22光纤三特性.pptx
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1、损耗定义损耗定义损耗定义损耗定义:光纤的损耗特性光纤的损耗特性光纤损耗是通信距离的固有限制,在很大程度上决定着光纤损耗是通信距离的固有限制,在很大程度上决定着光纤损耗是通信距离的固有限制,在很大程度上决定着光纤损耗是通信距离的固有限制,在很大程度上决定着传输系统的中继距离,损耗的降低依赖于工艺的提高和传输系统的中继距离,损耗的降低依赖于工艺的提高和传输系统的中继距离,损耗的降低依赖于工艺的提高和传输系统的中继距离,损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。对石英材料的研究。对石英材料的研究。对石英材料的研究。光纤对光波产生的(能量)衰减作用称为光纤的损耗。光纤对光波产生的(能量)衰减作用称
2、为光纤的损耗。衰减系数定义为单位长度光纤引起的光功率衰减,表达式为:光纤的损耗机理光纤的损耗机理(1)n n材料吸收材料吸收n n紫外、红外、紫外、红外、紫外、红外、紫外、红外、OHOH离子、金属离子吸收等离子、金属离子吸收等离子、金属离子吸收等离子、金属离子吸收等n nOHOH离子吸收:离子吸收:离子吸收:离子吸收:O-HO-H键的基本谐振波长为键的基本谐振波长为键的基本谐振波长为键的基本谐振波长为2.73 2.73 mm,与,与,与,与Si-OSi-O键的谐振波长相互影响,在光纤通信波段内产生键的谐振波长相互影响,在光纤通信波段内产生键的谐振波长相互影响,在光纤通信波段内产生键的谐振波长相
3、互影响,在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰,影响较大的是在一系列的吸收峰,影响较大的是在一系列的吸收峰,影响较大的是在一系列的吸收峰,影响较大的是在1.391.39、1.241.24、0.95 0.95 mm,峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。,峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。,峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。,峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。n n减低减低减低减低OHOH离子浓度,减低这些吸收峰离子浓度,减低这些吸收峰离子浓度,减低这些吸收峰离子浓度,减低这些吸收峰-全波光纤全波光纤全波光纤全波光纤(AllWave AllWave 康宁)康宁)康宁)康宁
4、)光纤的损耗机理光纤的损耗机理(2)n n瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。n n由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。的,导致折射率本身的起伏,使光向各个方向散射。n n大小与大小与大小与大小与 4 4成反比,成反比,成反比,成反比,R
5、RC/C/4 4(dB/kmdB/km)因而主要作因而主要作因而主要作因而主要作用在短波长区。用在短波长区。用在短波长区。用在短波长区。n n瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的,因而它确定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。定了光纤损耗的最终极限。n n在在在在1.55 1.55 mm波段,波段,波段,波段,瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 0.120
6、.16 dB/kmdB/km ,是该段损耗的主要原因。,是该段损耗的主要原因。,是该段损耗的主要原因。,是该段损耗的主要原因。第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损损损 耗耗耗耗 (dB/km)(dB/km)波波波波 长长长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰离子吸收峰光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口第三传输窗口在在在
7、在1.551.55 mm处处处处最小损耗约最小损耗约最小损耗约最小损耗约为为为为0.20.2dB/kmdB/km160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)20 10 0-10-20Dispersion(ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6Conventional Fiber(14401625nm)230 ch360 chAllWave Fiber(13351625nm)5thAllWaveeliminates the 1385 nm water peakAdditional channels arein Op
8、timum Dispersionrange for 10 Gb/s DWDMAllWave offers 50%more DWDM channels!3rd4th5thAllWave vs.Conventional FiberMore Usable Optical SpectrumAllWave 光纤光纤范崇澄 FS-89全波光纤的六个波段:1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性2光纤的色散特性及色散限制光纤的色散特性及色散限制3光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应1.3 光纤的传输特性光纤的传输特性光纤的色散特性光纤的色散特性光纤的色散特性光纤的色散特性光纤色散:光纤色散:光纤色散:光纤色
9、散:输入信号中的各种频率输入信号中的各种频率输入信号中的各种频率输入信号中的各种频率(模式模式模式模式)分量由分量由分量由分量由于在光纤中传输速度不同,而引起的信号畸变。于在光纤中传输速度不同,而引起的信号畸变。于在光纤中传输速度不同,而引起的信号畸变。于在光纤中传输速度不同,而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响通信距将引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响通信距将引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响通信距将引起光脉冲展宽和码间串扰,最终影响通信距离和容量。离和容量。离和容量。离和容量。色散类型色散类型 模间色散模间色散模间色散模间色散:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速:不同
10、模式对应有不同的模折射率,导致群速:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速:不同模式对应有不同的模折射率,导致群速度不同和脉冲展宽度不同和脉冲展宽度不同和脉冲展宽度不同和脉冲展宽(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)波导色散波导色散波导色散波导色散 ():传播常数随频率变化:传播常数随频率变化:传播常数随频率变化:传播常数随频率变化 材料色散材料色散材料色散材料色散 n(n():折射率随频率变化:折射率随频率变化:折射率随频率变化:折射率随频率变化 偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散PMDPMD波长色散波长色散波长色散波长色散或:群速色散或:群速色散或:群速色散
11、或:群速色散或:模内色散或:模内色散或:模内色散或:模内色散群速色散群速色散(GVD)n n由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群的频率分量,脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展宽,速度传播,因而在传输过程中必将出现脉冲展
12、宽,这种现象称为这种现象称为这种现象称为这种现象称为群速色散(群速色散(群速色散(群速色散(GVDGVD)、模内色散或简)、模内色散或简)、模内色散或简)、模内色散或简言之光纤色散。言之光纤色散。言之光纤色散。言之光纤色散。包括材料色散和波导色散。包括材料色散和波导色散。包括材料色散和波导色散。包括材料色散和波导色散。Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to tra
13、vel at different speeds in fiber,resulting in pulse spreadingto travel at different speeds in fiber,resulting in pulse spreading群速度群速度n n沿沿沿沿z z方向传输的单色波:方向传输的单色波:方向传输的单色波:方向传输的单色波:是角频率(弧度是角频率(弧度是角频率(弧度是角频率(弧度/秒);秒);秒);秒);是传播常数(是传播常数(是传播常数(是传播常数(mm-1-1)。n n群速度:群速度:群速度:群速度:表征光信号包络的传输速度表征光信号包络的传输速度表征光信
14、号包络的传输速度表征光信号包络的传输速度 群时延是频率的函数群时延是频率的函数群时延是频率的函数群时延是频率的函数,因此任意频谱分量传播,因此任意频谱分量传播,因此任意频谱分量传播,因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。相同距离所需的时间都不一样。相同距离所需的时间都不一样。相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由随时间
15、的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度。群时延:群时延:群时延:群时延:频率为频率为频率为频率为 的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为L L的单模光的单模光的单模光的单模光纤时的时延。纤时的时延。纤时的时延。纤时的时延。群时延群时延光脉冲展宽光脉冲展宽(1)n n光脉冲展宽光脉冲展宽:由于光脉冲包含许多频率分量,因由于光脉冲包含许多频率分量,因由于光脉冲包含许多频率分量,因由于光脉冲包含许多频率分量,因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展而群速度的频率相关性导致
16、了脉冲传输过程中展而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽,不再同时到达光纤输出端。宽,不再同时到达光纤输出端。宽,不再同时到达光纤输出端。宽,不再同时到达光纤输出端。为群速色散(为群速色散(为群速色散(为群速色散(GVDGVD)脉冲展宽同脉冲展宽同脉冲展宽同脉冲展宽同 2 2 2 2、光纤长度、光纤长度、光纤长度、光纤长度L L L L和信号谱宽和信号谱宽和信号谱宽和信号谱宽成正比成正比成正比成正比 2 2决定了脉冲在光纤中的展宽程度决定了脉冲在光纤中的展宽程度决定了脉冲在光纤中的展宽程度决定了脉冲在光纤中的展宽程度光脉冲展宽光脉冲展宽(2)n
17、n以色散参数以色散参数以色散参数以色散参数DDps/(nm.km)ps/(nm.km)表达脉冲展宽表达脉冲展宽表达脉冲展宽表达脉冲展宽 DD的定义为:的定义为:的定义为:的定义为:DD代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为1nm1nm的光波传输的光波传输的光波传输的光波传输1km1km距离后的时延距离后的时延距离后的时延距离后的时延脉冲展宽:脉冲展宽:脉冲展宽:脉冲展宽:以波长单位表达以波长单位表达以波长单位表达以波长单位表达的光信号谱宽的光信号谱宽的光信号谱宽的光信号谱宽单模光纤的色散单模光纤的色散n n材料色散材料色散材料色散材料色散DDMM,纤芯材料的纤
18、芯材料的纤芯材料的纤芯材料的折射率随波长变化折射率随波长变化折射率随波长变化折射率随波长变化导导导导致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完致了这种色散,这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径,也会发生脉冲展宽。全相同的路径,也会发生脉冲展宽。全相同的路径,也会发生脉冲展宽。全相同的路径,也会发生脉冲展宽。n n波导色散波导色散波导色散波导色散DDWW ,由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约由于单模光纤中只有约8080的的的的光功率在纤芯中传播,光功率在纤芯中传播,光功率在纤芯中传播
19、,光功率在纤芯中传播,2020在包层中传播的光在包层中传播的光在包层中传播的光在包层中传播的光功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波功率其速率要更大一些,这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计,因为模式导色散的大小取决于光纤的设计,因为模式导色散的大小取决于光纤的设计,因为模式导色散的大小取决于光纤的设计,因为模式传播传播传播传播常数常数常数常数 是是是是a/a/的函数的函数的函数的函数(a(a纤芯半径,纤芯半径,纤芯半径,纤芯半径,a/a/是光纤相是光纤相是光纤相是光纤相当于波长的尺度当于波长的
20、尺度当于波长的尺度当于波长的尺度).).单模光纤的色散单模光纤的色散零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长17ps/nm.k17ps/nm.km1550nmm1550nmD=DD=DMM+D+DWWDispersion of“Standard”Dispersion of“Standard”Single-Mode FiberSingle-Mode Fiber 0,D0,D DD 反常色散区反常色散区反常色散区反常色散区 2 200兰快红慢兰快红慢兰快红慢兰快红慢光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量(兰移)比较低的频率分(兰移)比较低的频率分(
21、兰移)比较低的频率分(兰移)比较低的频率分量(红移)传输得快量(红移)传输得快量(红移)传输得快量(红移)传输得快零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长DDn n波导色散波导色散波导色散波导色散DDWW对对对对D(D(2 2)的影响依赖于光纤设计参数,如纤的影响依赖于光纤设计参数,如纤的影响依赖于光纤设计参数,如纤的影响依赖于光纤设计参数,如纤芯半径和芯包层折射率差芯半径和芯包层折射率差芯半径和芯包层折射率差芯半径和芯包层折射率差 。根据光纤的这种特性,可。根据光纤的这种特性,可。根据光纤的这种特性,可。根据光纤的这种特性,可改变光纤的色散情况,进行色散位移。改变光纤的色散情况,进行色散位移
22、。改变光纤的色散情况,进行色散位移。改变光纤的色散情况,进行色散位移。色散位移色散位移G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.
23、40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDM信号传输速度相近信号传输速度相近四波混频四波混频FWM严重严重ProblemG.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/k
24、m)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.653G.652G.655G.655SMF,SMF,G.652,G.652,标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤DSF,DSF,G.653,G.653,色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤NZ-DSF,NZ-DSF,G.655,G.655,非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤非零色散位移光纤DFF,DFF,色散平坦光纤色散平坦光纤色散平坦光纤色散平坦光纤LEAF,LEAF,大有效面积
25、光纤大有效面积光纤大有效面积光纤大有效面积光纤DCF,DCF,色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤NDF,NDF,负色散光纤负色散光纤负色散光纤负色散光纤NZ-DSFNZ-DSFDFFDFFDSFDSF高阶色散效应高阶色散效应n n因为在因为在因为在因为在 0 0处色散并未完全消失,尚存在高阶处色散并未完全消失,尚存在高阶处色散并未完全消失,尚存在高阶处色散并未完全消失,尚存在高阶色散,光脉冲仍会展宽。色散,光脉冲仍会展宽。色散,光脉冲仍会展宽。色散,光脉冲仍会展宽。DD不能使中心波长位于不能使中心波长位于不能使中心波长位于不能使中心波长位于 0 0的光脉冲包含的所有波长都为零,的
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