光纖的損耗和色散ppt課件.ppt

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1、光纖的損耗和色散一光纖的損耗1.損耗的定義光信號在光纖中傳輸時(shí)，其功率隨著傳輸距離的增加以指數(shù)形式衰減。由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，不管是模擬信號還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示式中，α是損耗系數(shù)。設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)上式，輸出光功率應(yīng)為Po=Piexp(-αL)習(xí)慣上α的單位用dB/km，由上式得到損耗系數(shù)2.損耗的種類及機(jī)理一吸收損耗光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。

2、吸收損耗與光纖材料有關(guān)。制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后，產(chǎn)生振動，發(fā)熱而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。我們知道，物質(zhì)是由原子，分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道繞原子核旋轉(zhuǎn)，每個(gè)電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說每一個(gè)軌道都有一個(gè)確定的能級。距離原子核越近的原子能級較低，距離原子核越遠(yuǎn)的軌道能級越高。軌道之間這種能級差差別的大小叫做能級差，當(dāng)電子從低能級向高能級躍遷時(shí)，就要吸收相應(yīng)能級差的能量。a)本征吸收光纖基礎(chǔ)材料（SiO2）固有的吸收，與波長有關(guān)。對SiO2石英系列光纖，本征吸收有

3、兩個(gè)吸收帶。紫外吸收：紫外區(qū)波長為6×10-3μm～0.39μm石英玻璃在0.12um附近產(chǎn)生紫外吸收峰。紅外吸收：紅外波長范圍：0.76μm～300μm石英9um,12.5um,21um和36.4um處有吸收峰，它影響的區(qū)域很寬，其吸收帶的尾部可拖到1um左右，將影響光纖通信的長波波段，這也使得波段擴(kuò)展困難的原因之一。b)雜質(zhì)吸收由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗。影響最嚴(yán)重的是：金屬過度離子和水的氫氧根離子吸收電磁能而造成的損耗。二散射損耗是指光通過密度或折射率不均勻的物質(zhì)時(shí)，除了在光的傳播方向以外，在其它方向也可以看到光，這種現(xiàn)象叫做散射。原因

4、：光纖的材料，形狀，散射率分布等的缺陷或不均勻。散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。1.瑞利散射光纖的折射率隨機(jī)性變化而引起的。瑞利散射損耗αR與波長λ四次方成反比，可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為αR=A/λ4，瑞利散射系數(shù)A取決于纖芯與包層折射率差Δ。當(dāng)Δ分別為0.2%和0.5%時(shí)，A分別為0.86和1.02。瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。如果Δ=0.2%，在1.55μm波長，光纖最低理論極限為0.149dB/km。瑞利散

5、射隨波長的增加而急劇減小。因此在短波長0.85um處，對損耗影響最大。具體機(jī)理：在黑夜里向空中照射，可以看到一束光束，人們也曾看到過夜空中的探照燈發(fā)出粗大的光柱。為什么我們會看到這些光柱呢？這是因?yàn)橛性S多煙霧，灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中，光照射在這些顆粒上，產(chǎn)生了散射，就射向了四面八方，這個(gè)現(xiàn)象是由瑞利首先發(fā)現(xiàn)的，所以人們把這種散射稱為瑞利散射。瑞利散射是怎樣產(chǎn)生的呢？原來組成物質(zhì)的分子、原子、電子是以某些固有的頻率在振動，并能釋放出波長與該振動頻率相應(yīng)的光。粒子的振動頻率由粒子的大小來決定，粒子越大振動頻率越小，釋放出的光波長越長。粒子越小，振動頻率

6、越大，釋放出的光波長越短。這種振動頻率稱為粒子振動的固有頻率。但是這種振動不是自發(fā)產(chǎn)生的，它需要一定的能量。一旦粒子受到一定波長的光照射，而照射光的頻率與該粒子振動的固有頻率相等，就會引起共振。粒子內(nèi)的電子便以該振動頻率開始振動，結(jié)果是該粒子向四面八方散射出光。入射光的能量被吸收而轉(zhuǎn)化為粒子的能量，粒子又將能量重新以光的形式向四面八方輻射出去。因此對于外部觀察者來說，好像光照射到粒子上之后向四面八方散出去了。（2）結(jié)構(gòu)缺陷散射光纖中的氣泡，纖芯和包層處的粗糙等，這種損耗與波長無關(guān)，光傳輸?shù)竭@些地方會散射。需要改善光纖的制造工藝來改善。單模光纖損耗譜，示出

7、各種損耗機(jī)理3.彎曲損耗二、光纖的色散定義：由于速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成光信號中的不同頻率成分到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表現(xiàn)在傳一個(gè)脈沖信號時(shí)，光脈沖將隨著傳輸距離的延長，脈沖的寬度越來越被展寬。色散種類：色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。模式色散：在多模光纖中，傳輸?shù)哪Ｊ胶芏?，不同的模式，其傳輸路徑不同，所?jīng)過的路程就不同，達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也就不同，這就引起了脈沖的展寬。對模式色散進(jìn)行的嚴(yán)密分析比較復(fù)雜，這里僅作簡單討論。我們知道，在同一根光纖中，高次模到達(dá)終點(diǎn)走的路程長，低次模走的路程短，這就意味著高

8、次模到達(dá)終點(diǎn)需要的時(shí)間長，低次模到達(dá)點(diǎn)需要的時(shí)間短。在同一條長度為的光纖上，最高