光纖的傳輸特性ppt課件.ppt

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1、第三章光纖的傳輸特性3.1光纖的損耗特性3.2光纖的色散特性3.3成纜對光纖特性的影響3.4典型光纖參數(shù)3.1光纖的損耗特性3.1.1吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的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，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。1.本征吸收損耗本征吸收損耗在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。(2)紅外吸收損耗紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部

2、分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。2.雜質(zhì)吸收損耗光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。3.原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(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。3.1.2散射損耗1.線性散射損耗任何光纖波導都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線

3、性散射損耗。(1)瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(2)光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導散射損耗)在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。2.非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。3.1.3彎曲損耗光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲

4、率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。3.1.4光纖損耗系數(shù)為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學表達式表示為：式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和

5、輸出光功率，以mW或μW為單位。3.2光纖的色散特性3.2.1色散的概念3.2.2模式色散所謂模式色散，用光的射線理論來說，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時延差。1.階躍型光纖中的模式色散在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達終端的時延差。圖3.6階躍型光纖的模式色散2.漸變型光纖中的模式色散在漸變型光纖中合理地設(shè)計光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時速度得到補償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。3.2.3材料色散一般情況

6、下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個物理量來衡量，色散系數(shù)定義為單位波長間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長度光纖所產(chǎn)生的色散，用D(λ)表示，單位是ps/（nm·km）。2.材料色散在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導出，材料色散用τm表示。τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L式(3-25)中：Δλ為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應(yīng)的波長范圍；L是光纖的傳播長度。3.2.4波導色散式(3-23)中的第二項與波導的歸一化傳播常數(shù)b和波導的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項稱之為波導色散系數(shù)，

7、用Dw(λ)表示。3.2.5極化色散極化色散也稱為偏振模色散，用τp表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。單模光纖中可能同時存在LP01x和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。當光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時，兩個極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)βx和βy不相等。對于弱導光纖，βy和βx之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。3.2.6總色散光纖