【正文】 pter 2 光纖和光纜 光纖傳輸特性 損耗和色散 Dispersion Attenuation 2023/2/10 76 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的 損耗 :損耗系數(shù) 在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β?P會隨距離 z而變化 .設(shè)長度為L(Km)的光纖，輸入功率為 Pi,其出射功率 Po滿足： Po= Piexp( αL ) 其中 α是損耗系數(shù)，一般它的單位為 dB/Km。這就是光纖的損耗。 其中，附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。究其主要原因是在這些條件下，光纖纖芯中的傳輸模式發(fā)生了變化。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。每一個電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說每一軌道都有一個確定的能級。 2023/2/10 81 Chapter 2 光纖和光纜 材料的吸收 損耗 在光纖中，當(dāng)某一能級的電子受到與該能級差相對應(yīng)的波長的光照射時，則位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上。它們在光照射下，貪婪地吸收光能，造成了光能的損失。 材料的吸收 損耗 2023/2/10 83 Chapter 2 光纖和光纜 材料的散射 損耗 在黑夜里，用手電筒向空中照射，可以看到一束光柱。 散射是怎樣產(chǎn)生的呢？原來組成物質(zhì)的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固有頻率進(jìn)行振動的，并能釋放出波長與該振動頻率相應(yīng)的光。 2023/2/10 84 Chapter 2 光纖和光纜 但是這種振動并不是自行產(chǎn)生，它需要一定的能量。 材料的散射 損耗 2023/2/10 85 Chapter 2 光纖和光纜 材料的散射 損耗 光纖內(nèi)也有瑞利散射，由此而產(chǎn)生的光損耗就稱為瑞利散射損耗。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。這樣，通過人的聰明才智，就把壞事變成了好事。 劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大 決定了電中繼器之間的距離 光纖的色散 2023/2/10 89 Chapter 2 光纖和光纜 10000100010010600km1 2 3 4 5 6 7 8 9 10調(diào)制速率 （ Gbps ）小色散光纖－理論上小色散光纖－實(shí)際上傳統(tǒng)光纖－理論上傳統(tǒng)光纖－實(shí)際上色散對傳輸?shù)南拗? 2023/2/10 90 Chapter 2 光纖和光纜 2023/2/10 91 Chapter 2 光纖和光纜 色散的分類 光纖的色散主要由 模式色散 、 材料色散 和 波導(dǎo)色散 組成。我們知道，在同一根光纖中，高次模到達(dá)終點(diǎn)走的路程長，低次模走的路程短，這就意味著高次模到達(dá)終點(diǎn)需要的時間長，低次模到達(dá)點(diǎn)需要的時間短。其中是纖芯的折射率，是包層的折射率。另外，光纖越長，時延差也越大，色散也越大。 ???? 22 1022210anknnaVl?2023/2/10 96 Chapter 2 光纖和光纜 材料 色散 材料色散是由光纖材料自身特性造成的。因此，當(dāng)把具有一定光譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖內(nèi)傳輸時，光的傳輸速度將隨光波長的不同而改變，到達(dá)終端時將產(chǎn)生時延差，從而引起脈沖波形展寬。進(jìn)入包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)的大小與光波長有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。 芯區(qū)的折射率分布（光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) ） 因光波長而變化。 對光纖用戶來說，一般只關(guān)心光纖的總帶寬或總色散。 （ DSF） 2023/2/10 103 Chapter 2 光纖和光纜 ?在 1530－ 1565nm窗口有較低的損耗 ?工作窗口較低的色散，一定的色散抑制了非線性效應(yīng)（四波混頻）的發(fā)生。目前通信用的光纖基本上是以石英為主體材料的石英玻璃制造成的。增加光纖的強(qiáng)度，需要涂覆、套塑、然后把幾根乃至幾十根套塑后的光纖絞合成光纜，以供使用。 加強(qiáng)部件起著承受光纜拉力的作用 ， 通常位于纜芯中心 ， 有時也配置在護(hù)套中 。 各部分要求穩(wěn)定、可靠，并有足夠的精確度。 對多模光纖必須達(dá)到平衡模分布。在不改變注入電流的條件下，分別測出光纖的輸出功率 P2和 剪斷后約 2米 長度短纖的輸出功率 P1， 按照定義算出 α(l) 。 2023/2/10 127 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 BIAS 光源 注入系統(tǒng) 濾模器 Cladding stripper Cladding stripper 檢測器 Amp. 電平測量 待測光纖 2023/2/10 128 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 測試系統(tǒng) 主要包括光源、光注入系統(tǒng)、光檢測器及信號處理部分等單元。 2023/2/10 129 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 衰減譜測試系統(tǒng)的光源要有足夠?qū)挼牟ㄩL范圍，如鹵素?zé)簟? 在傳播中，由于模變換、模耦合和模衰減，各模攜帶的能量的比例不斷變化，只有經(jīng)過很長的傳輸距離后，各模傳輸能量的比例才能固定下來，即達(dá)到平衡模分布或穩(wěn)態(tài)模分布。 光源 1 2 3 一般的注入條件 2023/2/10 132 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 擾模器：用來促使各模式間的能量轉(zhuǎn)換，形成與光源特性無關(guān)的模分布。 2023/2/10 133 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 單模光纖由于僅僅傳輸基模。 2023/2/10 134 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 背向散射法 背向散射法 是通過光纖中后向散射的光信號來提取光纖衰減及其他信息，如光纖的連續(xù)性、物理缺陷、接頭損耗和光纖長度。 注意分析后向散射功率曲線的幾個部分，分別反應(yīng)不同位置的情況（輸入、輸出端面等） 光時域反射儀（ OTDR） 損耗測量： 背向散射法 2023/2/10 136 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的帶寬特性是系統(tǒng)設(shè)計的重要依據(jù)，是衡量光纖質(zhì)量的一個重要的參數(shù)，光纖帶寬特性的測量有時域法和頻域法兩種。 2023/2/10 140 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量 單模光纖的色散是由于不同波長的光波通過同一光纖時所需要的時間不同而產(chǎn)生的。 2023/2/10 141 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量 光纖的色散系數(shù)可表示為： C(l)= ΔΦ/(L ???)? ΔΦ/(2? fo L ??) 其中 ΔΦ為相位移 ?為角頻率， ?? 為波長差， ?? 產(chǎn)生的時延差為 ?? ， ?? ? ΔΦ/ ? 相移法 2023/2/10 142 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量：相移法 光源（ ?可變 ） 相位分析儀 光檢測器 正弦波振蕩器 fo A B 待測光纖 l1 l2 Φ1 Φ2 2023/2/10 143 Chapter 2 光纖和光纜 截止波長測量 光纖中傳導(dǎo)模的多少與光纖的歸一化頻率有關(guān)，為保證單模傳輸就得減小歸一化頻率，當(dāng)其減小到一定的時候。顯然，光源的譜線越寬，這種影響就越大。掃頻儀從低頻到高頻改變振蕩頻率，在接收端就可以獲得不同的輸出信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后就可以得到光纖的頻率特性。光檢測器的后向散射光功率分別為 Pd(L1)和Pd(L1)， 經(jīng)分析推導(dǎo)，正反向平均損耗系數(shù)為： α = 10/（ L2L1） * * lg (Pd(L1)/Pd(L2)) (dB/Km) 2023/2/10 135 Chapter 2 光纖和光纜 后向散射法不僅可以測量損耗系數(shù)，還可以利用光在光纖中傳輸?shù)臅r間來確定光纖的長度 L。但是注入條件要足以激勵起基模，所以單模光纖要使用到濾模器，濾除接近傳輸條件的高次模。 濾模器：用來選擇或消除某些模式的器件，保證達(dá)到接近平衡模分布。 2023/2/10 131 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 為了滿足測試的需要，必須加速平衡模建立的過程，即要人為的控制注入條件，使 2米長光纖輸出的場分布接近于平衡模分布。 2023/2/10 130 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 注入條件：對多模光纖衰減的測量，這點(diǎn)尤為重要。在測量過程中，光源的位置、強(qiáng)度和波長應(yīng)保持穩(wěn)定。根據(jù)需要可以在一個波長或多個波長上進(jìn)行，或在一個波長范圍內(nèi)測出衰減譜。 ITUT ITUT 截斷法 為基準(zhǔn)測量方法， 插入法 和 背向散射法（ OTDR法） 為替代測量方法。 測量的共同特點(diǎn) 2023/2/10 125 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量 前面介紹光纖的損耗特性的時，我們引入了一個重要的參數(shù) α(l)， 它表示在波長 l處的衰減系數(shù)。 我們關(guān)注的重點(diǎn)？ ？ 2023/2/10 123 Chapter 2 光纖和光纜 光纖損耗測量 光纖帶寬測量 光纖色散測量 光纖截止波長測量 2023/2/10 124 Chapter 2 光纖和光纜 用特定波長的光通過光纖，然后測出輸出端相對于輸入端的光功率或幅度、相位等物理量的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)。 護(hù)套起著對纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)的作用 。 2023/2/10 112 Chapter 2 光纖和光纜 光纖檢驗 材料提純 預(yù)制棒熔煉 拉絲 套塑 成纜 材料分析檢驗 預(yù)制棒檢驗 光纖制造流程圖 2023/2/10 113 Chapter 2 光纖和光纜 制造光纖，首先需要制造出一根合適的玻璃棒（通常稱作 預(yù)制棒），然后把預(yù)制棒放入高溫爐中加溫軟化，拉制成光纖。 ? 為 DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計的 （ NZDSF） 結(jié)論 : 適用于 10Gb/s以上速率 DWDM傳輸， 是未來大容量傳輸， DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。 三種色散的比較 2023/2/10 100 Chapter 2 光纖和光纜 傳輸使用的三種不同類型的單模光纖 （ NDSF） （ DSF） （ NZDSF） 常規(guī) 大有效面積 2023/2/10 101 Chapter 2 光纖和光纜 大多數(shù)已安裝的光纖 低損耗 大色散分布 大有效面積 色散受限距離短 10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約 34km +DCF方案升級擴(kuò)容成本高 結(jié)論 : 不適用于 10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于 。 對于單模光纖，因只有一個傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導(dǎo)色散之和。具體來說，入射光的波長越長，進(jìn)入包層中的光強(qiáng)比例就越大，這部分光走過的距離就越長。由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反射時，就可能有一部分光進(jìn)入包層之內(nèi)。光纖通信實(shí)際上用的光源發(fā)出的光，并不是只有理想的單一波長，而是有一定的波譜寬度。這樣折射率差就容易獲得，而不需要加入高濃度摻雜劑，避免了對玻璃材料的光學(xué)特性與穩(wěn)定性的重大改變。從減小光纖時延差的觀點(diǎn)上看，希望較小為好，這種小的光纖稱為 弱導(dǎo)光纖 。 2023/2/10 93 Chapter 2 光纖和光纜 Modal Dispersion 2023/2/10 94 Chapter 2 光纖和光纜 模式色散 影響光纖時延差的因素有兩個：纖芯－包層相對折射率差和光纖的長度。 ? Intermodal dispersion only for MMF ? Material Dispersion Chromatic ? Waveguide Dispersion Dispersion ? Polarisation Mode Dispersion (PMD) } { 2023/2/10 92 Chapter 2 光纖和光纜 模式色散 在多模光纖中，傳輸?shù)哪Ｊ胶芏啵煌哪Ｊ?，其傳輸路徑不同，所?jīng)過的路程就不同，達(dá)終點(diǎn)的時間也就不同，這就引起了脈沖的展寬。色散使得光纖中傳輸?shù)墓饷}沖發(fā)生展寬。光的散射使得一部分光能受到損失，這是人們所不希望的。但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長的 4次方成反比，所以光纖工作在長波長區(qū)時，瑞利散射損耗的影響可以大大減小。粒子內(nèi)的電子便以該振動頻率開始振動，結(jié)果是該粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而轉(zhuǎn)化為粒子的能量，粒子又將能量重新以光能的形式射出去。粒子越大，振動頻率越低，釋放出的光的波長越長；粒子越小，振動頻率越高，釋放出的光的波長越短。那么，為什么我們會看見這些光柱呢？這是因為有許多煙霧、灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中，光照射在這些顆粒上，產(chǎn)生了散射，就射向了四