第三章 光纤中的信号劣化

1. 第三章 光纤中的信号劣化 3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性 3.4 单模光纤的优化设计

2. 相关问题： • 光纤中信号衰减的机理是什么样的？ • 为什么光信号在光纤中传播的时候会产生失真？ • 失真会严重到什么程度？

3. 即使是最好的光纤，光从它的一端传到另一端，强度也会有所减弱。光纤中的信号劣化与光纤的传输特性有关。光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性、色散特性和非线性特性。

4. 3.1 光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。

5. 3.1.1 吸收损耗 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的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，包括: • 本征吸收损耗 • 杂质吸收损耗 • 原子缺陷吸收损耗

6. 1. 本征吸收损耗 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。 (1) 紫外吸收损耗 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，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。吸收峰在0.16m,尾巴延伸至光纤通信波段,在短波长区达1dB/km,长波长区约0.05 dB/km。

7. (2) 红外吸收损耗 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，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。Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在9.1、12.5、21 m，尾巴延伸至1.5~1.7 m，造成光纤工作波长的上限。

8. OH－吸收峰 2. 杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。 OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.5~1.1 m)，目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。 解决方法： (1)对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，比如材料达到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)

9. 800 人死亡 3. 原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。 1 rad(Si) = 0.01 J/kg

10. 光纤吸收损耗曲线 掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤 几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较 OH－ 0.154 dB/km

11. 空气中浮游着无数的烟雾、尘粒，光照射到这些微粒上，微粒把光朝四面八方散射，微粒越多，光柱越亮，光的散射损耗越大，照射的距离也就越短。这种散射叫分子散射。一切物质都由分子构成，光纤材料也不例外，所以散射损耗不可避免。 另有一种散射是由光纤材料的内部结构不完整所引起，比如光纤中有气泡、杂质，粗细不均匀，特别是纤芯包层的界面不平滑，光传输到这里，也会被散射到各个方面。 3.1.2 散射损耗

12. 1. 线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。

13. (1) 瑞利散射 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀，进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变化），引起光的散射--瑞利散射。大小与4成反比。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km，仍是该波段损耗的主要原因。显然，若能在更长波长区域内工作，瑞利损耗的影响将会减小（3 m处约0.01 dB/km)，但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。采用新型材料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤。

14. (2) 波导散射损耗 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。 光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），目前的光纤制造水平，可将芯径的变动控制到<1%，相应的散射损耗<0.03 dB/km，可以忽略。

15. 2. 非线性散射损耗 当光通信系统运行于高能级(>几毫瓦），且比特率>2.5Gb/s，需要考虑非线性效应。 光纤中存在两种非线性散射，源于光波与二氧化硅介质中声子（分子震动）的相互作用。它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。

16. 受激喇曼散射 　　受激喇曼散射：能量从短波长光波转移至长波长光波。 stimulated Raman scattering 　　某物质能级1与能级2之间的能量差为h △ v，当频率为v的单色光入射到此介质中时,如处于能级 1的介质分子吸收一个入射光子而跃迁到某个虚能级上，并从此虚能级跃迁回到能级2上,同时发射一个频率为vs＝v- △ v的散射光子,则vs线称为喇曼散射的斯托克斯线。若处于能级 2上的分子吸收一个入射光子，随后从虚能级跃迁回到能级1上,并发射一个频率为va＝v＋ △ v的散射光子，则va线称为喇曼散射的反斯托克斯线。当入射光强较弱时,散射过程基本上是自发散射,即普通的喇曼散射。当入射光是很强的激光时，受激散射成为主导的。散射光的这种变化过程有明显的阈值。入射光强超过此阈值后,散射光的强度突然增大,并有很高的方向性、单色性和相干性。这就是受激喇曼散射。受激喇曼散射可用于物质结构的研究，同时又是产生具有新波长的激光的一种方法。基于此效应而制成的喇曼移频器，已使激光输出波长扩展到远红外和真空紫外范围。利用后向喇曼散射，可以压缩激光脉冲的宽度，从而获得极高的峰值功率。

17. 受激布里渊散射 　　受激布里渊散射 phonon scattering受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的。散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性。也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程。受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重畸变。它会朝向源的方向上产生增益。

18. 3.1.3 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。

19. 宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。 场分布 消逝场 Cladding q¢ < q Core q q q q > q q¢ c R 高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模

20. 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。微弯导致了导播模与泄漏模或非导波模之间的重复性能量耦合。 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。微弯导致了导播模与泄漏模或非导波模之间的重复性能量耦合。

21. 低阶模功率耦合到高阶模 高阶模功率损耗 微弯损耗 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 减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套

22. 基本损耗 宏弯损耗 微弯损耗 光纤弯曲带来额外损耗 弯曲损耗随模场直径增加显著增加 宏弯和微弯对损耗的附加影响 l增加，V减少

23. 3.1.4 光纤损耗系数 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α表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：

24. 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μW为单位。

25. 在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1310nm和1550nm附近，即通常说的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分为C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。一般标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。如图所示。

26. 光纤的损耗特性 损耗的补偿办法：（1）电放大：光电光 （2）全光放大： EDFA、拉曼放大器

27. 例3.2 设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8db/km，如果我们从一端注入功率为200W的光信号，求其输出功率Pout.

28. 3.2 光纤的色散特性 3.2.1 色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。

29. 自然光的色散

30. 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。 色散引起的脉冲展宽示意图 色散分类 模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有） 材料色散：不同频率不同折射率 波导色散：不同频率不同模场分布 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度

31. t1 t2 t3 t4 脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。因此，射散特性限制了光纤的传输容量。

32. 色散描述方式 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，频率分量w经历的延时为： 假设输入脉冲的谱宽Dw不太宽，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定： 群速度色散(GVD)（ps2/km)

33. 通常光源的谱宽用Dl来表示。根据w和l之间的关系 通常光源的谱宽用Dl来表示。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 (单位长度群延迟差): ps/(km·nm)

34. 3.2.2 模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。 所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。

35. 1. 阶跃型光纤中的模式色散 在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线①和以临界角θc入射的光线②，如图3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线①和光线②到达终端的时延差。

36. 图3.6 阶跃型光纤的模式色散 DL为两种模式的光程差。

37. 2. 渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。

38. 3.2.3 材料色散 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同。由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。 一般情况下，材料色散往往是用材料色散系数这个物理量来衡量，材料色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散。

39. 光纤的折射率是波长的函数n(l)，则不同的波长的传播函数b不同： 可以得到传播了L后波长l所经历的群延时(材料色散)为： 式中：Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。Dm为材料色散系数。 减小材料色散方法：选择谱宽窄的光源，采用较长的工作波长。

40. 3.2.4 波导色散 单模光纤只有约80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播的光功率其速率要更大一些。这种由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。

41. 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Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。 Dw(λ)为波导色散系数

42. 随 V变化的曲线 波导色散系数一般为负值 例：令n2 = 1.48，D = 0.2%， 从左图可以看出当V = 2.4时，有： 因此可以算出在1320 nm处， 波导色散为： 2.4

43. 1320 标准单模光纤总的模内色散 一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw| 波导色散特性取决于光纤的特性，如：芯径a，相对折射率差以及折射率分布等，因此可以通过改变光纤特性来改变其色散特性。色散的改变主要集中在零色散波长的位移和色散平坦两方面。

44. 偏振模色散（PMD）也称为极化色散。由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。偏振模色散（PMD）也称为极化色散。由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。 3.2.5 偏振模色散（极化色散） 偏振模色散

45. + 偏振模色散产生的原因 本征光纤双折射 随机的偏振模耦合 双折射的光通信器件 • 外界的挤压 • 光纤的弯曲、扭转 • 外界环境温度的变化等 EDFA ，FBG ，DCF Isolators , Couplers , Filters etc.

46. 偏振模色散 (PMD) PMD 受环境(如振动、温度、应力等)影响非常显著，跟模内 色散相比具有不稳定性和突发性。因此，PMD补偿的难度比 较大，关于补偿的方法目前尚无定论。

47. PMD 对传输的影响

48. PMD特点 • 一般采用两偏振模的群时延差(Differential Group Delay)来表示偏振模色散的大小 • 两偏振模之间的模式耦合随波长和时间随机变化，所以偏振模色散是一个统计量，并随时间而变化 • 当光纤很长时，PMD呈现为麦克斯韦分布。这个分布可以是一组相同的光纤在同一波长处测量的结果，也可以是一根光纤在同一波长处但不同时间的测量结果，或者是同一光纤在不同波长处的测量结果

49. PMD表征方式 • 由于统计特性，群时延差(DGD)很难用于实际测量 • 通常采用以下几种方式来定义PMD值： • 群时延差的平均值( Mean Differential Group Delay) (ps) • 群时延差的平均值系数 • 传输时间的均方差 (RMS DGD ，约为1.08 ) • 实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多

50. PMD对光通信系统的影响 按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导致的系统功率代价在1dB以下，偏振模色散的群时延差的平均值必须小于一比特周期的十分之一(10ps for a 10Gb/s system) 。 当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！