光线通信原理第03章浅析.ppt

第三章 光纤的传输特性 3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性 3.3 成缆对光纤特性的影响 3.4 典型光纤参数 3.1 光纤的损耗特性 3.1.1 吸收损耗 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的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，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。 1. 本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。 (1) 紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。 (2) 红外吸收损耗 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，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。 2. 杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。 3. 原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。 3.1.2 散射损耗 1. 线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。 (1) 瑞利散射 瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。 对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 (2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗) 在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。 2. 非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。 3.1.3 弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。 在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。 微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。 3.1.4 光纤损耗系数 为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为： 式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或μW为单位。 3.2 光纤的色散特性 3.2.1 色散的概念 3.2.2 模式色散 所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。 1. 阶跃型光纤中的模式色散 在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线①和以临界角θc入射的光线②，如图3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线①和光线②到达终端的时延差。 2. 渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。 3.2.3 材料色散 一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量，色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散，用D(λ)表示，单位是ps/（nm·km）。 2. 材料色散 在已知材料色散系数的前提下，材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出，材料色散用τm表示。 τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L 式(3-25)中：Δλ为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。 3.2.4 波导色散 式(3-23)中的第二项与波导的归一化传播常数b和波导的归一化频率V有关，而b和V又都是光纤折射率剖面结构参数的函数，所以式(3-23)中的第二项称之为波导色散系数，用Dw(λ)表示。 3.2.5 极化色散 极化色散也称为偏振模色散，用τp表示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给出粗略的概念。 单模光纤中可能同时存在LP01x和LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两