《光纤传输特性》PPT课件.ppt

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1、2.3 光纤传输特性,光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。,光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道.传输特性损耗(dB/km)，直接影响中继距离；色散(ps/nm.km)，将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量；,光纤的传输特性,2.3.1 光纤的损耗特性2.3.2光纤的色散特性及色散限制,2.3 光信号的传输特性,损耗定义:,POUT-出纤

2、光功率 Pin-入纤光功率,2.3.1 光纤的损耗特性,光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。,代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用dB/km来表示：,示例,为什么用分贝表示？一段30Km长的光纤线路，其损耗为0.5dB/Km。（1）若接收端保持0.3W的接收功率，发端的功率至少是多少？（2）若光纤的损耗为0.25dB/Km，需要的输入光功率是多少？解（1）共衰减0.5*30=15dB工程估算：（2）7.5=3+3+1.5用分贝表示的损耗具有可加性,例=900nm,=3dB/km,Pin=P0,P1k

3、m=P0*50%,P2km=P0*25%(6dB).,例=1.3um,=0.8dB/km,L=30km,Pin=200uW,Pout?,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗(dB/km),波 长(nm),OH离子吸收峰,光纤损耗谱特性,损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗,光纤的损耗机理(1),材料吸收紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等OH离子吸收：在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。减低OH离子浓度，减低这些吸收峰-全波光纤（AllWave 康宁）,A

4、llWave(全波)光纤,范崇澄 FS-89,光纤的损耗机理(2),瑞利散射是一种基本损耗机理。由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。大小与4成反比，RC/4（dB/km）因而主要作用在短波长区。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 dB/km，是该段损耗的主要原因。,光纤的损耗机理(3),辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起

5、传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。,图 2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤,2.3.1 光纤的损耗特性2.3.2 光纤的色散特性及色散限制,2.3 光纤传输特性,Dispersion色散,2.3.2 光纤的色散特性,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,色散类型模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽（仅

6、多模光纤有）波导色散()：传播常数随频率变化材料色散 n()：折射率随频率变化,波长色散,群速色散(GVD),由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速色散（GVD）、模内色散或简言之光纤色散。包括材料色散和波导色散。,同一媒质对不同波长的光，具有不同的折射率；在对可见光为透明的媒质内，折射率常随波长的减小而增大，即红光的折射率最小，紫光的折射率最大。,群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的

7、就是由群时延引入的脉冲展宽程度。,群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。,群时延,光脉冲展宽,以色散参数Dps/(nm.km)表达脉冲展宽 D的定义为：,D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延,脉冲展宽：,以波长单位表达的光信号谱宽,单模光纤的色散,材料色散DM，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。波导色散DW，由于单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计。,单模光纤的色散,零色散波长,17ps/nm.km

8、1550nm,D=DM+DW,Dispersion of“Standard”Single-Mode Fiber,D 正常色散区D0 红快兰慢光脉冲的较高的频率分量（兰）比较低的频率分量（红）传输得慢,D 反常色散区D0兰快红慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快,D,折射率随波长增大而减小,从而,波长越短,折射率越大,介质中光速也就越慢,波导色散DW对D的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。,色散位移,G.653色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),16

9、00,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),G.653色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),四波混频FWM 引起信道串扰,G.655非零色散位移光纤,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),SMF,G.652,标准单模光纤DSF,G.653,色散位移光纤NZ-DSF,G.655,非零色散位移光纤DFF,色散平坦光纤LEAF

10、,大有效面积光纤DCF,色散补偿光纤,Large Effective-Area Fiber:如LEAF Fiber(康宁)Aeff:,Dispersion Compensating Fiber:-100ps/nm.km&0.5dB,模场直径MFD,对单模光纤，2a与处于同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出2a的精确值，因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场直径2w，即光斑尺寸表示，近似为：,2a,2w,电场强度降到峰值的1/e,E0/e,e=2.71828,在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输，纤芯直径不能反映

11、光纤中的能量分布。于是提出了有效面积的概念，若是有效面积小，则通过光纤横截面的密度大，密度过大会引起非线性效应。所以对于传输光纤而言，模场直径越大越好。,大多数已安装的光纤低损耗 大色散分布 大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。,G.652单模光纤（NDSF非色散位移光纤）,低损耗 零色散 小有效面积长距离、单信道超高速EDFA系统四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术适用于10Gb/s以上速

12、率单信道传输，但不适用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。,G.653单模光纤（DSF色散位移光纤）,在15301565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。为DWDM系统的应用而设计的,G.655单模光纤（NZ-DSF非零色散位移光纤）,适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。,单模光纤的发展与演变总结(1),在光纤通信发展的近30年中，单模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤)，零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。对

13、光纤损耗机理的研究表明，光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了色散位移光纤DSF(G.653光纤)。设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm。,单模光纤的发展与演变总结(2),90年代后，DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高。然而，四波混频FWM会引起复用信道之间的串扰，严重影响WDM的性能。FWM是一种非线性效应，其效率与光纤的色散有关，

14、零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使DSF光纤在WDM系统中失去了魅力。非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655光纤)应运而生。NZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可负。若零色散波长小于1530nm则色散为正；若零色散波长大于1565nm则色散为负。从而实现长距离的色散管理。,单模光纤的发展与演变总结(3),NZ-DSF光纤的缺点是模场直径小，容易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积NZ-DSF光纤。如康宁公司研制

15、的三角形外环结构和双环结构光纤，三角形和内环纤芯的作用是将零色散波长移向1550nm，外环的作用是把光从中心吸引出来一部分，增大有效面积。各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。,光纤色散对系统的限制,光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率B决定，因而不希望色散展宽而产生误码。但实际上群速度色散GVD总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，产生ISI（Intersymbol Interference），从而限制了光纤通信系统的比特率B和传输距离L，而BL积是评价系统传输性能的基本参数（称为通信容量）。,定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。光纤的带宽特性如图所示：,光纤的传输带宽,例：SI-MMF（阶跃型-多模光纤）,n11.487，NA=0.275仅考虑模间色散,1km长度脉冲展宽?,例：LD,=2nm,=1.31um,SMF,D()=2ps/nm.km,1km长度模内色散造成的脉冲展宽?,本节小结,光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道。传输特性损耗：直接影响中继距离，光放大器；色散：将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量，色散管理；表2.3 光纤参数,