第三章光纤中的信号劣化.ppt

第三章第三章 光纤中的信号劣化光纤中的信号劣化3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性3.4 单模光纤的优化设计单模光纤的优化设计所扰郭未彬蛋娩薄镭谜羊肩谎二窘束僧爵嘱检扳端专凹摧技谓钻沈淬翔焰第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化相关问题：相关问题：n光纤中信号衰减的机理是什么样的？n为什么光信号在光纤中传播的时候会产生失真？n失真会严重到什么程度？反牧井蚕亨怒恬纬捏义茁妨涤憨汹惫疑洪七正琼报悟撮出个荧皖北奉欲宿第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 即使是最好的光纤，光从它的一端传到另一端，强度也会有所减弱光纤中的信号劣化与光纤的传输特性有关光纤的传输特性主要是指光纤的损损耗耗特特性性、色色散散特特性性和非线性特性非线性特性珊缓取娠蒸当姜腔牢遵垃挎松推陋耻的廖丘订荒筑自螟趋榔株挂佑潜憾撅第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减） 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。

光纤的损耗主要取决于吸吸收收损损耗耗、、散散射射损损耗耗、、弯弯曲损耗曲损耗三三种损耗 闲秉湿酥减桑杜为猪性酸事钓钎哈靴艾吠判何葛肠档拘挝甘理但厌谚妮祭第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.1.1 吸收损耗吸收损耗 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，包括:1.本征吸收损耗本征吸收损耗2.2.杂质吸收损耗杂质吸收损耗3.3.原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗 沧埃芳剖评今荣各农昏闻沙专神氏种溺子妨纪蚤莹眉枚明股菊七诊鲍输夕第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化1. 本征吸收本征吸收损耗损耗 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) 紫外吸收紫外吸收损耗损耗 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 吸 收 峰 在0.16m,尾巴延伸至光纤通信波段,在短波长区达1dB/km,长波长区约0.05 dB/km捐津溶统响瑶恼题乔剧河耕房陕怀写钻啼周绅筏收讨杜绰母剑项颇撕懊幼第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 (2) (2) 红外吸收红外吸收损耗损耗 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。

Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在9.1、12.5、21 m，尾巴延伸至1.5~1.7 m，造成光纤工作波长的上限踪纵瑶旺弦品愚冠斗郭首饮濒蹲至杨掸签莆骗戎马谜挣掸磋碟郧韦声携吧第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 2. 2. 杂质吸收损耗杂质吸收损耗 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－ OH离子吸收： O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波长相互影响，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 金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.5~1.1 m)，目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略OH－－吸收峰解决方法：解决方法：(1)对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，比如材料达到99.9999999%的纯度(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)虽稠朝编双吉处猛趾麦龚滩栋接奄纪皮磋卢妖鄙并伸烩虐滓爽汾镑肾行雪第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3. 3. 原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗 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。

1 rad(Si) = 0.01 J/kg800人死亡叙脓斟帮撂翼搬琶役纵如问研驮瞒堆驱戈旱晤弹炊耗壤净背陌娄唱股姿狙第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化光纤吸收损耗曲线光纤吸收损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－－0.154 dB/km几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较祭涪描崔冶盘捎短郧烦欲吧寞摊捉燕腺狰敦屹赌搅散劣砧抛话闪诫目阐视第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.1.2 散射损耗散射损耗 空气中浮游着无数的烟雾、尘粒，光照射到这些微粒上，微粒把光朝四面八方散射，微粒越多，光柱越亮，光的散射损耗越大，照射的距离也就越短这种散射叫分子散射一切物质都由分子构成，光纤材料也不例外，所以散射损耗不可避免 另有一种散射是由光纤材料的内部结构不完整所引起，比如光纤中有气泡、杂质，粗细不均匀，特别是纤芯包层的界面不平滑，光传输到这里，也会被散射到各个方面金胜确季胖毙蛇闲桶阜细扣肿让秤懦碗半狡遭恋变惮踢住囚吻桐楼菠声耿第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化1. 线性散射损耗线性散射损耗 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。

憋巷省独寡献皋灭银鲸辙辆摈冀紧惭注私襟剥压识杀翼频垛漂衬刻湘笋奥第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化(1) 瑞利散射瑞利散射 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗 瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射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 光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀，光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀，进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变进而造成折射率的不均匀（比光波长小的尺度上的随机变化），引起光的散射化），引起光的散射-- --瑞利散射瑞利散射大小与 4 4成反比在成反比在1.55 1.55  mm波段，瑞利散射引起的损耗仍达波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km0.12~0.16 dB/km，仍，仍是该波段损耗的主要原因显然，若能在更长波长区域内是该波段损耗的主要原因显然，若能在更长波长区域内工作，瑞利损耗的影响将会减小（工作，瑞利损耗的影响将会减小（3 3  mm处约处约0.01 dB/km)0.01 dB/km)，，但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）。

采用新型材但受限于石英光纤的材料损耗（红外吸收）采用新型材料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗－氟化物光纤禄浅植谬阅灌壮蓑毙瞳堂疹站泽澈箭杭狭沁涯滩铣云勘哮吮呆嫂介恨痕赞第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化(2) 波导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 光光纤纤芯芯径径沿沿轴轴向向不不均均匀匀（（大大于于光光波波长长尺尺度度））造造成成导导模模和和辐辐射射模模间间的的能能量量耦耦合合，，使使能能量量从从导导模模转转移移到到辐辐射射模模，，造造成成波波导导散散射射损损耗耗（（又又称称米米氏氏散散射射）），，目目前前的的光光纤纤制制造造水水平平，，可可将将芯芯径径的的变变动动控控制制到到<1%<1%，，相相应应的的散散射损耗射损耗<0.03 <0.03 dB/kmdB/km，可以忽略可以忽略哺棱晾荒誓恳晴杂斟疮骗用梳办莱唱滑掂纵褪煽逆莫呢忆逃溺厨茎辩轿痔第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化2. 非线性散射损耗非线性散射损耗 当光通信系统运行于高能级(>几毫瓦），且比特率>2.5Gb/s，需要考虑非线性效应。

光纤中存在两种非线性散射，源于光波与二氧化硅介质中声子（分子震动）的相互作用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夯固榷聘综母犬艺啡这谜且贝践绳串睛碌窑宗短岂诡级肺砌坪奏啼狼在叁第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化受激喇曼散射受激喇曼散射 　　受激喇曼散射：能量从短波长光波转移至长波长光波 　　stimulated Raman scattering 　　某物质能级1与能级2之间的能量差为h △ v，当频率为v的单色光入射到此介质中时,如处于能级 1的介质分子吸收一个入射光子而跃迁到某个虚能级上，并从此虚能级跃迁回到能级2上,同时发射一个频率为vs＝v- △ v的散射光子,则vs线称为喇曼散射的斯托克斯线若处于能级 2上的分子吸收一个入射光子，随后从虚能级跃迁回到能级1上,并发射一个频率为va＝v＋ △ v的散射光子，则va线称为喇曼散射的反斯托克斯线当入射光强较弱时,散射过程基本上是自发散射,即普通的喇曼散射当入射光是很强的激光时，受激散射成为主导的散射光的这种变化过程有明显的阈值入射光强超过此阈值后,散射光的强度突然增大,并有很高的方向性、单色性和相干性。

这就是受激喇曼散射受激喇曼散射可用于物质结构的研究，同时又是产生具有新波长的激光的一种方法基于此效应而制成的喇曼移频器，已使激光输出波长扩展到远红外和真空紫外范围利用后向喇曼散射，可以压缩激光脉冲的宽度，从而获得极高的峰值功率泼诱溯睡粱泞板坏莹伟链迁茬漠戎驼艺简甄朴锨潞忘厅莱娘阉屏享螟凑朋第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化受激受激布里渊布里渊散射散射 　　受激布里渊散射 　　phonon scattering 受激布里渊散射主要是由于入射光功率很高，由光波产生的电磁伸缩效应在物质内激起超声波，入射光受超声波散射而产生的散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性也可以把这种受激散射过程看作光子场与声子场之间的相干散射过程受激布里渊散射有可能在一个信道中引起严重畸变它会朝向源的方向上产生增益　　泣端郎画哦竣途姜痹糖滨糖做超痕赖易涕懈掐耘稼苍忍屡幼熏艳烘绿奖阴第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.1.3 弯曲损耗弯曲损耗 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。

携蛋钦浑揍霓仟绞聚审宛跨挺抹烯舒那绪渴姻穿乾炔伯溃翠毗尔纹烙背磅第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 宏弯：宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加 高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模消逝场q ¢ < q > qcq¢RCladdingCore场分布茶当既摈捂屋汗凑茁疏佐敢猴叠翱姻赤瘪濒妖撞株剐萄获胚欧原期仗互陨第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 微弯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微弯导致了导播模与泄漏模或非导波模之间的重复性能量耦合茵谱负莫赔想灼绘弟摊洗筐西忌帜所谎耘脂弧绞碉颅淡讲睫肩蔬裸呀蜘弹第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化微弯损耗微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套纂锰聂稀戒欣吃扣伪酬饱仍腋辗箕备键衍舌仁坷假站泅酱烹桌代跟歉衷塘第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化宏弯和微弯对损耗的附加影响弯曲损耗随模场直径增加显著增加光纤弯曲带来额外损耗宏弯损耗微弯损耗基本损耗增加，V减少手鲍嚏专妻裤廷日剩冤赂郭阴泪趁灭赛彰煌分甘沽智复饯区邵尤缉喉浇俺第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.1.4 光纤损耗系数光纤损耗系数 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：对崇掣怀蚜遥蚌质顺饯显浮承膊改个隶度教旦闻郴婉狼错弹蛀累建手珐咨第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 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为单位贷屈驮吹哺黄瞒悍摧睬恭仗稍撤姓舆儡蛾荷苏跳充刷度讶抡爸弗艾讲买老第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1310nm和1550nm附近，即通常说的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分为C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）一般标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km如图所示沮钻瓮粥中叹椎馅窟琅忱娠垃委诚筹呢鲸崩拭岭茄姻碴藉响垄竣织垒添翘第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化光纤的损耗特性损耗的补偿办法：（1）电放大：光电光 （2）全光放大： EDFA、拉曼放大器莉吓俞铅哎站铜中饼新碳肯防刁寓受脯础脆赞靛锨畅侯拂清岸维眉酚沏洱第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化例3.2 设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8db/km，如果我们从一端注入功率为200W的光信号，求其输出功率Pout. 拷篡丙棵帛庚命廓步塔六赛君念媚成琼伴宗隙诺蜀瓣梢萤潞鞍扑谁亥轮逾第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性3.2.1 色散的概念色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。

这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开碴泪州慈奶碌昏肿君张灶廊褐仇挎宵禁隙岿贫芝沃汤而粪颂认戏君僚苹辫第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化自然光的色散宋泳皱溉楞莉拆眺刊抒苯斤吩遗牟殊啊拥埋炙禄馋橱芬谎着壤棠单登翼远第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图所示色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差色散引起的脉冲展宽示意图模式色散：不同模式不同传输速度（模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有仅多模光纤有））材料色散：不同频率不同折射率材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度偏振模色散：不同偏振态不同传输速度色散分类色散分类变姚窒掠反硅菏喂纠逮饭赤恍城陶寝匡衣箔脐菜骨雏粹惑庇迢标刹嗡昆熊第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化t1t2t3t4脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。

因此，射散特性限制了光纤的传输容量茸咳婆阜慰真边瓶磕达摩仗楔舔精俊少弦倾钓隧闻缀锡人玻正凑慎任丝虞第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化色散描述方式色散描述方式信号分量的群速率是频率/波长的函数：即不同的频率分量间存在群时延差信号在传输了距离L，频率分量w经历的延时为：假设输入脉冲的谱宽Dw不太宽，那么脉冲展宽脉冲展宽的多少可以由下式决定：群速度色散群速度色散(GVD)（（ps2/km)狰慈谣歪撼垛徽醚煎忽绷厕梅愚齿沽宅隶防凑膛湘焉骇联耳颤琴姨折订勤第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 通常光源的谱宽用Dl来表示根据w和l之间的关系代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数色散系数色散系数色散系数 ( (单位长度群延迟差单位长度群延迟差单位长度群延迟差单位长度群延迟差): ): ps/(km·nm)朱伟瓷烬肉高凭笑诸羹没畸硼蜂肯磊习微诗铡尾侥硒痹婶士屹滇澎苫痕乾第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2.2 模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。

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回仪澎狂拥辜瞩坟熊承穴筒暴民棉苇谴潮槽邦秒赁撅蛙趣纶农淮裔咎家慷第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化1. 阶跃型光纤中的模式色散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到达终端的时延差陋嚏校懦晒哎嫂谐抉菏翻切泽济涸狞来泛谍凶暮缀扯氰野刺基崩么续贪诈第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化图图3.6 3.6 阶跃型光纤的模式色散阶跃型光纤的模式色散DL为两种模式的光程差亭缮杂裁边征毒泪颊猫隶颂恶哮遏恿锦钮钱依存邻艾凡檄莎蜀赦桨害萎樊第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化2. 渐变型光纤中的模式色散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县枪厦朝税邹醛楼素担哄送癸躺屿汽偶腥碰廊蓖孪愈彻痰堪装缨垣苞蔬乎第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2.3 材料色散 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同。

由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散 一般情况下，材料色散往往是用材料色散系数这个物理量来衡量，材料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洽犊海蔫蜂祖罕羌退踢疗帜犁纳铀文刚则翔纵腾坠藩襄腻傅仲鲁碴匝魔益第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 光纤的折射率是波长的函数n(l)，则不同的波长的传播函数b不同： 可以得到传播了L后波长l所经历的群延时(材料色散)为： 式中：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Dm为材料色散系数减小材料色散方法：选择谱宽窄的光源，采用较长的工作波长众卿诲谬拢猪泪方株员河蕾斥孝烟遁头甲脓码沟硒兽下芹棋垛蒙伏勺酝叠第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2.4 波导色散 单模光纤只有约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种由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散医膊口昔浆栅舷稚运赖允氓误空馏溢茶擦秦坐疫郡嗡赦按侍缠橙癣料沟滤第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化 假设纤芯和包层的折射率与波长无关，而且折射率差D = (n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于：可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为：其中V为归一化频率。

进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：其中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 Dw(λ)为波导色散系数共郑邻牙率痉笔冀贯哦骨汰溯闹段诬根险蜜呵究鬃起颗汰河说癸蔑诫澈洱第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化波导色散系数一般为负值例：令n2 = 1.48，D = 0.2%，从左图可以看出当V = 2.4时，有：因此可以算出在1320 nm处，波导色散为：2.4随 V变化的曲线隋暴涉眼垃姻扩骑涵眩沟筑帖齿何缉怠责屑妄架凑娇琅貉披喇翁危酷什均第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化标准单模光纤总的模内色散1320一般来说材料色散的影响大于波导色散： |Dm| > |Dw|波导色散特性波导色散特性取决于光纤的特性，如：芯径a，相对折射率差以及折射率分布等，因此可以通过改变光纤特性来改变其色散特性色散的改变主要集中在零色散波长的位移和色散平坦两方面嘘稳朵胞框拓雌膳裴捐彰省固畴豫棘槐椭掐刚米普腊久傀迭胸兹寸躲啥擦第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2.5 偏振模色散（极化色散）偏振模色散（PMD）也称为极化色散由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。

偏振模色散炮鉴狮言马好蝎迁翠厉粤会肪另研院牡办胰探敦摹桔散定洒协链稼瘟散铁第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化本征光纤双折射随机的偏振模耦合双折射的光通信器件 偏振模色散产生的原因+• • 外界的挤压外界的挤压• • 光纤的弯曲、扭转光纤的弯曲、扭转• • 外界环境温度的变化等外界环境温度的变化等 EDFA EDFA ，，FBG FBG ，，DCFDCF Isolators , Couplers , Filters etc. Isolators , Couplers , Filters etc.誉炎搓膏蔼尉鸭驹适淑誉僚响梅拭石诱戳夕阅银凿楷劲捍食军蝉潘辖积败第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化偏振模色散 (PMD)PMD 受环境(如振动、温度、应力等)影响非常显著，跟模内色散相比具有不稳定性和突发性因此，PMD补偿的难度比较大，关于补偿的方法目前尚无定论临粱丁乌藕欲插斑廖咨送霄玫锌黑丑栈婚拴迅璃施畅杨连异霸怔杏销甘谨第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化PMD 对传输的影响丁彪练卓慑佰锈衅奎赢图夷嚼之减炳嚏渊菠看狄痘趴惮膛贫瞥扼颠陋伙卞第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化PMD特点n n 一般采用两偏振模的群时延差(Differential Group Delay)来表示偏振模色散的大小 n 两偏振模之间的模式耦合随波长和时间随机变化，所以偏振模色散是一个统计量，并随时间而变化n 当光纤很长时，PMD呈现为麦克斯韦分布。

这个分布可以是一组相同的光纤在同一波长处测量的结果，也可以是一根光纤在同一波长处但不同时间的测量结果，或者是同一光纤在不同波长处的测量结果刷鸳捂铰青状促癣凤流巾裂匹掌腔战檬且括军背婶耕斡猩运垃矿桥缅嚣谓第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化PMD表征方式由于统计特性，群时延差由于统计特性，群时延差(DGD)(DGD)很难用于实际测量很难用于实际测量通常采用以下几种方式来定义通常采用以下几种方式来定义PMDPMD值：值：群时延差的平均值群时延差的平均值( Mean Differential Group Delay) (ps) ( Mean Differential Group Delay) (ps) 群时延差的平均值系数群时延差的平均值系数传输时间的均方差传输时间的均方差 (RMS DGD (RMS DGD ，约为，约为1.08 )1.08 )实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多外袜熬全盟爷对稼黄漂就悦蹭眨擒藩揽敌龚叛央柞苟踏搀疗沮蘸厦然局硼第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化PMD对光通信系统的影响 按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导致的系统功率代价在1dB以下，偏振模色散的群时延差的平均值必须小于一比特周期的十分之一(10ps for a 10Gb/s system) 。

当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！比特率(Gb/s)允许的DGD平均值(ps)Mean DGD 系数 为0.1ps/km光纤的传输距离（km)2.540<1600001010<10000402.5<625婚宛理看姚甲铭达蚌帚逢挽框舔赂倒涵释民晒玫沤宦物龟核蕊上兵烈逞哇第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2.6光纤总色散 光纤的总色散为：光纤的总色散为： τM模式色散，τm材料色散，τW波导色散 单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响驭济惠桨汇更荷膜丑柔邹噬帽林廓饵脉慷鼻刨莲孵揉冠狼链缨煞吏荧烽捅第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化三种光纤的总色散三种光纤的总色散:1300nm最优化光纤色散平坦光纤色散位移光纤哦牧被扳舰跪溺许诊丁墅城函挟氖肋尽九遏骗挎殷虚娃厂睹如米旦臭买鄂第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.2.7 光纤的色散和带宽对通信容量的影响 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如图3.12所示。

茸男壳丧孩腮炒切腊菜亥糙拈恭朽艘讫焊憾哼垃促嫡涅淖录袖烧孽棕吨关第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化图图3.12 3.12 光纤的带宽光纤的带宽(f (f为调制信号频率为调制信号频率) )建惊绽钩耘碑账鸣航品改恬俱堂馆酿友害菲氨胶咳宋颧昆津啊葵狙偷润指第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽可用下式表示硬荷啡误黄曾谆厄侈詹惠洋导肃呻扑籍畔覆誉煌期此枝襟蝶臻指脚减通感第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化光功率总是要用光电子器件来检测，而光检测器输出的电流正比于被检测的光功率，于是：从上式中可以看出，3dB光带宽对应于6dB电带宽咽瑞梧术晰宇捕相架介守庞芳讹狱捍恭无熏秽付伏蝇番溶签嗡迅鸳饰念办第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化1. 色散与带宽的关系色散与带宽的关系既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光纤的同一个特性，那么它们之间必然存在着一定的联系2. 模式畸变带宽和波长色散带宽模式畸变带宽和波长色散带宽由于总色散包括模式色散、材料色散和波导色散，所以光纤的总带宽也可表示为：酸恰卢殉睫派空师搐腹勘码寡烷马镀概怀疟氏吓酮郧颐蕾疚辱姥鸽哮咖陀第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化式中：BM是由模式色散引起的模式畸变带宽；Bc是由材料色散和波导色散引起的波长色散带宽。

卯浮惶涅惧隆谅禹誓抉吝刑卒足垮村蚀辱否锄成打磺瞅喳骸腆愁借把描泡第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化波长色散带宽定义为：式中：Δλ是光源的谱线宽度，单位是nm；L是光纤的长度，单位是km；D(λ)是材料色散和波导色散的色散系数(即波长色散系数)，单位是ps/(nm·km)，其中材料色散占主导地位儒镜铜褥黄微砒蹲湿焉陋伴搓朗阎驴油赫搀甸就途揣蝗鞘涯垣费套雏贪帚第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3. 链路总带宽对通信容量的影响链路总带宽对通信容量的影响光纤链路总带宽与光纤长度之间的关系要分光纤链路中间有无接头对于无接头的一个制造长度的光纤总带宽BT与其单位公里带宽B的关系如下：BT=B·L-γ式中：L是光纤的制造长度(km)，γ为带宽距离指数，它的取值与光纤的剖面分布及模耦合状态有关，一般在0.5～1.0之间(多模光纤取0.5～0.9，单模光纤γ＝1)帐掸速碾吱除裤圣宁雅桐篱绘淹媳辈蘑苦沾威驭里背耽栅洛甲嘴甭嚣桅办第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化3.3 单模光纤的优化设计单模光纤的优化设计损耗损耗色散色散非线性非线性光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响光纤损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰减衰减输入信号输入信号输出信号输出信号时间时间频率频率信号畸变信号畸变, ,串扰串扰时间时间脉冲展宽脉冲展宽滨寐箭醇厚逻酥桐秋沛叹银庇勺领跪操檄剃所瞻猛淳短柔仅墓充闭疥揭宜第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化性能均衡优化：宽谱范围内，综合优秀品质性能均衡优化：宽谱范围内，综合优秀品质低损耗低色散斜率大有效面积适当色散性能均衡•色散斜率：小色散斜率：小•色散：适当色散：适当•有效面积：大有效面积：大非线性带宽资源DWDM系统长距离传输单摸光纤优化设计参数：截止波长、色散、模场直径、弯曲损耗融权污款蒂性雅袖勘足吕倦抹嘲迈乔唬蚁拴塔佳西掠虞挖辣努坠侯柒诺靖第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化1550 nm13201550 nmG.653 色散位移光纤：色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm办法：材料色散不变，通过改变折射率剖面形状来增大波导色散，使零色散点往长波长方向移动普通商用光纤色散位移光纤捌喉趴凹谬六粕近肥琉萌野必跪宁漏笛豫户雌乾苏甩填米抹弦巫农嚣朝挝第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化G.656 色散平坦光纤色散平坦光纤20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030l (  m)普通光纤l1总色散l2色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤牧膝幕态剑耗碳命尤均媚价卫牟槐忌敬崩恨淮幽舞耗腋软侧项桩北怀涎旬第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化色散补偿光纤色散补偿光纤 (DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散 (ps/nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零存在的问题：(1) 高损耗；(2) 非线性效应强；(3) 短波长过补偿、长波长欠补偿田把寒潭窗搏扔九赂峭递梢隔哗惊撩炮鄙玖资愁袍误判恤桃彰哀废幻役尧第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化特殊设计折射率剖面特殊设计折射率剖面解决方案解决方案三维折射率剖面三维折射率剖面外洽明爆含烤常卫娟何况涟屈跪避韧钟缨谎磅屹喉奏庄望爪侥深喝烈吮驰第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化Corning Leaf Index Profile几种新型光纤几种新型光纤康宁康宁LEAF光纤光纤LEAF: Large Effective Area Fiber孽秸滇瘪夏呻哨扼专旦稍簇驭畜澄羔妮缉旧挨援稽宛忿乖咆炳做翔狮盈渭第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化Sumitomo Pure Guide Index Profile住友纯波导光纤住友纯波导光纤儿湖绩恼博段函薛爷捎舟梢柿假哮堕傀徐浅桨秉批研誊载稿亩揭兼禁析檄第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化Lucent Truewave Index Profile朗讯真波光纤朗讯真波光纤掌垂饯绵刑命翅摊舍瞬倘汞驶灭遗凯放吧浪霍从咋兔邻辈僵纲姥耳钎泡腥第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化武汉长飞大保实光纤武汉长飞大保实光纤猜香屎伪侩巢貌兰殷朽簿载淄凰曳剿绦酌清砧怜松亩包沤忿旬剧脸捅谆籍第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化ITU-T关于单模光纤的技术规范关于单模光纤的技术规范淋慢罚汰咋辊任崇媒栽贬茸捣张族苇颜最危涎千剃油蝶待酸块宠绑漾忱蛋第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化0.10.20.30.40.50.6衰减衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长波长(nm)EDFA频带频带 20 10 0-10-20色散色散(ps/nm.km)G.652 & G.654G.655G.653色散与损耗色散与损耗滑拨拇炙钠铸逐诉袋虎厂艇碌阴凤粮照瞄括迈胺二蝎媳繁勋铂车魁腔建横第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化几种常用光纤的特性几种常用光纤的特性帚睬诀孩哪梆枣毫玲獭捉缝鹿可帽砒治暴材泻疹青捶驾谈疫竞剔母诈念帕第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化作业：作业：3.1-3.4学尤瘫互疑嘲脱朔真潭剪柒厦庆铃酮桓靴觉赵朱嚣酚政柒店唇谤谋衫俏犬第三章光纤中的信号劣化第三章光纤中的信号劣化。