光通信原理与技术..ppt
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光通信原理与技术光纤的传输特性电子信息科学与技术教研室光纤的传输特性光纤的传输特性o光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要减小，而且波形要展宽。
产生信号衰减和畸变的主要原减小，而且波形要展宽。
产生信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗和色散等性能劣化。
损因是光在光纤中传输时存在损耗和色散等性能劣化。
损耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系统耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系统的传输距离和传输容量。
本节主要讨论光纤损耗和色散的传输距离和传输容量。
本节主要讨论光纤损耗和色散的机理和特性。
的机理和特性。
光纤的损耗光纤的损耗o光纤的损耗光纤的损耗n定义：
当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，定义：
当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗光纤的损耗。
光纤的损耗是衡量光纤性能的关键指标之一，它决定光纤的损耗是衡量光纤性能的关键指标之一，它决定了光纤通信系统的传输距离长短和中继距离的选择。
一般了光纤通信系统的传输距离长短和中继距离的选择。
一般可定义为每单位长度光纤光功率衰减分贝数，即：
可定义为每单位长度光纤光功率衰减分贝数，即：
光光纤纤通通信信系系统统中中，光光功功率率常常用用dBmdBm来来表表示示，dBmdBm和和mWmW之间的换算关系之间的换算关系这样，损耗又可以表示为另外一种形式这样，损耗又可以表示为另外一种形式除此之外，光纤的损耗还可以用光纤的损耗系数除此之外，光纤的损耗还可以用光纤的损耗系数来表示来表示，即，即光纤的损耗光纤的损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗本征损耗（吸收损耗吸收损耗）。
比比较较11和和44式式，可可看看到到光光纤纤的的损损耗耗和和损损耗耗系系数数有有如如下下关关系系光光信信号号在在光光纤纤中中传传输输过过程程中中的的损损耗耗主主要要来来自自以以下下几几个个方面：
方面：
1）1）光纤材料的吸收与散射损耗；光纤材料的吸收与散射损耗；2）2）光纤的微弯与宏弯辐射损耗；光纤的微弯与宏弯辐射损耗；3）3）光纤的连接与耦合损耗；光纤的连接与耦合损耗；光纤的损耗光纤的损耗n损耗的种类损耗的种类1）1）吸收损耗；吸收损耗；本征吸收：
材料本身特性决定的，即使光纤结构非常完美且材料不本征吸收：
材料本身特性决定的，即使光纤结构非常完美且材料不含任何杂质，此吸收也会存在。
含任何杂质，此吸收也会存在。
根据机理的不同，还可分为紫外本征吸收和红外本征吸收。
根据机理的不同，还可分为紫外本征吸收和红外本征吸收。
在紫外波段，构成光纤的基质材料会产生紫外电子跃迁吸收带，这在紫外波段，构成光纤的基质材料会产生紫外电子跃迁吸收带，这种紫外吸收带很强，达到单模光纤总损耗的种紫外吸收带很强，达到单模光纤总损耗的1/31/3，因此必须加以消除；，因此必须加以消除；而在红外波段，光纤基质材料将产生振动或多声子吸收带，这种吸而在红外波段，光纤基质材料将产生振动或多声子吸收带，这种吸收带在红外很强，构成了石英光纤工作波长的上限。
总的影响要比紫外收带在红外很强，构成了石英光纤工作波长的上限。
总的影响要比紫外吸收带小。
吸收带小。
光纤的损耗光纤的损耗紫外吸收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kEx红外吸收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的损耗光纤的损耗杂杂质质吸吸收收：
这这里里的的杂杂质质不不是是指指光光纤纤中中的的掺掺杂杂物物，而而是是指指由由于于材材料料不不纯纯净净及及工工艺艺不不完完善善而而引引入入的的杂杂质质。
主主要要是是过过渡渡金金属离子属离子（如铁、钴、镍、铜、锰、铬等）和（如铁、钴、镍、铜、锰、铬等）和OHOH离子离子。
OH吸收峰2dB在低损耗光纤中，甚至一切吸收都可以归于OH离子的吸收，它构成了三个吸收峰1.39m、1.24m和0.95m；而光纤的三个低损耗窗口0.85m、1.31m和1.55m正好是OH离子吸收谱的谷口。
光纤的损耗光纤的损耗它不是普遍存在的，只在某些环境中才有。
损耗可以很大，达到几百dB/Km，甚至几万dB/Km。
为此，光纤材料一般需要选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收。
光纤的损耗光纤的损耗吸收光能，引起损耗光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造-材料受到热激励热激励-结构不完善强粒子辐射辐射-材料共价键断裂-原子缺陷原子缺陷吸收损耗：
原子缺陷吸收损耗：
2）2）散射损耗散射损耗散散射射损损耗耗是是由由于于光光纤纤材材料料中中某某种种远远小小于于波波长长的的不不均均匀匀性性（如如：
折折射射率率不不均均匀匀、掺掺杂杂浓浓度度不不均均匀匀）引引起起光光的的散散射射而而构构成成的的损损耗耗。
是是光光纤纤的的固固有有本本征征损损耗耗，它它的的降低成为光纤损耗降低的最终限制因素。
降低成为光纤损耗降低的最终限制因素。
n瑞利散射：
瑞利散射：
线性散射线性散射（不产生频率的变化不产生频率的变化）n受激拉曼散射和受激布里渊散射受激拉曼散射和受激布里渊散射n波导散射波导散射光纤的损耗光纤的损耗n瑞利散射瑞利散射是是一一种种不不可可能能被被消消除除的的损损耗耗，它它的的特特点点是是与与波波长长的四次方成反比，可表示为的四次方成反比，可表示为光纤的损耗光纤的损耗波导在小于光波长尺度上的不均匀：
-分子密度分布不均匀-掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射。
瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值n受激喇拉曼散射和受激布里渊散射受激喇拉曼散射和受激布里渊散射仅仅当当光光纤纤中中传传输输功功率率大大于于某某一一阈阈值值才才能能产产生生。
室室温温下下，芯芯径径较较粗粗的的多多模模光光纤纤不不容容易易出出现现，而而单单模模光光纤纤就就可可能存在受激布里渊散射和受激拉曼散射。
能存在受激布里渊散射和受激拉曼散射。
n波导散射波导散射导致的原因是波导缺陷-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射目前的制造工艺基本可以克服波导散射光纤的损耗光纤的损耗综综合合来来看看石石英英光光纤纤的的吸吸收收、散散射射损损耗耗分分析析，其其损损耗耗谱谱如如下下图图示示。
OHOH离离子子吸吸收收的的存存在在，使使石石英英光光纤纤低低损损耗耗区区形成了三个窗口，而瑞利散射决定了损耗的最低极限值。
形成了三个窗口，而瑞利散射决定了损耗的最低极限值。
光纤的损耗光纤的损耗商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：
-多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径（本征散射大）-由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤光纤的损耗光纤的损耗3）3）弯曲损耗弯曲损耗光光纤纤在在实实际际使使用用中中不不可可避避免免地地要要发发生生弯弯曲曲，这这就就伴伴随随着着产产生生光光纤纤的弯曲辐射损耗。
的弯曲辐射损耗。
构构成成这这种种损损耗耗的的原原因因是是当当光光纤纤发发生生弯弯曲曲时时，原原来来在在纤纤芯芯中中以以导导模模形形式式传传播播的的功功率率将将部部分分地地转转化化为为辐辐射模功率并就逸出纤芯形成损耗射模功率并就逸出纤芯形成损耗。
弯弯曲曲损损耗耗进进一一步步可可以以分分为为宏宏弯弯损损耗耗、过过渡渡弯弯曲曲损损耗耗和微弯损耗三种。
和微弯损耗三种。
光纤的损耗光纤的损耗宏弯损耗：
它是由光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等宏弯损耗：
它是由光纤实际应用中必需的盘绕、曲折等引起的宏观弯曲导致的损耗；它是曲率半径引起的宏观弯曲导致的损耗；它是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲引起的损耗。
比光纤的直径大得多的弯曲引起的损耗。
消逝场qqcqRqqCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加光纤的损耗光纤的损耗P包层1P包层2Loss模场直径小Loss模场直径大Loss低阶模Loss高阶模弯曲损耗与模场直径的关系光纤的损耗光纤的损耗过渡弯曲损耗：
这种损耗的机理是由于光纤由直突然变过渡弯曲损耗：
这种损耗的机理是由于光纤由直突然变“弯曲弯曲”不一致，引起模场的不匹配，导致不一致，引起模场的不匹配，导致导模与辐射模之间相互耦合，并损失功率。
导模与辐射模之间相互耦合，并损失功率。
这这种种弯弯曲曲损损耗耗的的机机理理可可通通过过所所谓谓等等效效折折射射率率的的概概念念解解释释，它它是是把把弯弯曲曲光光纤纤中中的的场场看看成成一一等等效效折折射射率率分分布下的直光纤的场。
布下的直光纤的场。
分分析析后后可可发发现现，光光纤纤弯弯曲曲越越大大，损损耗耗越越大大；光光场场伸伸展展越越远远，损损耗耗也也越大；光纤越大；光纤值越大，损耗越大值越大，损耗越大光纤的损耗光纤的损耗微弯曲损耗：
微弯曲是因为光纤在制造过程中内部的应微弯曲损耗：
微弯曲是因为光纤在制造过程中内部的应力没有完全释放而造成的，也可能是使用力没有完全释放而造成的，也可能是使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同而导致的后果。
而导致的后果。
这种弯曲损耗主要是光在纤芯和包层交界面上引起的散射，它也是由于弯曲而引起的导模功率的横向泄漏。
高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模光纤的损耗光纤的损耗理论分析表明，对于单模光纤，微弯曲损耗主要取决于模场半径W0，相对折射率和纤轴畸变程度。
而且，模场半径的微小增加都会引起微弯损耗的大幅度上升。
光纤的损耗光纤的损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯损耗基本损耗l增加，V减少，W0越大长波长处附加损耗显著光纤的损耗光纤的损耗宏弯带来的应用局限：
宏弯带来的应用局限：
VerizonVerizon的烦恼的烦恼Verizon钟爱光纤：
花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境：
宏弯引起信号衰减光纤的损耗光纤的损耗新技术：
抗宏弯的柔性光纤新技术：
抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮组Versions解决了问题：
可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装日本NTT也完成了这种光纤的研制光纤的损耗光纤的损耗4）4）光纤光纤-光纤连接损耗光纤连接损耗前面的都是光纤本身的损耗特性，然而实际应用的光纤系统都是由许多根光纤连接构成的，而两根光纤间的连接远不如两根金属导线之间的连线那么简单，需要精心设计的光纤连接技术，往往会引起一定程度的损耗，这种光纤-光纤的连接损耗通常要占光纤通信系统总损耗的30%左右。
光纤的损耗光纤的损耗内部损耗因子包括纤芯的半径a，相对折射率差，和折射率分布参数g。
外部损耗因子主要包括光纤端面质量、光纤的横向、角向与纵向偏移以及端面间折射率匹配和光纤焊接中的纤芯轴畸变等。
光纤的损耗光纤的损耗各种损耗因子对于光纤连接的总损耗的贡献是不一样的。
各种损耗因子对于光纤连接的总损耗的贡献是不一样的。
在多模光纤中，内部损耗因子的a和的偏差会引起较大的损耗，而g的变化则影响较小。
而且由内部因子引起的损耗是非互易的，如：
较小的的光纤到较大的的光纤的连接基本无损耗，而相反的连接方式就会产生很大的损耗。
外部损耗因子中，横向与角向失准对连接损耗的影响远比纵向失准影响大。
光纤的损耗光纤的损耗在单模光纤中，内部损耗因子引起的连接损耗相对模光纤要小的多。
而对于外部损耗因子，因为单模光纤纤径小，对于横向偏移与角向偏移都极为敏感。
为保证连接损耗小于0.5dB，要求光纤对准调整误差在十分之几微米之内。
因此单模光纤的连接要比多纤光纤困难的多。
光纤的损耗光纤的损耗损耗的补偿办法：
放大电放大光电光2.50.60.6m3全光放大EDFA拉曼放大器0.050.30.2m3掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器光纤的色散光纤的色散o光纤的色散光纤的色散：
由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同造成传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同的模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。
o光纤色散的种类光纤色散的种类模式色散材料色散波导色散偏振色散n在单模光纤中不存在模式色散，只有材料色散、波导色散和偏振色散。
o模式色散模式色散多模光纤中各模式在同一频率下以不同的群速度传输，从而使各模式间存在时延差，这种色散称为模式色散。
n最大时延差：
n可以证明，阶跃光纤由模式色散引起的脉冲展宽为：
n对于渐变光纤而言例1：
某阶跃光纤n1=1.5，=0.01则可求得m=50ns/km。
例2：
某渐变光纤n1=1.5，=0.01，则可求得m=0.25ns/km。
n可见渐变光纤的模式色散要比阶跃光纤小得多。
o材料色散材料色散由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速度不同，从而引起的色散称为材料色散n单模光纤受材料色散的影响；多模光纤虽然也受材料色散的影响，但模式色散对其影响最大，因此多模光纤一般只考虑模式色散的影响。
n可以证明，由材料色散引起的脉冲展宽为：
为光源的谱线宽度（nm），为石英光纤的材料色散系数（s/kmnm）o波导色散波导色散是由光纤波导结构引起的色散。
光纤中的导波在纤芯和包层中传播，由于纤芯和包层的折射率不同，从而造成脉冲展宽的现象，称为波导色散。
n对多模光纤而言，其波导色散的影响甚小。
3.3单模光纤的色散及单模光纤的分类o单模光纤的色散对单模光纤来说由于不存在模式色散，材料色散和波导色散就比较重要。
单模光纤的色散与光波长之间的关系图n在附近，材料色散为0；n在，材料色散与波导色散互相抵消，总色散为0o单模光纤的分类单模光纤的分类n渐变型多模光纤渐变型多模光纤（GIF）G.651：
信号畸变小n常规单模光纤常规单模光纤（SMF）G.652：
零色散点在1310nm附近n色散位移光纤色散位移光纤（DSF）G.653：
零色散点移动到1550nm。
既有低损耗，又有低色散，适合在损耗最低窗口传输高速率信号n低损耗光纤低损耗光纤G.654：
零色散点在1310nm附近，降低了在1550nm处的衰减。
n非零色散位移光纤非零色散位移光纤（NZDF）G.655：
在1.55um附件有很小色散。
适用于WDM系统3.5单模光纤的非线性特性o非线性折射率o自相位调制o四波混频o受激拉曼散射o受激布里渊散射o非线性折射率n克尔效应n通过极化强度的推导，得出光纤的折射率除了一个线性部分外，还有一个与外加光强成正比的非线性修正项o自相位调制n由于光纤具有非线性的折射率，从而使相位因子受到光强调制的现象，称为自相位调制n自相位调制导致光信号在传输过程产生附加的非线性位移，在正常色散条件下，会导致光脉冲的加速展宽o四波混频四波混频指多个不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生混频成分，或在边带上产生新的光波效应。
n由四波混频过程产生的新的频率，可能与其他光载波频率相等或相近，导致多波长通信系统中，不同波长通道之间的串扰和额外的功率损耗n解决方法：
采用非零色散光纤（NZDF）和大有效面积光纤（LEAF）n非零色散光纤：
使四波混频的相位条件难以满足n大有效面积光纤：
减小纤芯单位面积上的光功率o受激散射受激散射受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为为受激散射效应。
n受激拉曼散射n受激布里渊散射o受激拉曼散射受激拉曼散射分子内部粒子间的相对运动导致分子感应电偶极矩随时间的周期性调制，从而对入射光产生散射作用。
这种现象称做受激拉曼散射。
n光纤中的受激拉曼散射是泵浦光在光纤中传输时把能量转移给斯托克斯光的非线性现象，斯托克斯光的频移与光纤材料的振动激发态有关，这种现象只有泵浦光超过一定阈值时才发生。
n光纤拉曼激光器和拉曼光纤放大器都是基于光纤受激拉曼散射原理实现的。
o受激布里渊散射o布里渊散射是布里渊于1922年提出的，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。
布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。
与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发光纤的制造工艺n原料的提纯n预制棒的熔炼n拉丝和涂覆o光纤预制棒熔炼的常用方法是MCVD法o拉丝和涂覆光缆的结构和种类o光缆光缆光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆.一定数量的光纤按照一定方式组成缆心，外包有护套，有的还包覆外护层，用以实现光信号传输的一种通信线路。
n光缆设计的任务：
为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。
n光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；光纤在短期内接触水是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，会增大光纤的衰耗。
因此，在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构形式的光缆，使其具备一定的机械强度，以承受敷设时所施加的张力，并能在各种环境条件下使用，而且保证传输性能的稳定、可靠。
o光缆的结构光缆的结构1、加强元件2、缆芯3、护层o加强元件加强元件n由于光纤材料比较脆，容易断裂，为了使光缆能够更好的承受敷设时的外力，在光缆内部的中心或四周加一根或多根加强元件。
n钢丝或非金属的纤维增强塑料（FRP）等o缆芯缆芯n由光纤芯线组成单芯型带状结构多芯型单位式结构单芯型：
有单根经二次涂覆处理后的光纤组成多芯型：
有多根经二次涂覆处理后的光纤组成缆芯带状结构单位式结构多芯型缆芯结构o二次涂覆结构二次涂覆结构n紧套结构：
在光纤与套管之间有一个缓冲层，用来减小外界应力对光纤的作用。
缓冲层一般采用硅树脂，二次涂覆用尼龙。
这种光纤结构简单，使用方便。
n松套结构:
将一次涂覆后的光纤放在一个管子中，管中填充油膏，形成松套结构。
由于光纤在松套管内可以松散地活动，所以可以免受内部应力与外部侧压力的影响。
这种光纤机械性能好，防水性能好，便于成缆o护层护层n光缆的护层主要是对已形成缆的光纤起保护作用n具有耐压力、防潮、湿度特性好、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点内护层：
聚乙烯、聚氯乙烯等护层外护层：
依敷设环境而定LAP外护套和钢丝铠装等o光缆的种类光缆的种类n层绞式光缆n骨架式光缆n带状式光缆n束管式光缆o层绞式光缆层绞式光缆n若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起n层绞式光缆成本低n但由于光纤直接绕在光缆中的加强芯上，所以难以保证在其施工与使用过程中不受外部侧压力与内部应力的影响。
o骨架式光骨架式光缆缆n单根或多根光纤放入股价的螺旋槽内骨架中心是加强元件，骨架上的沟槽可以是U型、V型或凹型o带状式光带状式光缆缆n将4-12根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，将多个带状光纤单元按照一定方式排列成缆n耐侧压、抗弯曲、抗拉n结构紧凑，高密度用户光缆o束管式束管式光光缆缆n把光纤束放在外壁比松套管更加坚硬的管子中，光纤束位于光缆的中心部位，而光缆的加强芯则移到外护层之中。
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