第三章 光纤的损耗和色散

1. 第三章 光纤的损耗和色散

2. 主要内容 光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化

3. 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

4. 吸收损耗 本征吸收： 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

5. 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 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围 (2) 红外吸收 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 晶格

6. 本征吸收曲线

7. 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 解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度 OH－吸收峰 ~ 2 dB (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)

8. 人死亡 800 1 rad(Si) = 0.01 J/kg 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 吸收光能，引起损耗

9. 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

10. 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 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

11. 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

12. 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 OH－ AllWave fiber 0.154 dB/km 常温且未暴露 在强辐射下

13. 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

14. 场分布 消逝场 Cladding q¢ < q Core q q q q > q q¢ c R 弯曲损耗 宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加

15. 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

16. 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

17. l增加，V减少，W0越大 宏弯和微弯对损耗的附加影响 基本损耗 宏弯损耗 微弯损耗 长波长处附加损耗显著

18. 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 光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减

19. 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

20. 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

21. 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。

22. 掺铒光纤放大器 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

23. 主要内容 光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化

24. 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

25. 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 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

26. 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 l1 l1 l2 l2 l3 l3

27. 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

28. 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： GVD 参数

29. 群速度色散 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/(km·nm) 标准单模光纤在1550 nm处色散系数为~17 ps/km·nm

30. 正色散、负色散和零色散 1. 色散系数D为正：负色散 b2 < 0 v高频光> v低频光 2. 色散系数D为负：正色散 b2 > 0 v高频光< v低频光 3. 色散系数D为零：零色散

31. 材料色散 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。 减小材料色散：选择谱宽窄的光源

32. 波导色散 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： 其中

33. 1320 标准单模光纤总的模内色散 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

34. 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： 带宽距离积： 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/km·nm，那么系统带宽和距离乘积： BL < 1 Gb/s·km

35. 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) 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

36. 模间色散 多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散 对于子午光线，经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲展 宽为： DL为两种模式的光程差

37. 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

38. 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

39. PMD 对传输的影响 PMD对>40-Gb/s传输系统的影响将更加显著

40. 主要内容 光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化

41. 1320 1550 nm 3.5 单模光纤的色散优化设计 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 1550 nm 普通商用光纤 色散位移光纤

42. 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

43. 色散补偿光纤 TX RX 传输光纤 100 总色散 (ps/km·nm) 0 50 100 150 200 传播长度 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

44. 中途谱反转技术 非线性 器件 等长、色散性质相同的光纤

45. 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