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光纖的传输特性
光纤的传输特性
??? 光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性,色散特性 和非线性效应。光纤的损耗特性
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概念:光波在光纤中传输,随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数:光纤的衰减系数(损耗系数),定义为单位长度光纤引起的光功率衰减,单位为dB/km。其表达式为:
式中求得波长在 λ 处的衰减系数; Pi 表示输入光纤的功率, Po 表示输出光功率, L 为光纤的长度。
光纤的损耗特性曲线
光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗,还有来自光纤结构的不完善。这些损耗又可以归纳以下几种:
1、 光纤的吸收损耗
光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的,把光能以热能的形式消耗于光纤中,是光纤损耗中重要的损耗。 包括:本征吸收损耗;杂质离子引起的损耗;原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗
光纤内部的散射,会减小传输的功率,产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射,它是由光纤材料内部的密度和成份变化而 引起的。物质的密度不均匀,进而使折射率不均匀,这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小,带有随机起伏的不均匀物质时,改变了传输方向,产生散射,引起损耗。另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射,产生损耗。
3、波导散射损耗
交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。在光纤中传输的各种模式衰减不同,长距离的模式变换过程中,衰减小的模式变成衰减大的模式,连续的变换和反变换后,虽然各模式的损失会平衡起来,但模式总体产生额外的损耗,即由于模式的转换产生了附加损耗,这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗,就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤,基本上可以忽略这种损耗。
4、光纤弯曲产生的辐射损耗
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5~10cm时,由弯曲造成的损耗可以忽略。
另外还可以按以下损耗机理分类:
分类 引起原因 影响 本征损耗(光纤固有的损耗,无法避免决定光纤的损耗极限) 本征吸收 红外吸收(分子振动引起) 8-12μm,对光纤通信影响不大 紫外吸收(电子跃迁引起) 0.7-1.1μm,对光纤通信有一定影响 本征散射 瑞利散射(材料折射率的不均匀性引起) 长波长瑞利散射减小 非固有损耗(由材料和工艺引起) 杂质吸收 过渡金属离子和离子影响较大 离子的振动吸收造成0.95μm,1.24μm,1.39μm处出现损耗峰 波导散射 宏观上的不均匀 可以通过改善制造工艺解决 ?形成光纤损耗的原因很多,其损耗机理复杂,计算也比较复杂。降低损耗主要依赖于工艺的提高、相对材料的研究等。光纤的色散特性
*************************************************************???概念:光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的,不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同,从而导致信号畸变的一种现象。???在数字光纤通信系统中,色散使光脉冲发生展宽。严重时,会导致光脉冲前后相互重叠,造成码间干扰,增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量,也限制了光纤通信系统的中继距离。
(1)光纤色散的表示法
常用的表示方法有三种:
1、色散系数D(λ):单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差,其公式为:
式中,为单位长度光纤上的时延差, 单位是ps/km;是光源上的线宽,单位为nm。
2、最大时延差:描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差,时延差越大色散越严重。
3、光纤带宽:用光纤的频率特性来描述光纤的色散。经理论推导,光纤的带宽和时延差的关系为:
式中,B为光脉冲为高斯形,光功率下降3dB时的光纤每公里带宽; 是光脉冲传输1 km的时延差,单位是ns/km。
(2)光纤色散的种类
1、模式色散
??? 多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同,群速度不同,引起到达终端的光脉冲展宽的现象。
对于多模光纤,模式色散通常占主导地位。单模光纤只存在一个模式,所以,单模光纤没有模式色散。2、材料色散光纤材料的折射率随频率(波长)而变,可使信号的各频率(波长)群速度不同引起色散。
3、波导色散???模式本身的色散。即光纤中某一种导波模式在不同的频率下,相位常数不同,群速度不同而引起的色散。波导色散是光纤波导结构参数的函数。
Dm 为材料
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