光纤通信系统第三讲光信号的传输特性(第二部分)(精)
光纤传输特性(精)
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）。
光纤的传输带宽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：
例：SI-MMF（阶跃型-多模光纤）, n1＝1.487， NA=0.275仅考虑模间色散, 1km长度脉冲展宽
例：LD, Δλ=2nm,λ=1.31um, SMF, D(λ=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。
最新光纤传输特性精品课件
17ps/nm.km
G.652
20
EDFA
10
频带 G.653
0
-10
G.655
-20
1200
1300
1400
1500
1600
波长(bōcháng)(nm)
1700
第二十五页，共39页。
•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, 大有效(yǒuxiào)面积光纤 •DCF, 色散补偿光纤
材料(cáiliào)色散DM，纤芯材料(cáiliào)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。
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。
第十一页，共39页。
损 耗 /( dB·km－ 1) 损 耗 / (dB·km－ 1)
2.3 光信号(xìnhào)的传输特性
2.3.1 光纤的损耗特性 2.3.2 光纤的色散(sèsàn)特性及
色散(sèsàn)限制
第三页，共39页。
2.3.1 光纤的损耗(sǔnhào)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
光纤通信基本知识ppt课件
VC-3
VC-4
复用段层网络 再生段层网络 物理层网络
27
电路层
低阶 高阶
通道层
SDH 传送层
段层 传输 媒质层
完整最新ppt
SDH的承载业务
L5~7
Application
L4
TCP/UDP
L3
IP
L2 ATM FR PPP/HDLC LAPS SDL
L1
SDH
L0
WDM
FR: Frame Relay
6
7
MSOH
8
9
23
9列
261列
完整最新ppt
SDH开销字节的分层
分支
分支
--分支组装
POH
--分支取出
POH插入 MSOH
MSOH
POH提取 MSOH
插入
提取
RSOH RSOH RSOH RSOH RSOH
插入
提取/插入
提取
载波
载波
光接口
光接口
光接口
物理线路
物理线路
终端
再生器
终端
通道层 复用层 再生层 物理层
21
完整最新ppt
SDH的比特率
等级 STM-1
速率（Mb/s） 155.520
STM-4
622.080
STM-16 2488.320
STM-64 9953.280
22
完整最新ppt
SDH的帧结构
STM-1的帧结构
125us 9x270=2430个字节
第1行
2
RSOH
3
4 AU PTR
5
净荷（含POH）
35
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。
光纤的损耗特性*************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数（损耗系数），定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。
其表达式为：式中求得波长在λ处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。
（1）光纤的损耗特性曲线•损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。
自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55μm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。
总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。
•从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。
目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。
（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。
包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。
物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。
光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。
另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。
光纤-光缆及其传输特性
光纤\光缆及其传输特性摘要:在广播电视传输网中,同轴电缆传输系统具有设备简单投资少,接入用户方便,因此它在广播电视传输网的接入网部分和小区域的用户中得到了广泛的应用。
但对于远距离传输而言,同轴电缆传输系统就曝露出致命的弱点。
而光纤的出现恰好弥补了这一缺陷,由于光信号在光缆中的传输衰减极小,很小的光功率便可以在光缆中将其传到很远的地方。
因此光纤在现代社会中被广泛应用。
现就光纤、光缆的概念及其传输特性做一介绍。
关键词:光纤、光缆、传输损耗、传输带宽、光纤性能参数1、光纤光纤是用于传导光的介质光波导。
为了能对光信号进行远距离传输,光纤必须具有两个功能:(1)必须具有较低损耗。
(2)必须满足光波导条件。
为了实现这一功能,光纤通常由纤芯和包层两个二氧化硅层组成,包层的折射率必须小于纤芯的折射率,这样在包层与限制你的临界面便形成一个封闭的全反射面,保证了从纤芯向外射出的光能被完全反射回纤芯。
光纤按其传输光波的模式,可分为多模光纤和单模光纤。
光信号是一种特殊的电磁波,它在光纤中传播与电磁波在电波导中传输一样,同样存在着模式的问题。
多模光纤可以允许光信号以多模式传播,而单模光纤只允许光以基模一种模式传播。
多模光纤中,由于多种模式的光信号传播速度不同,而引起时域脉冲展宽,使其信道带宽受到限制。
由于单模光纤只能传输一种单一模式,所以具有很大的信道带宽。
因此,单模光纤被广泛应用于现代通讯系统中。
2、光缆若将若干根光纤并行使用把它们以一定的形式组合到一起,在其外部加以各种保护套便形成了光缆。
通常使用的架空和直埋式光缆有两种结构形式:中心束管式和层绞式。
中心束管式光缆,使用于光纤芯数较少的场合。
通常12 芯以下光缆使用这种结构形式。
中心束光缆就是将所需数量的光纤并行装入充满纤膏的束管内,形成中心束管。
束管内的光纤可以在纤膏内活动,这样的结构称为松套式结构。
3、光纤的传输特性光纤的传输特性包括传输损耗、光纤的传输带宽以及光纤传输性能参数。
光纤通信 第3章 光纤的传输特性
k0 n2 W b= 2 = 2 2 2 V k0 n1 n2
2 2 2 2
= k0 n2 k0 n1 n2 b
2 2 2 2 2
1 2
k0 n1 1 2b k0 n1 1 b
1 2
= k0 n1 n1 - n2 b
4.光纤损耗系数
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
10 P 1 ＝ lg dB / Km L P2
P P2 dB / Km ＝ 1 L
二、光纤的色散
色散是一个古老的物理概念。在物理学 中，它是指不同颜色的光经过某种透明介 质后被分散开的现象。
= 2
rM
n(0) cosq0 n(r ) 1 cos q
2
0
dr
= 2
rM
cosq 0 n( r ) cos2 q 0 n(0)
2
0
dr＝
a
2
cosq 0
T = 2
rM
0
1 cos2 q0 1 a dr = n(0) v(r ) sin q 2 C 2
它们的影响可以随杂质浓度的降
低而减小，直到清除。降低材料中的 过渡金属离子比较容易，目前已可以 使它们的影响减小到最小程度。
OH－吸收损耗
OH－振动吸收影响较大。在0.6～2.73μm的波长范围内产生若干吸 其吸 收 峰 基 本 消 失 ，得到如图虚线所示的曲线 。 1.31 μm波长 窗口和1.55μm波长
6 5 4 OHˉ吸收峰
收峰。当降到0.8～1.0ppb(10-9 )时，在整个0.7～1.6μm波谱范围内，
光纤通信第3章光纤的传输特性
光强依赖相位法
通过测量光强变化时相位的变化来计算非线 性相位延迟。
光强依赖偏振法
通过测量光强变化时偏振状态的变化来计算 非线性偏振效应。
05 光纤的应用与发展趋势
光纤在通信领域的应用
01
02
03
光纤通信
利用光纤传输信号，实现 高速、大容量的信息传输， 广泛应用于电信、互联网 等领域。
光纤入户
将光纤直接接入家庭，提 供高速上网、视频通话等 服务，提升家庭信息化水 平。
频域法
通过测量不同波长的光信号在光纤中传输的频率 响应来计算色散系数。
干涉法
利用干涉仪来测量不同波长的光信号在光纤中传 输时的干涉条纹变化，从而计算色散系数。
光纤非线性效应的测量技术
光强依赖折射率法
通过测量光强变化时折射率的变化来计算非 线性折射率。
光强依赖吸收法
通过测量光强变化时吸收系数的变化来计算 非线性吸收系数。
改变光线的传播路径。衍射现象对于光纤的传输特性和信号质量有一定影响。
03 光纤的传输特性
光纤的损耗特性
吸收损耗
01
光纤材料对光能的吸收导致光能的损失。主要吸收物质包括纤
芯材料（如Leabharlann ）和涂覆层材料（如塑料）。散射损耗
02
由于光纤内部结构的不规则或折射率的不均匀，光在传播过程
中发生散射，部分光能偏离原路径而损失。
弯曲损耗
03
光纤弯曲时，光在弯曲部分发生反射和折射，导致部分光能损
失。
光纤的色散特性
材料色散
由于光纤材料对不同波长的光的 折射率不同，导致不同波长的光 在光纤中的传播速度不同，从而 引起色散。
波导色散
由于光纤的纤芯和涂覆层的折射 率不同，导致不同波长的光在光 纤中的传播路径不同，从而引起 色散。
第3章光纤的传输特性
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Δ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
宏弯损耗
基本损耗
宏弯和微弯对损耗的附加影响
微弯 损耗
长波长处附加损耗显著
2W0 2a 0.651.619 V 3/ 2 2.879 V 6
光纤的损耗
2) 散射损耗 散射损耗是由于光纤材料中某种远小于波长的不 均匀性(如：折射率不均匀、掺杂浓度不均匀)引起光 的散射而构成的损耗。是光纤的固有本征损耗，它的
降低成为光纤损耗降低的最终限制因素。
瑞利散射：线性散射(不产生频率的变化) 受激拉曼散射和受激布里渊散射
波导散射
光纤的损耗
OH－吸收峰 ~ 2 dB
光纤的损耗
原子缺陷吸收损耗：
光纤制造 -> 材料受到热激励 -> 结构不完善 强粒子辐射 -> 材料共价键断裂 -> 原子缺陷 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动
吸收光能，引起损耗
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。
V
2a
2 n1
2 1/ 2 n2
2a
NA
l增加，V减少，W0越大
光纤的损耗
宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼 Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配臵了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
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脉冲展宽同2、光纤长度L和信号谱宽成正比
2 d d
2
2
为群速色散（GVD）
2决定了脉冲在光纤中的展宽程度
光脉冲展宽(2)
以色散参数D[ps/(nm. km)]表达脉冲展宽
D的定义为：
1 D L
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：
•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, 大有效面积光纤 •DCF, 色散补偿光纤 •NDF, 负色散光纤
•Large Effective-Area Fiber: 如LEAF Fiber(康宁) Aeff: SMF 80m2
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，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1530~1565nm(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。
•
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 •偏振模色散PMD
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。
D L
以波长单位表达 的光信号谱宽
1 1 2c D 2 2 L L
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，因为模式 传播常数是a/的函数(a纤芯半径， a/是光纤 相当于波长的尺度).
Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to travel at different speeds in fiber, resulting in pulse spreading
群速度
沿z方向传输的单色波：
E(t , z) A exp j t z
是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）。
群速度：表征光信号包络的传输速度
பைடு நூலகம்
vg d d
群时延
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。 L d
vg
L
d
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。
NZ-DSF
LEAF
55 m2
72 m2
•Dispersion Compensating Fiber: -100ps/nm.km & 0.5dB
芯径小，非线性严重
双折射，PMD严重
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。
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。而我们所关心的就是由 群时延引入的脉冲展宽程度。
光脉冲展宽(1)
光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，
因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中 展宽，不再同时到达光纤输出端。
d d L 2 L 2 d d
•偏振模色散(PMD)
在理想的单模光纤中，基模是由两个相互 垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这 两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的 迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。
光纤通信系统
第二章 光信号的传输特性 （第二部分）
王翀
cw72@
光信息科学与技术专业 西安邮电学院光电子技术系
第二章 光信号的传输特性
2.1 光纤概述 2.2 光纤的损耗特性 2.3 光纤的色散特性及色散限制 2.4 光纤中的非线性光学效应
2.3.1 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。