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单模光纤的色散优化设计
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:
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