35 单模光纤的色散优化设计 - Read.PPT

UCB EE233 Prof. Chang-Hasnain 第三章 光纤的损耗和色散 主要内容 3.1 光纤的损耗 吸收损耗 本征吸收 本征吸收曲线 非本征吸收 原子缺陷吸收 散射损耗 瑞利散射 波导散射 标准单模光纤损耗曲线 商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较 弯曲损耗 弯曲损耗与模场直径的关系 微弯损耗 宏弯和微弯对损耗的附加影响 光纤损耗的度量 损耗的补偿办法 主要内容 3.2 色散引起的信号失真 模内色散：材料色散 模内色散：波导色散 模内色散 - 群速率色散 (GVD) 群时延色散 正色散、负色散和零色散 材料色散 波导色散 标准单模光纤总的模内色散 模间色散 偏振模色散 (PMD) PMD的外部因素及其特点 PMD 对传输的影响 模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源 模内色散对传输带宽的影响 主要内容 3.5 单模光纤的色散优化设计 G.656 色散平坦光纤 色散补偿光纤 (DCF) 中途谱反转技术 利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿 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 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。 PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著 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/km·nm，那么系统带宽和距离乘积： BL 1 (Gb/s)·km 带宽和距离乘积： 不同线宽下的系统色散所允 许的带宽与传输距离的关系 0 nm：光源线宽非常小 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 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 1550 nm 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 20 -10 -20 -30 10 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 0 30 l ( m m) 普通光纤 l 1 总色散 l 2 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 色散补偿光纤 传输光纤 0 100 50 100 150 200 传播长度 总色散 (ps/nm) TX RX 正负色散率搭配使系统累积色散为零 存在的问题：(1) 高损耗；(2) 短波长过补偿、长波长欠补偿 非线性 器件 等长、色散性质相同的光纤 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 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 损耗 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 本征吸收： 由制造光纤材料本身 (如SiO2) 的特性所决 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 (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 z 晶格 光传播方向 k E x (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 光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH－吸收峰 ~ 2 dB 解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度 OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等 (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) 1 rad(Si) = 0.01 J/kg 800 人死亡 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 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 波导在小于光波长尺度上的不均匀：