光纤通信系统 第4版 第2章 光纤与光缆.ppt

截止波长和模场直径2.3光纤传输特性2.3.1损耗1.吸收损耗吸收损耗是由于光纤组成材料和杂质对光能的吸收引起的。（1）本征吸收损耗本征吸收是由构成光纤材料对特定波长的固有吸收所引起的，构成光纤的材料（如SiO2）中存在着紫外光区域光谱的吸收和红外光区域的吸收等引起的能量损失。（2）杂质吸收损耗光纤中的杂质包括两部分，一部分是人为掺入的特定元素（掺杂），另一部分是由于制造工艺缺陷不可避免带入的其他元素（杂质）。杂质引起的吸收损耗示例离子类型吸收峰处损耗1dB/km的杂质离子浓度OH-1.25×10-6Cu2+2.5×10-9Fe2+1.0×10-9Cr3+1.0×10-9杂质引起的吸收衰减产生1dB/km的杂质离子浓度2.散射损耗散射损耗主要是由于光纤材料和结构中存在的不均匀及缺陷（特别是缺陷的尺度与光波长相近的裂隙、气痕和气泡等），导致光信号的散射现象而引起的损耗。（1）瑞利散射损耗瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，从而使纤芯的折射率沿纵向产生不均匀的变化。（2）波导散射损耗光纤在制造过程中，即使采取了各种高精度的测量和控制技术，但是仍然不可避免地会产生某些工艺上的缺陷。例如，纤芯尺寸上的细微变化、纤芯内部或纤芯-包层分界面上的微小气泡等缺陷，都可能使得光纤的纤芯部分沿z轴（传播方向）发生变化或不均匀，这也会产生散射损耗。瑞利散射原理示例回忆：为什么天是蓝色的？光纤中的瑞利散射3.辐射损耗实际中当光纤受到外力作用时，可能会产生一定的弯曲或形变。弯曲后的光纤虽然仍然可以继续传光，但光线的传播途径会发生改变。光纤中的传播模式由于外力引起的形变转换为辐射模和引起能量的泄漏，这种由应力及形变导致能量泄漏产生的损耗称为辐射损耗。光纤受力弯曲有两类：（1）曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，称为宏弯（macrobending）。例如当光缆敷设中沿着道路或河流拐弯时，就会产生这样的较大半径的弯曲；（2）光缆成缆和敷设时产生的极小的随机性弯曲，称为微弯（microbending）。例如在拉丝、成缆或敷设环节中引入的附加应力导致的光纤细微弯曲等。宏弯和微弯示例2.3.2色散光纤中传输的光信号可能包括不同的频率成分或模式成分，这些包含不同频率或不同模式成分的光脉冲在光纤中传输的速度不同，从而可能产生时延差并引起光脉冲形状的变化（失真）。定义色散（Dispersion）为单位波长间隔内不同波长成分的光脉冲传输单位距离后脉冲前后沿的时延变化量，其单位为ps/nm·km。色散是导致光纤中传输信号畸变的主要性能参数，会使光脉冲随着传输距离延长而出现展宽现象，进一步地产生码间干扰（ISI）并影响系统的误码率或信噪比性能。色散导致光脉冲畸变示例色散分类光纤中的色散可以分为模式色散和模内色散两大类。模式色散也称为模间色散或模式时延，只出现在多模光纤中。模式色散的产生是由于多模光纤中不同的传输模式在同一光源频率下传输系数不同，因而群速度*不同而引起的色散。模内色散也称为色度色散，是指在一个单独的模式内发生的脉冲展宽。产生这种展宽现象的原因是所用的光源发射的光脉冲本身具有一定的谱宽，而群速度是波长的函数，所以光源的谱宽越大，对信号的畸变也越大，也称为群速度色散（GVD）。引起模内色散的主要原因包括材料色散和波导色散。材料色散是由于制造光纤材料本身的折射率随频率而变化，导致传输光信号不同频率的群速度不同引起的色散。波导色散是特定模式本身传输时引起的色散。对于光纤中某一模式而言，由于光源发出的光包含了不同频率成分，其传输系数不同引起的群速度不同导致传输时延差所致。单模光纤中，波导色散的影响较大。*这里群速度是指光纤中脉冲能量沿光纤传播的速度。1.单模光纤色散及其影响2.高阶色散和色散斜率3.随机双折射与偏振模色散偏振模色散主要是由于光纤的随机双折射效应引起的。单模光纤中，基模可以分解为一对正交偏振分量LP01x和LP01y，这里的x、y表示其极化方向是互相垂直的。经典的波动光学理论分析方法中，假设光纤的横截面形状是理想的圆形且折射率分布是均匀的，因此LP01x模和LP01y模的传输常数β在光纤中处处相等，即这两个模式是完全简并的，也即在传播过程中不会出现时延差。但实际中的光纤总有某种不同程度的不完善，如纤芯几何形状的椭圆度、光纤在拉制和预涂覆时未能完全释放的内部残余应力、光纤在光缆中的弯曲扭绞等都可能引起折射率指数的各向异性，最终可能使得LP01x模和LP01y模的完全简并条件受到破坏，其传输常数βx和βy不再处处相等，这种现象称为随机双折射。用LP01x、LP01y两个模式单位长度上的时延差Δτ来表征差分群时延（DGD）的大小，