外吸收損耗紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。2. 雜質(zhì)吸收損耗光纖中的有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。,3. 原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過(guò)程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)

3、或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。,3.1.2 散射損耗1. 線性散射損耗任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。,(1) 瑞利散射瑞利散射是

4、一種最基本的散射過(guò)程，屬于固有散射。對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。,(2) 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)在光纖制造過(guò)程中，由于工藝、技術(shù)問(wèn)題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。,2. 非線性散射損耗光纖中存在兩種非線

5、性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。,3.1.3 彎曲損耗光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。,在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由

6、模式變換引起的。,3.1.4 光纖損耗系數(shù)為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：,式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或μW為單位。,3.2 光纖的色散特性,3.2.1 色散的概念3.2.2 模式色散所謂模式色散，用光的

7、射線理論來(lái)說(shuō)，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差。,1. 階躍型光纖中的模式色散在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時(shí)延差。,圖3.6 階躍型光纖的模式色散,2. 漸變型光纖中的模式色散在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模

8、式色散引起的光脈沖展寬將很小。,3.2.3 材料色散一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來(lái)衡量，色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，用D(λ)表示，單位是ps/（nm·km）。,2. 材料色散在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用τm表示。τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L式(3-25)中：Δλ為光源的譜線

9、寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；L是光纖的傳播長(zhǎng)度。,3.2.4 波導(dǎo)色散式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw(λ)表示。,3.2.5 極化色散極化色散也稱為偏振模色散，用τp表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x

10、和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。,當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)βx和βy不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，βy和βx之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。,3.2.6 總色散光纖的總色散為：值得說(shuō)明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。

11、,3.2.7 光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響?yīng)ス饫w的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。,圖3.12 光纖的帶寬(f為調(diào)制信號(hào)頻率),通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB

12、)時(shí)的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬。可用式(3-33)表示。,光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是：從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。,1. 色散與帶寬的關(guān)系既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。2. 模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬由于

13、總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：,式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬。,波長(zhǎng)色散帶寬定義為：式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長(zhǎng)度，單位是km；D(λ)是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長(zhǎng)色散系數(shù))，單位是ps/(nm·km)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。,3. 鏈路總帶寬對(duì)通信容量的影響光纖鏈路總帶寬與光纖

14、長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無(wú)接頭。對(duì)于無(wú)接頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=B·L-γ式中：L是光纖的制造長(zhǎng)度(km)，γ為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.5～1.0之間(多模光纖取0.5～0.9，單模光纖γ＝1)。,3.3 成纜對(duì)光纖特性的影響,3.3.1 光纜特性1. 拉力特性光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積

15、，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100～400kg范圍。,2. 壓力特性光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100～400kg/10cm。3. 彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4. 溫度特性光纖本身具有良好的溫度特性。,3.3.2 成纜對(duì)光纖特性的影響1. 成纜的附加損耗不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加

16、損耗，稱之為成纜損耗。2. 成纜可以改善光纖的溫度特性套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。,圖3.14 光纖和光纜的溫度特征,把光纖制成光纜，溫度特性會(huì)得到相當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實(shí)線所示。3. 機(jī)械強(qiáng)度增加這一點(diǎn)是很顯然的。一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為1～5kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能

17、都有明顯增強(qiáng)。,3.4 典型光纖參數(shù),目前，ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟－電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。,G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31μm處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。G.653光纖稱為色散