光纤的损耗和色散ppt课件

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微弯：微米级的高频弯曲
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
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗
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宏弯和微弯对损耗的附加影响
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模内色散 - 群速度色散 (GVD)
信号分量的群速率是频率/波长的函数：
即不同的频率分量v间g 存dd在群时dd延 差1。信号在传输了距离L后，
频率分量经历的延时为：
T L L d
瑞利散射一般发生在短波长
本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值
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波导散射
导致的原因是波导缺陷
- 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等
目前的制造工艺基本可以克服波导散射
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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
解决方法：
(1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 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)
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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
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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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3.2 色散引起的信号失真
光信号包含不同的频率、模式、偏振分量
光源输出有一定谱宽： 100 KHz~10 MHz 信号具有不同的频谱分量
f
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色散的定义
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
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弯曲损耗
宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲
场分布
Cladding Core
> c
消逝场
<
弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加
R
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弯曲损耗与模场直径的关系
P包层1 < P包层2
Loss模场直径小 < Loss模场直径大
Loss低阶模 < Loss高阶模
模式剥离器：将光纤缠绕成环
OH－
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
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Байду номын сангаас
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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
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柔性光纤的优点
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 可以实现光纤色散的灵活设计 减少光纤中的非线性效应 抗侧压性能增强
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光纤损耗的度量
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：
可以通过损耗系数来Po衡ut量Pin光e纤L 链路的损耗特性：
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
1. 瑞利散射 2. 波导散射
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瑞利散射
波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射
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
1
2
2
3
3
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模内色散：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
单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层
第三章 光纤的损耗和色散
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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3.1 光纤的损耗
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。这些损耗主要包括： 1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
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本征吸收：
吸收损耗
基本损耗
宏弯损耗
微弯 损耗
长波长处附加损耗显著
V2 an1 2n2 21/22 aNA
2 W 0 2 a 0 . 6 1 . 6 5 V 3 1 / 2 2 . 8 9 V 6 7
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 纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务
起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围
(2) 红外吸收
晶格
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
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本征吸收曲线
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非本征吸收 光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收
OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等
OH－吸收峰 ~ 2 dB
其中L为光纤长度。1L标0lo准g单PPoi模nut光纤dB(S/MkFm)在1550 nm的损耗系 数为0.2 dB/km。
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损耗的补偿办法：放大
电放大 光电光
2.5 × 0.6 × 0.6 m3
全光放大
EDFA 拉曼放大器 0.05 × 0.3 × 0.2 m3
掺铒光纤放大器
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材料本身 (如SiO2) 的特性决定，即便波导结 构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在 本征吸收
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
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本征吸收
(1) 紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引
光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减
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新技术：抗宏弯的柔性光纤
康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结， 已在2500万户家庭中安装
日本NTT也完成了这种光纤的研制
Photonic Crystal Fiber
Photonic Bandgap Fiber
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