《光纖的傳輸特性》PPT課件

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1、第二章光纖與光纜(2)光纖的非線性效應(yīng)光纖的色散光纖的損耗本節(jié)內(nèi)容：光纖的傳輸特性光纖的損耗光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗。即便是在理想的光纖中都存在損耗——本征損耗。光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于：1.吸收損耗2.散射損耗3.彎曲損耗吸收損耗原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成。非本征吸收：由過渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗。本征吸收損耗：由制造光纖材料本身(如SiO2)的特性所決定，包括紫外吸收、紅外吸收。即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會存

2、在本征吸收。原子缺陷吸收在光纖的制造過程中光纖材料受到某種熱激勵造成結(jié)構(gòu)的不完善或在使用時暴露在強粒子的光輻射下將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。1rad(Si)=0.01J/kg非本征吸收原材料將在光纖的制造過程中引入雜質(zhì)，帶來較強的非本征吸收。有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等金屬離子和OH－。OH－吸收峰解決方法：(1)對制造光纖的材料進行嚴(yán)格的化學(xué)提純，比如材料達到99.9999999%的純度(2)制造工藝上改進，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)本征吸收(

3、1)紫外吸收光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲿⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級，同時光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。(2)紅外吸收由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。z晶格光傳播方向kEx光纖吸收損耗曲線摻GeO2的低損耗、低OHˉ含量石英光纖OH－0.154dB/km幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較散射損耗光纖中由于密度不均、折射率的變化以及結(jié)構(gòu)上的不完善，會發(fā)生散射現(xiàn)象。瑞利散射：尺度小于光波長的材料密度的不均勻?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生的本征散射，短波長的光容易發(fā)生這種散射[造成原因]—分子密度分布不均勻

4、；摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻波導(dǎo)散射：由波導(dǎo)缺陷導(dǎo)致的散射[造成原因]—纖芯和包層的界面不完整、圓度不均勻以及殘留氣泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射）本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值產(chǎn)品級典型的光纖損耗譜多模光纖的損耗大于單模光纖：-為獲得較大的數(shù)值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高-由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的高頻彎曲高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時可用彎曲的辦法濾掉高階模消逝場qqq￠qcq￠RCladdingCore場分布宏

5、彎：當(dāng)曲率半徑減小時，輻射損耗呈指數(shù)增加微彎損耗微彎的原因：光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均成纜時受到壓力不均使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果：造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護套宏彎和微彎對損耗的附加影響彎曲損耗隨模場直徑增加顯著增加光纖彎曲帶來額外損耗宏彎損耗微彎損耗基本損耗l增加，V減少前面的討論說明多種導(dǎo)致光纖損耗的原因。一般來說光信號在光纖中傳播的時候，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：那么，評價光纖損耗特性可以通過損耗系數(shù)來衡量。光纖的損耗系數(shù)定義為：其中L為光纖長度，Pin和Pout分別為輸入和輸出

6、光功率。一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km。光纖損耗的計算第二傳輸窗口第一傳輸窗口13001550850紫外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55?m處最小損耗約為0.2dB/km常用單模光纖的損耗光纖的色散色散引起的信號失真模內(nèi)色散(群速率色散)-材料色散：每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對不同的頻率成分的折射率不同，從而不同的頻率成分在光纖中傳播的群速度不同。-波導(dǎo)色散：信號光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有不同的傳播速度，從而導(dǎo)致色散。它的大小取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的折射率差。模間色散：不同傳

7、播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和速率，造成模間色散。偏振模色散：環(huán)境因素造成光不同偏振態(tài)的傳播時延差。fA(1)光源輸出都有一定的譜寬l1l2l3l1l2l3(2)單模光纖中傳播模80%能量在纖芯20%能量在包層色散的直接后果是產(chǎn)生碼間干擾，給信號的最后判決造成困難模內(nèi)色散信號分量的群速率是頻率/波長的函數(shù)：即不同的頻率分量間存在群時延差。信號在傳輸了距離L，頻率分量w經(jīng)歷的延時為：假設(shè)輸入脈沖的譜寬Dw不太寬，那么脈沖展寬的多少