光纤的损耗和色散ppt课件(最新)

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光纤的制造－预制棒法
相似折射率分布的直径 2cm左右，长1m预制棒，再拉成 长度10km，0.125mm细直径的光纤。特点是可制造折射 率分布复杂的光纤。
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光纤的制造－预制棒法
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k0n
2n 0
2f 2c
0
g
d d
d d0
d0 d
2n 02
2 0
dn
•
0
2
d0 2c
1 c
n
0
dn
d 0
ps/nm
10
材料色散参量
m
L g
L Vg
m (0 ) m (0 ) L g 0 g 0
0
c
d2 n
d 02
0 L
偏振态改变 发生偏振色散 保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤
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偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由 Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到
1 c
d
dk
1 c (nx
ny )
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保偏光纤(PMF)
双折射参量的定义
BF
X Y
k0
0
X Y 2
传输相位差
L ( X Y ) L
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用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτn ——模式色散； Δτm——材料色散； Δτw ——波导色散 所引起的脉冲展宽的均方根值。 8
群速与群延时
群速 的表示：
Vg
d d
群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
g
1 Vg
d d
9
光纤内的群延时
M L

具体机理：在黑夜里向空中照射，可以看到 一束光束，人们也曾看到过夜空中的探照 灯发出粗大的光柱。为什么我们会看到这 些光柱呢？这是因为有许多烟雾，灰尘等 微小颗粒浮游于大气之中，光照射在这些 颗粒上，产生了散射，就射向了四面八方， 这个现象是由瑞利首先发现的，所以人们 把这种散射称为瑞利散射。 瑞利散射是怎样产生的呢？原来组成物质的 分子、原子、电子是以某些固有的频率在 振动，并能释放出波长与该振动频率相应 的光。
二 散射损耗
是指光通过密度或折射率不均匀的物质时，除了 在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到 光，这种现象叫做散射。
原因：光纤的材料，形状，散射率分布等的 缺陷或不均匀。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如 气泡)引起的散射产生的。 结构缺陷散射产 生的损耗与波长无关。
• 3.色散平坦光纤（DFF）
有效利用带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段 （ 1.3um-1.6um）都保持低损耗和低色散。
4. 色散补偿光纤（DCF）
利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉 冲信号发生展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤 称为色散补偿光纤。
作业
1．什么是损耗?光纤中存在哪些损耗?这些损 耗是由什么因素引起的？ 2.什么是色散?光纤中存在哪些色散? 3. 光纤中的信号变化是由哪些因素引起的？这 些因素各导致信号如何变化？
2.非零色散光纤（NZDF）
• 当在一根光纤上同时传输多波长光信号再采用光 放大器时，DSF光纤就会在零色散波长区出现严 重的非线形效应，这样就限制了WDM技术的应用。 • 为了提高多波长WDM系统的传输质量，就考虑 零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系 统的应用。 • NZDF是指光纤的工作波长移到1.54～1.565μm 范围，不是在1.55um的零色散点内，在此区域内 的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km· wm。此范围 内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技 术。

全光放大 EDFA 拉曼放大器
掺铒光纤放大器
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.2 色散引起的信号失真
不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生 码间干扰，给信号的最后判决造成困难
分类： 1. 模内色散 - 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
标准单模光纤损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯ 含量石英光纤 AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH¯ 吸收损耗
OH－
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较
多模光纤
单模光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 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
模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源
∆λ比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF = 1/ 4 1/ 4 = ∆T ∆λ ⋅ D(λ ) ⋅ L
1 1/ 4 ∆T = Tbit = 4 BSMF
带宽和距离乘积：
BSMF ⋅ L =
1/ 4 ∆λ ⋅ D(λ )
(Gb/s ⋅ km )
例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积 带宽和距离乘积： 带宽和距离乘积 BL < 1 (Gb/s)·km
3.5 单模光纤的色散优化设计
G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm
1550 nm

光纤的典型结构是多 层同轴圆柱体由图31-1 所 示 ， 自 内 向 外 为纤芯、包层及涂覆 层。纤芯和包层合起 来构成裸光纤，光纤 的光学及传输特性主 要由它决定。涂覆层
2
光纤按折射率分布来分类，一般可 分为阶跃型光纤和渐变型光纤。
(1) 阶跃型光纤
如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保 持一定，包层折射率n2沿半径方向 也保持一定，而且纤芯和包层的折 射率在边界处呈阶梯型变化的光纤， 称为阶跃型光纤，又可称为均匀光 纤，它的结构如图3-1-2(a)所示。
2
渐变折射率光纤可以降低模间色散，如 图3-2-2所示
选择合适的折射率分布就有可能使所有 光线同时到达光纤输出端。
相对折射指数差Δ和数值孔径NA是描 述光纤性能的两个重要参数。
1相对折射指数Δ
光纤纤芯的折射率和包层的折射率的 相差程度可以用相对折射指数差Δ来 表示
相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导
(2) 渐变型光纤
如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤， 又称为非均匀光纤，它的结构如图3-1-2(b)所示。
1
光线入射在纤芯与包层界面上会发 生全反射，当全反射的光线再次入 射到纤芯与包层的分界面时，它被 再次全反射回纤芯中，这样所有满 足θ1＞θc的光线都会被限制在纤芯中 而向前传输，这就是光纤传光的基 本原理。
第三章 光纤
3.1光纤概述 3.2光纤的导光原理 3.3相对折射指数差Δ和数值孔径NA 3.4阶跃型光纤的波动光学理论 3.5阶跃型光纤的标量模 3.6可导与截止 3.7渐变型光纤的理论分析 3.8光纤的损耗特性 3.9光纤的色散特性 3.10单模光纤 3.11光纤的传输带宽
1光纤结构

色散评估指标：色散系数、色散斜 率、色散带宽等
色散评估应用：光纤通信系统设计、 光纤选型、光纤性能评估等
光纤损耗和色散的关系
损耗和色散的相互影响
光纤损耗：光在光纤中传输时，由于各种原因导致的能量损失
色散：光在光纤中传输时，由于不同波长的光速不同，导致光脉冲在传输过程中发生展宽和变 形的现象
损耗与色散的关系：损耗和色散是相互影响的，损耗越大，色散越严重
光纤损耗和色散
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Hale Waihona Puke 单击输入目录标题 光纤损耗 光纤色散 光纤损耗和色散的关系 光纤损耗和色散的应用
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光纤损耗
定义和分类
分类：根据损耗原因，可以 分为吸收损耗、散射损耗和 弯曲损耗
光纤损耗：光纤在传输过程 中由于各种原因导致的光能 损失
吸收损耗：光纤材料对光的 吸收导致的损耗
添加 标题
材料色散：由于光纤材料对不同波长的光的 折射率不同，导致光脉冲在传播过程中发生 展宽和变形的现象。
添加 标题
波导色散：由于光纤中不同模式的光速不同， 导致光脉冲在传播过程中发生展宽和变形的 现象。
影响色散的因素
光纤材料：不同材料对色散的影响不同 光纤长度：光纤越长，色散越严重 光纤直径：直径越大，色散越小 光纤温度：温度越高，色散越严重 光纤弯曲：弯曲程度越大，色散越严重 光纤折射率：折射率越高，色散越小
降低色散的方法
采用低色散光纤，如G.652光纤 采用色散补偿技术，如色散补偿光纤 采用色散补偿设备，如色散补偿器 采用色散补偿算法，如色散补偿软件
色散的测量和评估
色散测量方法：光谱分析法、干涉 法、光时域反射法等
色散测量设备：光谱分析仪、干涉 仪、光时域反射仪等

先进调制技术
采用更先进的调制技术可以提高光信号的抗干扰能力和传输效率， 进一步降低光纤损耗和色散对通信系统的影响。
智能光网络技术
结合人工智能、大数据等技术，发展智能光网络技术，实现光网络的 自动化管理和优化，提高网络运行效率和资源利用率。
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光纤损耗和色散
contents
目录
• 光纤损耗概述 • 光纤色散概述 • 光纤损耗与色散关系 • 光纤损耗和色散测量方法 • 降低光纤损耗和色散技术 • 光纤损耗和色散应用前景
01 光纤损耗概述
损耗定义及分类
损耗定义
光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射等原因导致的光功 率损失。
损耗分类
根据损耗产生的机理，可分为吸收损耗、散射损耗和辐射损 耗等。
色散影响
色散会导致光信号在传输过程中发生畸变，严重影响通信 质量。在长距离无中继光传输系统中，需要对色散进行有 效的补偿和管理。
系统稳定性要求
长距离无中继光传输系统对设备的稳定性和可靠性要求极 高，需要采取一系列措施来保障系统的长期稳定运行。
未来发展趋势及展望
新型光纤材料研发
随着材料科学的不断进步，研发具有更低损耗、更高带宽的新型光 纤材料将成为未来发展的重要方向。
色散会降低光纤通信系统的带宽，使得系 统无法支持高速率、大容量的数据传输。
03 光纤损耗与色散关系
损耗对色散影响
损耗导致光信号幅度降低
光纤传输过程中，光信号会受到损耗，导致信号幅度逐渐降低。这会影响色散 性能，因为色散是与光信号幅度相关的现象。
不同波长损耗差异
光纤对不同波长的光信号具有不同的损耗特性。这种波长依赖性损耗会导致色 散现象的发生，因为不同波长的光信号在光纤中传播速度不同。

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PMD 对传输的影响
PMD对>40-Gb/s传输系统的影响将更加显著
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光纤的损耗
主要内容
色散及其引起的信号失真
单模光纤的色散优化
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G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm
3.5 单模光纤的色散优化设计
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
基本损耗
宏弯损耗 微弯 损耗
长波长处附加损耗显著
2W0 2a 0.651.619 V 3/ 2 2.879 V 6
V
2a

2 n1
2 1/ 2 n2


2a
NA


增加，V减少，W0越大
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宏弯带来的应用局限：Verizon的 烦恼 Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光
非本征吸收
OH－吸收峰 ~ 2 dB
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原子缺陷吸收 光纤制造 -> 材料受到热激励 -> 结构不完善
强粒子辐射 -> 材料共价键断裂 -> 原子缺陷 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动
吸收光能，引起损耗
人死亡
800
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
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散射损耗 光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象
码间干扰，给信号的最后判决造成困难
分类： 1. 模内色散 - 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
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模内色散：材料色散
光纤材料对不同的频率成 份折射率(传播速率)不同
1 2 3 1 2 3

B 1 p C LB f
忽略第二项，则偏振模色散导致的脉冲展宽为：
2. 偏振模色散的统计特性 由于光纤在制造过程中的不确定性因素，光纤 的不圆程度、内应力的不均匀程度都是随机变化的。 这导致光纤的双折射参量或拍长LB并不是一个 常量，而是一个随光纤位置而变化的随机量。
-10 -20
G.656 色散平坦光纤 使波导色散曲线具有更大的斜率，或其负色 散值随波长变化更陡，使得在1.3~1.6um波长 范围内波导色散与材料 总色散 色散都可较好的相抵消。 因此在较大的范围内保 普通光纤 持相近的色散值，适用 于波分复用系统 色散平坦光纤
30 20 10 1.1 1.2 1.3 1.4 ( m m) 1.5 1.6 1.7
§3.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类
一、色散系数 单模光纤中只有主模式LP01模传输，总色散 由材料色散、波导色散、折射率剖面色散和偏振 模色散构成。前三项属于波长色散，后一项为模 式色散。在光纤的双折射参量很小时，波长色散 是主要的。 定义单模光纤的波长色散D()：
D Dm DW
定义色散斜率：
D ( ) D (0 ) d D ( ) S 0 lim 0 0 d
即零色散波长附近总色散系数随变化曲线的斜 率，则零色散区内的色散系数为：
D( ) ( 0 ) S 0 S 0
将设可以将光信号看成是对角频率为0，相位 常数为0的单色光调制的结果，则有：
G.655非零色散光纤: 是一种改进的色散移位光纤。在密 集波分复用(WDM)系统中，当使用波长1.55 μm色散为零 的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现 了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或 三个波长的传输光混合而产生的有害的频率分量，它使信 道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重， 如果有微量色散，四波混频反而减小。为消除这种效应， 科学家开始研究了非零色散光纤。这种光纤的特点是有效 面积较大，零色散波长不在1.55 μm，而在1.525 μm或 1.585 μm。 这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实 现了超大容量超长距离的通信。

光纤中的色散和偏振模色 散
• 引言 • 光纤中的色散 • 偏振模色散 • 色散和偏振模色散在光纤通信中的应
用 • 实验和案例分析 • 结论和展望
01
引言
主题简介
色散
色散是光在光纤中传输时，不同 频率或模式的光以不同速度传播 的现象。
偏振模色散
偏振模色散是由于光纤中不同偏 振态的光以不同速度传播而引起 的。
色散产生的原因和影响
原因
01
色散的产生与光纤的材料、折射率、波长、温度等因素有关。
误码率，限制传输距离和
数据速率。
解决方法
03
采用色散补偿技术，如色散补偿光纤、啁啾脉冲等，以减小或
消除色散对信号的影响。
03
偏振模色散
偏振模色散定义
偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，简称PMD）是指光纤中两个正交偏 振模式传播速度不同而引起的脉冲展宽现象。
2. 将激光器发出的光信号通过光纤传输，并使用偏振控制器和示波器测 量光信号的偏振态和波形。
偏振模色散实验
3. 改变光纤的长度或弯曲程度，观 察光信号的偏振态和波形变化。
4. 分析实验数据，探究偏振模色散对 光信号传输的影响。
光纤通信系统中的色散和偏振模色散案例分析
案例一
长距离光纤通信系统中的色散和偏振模色散
产生原因
色散是由于光纤材料对光 的折射率随波长变化而引 起的。
影响
色散会导致光信号的脉冲 展宽，影响信号的传输质 量和距离。
色散类型
材料色散
由于光纤材料对不同波长 的光具有不同的折射率而 引起的色散。
波导色散
由于光纤的几何结构对不 同模式的信号具有不同的 传播速度而引起的色散。

（7.1.4）
P 式中 c o m n ， P c l d m ， P t m n 为某模式(m，n)在
纤芯、包层中和总的功率流。
在前面仍然考虑包层是无穷的，功率一分为二，一部分在纤芯 里传输，另一部分在包层里传输。虽然实际上并非如此，但一般 在包层的边缘上电磁场已衰减到很小，所以这个近似还是可以的。
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rC1exp(C2R) （7.1.3）
式中 r 为弯曲产生的衰减系数C1，
C2是常数，与曲率半径无关。衰减与
曲率半径R的关系表现在指数函里。
途中x>R+xr的区域为阴影区，代表 相速超过光速，成为辐射的区域。
图7.1.1 弯曲波导
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仍以薄膜波导为例，假设厚度为1.18μm，波 长为0.63μm，折射率之差0.001时(它用作 单模传输，第二个模式在厚度4×1.18μm时产 生)，xr≈16，C1为104，C2为100；在 R=18cm时，衰减为8.68dB/m。如果R增大 一倍，则衰减将减exp(200)≈1/6.5×107，
前言
光纤的基本特性
光纤几何参数： 1.纤芯、包层直径、不园度、偏芯率 2.数值孔径 3.折射率分布
光纤物理参数： 1.损耗 2.色散 3.偏振、双折射
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光学几何参量测量: 1.数值孔径:
N.A.n0sinm
2.折射率分布: (一)反射法:
P消除杂散光
5
(二)干涉法:
n n2 1gR 4R
n N t
射率
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掺杂不均匀引起的散射：也属于物质的本征散射。
浓度的不均匀性的散射:所用的玻璃中有些含有几种氧化
物，以改变折射率。而氧化物浓度的不均匀性或起伏，也会
引起散射，产生损耗。