3.1光纤的损耗与色散在线视频

同学们

大家好

我是华北电力大学的马永红老师

好

我们来接着来讲

光通信及其电力应用

这是我们这门课的三大应用的第一个应用

光通信的应用

好

这一章的内容

我们主要的来介绍光纤的损耗

色散及非线性特性

再来介绍

电力超长站距无中继光传输系统的关键技术

以及典型的应用案例

好

我们这一节

首先来看光纤的损耗

色散及非线性特性

首先来讲

光纤的损耗和色散

光纤的非线性我们放到下面的章节来介绍

光纤的损耗

光纤的损耗导致了能量的损失

因而限制了光信号在光纤中的传输的距离

光纤的损耗

我们用光纤的衰减系数

一般用字母α来表示

它的单位是每公里

它定义为单位长度光信号功率的损失

长度为L的光纤

它的入纤和出纤信号功率间的关系

可以这样来表示

Pout等于Pin exp(-αL)

这个α就是我们说的光纤的衰减系数

为了计算方便

有的时候把光纤的衰减系数的

单位进行一个变化

主要的是这个α的

带着好多小数

有时候处理起来不太方便

所以我们为了好计算

把它换成每公里多少个分贝

这两个之间的关系由2式来表示

实际上在刚才的公式(1)里面

实际上代到的是后面这个α

但是常规的给的是前面这个每公里多少dB

所以你必须把它化成每公里多少

然后才能代到刚才的公式里面

由(1)式可知

当入纤功率给定的时候

那传输的距离越长

则出纤功率越小

而光接收机必须在一定的接收功率

范围下才能可靠的恢复信号

因此实际上损耗就限制了光纤通信的距离

那么

我们来看一下光纤损耗到底是由

什么因素来带来的

如图是实验测量的单模光纤的总的损耗曲线

大家看这个图里面

最上面就是实验测量的损耗曲线

这个损耗的总曲线实际上包括什么呢

包括材料的吸收

比如说这个吸收包括紫外的吸收

和红外的吸收

还包括瑞利的散射

瑞利散射限以及非理想波导的损耗

这些因素都在图中表示出来了

它们合起来就是光纤的总损耗曲线的成因

那我们来看一下光纤的吸收损耗

光纤的吸收损耗主要来自于本征吸收和杂质吸收

就说我们制造光纤的时候要用到一些材料

这些材料有些里面还会掺杂

所以这里的吸收就有本征吸收和杂质吸收

本征的吸收

包括刚才的那个图里边的

红外和紫外两个吸收带

杂质的吸收主要来源于

制造光纤的时候里面会有一些铁呀

铜啊、钴啊

镍呀

锰啊

铬啊等金属离子

或者一些残留的水分里边的氢氧根离子

金属的离子现在的含量

已经可以控制在比较低的水平

早期的制造的光纤中的氢氧根离子

导致了光纤在1.39、1.24、0.95微米处

呈现了比较大的吸收

进而导致光纤

我们经常说光纤有三个窗口

0.8、1.3、1.55 三个窗口

这里为什么说早期的

光纤里面的氢氧根离子比较大

实际上现在的光纤可以通过

这种脱水的一些手段

实际上让它的水的吸收

变得非常非常的低

所以它的带宽变成了

一个非常连续的一个大的一个带宽

再看一下光纤的损耗的第二个成因

叫瑞利散射

光线中固有的线性的散射现象

它主要源于光纤中介质密度

在微观上的随机起伏

而引起光向四方散射

最终导致前向传输光能量的衰减

瑞利散射的损耗反比于波长的四次方

所以刚才那个图里面大家可以看到

短波长的瑞利散射的损耗比较大

比较大

好

再看一下波导损耗

波导损耗是由光纤波导的非理想

而导致的损耗

比如我们的光纤制造中

它的芯径沿轴向会随机变化

虽然我们经常说光纤的芯径半径是a

但是实际上这个a有一定的起伏

还有在光纤的使用过程中会发生一些弯曲

我们把它叫做曲率半径过小

就是说你这个光纤使用的时候

你不能像电线一样

把它折的非常的弯曲

要一定的曲率半径才行

还有成缆的光纤的微弯

损耗就是它光偏离了光轴等现象

都可以导致光能量由芯区

向包层泄漏引起能量的损耗

此外

光纤的熔接的时候也会有一定的熔接损耗

当然

现在的熔接技术已经非常高

损耗可以做到非常非常的小

但是如果这种接头比较多的话

它也会积累下来

成为一定的损耗

由上面的分析可以知道

光纤的瑞利散射和本征吸收损耗

构成了光纤损耗的工艺极限

也就是说

我们可以采取措施来降低其它损耗

但是这两种损耗

是最终没有办法来避免的

那既然光纤的损耗是存在的

为了实现较长距离的光传输

所以光通信系统必须采取一定的办法

对损失的能量进行补偿

那怎么来做呢

我们通常在发射端

可以采取高性能的功率放大器

我们把它简称为BA

在线路中间采取掺铒或拉曼光放大器

在接收端

采取高性能的预放大器简称为PA

对无中继系统有时还需要采用遥泵技术

对衰减的信号进行功率的补偿

这里讲的这些放大器

实际上我们在第二章都进行了一些介绍

所以大家感兴趣

或者忘了的话再返回头来再看一下

好

我们来看光纤的第二种特性

光纤的色散

光纤的色散分为色度色散和偏振模色散

偏振模色散又称为PMD

首先来看一下色度色散

我们通常又把它简称为色散

光纤的色散

对传输性能的影响

主要的表现为引起脉冲的展宽

进而导致码间的串扰

光纤的色散

源于光导模有效折射率的频率相关性

由此光导模的传播常数

我们可以用级数展开的形式

表示为如下的这样一个关系

(3)式就是把它进行级数展开

这里的β1等于dβ/dω

实际上它是它的传播速度的导数

β2是dβ1/dω

而相应的与群速度的关系是这样子的

β3又是β2对ω的导数

它们的相应的单位

如这里所示

这里的Vg就是光导摸的群速度

β2我们又把它称为群速度色散参数

通常光纤的色散是由色散系数

我们通常用字母D来表示

它的单位是每公里每纳米多少皮秒

色散斜率是单位是每公里每平方纳米

多少皮秒给出

那这里的

D和S与前面那个展开公式里边的β2

β3的关系

我们可以进行推导

这个推导也比较简单

来给出公式(4)

公式(4)里边的D

实际上就是刚才说的色散系数是

dβ1比dλ

刚才的那个β2是dβ1比dω

所以根据ω和λ的关系

大家可以很容易地推导

D等于-λ平方分之2πc β2

S是D对λ的导数

同样的大家可以推出

它和β2β3的关系

我们主要来看一下D和β2这个关系

由这个关系大家可以看出

当D大于0的时候

D大于0从这个关系里面

大家明显的可以看到

实际上β2是小于0的,对吧

因为它俩差一个负号

其它的数

都是正数

所以呢

光信号的频率越高

其群速度越快

我们把满足这种条件的称为反常色散

也就说D大于0时

色散是属于反常色散

反之

大家可以看到D小于零

β2是大于0的

这个时候它的频率越高

它的群速度会越慢

我们把它叫做正常色散

所以实际的

我们使用的光纤一般用的标准单模光纤

简称为SMF最多

它实际上是通常在光通信波段是工作在

反常色散区

那这样的话反常色散区频率越高

速度越快

那传输一段以后

频率高的走到了前面

频率低的走到了后面

这个脉冲必然就会发生畸变

那我们怎么来做呢

所以

在光通信系统里面

为了弥补这个色散的损失

通常用色散补偿光纤就是DCF

而DCF它实际上工作在正常色散区

把这两个合为一起

就说先用标准 单模光纤传输一段

然后用DCF光纤来进行补偿

它为什么能补偿

主要是它两个特性不一样

比如说刚才说了

标准单模光纤它是频率越高

速度越快

走上一段以后

频率高的很超前

所以我用一个正常色散的

你频率高

我现在让你走的慢

那这样的话是不是其它的就会跟上它

所以最终达到齐步走这样一个效果

这就是色散补偿的一个原理

设光纤的线宽为∆λ

如果我们要求光纤的色散导致的脉宽

脉冲的展宽小于脉冲周期

这当然了

不然进入了其它的脉冲的位置

对不对

也就是说

∆T要小于T ,对不对

T当然和它的传播的速率B是一个倒数关系

所以也就是B∆T小于等于1

对不对

然后利用∆T的和波长的关系

把这些关系利用起来

可以很容易地推导出色散

对它的传输距离的一个限制

就B∆T等于BLD∆λ小于1

就是(5)式

这样(5)式就给出了

对一定的光纤

如果它有色散的时候

它的传输的距离就有一定值

太长

它的色散的影响已经足够大

就没办法再使用了

哎

这是我们说出了(5)式

由(3)式和(4)式进行简单的推导

也可以将光纤的色散系数D

表示成光纤的材料色散

我们简称为DM

和它的波导色散简称为DW的和

这个具体地进行推导可以看6式

也就是说

总的色散是由两个项组成的一个叫材料色散

一个叫波导色散

光纤的材料色散

来源于它的基质材料的折射率

是频率的函数

而它的波导色散来源于它的色散值

与光纤的归一化频率参数V有关

而V这个参数实际上

与光纤的芯径

芯区和包层的折射率有关

具体的来说

看这个公式

V的公式

大家可以看到这个公式里面有a

有n

n1 n2

有λ

对不对

所以特别是这个a

当然是和波导的参数有关

对不对

所以这也就是它称为波导色散的一个原因

那下面这个图

就给出了单模光纤的

材料色散波导色散以及

这两个色散合起来的总的色散

以及给出了几种常用的光纤的色散的曲线

大家看这个图

左图给出了标准单模光纤的

材料色散波导色散以及总色散

所以大家看这个图里面可以看到

光纤的材料色散有正有负

对不对

材料色散有正有负

而波导色散总是负的

负值

这两个合起来构成了它总色散D

而它的波导色散和光纤的结构参数有关

所以我们就可以通过适当的设计

使得光纤具有不同的色散的曲线

这里的D是零的点

我们把它叫做光纤的零色散波长

右图就是根据

这样的一个机理给出的

常规的标准单模光纤色散平坦光纤和

色散位移光纤的色散曲线

大家明显的可以看到

这几种色散具有

随着波长它的变化是不一样的

也有不同的这样一些取值范围

对不对

取值范围

我们用的比较多的是标准单模光纤

它的色散

零色散大概在1.3微米的地方

在我们现在使用的1.55左右

它的色散值大概有16-17

这个值还是非常大的

非常大的

好

我们来看一下一些商用的

典型的光纤的它的色散的参数

以及其它的一些相关参数

可以看出

上面这个框四个里边

它的零色散波长大概在1300

1300纳米左右

而下面这几种光纤

它的零色散波长大概在1500左右

所以下面这几种光纤

就是我们现在经常说的叫G.655光纤

而上面那个光纤就是常规的G.652光纤

相应给出了它的色散值

这些光纤在我们后面讲的时候

实际上具有不同的一些应用

特别像现在的系统

波分复用系统

实际上大多的就会使用这种G.655光纤

因为它的色散值比较小

比较小

另外还有有效面积

这个后面我们都会涉及到

那刚才的公式(5)给出的受限的这个关系

由于它没有考虑原始信号的形状

和它的谱宽的影响

下面我们对这个原始信号的形状

对色散的这个影响来做一个分析

原始的信号是一种啁啾的超高斯脉冲

如这个公式所示

为什么叫啁啾

主要是它的相位部分

是随着时间来变化的

相位变化

相位对时间的导数就是频率

也就是说它的频率是变化的

所以这点就是啁啾的意思

C大于零表示它正啁啾

也就是说它的脉冲

由前沿到后沿

它的频率是升高的

反之

称为负啁啾

那这个图就给出了

如果这个脉冲初始有啁啾的话

它的色散的特性由这个图里面

大家可以看出

高斯的脉冲的色散受限的性能优于超高斯

什么叫高斯

就是这个刚才

公式里面的那个参数m等于1

超高斯就是m比1大

所以为什么说高斯脉冲的那个性能好

因为大家可以看到它的速率距离的乘积要大

就是你大速率

当然

距离远就会近一点的

但是它俩的乘积

可以作为衡量色散影响的一个量度

这个值越大

表示它的色散性能越好

所以这个图里面的高斯脉冲的色散的性能

色散影响越小

而且这个图里面大家可以看到

这个啁啾系数取正的这一边

正的这边

因为这里的β是负值

对不对

-20也就是标准的单模光纤这种形式

所以当它的啁啾系数C取正值的时候

它的性能好

因为它比左边这个BL的乘积要大

要大

这实际上就给我们系统的

进行色散受限系统的设计

提出了一些方法

那为什么会这样子呢

主要的原因是

受光纤的色散

和脉冲初始啁啾综合作用

使得光信号在传输的初期阶段

发生了一定程度的压缩

所以导致这里的右边比左边的性能要好

好

这是我们的分析

所以色散引起的脉冲的展宽

引起了信号的畸变

对不对

所以我们需要来采取一定的措施来抑制它

怎么抑制

通常采取色散的补偿

或者叫做色散的管理

色散的管理和色散补偿的

区别是色散的管理里面加入了一些

考虑非线性的影响的

一些办法

那色散的补偿

通常可以在光通信的发射端

接收端和线路上进行

发射端的色散补偿

我们把它叫做预补偿

可以采取脉冲的预啁啾

就是刚才大家看到的

还有采取一些新型的调制的编码

就是我们上一节

上一章的最后一节所讲到的各种调制码型

为什么有那么多

因为它有不同的性能

还有采取非线性的预啁啾技术来实现

那接收端的色散补偿

我们就把它又叫做后补偿

光纤链路上的补偿

我们可以采取色散补偿光纤

实际上刚才已经讲了它的原理

还有采取光滤波器

还有采取光纤布拉格光栅

这我们上节都说过了

以及采取光纤相位共轭技术来实现

在长距离系统中

我们可以综合采取这些措施

其中最常见的是脉冲的预啁啾

色散补偿光纤和

光纤布拉格光栅来实现色散的补偿

再看一下偏振模色散

偏振模色散

对理想的单模光纤来说

它的光纤主模的两个偏振方向

偏振态

它应该传播速度是一样的

所以传到末端它应该不会分开

但由于实际情况的限制导致它的横截面

非理想的圆形

有的时候还会受到一些

外界的一些应力的一些影响

导致这两个模的传播速度有一定的差值

所以引起一种叫差分群时延

导致它的脉冲展宽

就如这个图所示

那么偏振模色散的系数

我们定义为单位长度传输距离的差分群时延

由于这是个随机性的参数

所以我们通常采取统计平均的方法来确定

而PMD

受限的光传输距离可以用这个公式来表示

所以大家可以看到如果速率

信道的速率比较大

然后它的PMD系数比较大

那它的传输距离就会比较小

对不对

然后这里给出它的相应的单位

好

我们对这一节做一个总结

这一节我们讲了光纤损耗

色散非线性里面的损耗

损耗

主要讲了它的成因

包括吸收的损耗

瑞利散射损耗和波导损耗

讲了光纤的色散

包括色度色散和偏振模色散

下一节

我们来讲光纤的第三个特性非线性特性

好

这一节我们就讲到这里

谢谢同学们