光纤的特征参数与测试技术课件.ppt

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1、1,第五章 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：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：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：引起DWDM传输信道串扰。,2, 5.1 光纤的损耗,3, 5.1 光纤的损耗,重要数据: 0.5dB0.9; 1dB0.8; 2dB.6; 3dB0.5; 10dB0.120dB0.01,定义：单位长度光纤光功率衰减分贝数。,损耗的来源：光纤材料的吸收与散射损耗光纤的微弯与宏弯损耗光纤的连接与耦合损耗,4,光纤的损耗分类,5,5.1.1 光纤材料的吸收损耗,1.基质材料的本征吸收2.杂

2、质吸收3. 原子缺陷吸收,6,1. 基质材料的本征吸收,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 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围 0.71.6m 0.05dB/km,7,晶格,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 1010dB/km 0.01dB/km,8,本征吸收曲线,9,2. 杂质吸收 杂质：由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，例如：过渡金属离子（Fe、Mn、Ni、Cu、Co、Cr等）和OH根离子。 欲使杂质吸收带中心波长处的损耗低于20dB/km，要求

3、过渡金属离子相对含量低于10-9。 OH吸收峰1.39 m、 1.24 m、 0.95 m 光纤通信三个窗口：0.85 m、 1.3 m、 1.55 m 处于OH-吸收谷区,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),10,光纤的损耗谱,OH吸收峰 2 dB,11,3. 原子缺陷吸收 材料受热辐射或光辐射引起的吸收。 损耗可达几百甚至几万dB/km。 为此，光纤材料一般选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收。,光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动,光纤制造 - 材料受到热激励 - 结构不

4、完善,强粒子辐射 - 材料共价键断裂 - 原子缺陷,吸收光能，引起损耗,12,Optical Fiber Attenuation,13,不断拓展的光纤窗口波长,2004年,14,5.1.2 散射损耗,1.瑞利散射,The Lord Rayleigh,John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh,Rayleigh scattering is more dramatic after sunset. This picture was taken about one hour after sunset at 500m altitude, looking at the

5、horizon where the sun had set.,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.,15,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，例如：折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等，引起光的散射。,是一种线性损耗，与光纤中传输的光强无关。,A，B是与石英和掺杂材料有关的常数。是相对折射率差0是工作波长,0=1.55m =0.3% 0.16dB/km0=1.3m 0.32dB/km,

6、本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值,16,标准单模光纤损耗曲线,掺GeO2的低损耗、低OH含量石英光纤,OH,0.154 dB/km,AllWave fiber,AllWave：逼近本征损耗单模：本征损耗+OH吸收损耗,常温且未暴露在强辐射下,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,多模光纤,单模光纤,18,2.受激喇曼散射与受激布里渊散射,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。在传输较低的系统中可以不考

7、虑，但在传输较高（Gb/s）的系统中要考虑。,19, 5.1.3 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包层中或穿过包层 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510cm时，由弯曲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过渡弯曲：光纤由直到弯曲的突变微 弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲,20,物理机制,光纤发生弯曲,全反射条件破坏,约束能力下降,导摸转化为辐射摸,能量逸出,光功率损失,损耗机理,21,22,高阶模弯曲损耗大、低阶模弯曲损耗小！,23,1.

8、宏弯损耗,24,2.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,25,损耗分析,损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相互耦合, 并损失功率。 损耗分析：等效折射率方法弯曲光纤中的场可以看成某一等效折射率分布下直光纤弯曲光纤传播常数产生相移exp(-iLz)满足波导场方程r增加导致ne(r)增加，场分布拓展 导模向漏模转化,引起功率泄漏造成“过渡损耗”。 损耗计算公式：,26,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：

9、将光纤缠绕成环,27,3. 微弯曲损耗,单模光纤微弯损耗,主要取决于模场半径W0,相对折射率差和纤轴的畸变。 经验公式：模场半径W0的微小增加将引起微弯损耗的大幅度上升,28,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,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,29,宏弯和微弯对损耗的附加影响,宏弯损耗,微弯损耗,基本损耗,l增加，V减少，W0越大,长波长处附加损耗显著,30,宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼,Verizon钟爱

10、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光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减,31,新技术：抗宏弯的柔性光纤,Photonic Crystal Fiber,Photonic Bandgap Fiber,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,32,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,33,光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数

11、衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。,光纤损耗的度量,34,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,35,5.2 光纤的色散与带宽,随着光脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽,模间色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion),36,37,38,色散定义,39,5.2.1 阶跃型弱导光纤的色

12、散,波导色散,模间色散,单色弥散,材料色散,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,40,1. 材料色散,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变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。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，不能说折射率随波长变化就一定导致材料色散 。,41,光纤的折射率是波长的函数n(l)，不同的波长的传播函数b不同：可以得到传播了L后由Dl所带来的群延时差为：Dm为材料色散系数。,材料色散,减小材料色散：选择谱宽窄的光源,42,群速度色散 (GVD),

13、正常色散区,反常色散区,正常色散区: 长波长光传播快，短波长光传播慢!（负色散值）反常色散区:短波长光传播块，长波长光传播慢!（正色散值）,43,G.652 光纤的色散,正色散光纤,llong,lshort,44,45,信号分量的群速率是频率/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L后，频率分量w经历的延时为：对于一个谱宽为Dw的脉冲，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：,模内色散 - 群速度色散 (GVD),GVD 参数,46,通常在波长域习惯用Dl来表示谱宽。根据w和l之间的关系：代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数： ps/(kmnm)标准单模光纤在15

14、50 nm处色散系数为17 ps/kmnm,群速度色散,47,正色散、负色散和零色散,1. 色散系数D为正：负色散 b2 v低频光2. 色散系数D为负：正色散 b2 0v高频光 v低频光3. 色散系数D为零：零色散,48,2. 波导色散,波导结构影响光波群速度，因为导模场分布实际上是在纤芯和包层中都存在的，因此光波群速度取决于两者的比例。通常长波长光的场分布在包层中延伸更远。因此长波长光“经历”的材料折射率更小，其群速度就会比短波长光更大一些。因此考虑波导色散，长波长光传播快，短波长光传播慢。,49,假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D = (n1-n2)/n1非常小，传播函数b近

15、似等于：可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为：其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：,波导色散,其中,50,总色散,总色散系数 D Dm + Dw,- 材料色散的影响一般大于波导色散： |Dm| |Dw|- 波导色散系数通常为负值,51,52,模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源,Dl比较大的时候，单模光纤带宽：,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/kmnm，那么系统带宽和距离乘积： BL 1 Gb/skm,带宽距离积：,53,模内色散对传输带宽的影响,不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系结论：1)

16、 光源线宽越宽色散越严重2) 零色散光纤对提高系统性 能作用明显,对于高速光链路 ( 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一,54,G.652单模光纤（NDSF）,G.653单模光纤（DSF）,G.655单模光纤（NZ-DSF）,常规G.655大有效面积G.655,三种不同类型的单模光纤,55,G.652标准单模光纤,标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，国际电信联盟（ITUT）把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3m波段的损耗较大，约为0.3dB/km0.4dB/km；在1.55m

17、波段的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在1.3m波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段的损耗较大，约为20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。,56,大多数已安装的光纤低损耗 大色散分布 大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWD

18、M。,G.652单模光纤的应用,57,G.653单模光纤(DSF),针对衰减和零色散不在同一工作波长上的特点，20世纪80年代中期，人们开发成功了一种把零色散波长从1.3m移到1.55m的色散位移光纤（DSF，DispersionShifted Fiber）。ITU把这种光纤的规范编为G.653。然而，色散位移光纤在1.55m色散为零，不利于多信道的WDM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（FWM）导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM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（NZDSF

19、）G.655。,58,低损耗 零色散 小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术结论: 适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。,G.653单模光纤的应用,59,G.655单模光纤(NZ-DSF),针对色散位移光纤在1.55m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WDM系统的问题，如果有微量色散，FWM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（NZDSF）。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1.55m，而是在1.525m或1.585m处。

20、非零色散光纤削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，它特别适合于高密度WDM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。,60,在15301565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。 可以有正的或负的色散海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。 为DWDM系统的应用而设计的,G.655单模光纤的应用,结论: 适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是

21、未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。,61,三种光纤色散情况比较,正常色散区,反常色散区,62,单模光纤的色散优化设计,1320,1550 nm,G.653 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,普通商用光纤,色散位移光纤,63,G.656 色散平坦光纤,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,64,色散补偿光纤 (DCF),正负色散率搭配使系统累积色散为零,缺点：(1) 高损耗； (2) 短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于WDM系统,65,中

22、途谱反转技术,非线性器件,等长、色散性质相同的光纤,66,利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿,注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件,67,3. 模间色散,在多模光纤中,脉冲展宽主要决定于多模群延时差m产生原因来自于各个不同导模的群速不相同模间色散并不是由于频率不同引起的,故称其为 单色弥散似乎更为合适,68,4. 偏振模色散 (PMD),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. 通常其大小为： 0.5 ps/nm/km.低速通信系统（10Gbps以下）通常不考虑PMD的影响. G.652光纤高速（10Gbps以上，例如40Gbps）长距离通信 需要考虑P

23、MD的影响，研究PMD补偿技术。,69,偏振模色散 (PMD),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分量的传播速度不同,70,PMD的外部因素及其特点,外部因素：环境变化如振动、温度、应力等特点：具有很强的不稳定性和突发性因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论,71,PMD 对传输的影响,PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著,72,色散值计算,标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度 6 nm，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 : D = 17ps/nm/km 6 nm 10 km = 1020 ps对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如

24、果脉冲展宽达到脉宽的20，则系统将不能工作。上述情形显然不适合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100；但是对于 155 Mbps速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为 6.5 ns，20的展宽为1300ps。如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 : D = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = 3.4 ps显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。,73,哪些因素限制光通信传输距离？一光

25、纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率为2.5 mW时，输入光功率为多少？为什么光纤在1.55mm的波长损耗比1.3mm波长小?光纤的损耗能否降为零？为什么？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？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：5.4 5.5 5.19,课堂练习,74,5.3 单模光纤模场半径,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,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色散值, 因而被称之为单模光纤的万用参数。单模光纤的模场半径不仅因测量方法的不同而异,

26、而且还受模场半径定义的影响。已提出多种模场半径的定义,应用较广泛的有:(1)功率传输函数定义模场半径wT;(2)最大激发效率定义模场半径w;(3)近场二 阶矩定义模场半径wrms;(4)远场二阶矩定义模场半径wL。,75,功率传输函数定义模场半径wT,76,77,最大激发效率定义模场半径W,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)以及不重叠度可分别表示为:f(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; qsin/0 定义g(r)为高斯分布函数:,78,确定W的四种数学等效方法,测出光纤的近场分布f(r),改变高斯函数的WG使为最大,此时WG即为W

27、;测出f(r),改变WG使为最小,此时的WG亦为W;测出光纤的远场分布F(q),改变WG使为最大,此时WG为W;测出F(q),改变WG使为最小,亦可求得W。,79,模场半径的其它定义,80,模场半径定义的比较,81,5.4 单模光纤截止波长,(样品光纤长度取2米),82,5.5 光纤参数测试技术,光纤损耗（谱）折射率分布带宽(色散与基带频率响应)*数值孔径模场直径截止波长几何参数*,83,ITU-T 建议的测试方法,参 数,RTM,ATM,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

28、模场直径 (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,RTM: 基准测试方法 ATM: 替代测试方法,84,5.5.1 注入条件与稳态分布,85,扰模器、滤模器和包层模剥除器,86,5.5.2 损耗的测量,87,88,89,90,91,92,93,5.5.3 折射率分布的测量,1. 折射率近场法 根据光纤折射光(辐射模) 功率与折射率n(r)成正比而建立起来的测试方法。 测量方法: 利用透镜将光束会聚成很小的光点入射光纤端面,入射最大角max由输入光栏控制,max远大于光纤数值孔径角,以在光纤中激励起导模、漏模和辐射模; 将光纤的一端浸入折射率匹配液盒之中,可使部

29、分漏模与辐射模逸出光纤,形成一个空心光锥; 利用一个遮光盘挡住漏模光,同时限定折射角“min, 由探测器接收辐射模功率P(r),94,95,2. 近场扫描法,该方法比折射近场法要差一些,96,3. 端面反射法,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)：,97,5.5.4 带宽测量*,1. 脉冲展宽测量*,98,99,100,2. 色散的测量*,101,102,103,5.5.5 数值孔径的测量,(4.90)式,104,105,5.5.6 模场半径的测量,1. 横向偏移法,106,5.5.7 截止波长的测量,107,108,109,哪些因素限制光通信传输距离？一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率为2.5 mW时，输入光功率为多少？为什么光纤在1.55mm的波长损耗比1.3mm波长小?光纤的损耗能否降为零？为什么？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？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？什么叫模场的“稳态分布”?简述OTDR的工作原理。简述折射近场法的工作原理。简述时域法和频域法的工作原理。,习题：5.19 5.20 5.23,课堂练习,