光纤的特征参数与测试技术资料课件.ppt

1、江汉大学江汉大学1第五章第五章 光纤的特征参数与测试技术光纤的特征参数与测试技术 限制光纤通信发展的三个重要因素：限制光纤通信发展的三个重要因素：损耗：损耗：光在传输时引起能量的损耗，需中继器进行能量补充，传输距离短；色散：色散：作为载波的光脉冲脉宽展宽，引起码间串扰，误码率增加造成失真；非线性：非线性：引起DWDM传输信道串扰。 江汉大学江汉大学2 5.1 光纤的损耗光纤的损耗 江汉大学江汉大学3 5.1 光纤的损耗光纤的损耗 重要数据重要数据: 0.5dB0.9; 1dB0.8; 2dB.6; 3dB0.5; 10dB0.1 20dB0.01定义：单位长度光纤光功率衰减分贝数。定义：单位长

2、度光纤光功率衰减分贝数。 kmdBLPPinout lg10 损耗的来源：损耗的来源：1.光纤材料的吸收与散射损耗光纤材料的吸收与散射损耗2.光纤的微弯与宏弯损耗光纤的微弯与宏弯损耗3.光纤的连接与耦合损耗光纤的连接与耦合损耗第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学4光纤的损耗分类光纤的损耗分类第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学55.1.1 光纤材料的吸收损耗光纤材料的吸收损耗 1.基质材料的本征吸收基质材料的本征吸收2.杂质吸收杂质吸收3. 原子缺陷吸收原子缺陷吸收第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学61. 基质材料的本征吸收基质材料的本征

3、吸收 紫外本征吸收紫外本征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 起起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围 0.71.6m 0.05dB/km第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学7晶格红外本征吸收红外本征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，从而引起的损耗振动或声子吸收带其振动加剧，从而引起的损耗振动或声子吸收带 9.1、12.5、21m 峰值峰值 1010dB/km 材料受到热激励热激励

4、- 结构不完善强粒子辐射辐射 - 材料共价键断裂 - 原子缺陷吸收光能，引起损耗第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学12Optical Fiber Attenuation第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学13光纤衰减(dB)10.05.02.01.00.51982 年1980 年1978 年0.8 1.0 1.3 1.5 1.7波长 (m)第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学14 1.瑞利散射瑞利散射The Lord Rayleigh John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh Rayleigh sca

5、ttering is more dramatic after sunset. This picture was taken about one hour after sunset at 500m altitude, looking at the horizon where the sun had set. 特点：不可能消除的损耗特点：不可能消除的损耗Figure showing the greater proportion of blue light scattered by the atmosphere relative to red light. 第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉

6、大学江汉大学15瑞利散射的机制瑞利散射的机制在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例在光纤中，由于某种远小于光波长的不均匀性，例如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起光的散射。光的散射。是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。 kmdBBASR 140 A，B是与石英和掺杂材料有关的常数。是与石英和掺杂材料有关的常数。是相对折射率差是相对折射率差0是工作波长是工作波长0=1.55m =0.3% 0.16dB/km0=1.3m 0.32dB/km本征散射和本征吸收一本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论

7、最起构成了损耗的理论最小值小值第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学16标准单模光纤损耗曲线掺掺GeO2的低损耗、低的低损耗、低OH含量石英光纤含量石英光纤OH0.154 dB/kmAllWave fiberAllWave：逼近本征损耗：逼近本征损耗单模：本征损耗单模：本征损耗+OH吸收损耗吸收损耗常温且未暴露常温且未暴露在强辐射下在强辐射下第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学17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于单模光纤：多模光纤的损耗大于单模光纤：v多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射

8、大本征散射大)v由于纤芯由于纤芯-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第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学182.受激喇曼散射与受激布里渊散射受激喇曼散射与受激布里渊散射特点：非线性散射特点：非线性散射 产生新的频率分量产生新的频率分量机理：机理： 光光 新光波长新光波长+声子声子散射散射非线性的散射。即当光功率超过某一阈值时，才能非线性的散射。即当光功率超过某一阈值时，才能激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输较低激励受激喇曼散射与受激布里渊散射。在传输较低的系统中可以不考虑，但在传输较高（的系统中可以不

9、考虑，但在传输较高（Gb/s）的系）的系统中要考虑。统中要考虑。第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学19 5.1.3 光纤的弯曲损耗光纤的弯曲损耗 光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层包层中或穿过包层 成为辐射模向外泄漏损失掉，从成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于而产生损耗。当弯曲半径大于510cm时，由弯曲时，由弯曲造成的

10、损耗可以忽略。造成的损耗可以忽略。宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变微微 弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲 第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学20物理机制物理机制光纤发生弯曲光纤发生弯曲全反射条件破坏全反射条件破坏约束能力下降约束能力下降导摸转化为辐射摸导摸转化为辐射摸能量逸出能量逸出光功率损失光功率损失损耗机理损耗机理第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学21第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学22 高阶模

11、弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学231. 宏弯损耗宏弯损耗第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学242.过渡弯曲损耗过渡弯曲损耗 直 弯曲模场不匹配导摸与漏模之间相互耦合功率损失第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学25868. 8868. 8log10230223010VRaaWRaVWPPccinout损耗分析损耗分析损耗的机理：由于光纤由损耗的机理：由于光纤由“直直”突然变突然变“弯曲弯曲”或各段波导弯曲不一致或各段波导弯曲不一致,引起模场的不匹配引起模场的不匹配,导致

12、导模与漏模之间的相互耦合导致导模与漏模之间的相互耦合, 并损失功率。并损失功率。 损耗分析：等效折射率方法损耗分析：等效折射率方法v弯曲光纤中的场可以看成某一等效弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤折射率分布下直光纤v弯曲光纤传播常数弯曲光纤传播常数v产生相移产生相移exp(-iLz)v满足波导场方程满足波导场方程vr增加导致增加导致ne(r)增加，场分布拓展增加，场分布拓展 导模向漏模转化导模向漏模转化,引起功率泄漏引起功率泄漏造成造成“过渡损耗过渡损耗”。v 损耗计算公式：损耗计算公式：第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学26弯曲损耗与模场直径的关系P包层包层

13、1 P包层包层2Loss模场直径小模场直径小 Loss模场直径大模场直径大Loss低阶模低阶模 Loss高阶模高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环模式剥离器：将光纤缠绕成环第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学273. 微弯曲损耗微弯曲损耗)5 . 25 . 1 ()31. 345. 2exp()28. 334. 3exp()/()2()(02011022202VVaWWVaWWkmdBWknWknpv单模光纤微弯损耗单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径主要取决于模场半径W0,相对折射率差相对折射率差和纤和纤轴的畸变。轴的畸变。 v经验公式：经验公式：v模场半径模场半径W0的微小增

14、加将引起微弯损耗的大幅度上升的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升 第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学28微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力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：导致的后果：造成能量辐射损耗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发生微弯损耗与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生微弯损耗第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学29宏弯和

15、微弯对损耗的附加影响宏弯损耗宏弯损耗微弯微弯损耗损耗基本损耗基本损耗NAannaV222/12221增加，V减少，W0越大62/30879. 2619. 165. 022VVaW长波长处附加损耗显著第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学30宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光纤：花费钟爱光纤：花费230亿美元配置了亿美元配置了12.9万公里长的光万公里长的光纤，直接连到纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减遇到困境：宏弯引起信号衰减第第5章章

16、5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学31新技术：抗宏弯的柔性光纤Photonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康宁公司帮组康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在已在2500万户家庭中安装万户家庭中安装日本日本NTT也完成了这种光纤的研制也完成了这种光纤的研制第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学32柔性光纤的优点对光的约束增强对光的约束增强在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离在任意波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可以实现光纤

17、色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强抗侧压性能增强第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学33光信号在光纤中传播时，其功率随距离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：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：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中其中L为光纤长度。标准单模光纤为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在在1550 nm的损耗系的损耗系数为数为0.2 dB/km。光纤损耗的度量LinoutePPdB/kmlog10outinPPL第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学34损耗的补偿

18、办法：放大电放大电放大光光电电光光2.5 0.6 0.6 m3全光放大全光放大EDFA拉曼放大器拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学355.2 光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽随着光脉冲在光纤中传输随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽脉冲的宽度被展宽第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学36第第5章章 5.1光纤的损耗光纤的损耗江汉大学江汉大学37第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学38 mwng第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大

19、学395.2.1 阶跃型弱导光纤的色散阶跃型弱导光纤的色散 )(n)(n)(波导色散波导色散模间色散模间色散123UW)(单色弥散单色弥散 00000)(1)(1dkbnkdcknkdccdkdddg材料色散材料色散分类：分类：1. 模内色散模内色散 - 材料色散材料色散 - 波导色散波导色散2. 模间色散模间色散3. 偏振模色散偏振模色散第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学401. 材料色散材料色散v纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波长而波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波

20、长而变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。v材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射率随波长变化就一定导致材料色散率随波长变化就一定导致材料色散 。第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学41光纤的折射率是波长的函数光纤的折射率是波长的函数n( )，不同的波长的传播函数，不同的波长的传播函数 不同：不同：可以得到传播了可以得到传播了L后由后由 所带来的群延时差为：所带来的群延时差为：Dm为材料

21、色散系数。为材料色散系数。材料色散ddnncLcLvLTng2)(22)(22mmDLdndcLddTT减小材料色散：选择谱宽窄的光源减小材料色散：选择谱宽窄的光源22)(dndcDm第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学42群速度色散群速度色散 (GVD)m27. 100/22dnd0/22dnd: 长波长光传播快，长波长光传播快，短波长光传播慢短波长光传播慢!:短波长光传播块，短波长光传播块，长波长光传播慢长波长光传播慢!第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学43正色散光纤正色散光纤第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江

22、汉大学江汉大学44第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学45信号分量的群速率是频率信号分量的群速率是频率/波长的函数：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，后，频率分量频率分量 经历的延时为：经历的延时为：对于一个谱宽为对于一个谱宽为 的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：决定：模内色散 - 群速度色散 (GVD)ddLvLTg 222LddLvLddddTTgGVD 参数参数1ddddvg第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉

23、大学46通常在波长域习惯用通常在波长域习惯用 来表示谱宽。根据来表示谱宽。根据 和和 之间的关之间的关系：系：代入代入 T中，那么可以得到：中，那么可以得到：其中其中D( )称为色散系数：称为色散系数： ps/(kmnm)标准单模光纤在标准单模光纤在1550 nm处色散系数为处色散系数为17 ps/kmnm群速度色散222cc DLcLLT2222222)(cD第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学47正色散、负色散和零色散222)(cD1. 色散系数色散系数D为正：负色散为正：负色散 2 v低频光低频光2. 色散系数色散系数D为负：正色散为负：正色散 2 0v高频

24、光高频光 |Dw|- 波导色散系数通常为负值波导色散系数通常为负值第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学51第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学52模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源 LDTB 4/14/1SMF比较大的时候，单模光纤带宽：比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为的系统，光源谱宽为15 nm，使用，使用标准单模光纤标准单模光纤D = 17 ps/kmnm，那么系统带宽和距离乘积：，那么系统带宽和距离乘积： BL 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一，色散成为

25、首要考虑的因素之一江汉大学江汉大学54常规常规G.655大有效面积大有效面积G.655三种不同类型的单模光纤三种不同类型的单模光纤第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学55G.652标准单模光纤标准单模光纤标准单模光纤是指零色散波长在标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，国际窗口的单模光纤，国际电信联盟（电信联盟（ITUT）把这种光纤规范为）把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是光纤。其特点是当工作波长在当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的传输距离只受时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。光纤衰减所限制。但这种光纤在但这种光纤在

26、1.3m波段的损耗较大，约为波段的损耗较大，约为0.3dB/km0.4dB/km；在；在1.55m波段的损耗较小，约为波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在色散在1.3m波段为波段为3.5ps/nmkm，在在1.55m波段的损耗较大，约为波段的损耗较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支这种光纤可支持用于在持用于在1.55m波段的波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过的信号，传输距离超过50公里时，公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。就要求使用价格昂贵的色散补偿

27、模块。第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学56第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学57针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪世纪80年代中期，年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从人们开发成功了一种把零色散波长从1.3m移移到到1.55m的色散位移光纤（的色散位移光纤（DSF，DispersionShifted Fiber）。ITU把这种光纤的规范编为把这种光纤的规范编为G.653。然而，色散位移光纤在然而，色散位移光纤在1.55m色散为零，不利于多信道色散为零，不利于多信道的

28、的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时传输，用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生四波混频（就会发生四波混频（FWM）导致信道间发生串扰。如果光）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微的干扰就会十分严重；如果有微量色散，量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研干扰反而还会减小。针对这一现象，人们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤（制了一种新型光纤，即非零色散光纤（NZDSF）G.655。 第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学58第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽

29、江汉大学江汉大学59针对色散位移光纤在针对色散位移光纤在1.55m色散为零，会产生四波混频，色散为零，会产生四波混频，导致信道间发生串扰，不利于多信道的导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM系统的问题，系统的问题，如果有微量色散，如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一特点，干扰反而还会减小。针对这一特点，人们研制了非零色散光纤（人们研制了非零色散光纤（NZDSF）。非零色散光纤实）。非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55m，而是在，而是在1.525m或或1.585m处。非零色散光纤削处。非零色散光纤削减了色

30、散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，既能用于合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。光纤通信系统的最佳传输介质。第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江

31、汉大学江汉大学60第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学611550nm1310nm色色散散p ps s/ /n nm m k km m普普通通光光纤纤( (S SM MF F) )非非色色散散位位移移光光纤纤（N ND DS SF F，G G. .6 65 52 2）已已有有光光纤纤的的 9 95 5% %波波长长 色色散散位位移移光光纤纤（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纤纤（N NZ ZD DS SF F, ,G G. .6 65 55 5）180D DW WD DM M波波长长范范围围正常色散区正常色散区反

32、常色散区反常色散区第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学62单模光纤的色散优化设计单模光纤的色散优化设计1550 nm13201550 nmG.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm办法：材料色散不变，通过改变办法：材料色散不变，通过改变折射率剖面形状来增大波折射率剖面形状来增大波导色散，使零色散点往长导色散，使零色散点往长波长方向移动波长方向移动普通商用光纤普通商用光纤色散位移光纤色散位移光纤第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学63G.656 色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的

33、色散值，适用于波分复用系统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第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学64色散补偿光纤 (DCF)色散补偿光纤色散补偿光纤传输光纤传输光纤010050100150200传播长度传播长度总色散总色散 (ps/kmnm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零正负色散率搭配使系统累积色散为零缺点：缺点：(1) 高损耗；高损耗； (2) 短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于WDM系系统统第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学65中途谱反转技术

34、非线性器件等长、色散性质相同的光纤等长、色散性质相同的光纤第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学66利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件是一种可以反射特定波长的光栅器件第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学673. 模间色散模间色散)1 (1Vcnmv在多模光纤中在多模光纤中,脉冲展宽主要决定于多模群延时差脉冲展宽主要决定于多模群延时差mv产生原因来自于各个不同导模的群速不相同产生原因来自于各个不同导模的群速不相同v模间色散并不是由于频率不同引起的模间色散并不是由于频率不同引起的,故称其为故称其

35、为v 单色弥散单色弥散似乎更为合适似乎更为合适第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学684. 偏振模色散偏振模色散 (PMD)v基模两个相互正交的偏振模的传播速度不同导致基模两个相互正交的偏振模的传播速度不同导致光脉冲的展宽，称之为偏振模色散光脉冲的展宽，称之为偏振模色散. 通常其大小为：通常其大小为： 0.5 ps/nm/km.v低速通信系统（低速通信系统（10Gbps以下）通常不考虑以下）通常不考虑PMD的影响的影响. vG.652光纤高速（光纤高速（10Gbps以上，例如以上，例如40Gbps）长距离通信长距离通信 需要考虑需要考虑PMD的影响，研究的影响，研

36、究PMD补偿补偿技术。技术。第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学69偏振模色散 (PMD)双折射效应导致了偏振模色散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光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同分量的传播速度不同第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学70PMD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特点：具有很强的不稳定性和突发性因此，因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论第第5章章 5.

37、2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学71PMD 对传输的影响PMD对对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著传输系统的影响将更加显著第第5章章 5.2光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽江汉大学江汉大学72v标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度 6 nm，传输，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为公里距离，色散脉冲展宽值为 : vD = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 psv对于对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽如果脉冲展宽达到脉宽的达到脉宽的20，则系统将不能工作。上

38、述情形显然不适合，则系统将不能工作。上述情形显然不适合于于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到速率，因为脉冲展宽已经达到100；但是对于；但是对于 155 Mbps速率系统没有问题，因为速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为其脉冲宽度为 6.5 ns，20的展宽为的展宽为1300ps。v如果采用线宽为如果采用线宽为 300 MHz的的DFB激光器，在激光器，在1 Gbps 调制调制速率下光谱被展宽速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为，即光源谱宽为2,300 MHz 或或 .02 nm (1500 nm波长波长). 则传输则传输10 公里距离，色散脉冲展宽值公里距离，色散脉冲展宽值为为 :

39、 vD = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = 3.4 psv显然这种情形下，显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。速率光通信系统没有任何问题。江汉大学江汉大学731. 哪些因素限制光通信传输距离？哪些因素限制光通信传输距离？2. 一光纤长一光纤长220公里，已知光纤损耗为公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功，当输出光功率为率为2.5 mW时，输入光功率为多少？时，输入光功率为多少？3. 为什么光纤在为什么光纤在1.55 m的波长损耗比的波长损耗比1.3 m波长小波长小?4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？光纤的损耗能否降为零？为什么？5. 三角

40、形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散大？为什么？大？为什么？6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？习题：习题：5.4 5.5 5.19课堂练习课堂练习江汉大学江汉大学745.3 单模光纤模场半径单模光纤模场半径 v模场半径是单模光纤的一个极为重要的参数。由模模场半径是单模光纤的一个极为重要的参数。由模场半径可以导出等效阶跃光纤的构成参数场半径可以导出等效阶跃光纤的构成参数,还可估算单还可估算单模光纤的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的模光纤的连接损

41、耗、弯曲损耗以及微弯损耗和光纤的色散值色散值, 因而被称之为单模光纤的万用参数。因而被称之为单模光纤的万用参数。v单模光纤的模场半径不仅因测量方法的不同而异单模光纤的模场半径不仅因测量方法的不同而异,而而且还受模场半径定义的影响。且还受模场半径定义的影响。v已提出多种模场半径的定义已提出多种模场半径的定义,应用较广泛的有应用较广泛的有:(1)功功率传输函数定义模场半径率传输函数定义模场半径wT;(2)最大激发效率定义模最大激发效率定义模场半径场半径w;(3)近场二近场二 阶矩定义模场半径阶矩定义模场半径wrms;(4)远场远场二阶矩定义模场半径二阶矩定义模场半径wL。第第5章章 5.3单模光纤

42、模场单模光纤模场半径半径江汉大学江汉大学75功率传输函数定义模场半径功率传输函数定义模场半径wT第第5章章 5.3单模光纤模场单模光纤模场半径半径江汉大学江汉大学76第第5章章 5.3单模光纤模场单模光纤模场半径半径江汉大学江汉大学77最大激发效率定义模场半径最大激发效率定义模场半径WdqqGqFqdrrgrfrdqqqGdqqqFdqqGqqFdrrrgdrrrfdrrgrrf2020020220020220)()()()()()()()()()()()(22)(exp2)(;)/(exp2)(GGGGWqWqGWrWrgv当以场分布为g(r)的光源激发单模光纤时,激发效率(耦合效率)以及不

43、重叠度可分别表示为:vvf(r)是光纤的近场分布;G(q)和F(q)分别是光源和光纤的远场分布;v qsin/0 v定义g(r)为高斯分布函数: 第第5章章 5.3单模光纤模场单模光纤模场半径半径江汉大学江汉大学78确定确定W的四种数学等效方法的四种数学等效方法1. 测出光纤的近场分布测出光纤的近场分布f(r),改变高斯函数的改变高斯函数的WG使使为最大为最大,此时此时WG即为即为W;2. 测出测出f(r),改变改变WG使使为最小为最小,此时的此时的WG亦为亦为W;3. 测出光纤的远场分布测出光纤的远场分布F(q),改变改变WG使使为最大为最大,此此时时WG为为W;4. 测出测出F(q),改变

44、改变WG使使为最小为最小,亦可求得亦可求得W。 第第5章章 5.3单模光纤模场单模光纤模场半径半径江汉大学江汉大学79模场半径的其它定义模场半径的其它定义第第5章章 5.3单模光纤模场单模光纤模场半径半径江汉大学江汉大学80江汉大学江汉大学815.4 单模光纤截止波长单模光纤截止波长 江汉大学江汉大学825.5 光纤参数测试技术光纤参数测试技术 第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学83参 数RTMATM衰减系数 切断法 插入损耗法;背向散射法折射率分布 折射近场法 近场法基带响应 时域法;频域法 色散系数 相移法;脉冲时延法 数值孔径 折射近场法 远场法 模场直径

45、 (无) 传输场法;横向偏移法 截止波长 传导功率法 模场直径与波长关系法vRTM: 基准测试方法 vATM: 替代测试方法 第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学845.5.1 注入条件与稳态分布注入条件与稳态分布第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学85扰扰模模器器、滤滤模模器器和和包包层层模模剥剥除除器器 第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学86第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学87第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学88第第5章章 5.5光

46、纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学89第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学90第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学91第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学92第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学935.5.3 折射率分布的测量折射率分布的测量1. 折射率近场法折射率近场法 根据光纤折射光根据光纤折射光(辐射模辐射模) 功率与折射率功率与折射率n(r)成正比成正比而建立起来的测试方法。而建立起来的测试方法。 测量方法测量方法: 利用透镜将光束会聚成很小的光点入射利用

47、透镜将光束会聚成很小的光点入射光纤端面光纤端面,入射最大角入射最大角max由输入光栏控制由输入光栏控制,max远远大于光纤数值孔径角大于光纤数值孔径角,以在光纤中激励起导模、漏以在光纤中激励起导模、漏模和辐射模模和辐射模; 将光纤的一端浸入折射率匹配液盒之将光纤的一端浸入折射率匹配液盒之中中,可使部分漏模与辐射模逸出光纤可使部分漏模与辐射模逸出光纤,形成一个空心形成一个空心光锥光锥; 利用一个遮光盘挡住漏模光利用一个遮光盘挡住漏模光,同时限定折射角同时限定折射角“min, 由探测器接收辐射模功率由探测器接收辐射模功率P(r) 第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学9

48、4第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学952. 近场扫描法近场扫描法第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学963. 端面反射法端面反射法 22222(1)( )1)( )(1)(1)( )P rnn rnP rnn工作原理：基于端面菲涅尔反射的功率反射系数R和折射率n(r)有着确定的关系，通过测试R或反射功率P(r)来确定n(r)： 第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学971. 脉冲展宽测量脉冲展宽测量*第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学98第第5章章 5.5光纤参数测试技术

49、光纤参数测试技术江汉大学江汉大学99第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学100第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学101第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学102第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学1035.5.5 数值孔径的测量数值孔径的测量第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学104第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学1055.5.6 模场半径的测量模场半径的测量第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江

50、汉大学江汉大学1065.5.7 截止波长的测量截止波长的测量第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学107第第5章章 5.5光纤参数测试技术光纤参数测试技术江汉大学江汉大学108江汉大学江汉大学1091. 哪些因素限制光通信传输距离？哪些因素限制光通信传输距离？2. 一光纤长一光纤长220公里，已知光纤损耗为公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功，当输出光功率为率为2.5 mW时，输入光功率为多少？时，输入光功率为多少？3. 为什么光纤在为什么光纤在1.55 m的波长损耗比的波长损耗比1.3 m波长小波长小?4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？光纤的损耗能否