第2章光纤的特性 (2)精选文档.ppt
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1、第2章光纤的特性(2)2022/9/22本讲稿第一页,共六十五页2.22.2光纤的损耗光纤的损耗损损耗耗吸收损耗吸收损耗散射损耗本征吸收本征吸收杂质离子吸收杂质离子吸收过渡族金属离子OH-紫外吸收红外吸收本征散射及其他本征散射及其他制作缺陷制作缺陷芯-包层界面不理想喇曼散射瑞利散射折射率分布不均匀气泡、条纹、结石布里渊散射与波长四次方成反比与波长四次方成反比2022/9/22本讲稿第二页,共六十五页2.2.1光纤的损耗特性n吸收损耗吸收损耗 吸吸收收损损耗耗是是由由制制造造光光纤纤材材料料本本身身以以及及其其中中的的过过渡渡金金属属离离子子和和氢氢氧氧根根离离子子(OH)等等杂杂质质对对光光的
2、的吸吸收收而而产产生生的的损损耗耗,前前者者是是由由光光纤纤材材料料本本身身的的特性所决定的,称为本征吸收损耗。特性所决定的,称为本征吸收损耗。2022/9/22本讲稿第三页,共六十五页1.本征吸收损耗本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有两本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。种基本的吸收方式。(1)紫外吸收损耗紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时,光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时,光子流中的能量将被电子吸收,从而引起的光子流中的能量将被电子吸收,从而引起的损耗。损耗。2022
3、/9/22本讲稿第四页,共六十五页(2)红外吸收损耗红外吸收损耗红红外外吸吸收收损损耗耗是是由由于于光光纤纤中中传传播播的的光光波波与与晶晶格格相相互互作作用用时时,一一部部分分光光波波能能量量传传递递给给晶晶格格,使其振动加剧,从而引起的损耗。使其振动加剧,从而引起的损耗。2.杂质吸收损耗杂质吸收损耗光光纤纤中中的的有有害害杂杂质质主主要要有有过过渡渡金金属属离离子子,如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。2022/9/22本讲稿第五页,共六十五页3.原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗 通通常常在在光光纤纤的的制制造造过过程程中中,光光纤纤材材料料受受到到某某种种热热激
4、激励励或或光光辐辐射射时时将将会会发发生生某某个个共共价价键键断断裂裂而而产产生生原原子子缺缺陷陷,此此时时晶晶格格很很容容易易在在光光场场的的作作用用下下产产生生振振动动,从从而而吸吸收收光光能能,引引起损耗,其峰值吸收波长约为起损耗,其峰值吸收波长约为630nm左右。左右。2022/9/22本讲稿第六页,共六十五页n散射损耗散射损耗1.线性散射损耗线性散射损耗 任任何何光光纤纤波波导导都都不不可可能能是是完完美美无无缺缺的的,无无论论是是材材料料、尺尺寸寸、形形状状和和折折射射率率分分布布等等等等,均均可可能能有有缺缺陷陷或或不不均均匀匀,这这将将引引起起光光纤纤传传播播模模式式散散射射性
5、性的的损损耗耗,由由于于这这类类损损耗耗所所引引起起的的损损耗耗功功率率与与传传播播模模式式的的功功率率成成线线性性关关系系,所所以以称称为为线线性散射损耗。性散射损耗。2022/9/22本讲稿第七页,共六十五页(1)瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程,瑞利散射是一种最基本的散射过程,属于固有散射。属于固有散射。对于短波长光纤,损耗主要取决于瑞对于短波长光纤,损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是:瑞利散射损耗利散射损耗。值得强调的是:瑞利散射损耗也是一种本征损耗,它和本征吸收损耗一起也是一种本征损耗,它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。构成光纤损耗的理论极限值。202
6、2/9/22本讲稿第八页,共六十五页(2)光纤结构不完善引起的散射损耗光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗波导散射损耗)在光在光纤制造过程中,由于工艺、技术问题以及一些随机因素,可能造纤制造过程中,由于工艺、技术问题以及一些随机因素,可能造成光纤结构上的缺陷,如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径成光纤结构上的缺陷,如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。2022/9/22本讲稿第九页,共六十五页2.非线性散射损耗非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射,它们都光纤中存在两种非线性散射,它们都与石英光纤的振
7、动激发态有关,分别为与石英光纤的振动激发态有关,分别为受受激喇曼散射激喇曼散射和和受激布里渊散射受激布里渊散射。2022/9/22本讲稿第十页,共六十五页n弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式:一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲,我们习惯称为弯曲或宏弯;另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲,这种高频弯曲习惯称为微弯。2022/9/22本讲稿第十一页,共六十五页n在光缆的生产、接续和施工过程中,不可避免地出现弯曲。n微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时,光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的,其损耗机理和弯曲一致,也是由模式变换引起的。2022/9/22本讲稿第十二页,共六十五页
8、n光纤损耗系数n为了衡量一根光纤损耗特性的好坏,在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念,即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数,一般用表示损耗系数,单位是dB/km。用数学表达式表示为:2022/9/22本讲稿第十三页,共六十五页n式中:L为光纤长度,以km为单位;P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率,以mW或W为单位。2022/9/22本讲稿第十四页,共六十五页光纤损耗的来源光纤损耗的来源(1)(2)水峰2022/9/22本讲稿第十五页,共六十五页2.3 2.3 光纤色散光纤色散光光纤纤色色散散是是光光纤纤最最重重要要特特性性参参量量之之一一。它它在很大程度上决定了信号传
9、输质量在很大程度上决定了信号传输质量2022/9/22本讲稿第十六页,共六十五页 2.3.1引言n光纤色散光纤色散:在光纤中传输的光脉冲,受到由光纤在光纤中传输的光脉冲,受到由光纤的的折射率分布折射率分布、光纤材料光纤材料的色散特性、光纤中的的色散特性、光纤中的模式模式分布分布以及以及光源的光谱宽度光源的光谱宽度等因素决定的等因素决定的“延迟畸变延迟畸变”,使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。,使该脉冲波形在通过光纤后发生展宽。(1)多模色散多模色散(2)波导色散波导色散(3)材料色散材料色散(4)偏振色散)偏振色散波长色散波长色散2022/9/22本讲稿第十七页,共六十五页脉冲与脉冲线宽脉冲与
10、脉冲线宽=为光源的线宽为光源的线宽,为脉冲的脉宽为脉冲的脉宽2022/9/22本讲稿第十八页,共六十五页群延时t2022/9/22本讲稿第十九页,共六十五页群速与群延时群速与群延时群速群速 的表示:的表示:群延时:群速群延时:群速Vg行进单位长度所花费的时间,即行进单位长度所花费的时间,即2022/9/22本讲稿第二十页,共六十五页光纤内的群延时光纤内的群延时ps/nm2022/9/22本讲稿第二十一页,共六十五页 多模光纤色散多模光纤色散SI光纤的模式色散光纤的模式色散 GRIN(=2)光纤的的模式色散,单位长度脉冲展宽为光纤的的模式色散,单位长度脉冲展宽为2022/9/22本讲稿第二十二页
11、,共六十五页材料色散参量材料色散参量(ps/nm/km)材料色散参量材料色散参量2022/9/22本讲稿第二十三页,共六十五页波导色散波导色散短波长短波长=0.82 m处处 材料色散材料色散M=110:波导色散波导色散M=2 ps/nm/km材料色散材料色散:难调整难调整波导色散波导色散:比较容易调整比较容易调整2022/9/22本讲稿第二十四页,共六十五页 偏振模弥散偏振模弥散水水平平偏偏振振基基模模与与垂垂直直偏偏振振基基模模的群速不同造成的脉冲的群速不同造成的脉冲即即 x y2022/9/22本讲稿第二十五页,共六十五页举例举例n1=1.48,,n2=1.473;L0.3km=0.004
12、72022/9/22本讲稿第二十六页,共六十五页 材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模式运载,因光源有线宽,而不同波长光的群速不同运载,因光源有线宽,而不同波长光的群速不同导致的脉冲展宽。导致的脉冲展宽。模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同模模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同模式运载,因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。式运载,因不同模式的群速不同导致的脉冲展宽。偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同一模式运载,因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展式运载,因不同偏振态光的群速不同导致的脉冲展宽。宽。各种色
13、散导致脉冲展宽的特点各种色散导致脉冲展宽的特点2022/9/22本讲稿第二十七页,共六十五页各种光纤的综合性能和用途各种光纤的综合性能和用途2022/9/22本讲稿第二十八页,共六十五页2.4单模光纤的设计单模光纤的设计n2.4.1引言n多模光纤色散多模光纤色散2022/9/22本讲稿第二十九页,共六十五页单模光纤的色散单模光纤的色散图图2.4.1石英玻璃的材料色散石英玻璃的材料色散DMDW图图2.4.2单模光纤的波导色散单模光纤的波导色散2022/9/22本讲稿第三十页,共六十五页常规常规SI单模光纤单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)ZMD:零色散点零色散点ZMD1.3
14、m 0=1.55 m D17ps/nm/km 0.2dB/km 2022/9/22本讲稿第三十一页,共六十五页零色散位移光纤零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted Fiber)ZMD1.55 m2022/9/22本讲稿第三十二页,共六十五页非零色散位移光纤非零色散位移光纤(Nonzero Dispersion Shifted Fiber)2022/9/22本讲稿第三十三页,共六十五页单模光纤色散比较单模光纤色散比较2022/9/22本讲稿第三十四页,共六十五页2.4.2截止条件截止条件2022/9/22本讲稿第三十五页,共六十五页2.4.3色散特性色散特性202
15、2/9/22本讲稿第三十六页,共六十五页2.5偏振保持光纤简介偏振保持光纤简介 2.5.1引言引言n轴对称单模光纤:两个轴对称单模光纤:两个线偏振线偏振正交模式或两个正交模式或两个圆偏振圆偏振正交模式正交模式n n偏振模色散偏振模色散偏振模色散偏振模色散:实际光纤不可避免地存在一定缺陷,如:实际光纤不可避免地存在一定缺陷,如纤芯椭圆度和内部残余应力,使两个偏振模的传输常纤芯椭圆度和内部残余应力,使两个偏振模的传输常数不同,这样产生的时间延迟差称为数不同,这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双偏振模色散或双偏振模色散或双偏振模色散或双折射色散折射色散折射色散折射色散。偏振态改变偏振态改变 发生偏
16、振色散发生偏振色散n保偏光纤:维持光波偏振态的偏振保持光纤保偏光纤:维持光波偏振态的偏振保持光纤2022/9/22本讲稿第三十七页,共六十五页n n偏振模色散偏振模色散取决于光纤的取决于光纤的双折射双折射,由,由=x-ynxk-nyk得到得到2022/9/22本讲稿第三十八页,共六十五页双折射参量的定义双折射参量的定义 保偏光纤保偏光纤(PMF)传输相位差传输相位差2022/9/22本讲稿第三十九页,共六十五页拍长拍长LB高双折射率高双折射率(HB)保偏光纤保偏光纤:BF10-5低双折射率低双折射率(LB)保偏光纤保偏光纤:BF10-6保偏光纤保偏光纤(PMF)2022/9/22本讲稿第四十页
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