光纤传输原理及特性

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1、 第 2章 光 纤 传 输 原 理 及 传 输 特 性 本 章 内 容 提 要 ：n 光 纤 和 光 缆 的 结 构 与 类 型n 光 纤 的 传 输 原 理 分 析 n 光 纤 的 结 构 参 数 (光 学 和 几 何 特 性 ) n 光 纤 传 输 特 性 n 光 纤 的 非 线 性 效 应 n 光 纤 的 机 械 与 温 度 特 性 2.1 光 纤 和 光 缆 的 结 构 及 类 型光 纤 与 光 缆 的 结 构光 纤 ？ 光 缆 ？ 所 谓 “ 光 纤 ” 就 是 工 作 在 光 频 下 的 一种 圆 柱 体 介 质 波 导 ， 它 引 导 光 能 沿 着 轴线 平 行 方 向 传 输

2、 。 所 谓 “ 光 缆 ” 就 是 由 多 根 光 纤 和 加 强构 件 以 及 外 护 层 构 成 。 2.1.1 光 纤 结 构 及 类 型 1.光 纤 结 构图 2-1 光 纤 结 构 2.光 纤 分 类按 模 式 来 分1)多 模 光 纤 （ Step-Index Fiber/ Graded-Index Fiber） 2)单 模 光 纤 ： 双 包 层 光 纤 三 角 芯 光 纤 图 2-3 典 型 特 种 单 模 光 纤SiO2+GeO2SiO2+FSiO2 椭 圆 芯 光 纤 ： 保 偏 单 模 光 纤 。 熊 猫 光 纤 ： 保 偏 状 态 ； 蝴 蝶 光 纤 ： 保 偏 状

3、态 光 纤 的 用 途 ？ n 有 ： 多 模 光 纤 G.651（ MMF） 、 单 模 光 纤G.652（ 常 规 单 模 光 纤 ） 、 G.653光 纤（ 色 散 位 移 光 纤 ） 、 G.654光 纤 （ 低 损 耗光 纤 ） 、 G.655光 纤 （ 非 零 色 散 位 移 光 纤 ）和 G.656光 纤 。 还 有 其 他 相 关 的 单 模 光 纤 ，如 色 散 平 坦 光 纤 （ DFF） 和 色 散 补 偿 光 纤（ DCF） 。 各 种 光 纤 的 适 用 范 围 及 特 性 见表 2.1和 表 2.2 3)按 ITU-T已 提 出 的 规 范 建 议 ， 光 纤 类

4、别 光 纤 类 型 适 用 范 围G.651光 纤 工 作 在 850 nm的 短 波 长 窗 口 ， 对 于 四 次 群 以 下 的 光 纤 通 信 系 统 较 为 实 用 。常 用 于 局 域 网 和 数 据 链 路G.652光 纤 在 1 310 nm波 长 性 能 最 佳 ， 是 目 前 应 用 最 广 泛 光 纤 。 主 要 应 用 在 1 310 nm波 长 区 开 通 长 距 离 622 Mbit/s及 其 以 下 系 统 ， 在 1 550 nm波 长 区 开 通 2.5 Gbit/s， 10 Gbit/s和 n 2.5 Gbit/s波 分 复 用 系 统G.653光 纤 在

5、1 550 nm工 作 波 长 衰 减 系 数 和 色 散 系 数 均 最 小 。 主 要 用 于 长 距 离 、 高 速率 ， 如 10 Gbit/s以 上 系 统 ， 其 缺 点 是 易 受 非 线 性 影 响 ， 并 产 生 较 严 重 的 四波 混 频 效 应 （ FWM） ， 它 不 支 持 波 分 复 用 系 统G.654光 纤 在 1 550 nm波 长 衰 减 系 数 最 小 ， 抗 弯 曲 性 能 好 。 主 要 用 于 长 距 离 海 底 系 统G.655光 纤 在 1 550 nm处 有 低 色 散 保 证 ， 有 抑 制 FWM等 非 线 性 效 应 ， 使 得 其 能

6、 用 在EDFA和 DWDM系 统 ， 传 输 速 率 在 10 Gbit/s以 上 G.656光 纤 进 一 步 扩 大 可 利 用 的 波 长 范 围 以 增 加 波 道 数 ， 在 G.655基 础 上 人 们 想 到 了 利用 S+C+L三 个 波 段 光 纤 。 2002年 由 日 本 NTT公 司 和 CLPAJ公 司 提 出 G.656光纤 的 基 本 规 范 。 与 G.655不 同 是 在 1 5401 625 nm波 段 ， 色 散 系 数 为 214 ps/（ nm.km）DFF光 纤 优 点 是 在 1 3101 550 nm波 段 内 为 低 色 散 。 可 与 G.

7、652光 纤 配 合 使 用 ， 降 低光 纤 总 色 散DCF光 纤 优 点 是 在 1 550 nm内 有 很 大 的 负 色 散 ， 主 要 用 于 与 G.652光 纤 配 合 使 用 由 1 310 nm扩 容 升 级 至 1 550 nm时 进 行 色 散 补 偿 表 2.1 各 种 光 纤 适 用 范 围 3).以 纤 芯 折 射 率 n1(r): 阶 跃 型 光 纤 ;渐 变 型 光纤 几 种 典 型 的 光 纤 折 射 率 分 布 图O2 O2 O2O 2O2 O2 石 英 光 纤 的 主 要 原 料 为 ：纤 芯 和 包 层 本 体 材 料 ： SiCL4纤 芯 和 包 层

8、 掺 杂 用 剂 ： GeO2 、 P2O5 、GeCL4 、 B2O3、 POCL3和 F等纤 芯 材 料 ： SiO2或 SiO2 + GeO2包 层 材 料 ： SiO2 + B2O3或 SiO2 +F。 2.1.2 光 缆 结 构 分 类按 缆 芯 结 构 不 同 光 缆 可 分 为 以 下 4种 1 层 绞 式 光 缆 图 2-6 层 绞 式 光 缆 2.骨 架 式 光 缆 图 2-7 骨 架 式 光 缆 3.中 心 束 管 式 光 缆 图 2-8 中 心 束 管 式 光 缆 图 4.带 状 式 光 缆 图 2-9 带 状 结 构 光 缆 图 2.2光 纤 传 输 原 理 分 析 n

9、 光 纤 属 于 介 质 圆 波 导 ,分 析 导 光 原 理 很 复 杂 ,可 用 两 种 理论 进 行 即 射 线 理 论 和 波 动 理 论 .n 首 先 采 用 射 线 理 论 分 析 导 光 原 理n 然 后 用 波 动 理 论 讨 论 导 光 原 理2.2.1 用 射 线 理 论 分 析 光 纤 的 传 输 原 理1.基 本 光 学 定 律 光 在 均 匀 介 质 (折 射 率 n不 变 )中 是 沿 直 线 路 径 传 播 的 . 其 传 播 的 速 度 为 ： v=c/n (2.1) 式 中 ， C=3 108m/s， 是 光 在 真 空 中 的 传 播 速 度 ，n是 介 质

10、 的 折 射 率 (空 气 的 折 射 率 为 1.00027，近 似 为 1， 玻 璃 的 折 射 率 为 1.45左 右 ) 独 立 传 输 定 律在 线 性 介 质 中 (光 纤 为 线 性 介 质 ),来 自 不 同方 向 的 光 线 即 使 在 空 中 相 交 也 能 互 不 影 响 ,按 各 自 原 有 方 向 继 续 前 进 .反 射 定 律 和 折 射 定 律(1)反 射 定 律 1= 1 (2)折 射 定 律 2211 sinsin nn 1 1 2 n 2=1 n 1=1.451=c 2=900 1sinsin 1221 nn若 n1n2,则 入 射 角 1c， 入 射 光

11、 出 现 全 反 射 ， 光 被 限 制 在n1介 质 里 传 播 。若 光 从 n2向 n1入 射 ， 光 线 是 否 能 出 现 全 反 射 ？ 2.光 纤 中 光 的 传 播 当 一 束 光 线 从 光 纤 端 面 耦 合 进 光 纤 时 ， 光 纤 中 有两 种 运 行 的 光 线 ： 一 种 是 光 线 始 终 在 一 个 包 含光 纤 中 心 轴 的 平 面 内 传 播 ， 并 且 一 个 传 播 周 期与 中 心 轴 相 交 两 次 ， 这 种 光 线 常 称 为 子 午 线 ，含 光 纤 中 心 轴 的 固 定 平 面 就 称 为 子 午 面 ， 如 图2-11（ a） 所 示

12、 。 另 一 种 是 光 线 在 传 播 过 程 中 ，其 传 播 时 的 轨 迹 不 在 同 一 个 平 面 内 ， 并 不 与 光纤 中 心 轴 相 交 ， 这 种 光 线 就 称 为 斜 射 光 线 ， 如图 2-11（ b） 所 示 。 （ a） 子 午 射 线 ； （ b） 斜 射 线 。图 2-11 光 纤 中 的 射 线 1.子 午 线 在 阶 跃 （ 均 匀 ） 光 纤 中 的 传 播_射 线 理 论 分 析 导 光 原 理n 什 么 样 的 子 午 线 能 限 制 在 光 纤 纤 芯 中 传输 ?它 必 须 能 在 纤 芯 的 界 面 上 产 生 全 反 射 .(1)光 纤

13、的 接 收 角 (如 图 2-12所 示 )端 面 接 收 角 为 最 大 接 收 角 . 01211 90sin nnc 时 ,所 对 应 的 光 纤 n 为 什 么 是 最 大 接 收 角 ?(2)数 值 孔 径 NA(Numerical Aperture)NA的 定 义 ? NA=sin物 理 意 义 : NA大 小 反 映 了 光 纤 捕 捉线 的 能 力 . NA=sin=? 图 2.12 光 线 在 阶 跃 光 纤 中 传 播n0sin=n1sin(900-c)=n1cosc, 2 22110 cossin nnnnNA c 221212221211 1sin1cos nnnnnn

14、n cc 12sin nnc NA的 表 达 示因 为 : 2.渐 变 型 光 纤 中 子 午 射 线 的 传 播 n 光 纤 接 收 角 ?n 数 值 孔 径 NA(r)?一 个 渐 变 型 光 纤 的 子 午 面 上 分 层如 图 2-13所 示 . 图 2-13 渐 变 折 射 率 光 纤 中 的 子 午 曲 线 n 各 层 之 间 的 折 射 率 满 足 以 下 关 系 ： n(r0) n(r1) n(r2) n(r3) 由 于 光 都 是由 光 密 介 质 向 光 疏 介 质 传 播n 其 入 射 角 将 会 逐 渐 增 大 ， 即 有 1 2 3 4 5 (1)光 纤 接 收 角

15、分 析 N层 的 渐 变 型 光 纤 的 导 光 条 件 即 光 纤 端 面 的 入射 角 必 须 满 足 条 件 是 什 么 ？ 光 线 最 迟 也 必 须 在 N层与 包 层 界 面 上 发 生 全 反 射 。 根 据 光 线 的 折 射 和 全 反射 定 律 有 ： n(r0)sin1=n(r1)sin2=n (r)sin (4.6)同 理 得 出 ： n(r0)sin(900-z0) = n(r1)sin(900-z1)=n(r)sin(900-z) 即 n(r 0)cosz0=n(r1)cosz1= n (r) cosz 射 线 上 任 一 点 符 合 下 列 关 系 ：n(r0)c

16、osz0=n(r)cosz 在 转 析 点 A处 ， 射 线 与 光 纤 轴 平 行 ， 则cosz=1， n(r)=n2， n2为 包 层 的 折 射 率 n(r0)cosZ0=n2, cosz0=n2/n(r0) (2)数 值 孔 径 NA(r)?设 z0所 对 应 为 最 大 入 射 角 sin=n(r 0)sinz0= )(1)(cos1)( 02 220020 rnnrnrn z (2.7) 光 纤 的 本 地 数 值 孔 径 )(1)(sin 02 220 rnnrnNA 2202 )( nrnNA 在 渐 变 折 射 率 光 纤 中 ， 相 对 折 射 指 数 差 定 义 为其

17、中 n(0),n2分 别 是 r=0处 和 芯 子 界 面 上 的 折 射 率 )0(2 )0( 2 222 n nn 光 纤 端 面 所 能 收 集 到 的 光 功 率 将 依 赖 本 地数 值 孔 径 。 设 纤 芯 处 和 离 轴 线 为 r处 的 功 率密 度 各 为 P（ 0） 、 P（ r） ， 则 有 222 22222 000 nn nrnNA rNAp rp 2)0()0()0( 222 nnnNA中 心 点 垂 直 入 射 (r0=0） 的 数 值 孔 径 NA（ 0）为 最 大 数 值 孔 径 ： 波 动 理 论 又 称 为 模 式 理 论 用 来 严 格 分 析 光 纤

18、的 导 光 原 理 .运 用 波 动 理 论 的 目 的 :求 出 光 场 的 表 达 示 ,再用 电 磁 场 理 论 找 出 哪 些 模 式 光 可 以 在 光 纤 里传 输 .2.2.2 用 波 动 理 论 分 析 光 纤 的 传 输 原 理 2.2.2 用 波 动 理 论 分 析 光 纤 的 导 光 原 理n 先 设 法 解 出 光 波 导 中 场 的 纵 向 分 量 Ez、 Hz ,再 解 出 各 个 横向 场 分 量 Er、 E 、 Hr、 H 。n 式 中 ， Ez 为 电 场 在 z轴 的 分 量 。 选 用 圆 柱 坐 标 系 (r、 、z),使 z轴 与 光 纤 中 心 轴

19、线 一 致 ， 将 （ 4.1） 式 在 圆 柱 坐 标中 展 开 ， 得 到 电 场 的 z分 量 Ez的 波 动 方 程 为 ： n 1 标 量 解 法 022 zz EkE 022 zz HkH 02202 zz EnkE 02202 zz HnkH 011 2202222222 zzzzz EnkZEErrErrE )()()(),( zZrARzrEz （ 1） 将 Ey写 成 三 个 变 量 乘 积 形 式 ， 即 设 试 探 函 数 为 设 试 探 函 数 为 )()()( zZrAREy zjezZ )( 导 波 沿 光 纤 轴 向 变 化 规 律 mmsincos)( 导 波

20、 沿 圆 周 方 向 的 变 化 规 律 )(rR 为 导 波 沿 r方 向 的 变 化 规 律 （ 2） 根 据 物 理 概 念 ， 写 出 ()和 Z(z)的 形 式 zAezZ j)( mmsincos)( （ 3） 求 出 R(r)的 形 式 考 虑 纤 芯 和 包 层 中 的 折 射 率 分 别 为 n1和 n2， arrRmrnkrrdRrdr rRdr 0)()()()( 2222120222 arrRmrnkrrdRrdr rRdr 0)()()()( 2222220222 在 纤 芯 中 应 为 振 荡 解 ， 故 其 解 取 贝 塞 尔 函 数 ； 在 包 层 中部 应 是

21、 衰 减 解 ， 故 其 解 取 第 二 类修正的 贝 塞 尔 函 数 解 。于 是 R(r)可 写 为 ： arrknJrR m )()( 2/120212 arrknKrR m )()( 2/102222式 中 ， Jm为 m阶 贝 塞 尔 函 数 ； Km为 m阶 第 二 类 (修 正 )贝 塞尔 函 数 。 这 两 种 函 数 的 曲 线 如 图 4-9所 示 。 U/aw/a 整 理 变 为 ：利 用 光 纤 的 边 界 条 件 可 确 定 式 中 的 常 数 。 首 先 根 据 边 界 条 件 找出 A 1 , A 2 之 间 的 关 系 。 在 r = a 处 ， 因 ， 可 得

22、A1Jm(U)=A2Km(W)=A， 将 此 式 代 人 （ 2.16） 式 中 ， 得 ： 得 (2.16)（ 4） Ey的 标 量 解 arrknJrR m 2/120212 )( arrknKrR m )( 2/102222 araUrJAmeE mzy )/( cos 1j1 araWrKAmeE mzy )/( cos 2j2 arUJaUrJmAeE mmzy )(/)/( cosj1 arUKaUrKmAeE mmzy )(/)/( cosj2 2 标 量 解 的 特 征 方 程标 量 解 的 特 征 方 程 ， 可 由 边 界 条 件 得 出 。 在 r=a处 ， 令Ez1=E

23、z2， 忽 略 n1和 n2之 间 的 微 小 差 别 ， 即 令 n1=n2， 可 得 )( )()( )( )( )()( )( 11 11 WK WKWUJ UJU WK WKWUJ UJU mmmm mmmm 3 标 量 模 及 其 特 性(1)大 V值 （ 远 离 截 止 ） 情 况 下 U 值n 光 纤 中 的 U和 W值 与 V值 有 关 ,光 纤 的 V值 越大 ,传 输 的 模 式 量 越 多 ,越 不 容 易 截 止 .n 在 极 限 情 况 下 ， V表 示 场 完 全 集 中 在 纤芯 中 ， 在 包 层 中 的 场 为 零 。 因 V=2n1(2 )1/2a/0,所

24、以 有 （ a/0） 。此 时 光 波 相 当 于 在 折 射 率 为 n1的 无 限 大 空 间中 传 播 ， 其 相 位 常 数 k0n1于 是 有 : 0 2/122212/1222102/122022 )(2)()( annannanW 将 其 代 入 (2.20-a )可 得 相 应 情 况 下 的 特 征方 程 (W 条 件 下 )U Jm+1(U)/Jm(U)=WK m+1(W)/Km(W) 可 简 化 Jm(U)=0 P.73图 3-10(a)从 此 式 即 可 确 定 远 离 截 止 情 况 时 的 U值U =mn式 中 ,mn代 表 m阶 贝 塞 尔 函 数 的 第 n个

25、根 n m 0 1 21 2.405 3.832 5.1362 5.520 7.016 8.4173 8.654 10.173 11.619表 2.4 大 V值 情 况 下 的 导 行 LPmn模 的 U值 对 于 一 对 m、 n值 ， 就 有 一 确 定 的 U值 ， 从 而 就 有 确 定 的 W及 值 。 对 应 着 一 确 定 的 场 分 布 和 传 输 特 性 。 这 个 独 立 的场 分 布 就 叫 做 光 纤 中 的 一 个 模 式 。 称 这 种 模 为 标 量 模 ， 记作 LPmn模 。 LP是 线 偏 振 的 意 思 。LP 01 U01=2.405 W, ; LP11

26、 U11=3.832 W, ; LP21 U21=5.136 W, ; 在 模 LPmn模 表 示 中 ， m、 n值 有 明 确 的 物 理意 义 ， 它 们 表 示 对 应 模 式 的 场 在 横 截 面 上 的分 布 规 律 。 如其 圆 周 及 半 径 方 向 的 分 布 规 律 各 为 ： (U)/)/( cos mmzj JaUrJmAeEy mcos)( )/ ()( arUJrR m电 场 (光 场 )在 圆 周 方 向 按 余 弦 规 律 变 化 ：当 m=0时 ， 圆 周 上 电 场 无 变 化当 m=1时 在 在 0-2沿 圆周 出 现 1对 最 大 值 。 m=2?-依

27、 次 类 推 。1cos)( m mcos)( LP0nLP1n 电 场 沿 半 径 方 向 ， 按 贝 塞 尔 函 数 规 律 变 化 ：以 m=0的 LP0n模 为 例 ， 其 场 沿 r 方 向 变 化 为 ：LP01模 ， U=01=2.405,在 r=0处 ,R(r)=1而 在 r=a 处 ,沿 变 化 如 图 4-12LP02模 ， U=02=5.5201,在 r=0处 ,R(r)=1,而 在 r=a 处 ,在 r=0.4357a处 , 沿 r的 变 化如 图 4-10（ b） 所 示 。 )/ ()( 0 arUJrR )/ 405.2()( 0 arJrR 0)405.2()(

28、 0 JrR )/521.5()( 0 arJrR 0)521.5()( 0 JrR 0)405.2()( 0 JrR 图 2-15 LP0n模 的 场 沿 半 径 的 变 化 （ 2） LPmn模 的 截 止 条 件 Vc和 单 模 传 输 条 件 n 截 止 的 概 念 :当 光 纤 中 导 波 变 为 辐 射 模 时 ,认 为 导 波 截 止 .当 W 时 ,导 波 的 场 在 纤 芯 外 衰 减 的 .当 W0时 ,导 波 截 止 (相 当 于 射 线 理 论 中 1c )导 波 辐 射 .截 止 临 界 状 态 : Wc= W=0, 由 于 V2=U2+W2 Vc2= Uc2+Wc2

29、= Uc2 若 求 得 UcVc称 为 归 一 化 的 截 止 频 率 .Uc = Vc? 截 止 条 件 下 的 特 征 方 程 Wc=0Uc Jm-1(Uc )/Jm(Uc )=Wc Km-1(W)/Km(W)=0Uc=0 或 Jm-1(Uc )=0n 在 LPmn模 的 归 一 化 的 截 止 频 率 Vcmn=Ucmn截 止 特 征 方 程 : Jm-1(Uc=cmn )=0n 当 m=0时 ， LP0n模 的 特 征 方 程 :J-1(Uc)=J1(Uc)=0， 可 解 出 U c=0n=Vc (0n)=0 ， 3.83171， 7.01559，10.17347 图 2-16 m 0

30、,1模 式 的 U值 变 化 范 围11J1=J-1m=0m=1 LP04HE04 即 表 示 LP01模 的 uc01=0。 意 味 着 该 模 式 无 截 止 波 长 、无 截 止 情 况 .当 m=1时 ， LP1n模 的 特 征 方 程 : Jm-1(Uc )=0- J0(Uc)=0当 m0时 ， 也 可 求 出 相 应 的 根 表 4.3 表 2.5 截 止 情 况 下 LPmn模 的 Uc=Vcn m 0 1 21 0 2.405 3.8322 3.832 5.520 7.0163 7.016 8.654 10.173此 值 通 过 J m-1(cmn )=0方 程 ,求 解 而

31、得 .如 图 4.11所 示 . 从 表 2.5截 止 情 况 下 的 LPmn模 的 Uc值 可 知 :LP01模 的 Vc=Uc=0， 说 明 这 种 模 式 没 有 截 止 现象 是 光 纤 中 的 最 低 模 ， 也 称 基 模 。LP11模 ， 称 为 二 阶 模 ， 其 Vc=Uc=2.405截止波长c与归一化截止频率Vc关系对 某 一 光 纤 的 每 一 个 模 式 ， 都 对 应 有 一 个 截 止波 长 c(Vc) .当 工 作 波 长 0 c时 ,该 模 式 可 以 传 输当 工 作 波 长 0 c时 ， 该 模 式 就 截 止 了 当 光 纤 的 V Vc时 ,该 模 式

32、 就 截 止 了 当 光 纤 的 V Vc时 ,该 模 式 可 以 传 输 .因 为 :V=2n1(2 )1/2a/0,则 :Vc=2n1(2 )1/2a/c c =2n1(2 )1/2a/ Vc单 模 传 输 条 件 Vc 01=0 V Vc11 =2.405c11=2n1(2 )1/2a/2.405 0 c01= 0 C23 C12 C21 C11 LP01LP11LP21LP12LP230 VC11 VC21 V C12 VLP01 LP11 LP21 LP12 图 2-12 m=0,1模 式 的 U值 变 化 范 围 HE04 LP04 2.3光 纤 的 结 构 参 数n 光 纤 的

33、结 构 参 数 主 要 有 光 纤 的 几 何 参数 、 折 射 率 分 布 、 数 值 孔 径 （ NA） 、 模 场 直 径 和 截 止 波 长 等 。 这 些 参 数与 光 纤 横 截 面 径 向 r有 关 ， 与 光 纤 的 长 度及 传 输 状 态 无 关 。 1 几 何 参 数几 何 特 性 有 芯 径 、 包 层 的 尺 寸 和 对 芯 包 层同 心 度 、 不 圆 度 等 。1） 纤 芯 直 径 对 多 模 光 纤 而 言 ITU-T规 定多 模 光 纤 的 芯 直 径 为 50 3m 2） 外 径 多 /单 模 光 纤3） 芯 包 层 同 心 度 和 不 圆 度 nITU规

34、定 ： 光 纤 同 心度 误 差 6 ;（ 包 括单 模 ） 芯 不 圆 度 6 ,包 层 不 圆 度 c cc ce 22 1anVcct nmctcc 1908.0 2.4 光 纤 的 传 输 特 性 2 4 1损 耗 特 性 一 、 损 耗 定 义 p（ 0） 为 输 入 光 纤 的 光 功 率 ， 即 在 Z=0处 注 入 的 光 功 率 ；p（ Z） 为 传 输 距 离 L处 的 光 功 率 ； 二 、 损 耗 系 数 (当 Z=L时 )在 光 纤 上 两 个 相 距 L的 截 面 之 间 的 波 长 上 的 总 衰 减 ：A（ ） （ ） L （ dB） 三 、 光 纤 产 生 损

35、 耗 的 原 因光 纤 产 生 损 耗 的 原 因 很 多 ， 其 类 型 有 吸 收 损 耗 ， 散 射 损 耗 和 附 加 损 耗 。10)(10)0()( ZpZp )/( )( )0(lg10)( kmdBLppL (1) 损 耗 （ Attenuation） (2) 色 散 （ Dispersion） (3) 非 线 性 效 应 （ Non-Linear Effects in Fiber） 产 生 损 耗 的 因 素l 材 料 的 吸 收 损 耗 (Material absorption) a. 本 征 吸 收 : SiO2 分 子 振 动 引 起 ， 红 外 与 紫 外 吸 收 b

36、. 非 固 有 吸 收 (杂 质 吸 收 ) Fe, Cu, Ni, Cr. OH 离 子 在 1.39um, 1.24um 和 0.95um形 成 吸 收 峰l 散 射 损 耗 (scattering)a. 瑞 利 散 射 （ Rayleigh Silica）分 子 热 骚 动 折 射 率 在 微 观 上 的 随 机 起 伏 光 散 射 1/ 4 b. 波 导 散 射 （ Wavequide Scattering）l 微 弯 损 耗 1.吸 收 损 耗本 征 吸 收 : 红 外 吸 收 ,紫 外 吸 收杂 质 吸 收 : 铁 、 铜 等 过 渡 金 属 离 子 和 OH离 子 (非 本 征

37、)。公 式 估 算 红 外 吸 收 的 损 耗 系 数 ： 其 中 是 工 作 波 长 ， 单 位 为 m， 当 =1.55 m时 ir0.02 dB/km，其 影 响 较 小 。 但 当 =1.70 m时 ， ir0.32 dB/km。 可 见 红 外 吸 收影 响 了 工 作 波 长 向 更 长 波 长 方 向 发 展 。 公 式 估 算 紫 外 吸 收 的 损 耗 系 数 ： 其 中 ， B是 掺 锗 的 重 量 百 分 比 ， 当 =1.31 m， B=3.5%时 ， uv1.75 102 dB/km。 但 当 =0.60 m时 ， uv1.00dB/km。 可 见紫 外 吸 收 随

38、减 少 和 掺 锗 浓 度 增 加 而 增 加 . )dB/km(1081.7 /28.4811 eir /63.42 e1047.1 Buv 2.线 性 散 射n 瑞 利 散 射 比 光 波 长 小 得 多 的 粒 子 引 起 的 散 射 (本 征 )n 米 氏 散 射 与 光 波 同 样 大 小 的 粒 子 引 起 的 散 射 (本 征 )n 引 起 光 纤 损 耗 的 散 射 主 要 是 瑞 利 散 射 ， 瑞 利 散 射 具 有 与 短 波 长的 1 4成 正 比 的 性 质 ， 即 ： R=A 4。 对 掺 锗 的 光 纤 而 言 ，A0.63dBm4 km。 对 于 =0.85、

39、1.31、 1.55m时 ,则R1 .3、 0.3、 0.1dB km。 n 非 线 性 散 射 (将 在 第 5节 介 绍 )n 受 激 布 里 渊 散 射 ： 存 在 于 光 能 密 度 超 过 某 一 高 值 (本 征 ) n 受 激 拉 曼 散 射 ： (本 征 )n 4.附 加 损 耗 ： 张 力 、 侧 压 、 弯 曲 、 挤 压 造 成 的 宏 弯 和 微 弯 (非 本征 )。 3.附 加 损 耗 ：张 力 、 侧 压 、 弯 由 、 挤 压 造 成 的 宏 弯 和 微 弯图 2-18 光 纤 的 宏 弯 损 耗（ a） 射 线 法 解 释 ； （ b） 波 动 理 论 解 释

40、。 *弯 曲 损 耗 光 纤 的 弯 曲 损 耗 有 两 类 ： 宏 弯 损 耗 和 微 弯 损 耗 1 光 纤 的 宏 弯 损 耗 理 论 分 析 和 实 验 研 究 均 表 明 ： 光 纤 弯 曲 （ 宏 弯 ） 时 ， 当 曲 率 半 径 R大 于 一 个 临 界值 RC（ R RC） 时 ， 因 弯 曲 而 引 起 的 附 加 损 耗 很 小 ，以 致 可 以 忽 略 不 计 ； 当 RRC， 附 加 损 耗 按 指 数 规律 迅 速 增 加 。 因 此 确 定 临 界 值 RC， 对 于 光 纤 的 研 究 、设 计 和 应 用 都 很 重 要 。 *单 模 光 纤 弯 曲 损 耗

41、的 估 算 公 式 为式 中 ,R为 光 纤 弯 曲 半 径 、 C1、 C2与 R无 关 常 数 。 临 界 弯 曲 半径 估 算 RC为 ： 2/32221 31 )(4 3 nn nRc )dB/km(e 21T RCC 表 2-6 光 纤 的 传 输 损 耗 2.4.2色 散 特 性 和 带 宽色 散 产 生 ： 由 于 光 纤 中 的 光 信 号 是 由 不 同 的 频 率 成分 和 不 同 的 模 式 成 分 来 携 带 的 ， 这 些 不 同 的 频 率 成分 和 不 同 的 模 式 成 分 的 传 输 群 速 度 不 同 ， 从 而 引 起色 散 。 随 着 掺 铒 光 纤 放

42、 大 器 EDFA（ Erbium Doped Optical Fiber Amplifier） 、 波 分 复 用 WDM（ WaVelength Division MultiPlexing） 技 术 在 光 纤 通信 系 统 中 的 商 用 化 后 ， 光 纤 色 散 便 成 为 最 热 门 的 研究 课 题 之 一 。 在 具 体 弄 清 色 散 的 致 因 、 种 类 及 相 互 作 用的 前 提 下 ， 设 法 设 计 和 制 造 出 优 质 的 、 小色 散 的 光 纤 ， 以 满 足 光 纤 通 信 系 统 的 高 速率 、 大 容 和 远 距 离 传 输 的 需 求 。 光 纤

43、 色 散 主 要 有 ： 模 式 色 散 、 材 料 色 散 、 波 导 色散 和 偏 振 色 散 等 。 在 光 纤 数 字 通 信 系 统 中 ， 由 于 光 纤 中 的 信号 是 由 不 同 的 频 率 成 分 和 不 同 的 模 式 成 分来 携 带 的 ， 这 些 不 同 的 频 率 成 分 和 不 同 的模 式 成 分 的 传 输 速 度 不 同 ， 从 而 引 起 色 散 。 多 模 光 纤 ： 模 式 色 散 、 材 料 色 散 、 波 导 色 散 等 。 单 模 光 纤 中 只 传 输 基 模 LP01， 总 色 散 由 材 料 色 散 、波 导 色 散 和 偏 振 色 散

44、组 成 。 这 三 个 色 散 都 与 波 长有 关 ， 所 以 单 模 光 纤 的 总 色 散 也 称 为 波 长 色 散 。 光 纤 的 色 散 单 位 ： ps/km 光 纤 的 色 散 系 数 单 位 D（ ） ： ps/nm.km 1.模 式 色 散 cLnnncLnncLnc L cM 121111max )1(sin n常 用 时 延 差 表 示 色 散 程 度 。n时 延 差 越 大 ， 色 散 就 越 严 重 。 模 式 色 散 n 在 多 模 阶 跃 光 纤 中 ， 传 输 最 快 和 最 慢 的 两 条 光 线 分 别 是 沿 轴心 传 播 的 光 线 和 以 临 界 角

45、 c入 射 的 光 线 ， 如 图 4-18所 示 。因 此 ， 在 阶 跃 型 多 模 光 纤 中 最 大 色 散 是 光 线 所 用 时 间 max和光 线 所 用 时 间n min到 达 终 端 的 时 间 差 max： max=max minn 根 据 几 何 光 学 ， 设 在 长 为 L的 光 纤 中 ， 光 线 和 沿轴 方 向 传 播 的 速 度 分 别 为 c/n 1和 c/n1sin c。 因 此 光纤 的 模 式 色 散 为 ：n cLnnncLnncLnc L cM 121111max )1(sin 2.材 料 色 散由 于 光 纤 材 料 的 折 射 率 随 光 波

46、长 的 变 化 而 变 化 ， 使 得 光 信 号 各频 率 的 群 速 度 不 同 ， 引 起 传 输 时 延 差 的 现 象 ， 称 为 材 料 色 散 。设 光 源 谱 宽 为 ， 单 位 长 度 光 纤 的 时 延 差 用 表 示 :则由 上 式 所 示 ， 时 延 差 与 光 源 的 相 对 带 宽 成 正 比 。 因 此采 用 窄 谱 宽 激 光 器 做 光 源 有 利 减 少 色 散 。 的 单 位 是ps/km 。*=D ;:光 源 谱 宽 ,D:色 散 系 数 212d ndcLm 3.波 导 色 散 221 )(dVVbdVcnDw =Dw L w （ ps nmkm） 在

47、 不 同 的 波 长 下 ， 其 相位 常 数 不 同 ， 从 而 群速 度 不 同 ， 引 起 色 散 。 4 偏 振 色 散 PMD 单 模 光 纤 中 只 传 输 基 模 LP01， 总 色 散 由 材 料色 散 、 波 导 色 散 和 偏 振 模 色 散 组 成 。 这 三 个 色 散都 与 波 长 有 关 ， 所 以 单 模 光 纤 的 总 色 散 也 称 为 波长 色 散 。 光 纤 中 的 光 传 输 可 描 述 完 全 是 沿 X轴 振 动 和完 全 是 沿 Y轴 上 的 振 动 或 一 些 光 在 两 个 轴 上 的 振动 ， 如 图 2-12所 示 。 每 个 轴 代 表

48、一 个 偏 振 “ 模 ” 。两 个 偏 振 模 的 到 达 时 间 差 称 为 偏 振 模 色 散 PMD（ Polanzation Mode Dispertion） 。 PMD的 度 量单 位 为 微 微 秒 (ps)。 光 纤 的 PMD系 数 表 示 的 单 位为 ps/km。 )(10 yxyxyx nncdddddd 5.光 纤 的 带 宽 D： 光 纤 色 散 系 数 （ ps/nm.km） ； ： 光 源 谱 宽（ nm） ； B 0： 光 纤 的 带 宽 （ MHz） ； 常 数 ： =0.115（ 多 纵 模 激 光 器 ） ,=0.306（ 单 纵 模 激 光 器 ） (

49、MHz.km) 11060 D (MHz) 1060 LDLL 2.4.3单 模 光 纤 的 双 折 射 及 偏 振 特 性 n 基 本 概 念n 1） 理 想 的 单 模 光 纤 ： 传 输 模 式 是 线 极 化波 LP01， 即 用 LP01x和 LP01y， 两 模 式 有 相 同的 相 位 常 数 x=y， 它 们 是 相 互 简n 2） 光 纤 的 双 折 射 ： 光 纤 的 不 完 善 ， 将 使两 模 式 之 间 的 简 并 被 破 坏 xy。 这 种 现象 叫 作 模 式 双 折 射 。 3） 光 纤 双 折 射 危 害 由 于 双 折 射 ， 两 种 模 式 的 群 速 度

50、 不 同 ，因 而 引 起 偏 振 （ 极 化 ） 色 散 。4） 双 折 射 的 利 用保 偏 光 纤 即 是 利 用 光 纤 的 双 折 射 特 性制 成 的 。 1 线 双 折 射 的 参 数 （ 1） 线 双 折 射 率 L： 它 定 义 为 两 正 交 线 偏 振 模 的相 位 常 数 之 差 。 L x-y*归 一 化 双 折 射 率 B： 它 是 线 双 折 射 率 L与 真 空 中 的 波数 k0之 比 。 B=L/k0 =（ x-y） / k0= nx- ny= neff式 中 ： nx， ny是 LP01x， LP01y模 的 等 效 折 射 指 数 ； neff是 等 效

51、 折 射 指 数 差 。一 般 单 模 光 纤 的 B值 为 10 -510-6之 间 :当 B10-5时 为 高 双 折 射 光 纤 (HB). （ 2） 拍 长 LB： 拍 长 LB即 偏 振 态 完 成 一 个 周 期 变 化 的 光 纤长 度 ， 叫 作 拍 长 。 如 图 2-22所 示 。 在 一个 拍 长 上 ， 两 正 交 偏 振 光 的 相 位 差 变 化2， 因 而 有 L LB 2。 LB 2/L 0/ B 图 2-22 光 纤 双 折 射 的 偏 振 态 在 一 个 拍 长 上 的 演 化 （ 3） 消 光 比 和 功 率 耦 合 系 数 如 在 光 纤 输 入 端 激

52、 发 x方 向 的 线 偏 振 模 ，其 功 率 为 Px， 由 于 耦 合 ， 在 光 纤 的 输 出 端 出现 了 y方 向 的 线 偏 振 模 ， 其 功 率 为 Py。 用 消光 比 和 功 率 耦 合 系 数 h来 表 示 这 一 对 正 交 线偏 振 模 的 耦 合 作 用 = 10lg tan（ hL） = 10lg(Px / Py) 越 大 说 明光 纤 的 保 偏 能 力 强 。式 中 ： L是 光 纤 长 度 。 这 两 参 数 说 明 光 纤 的保 偏 能 力 ， 、 h越 大 保 偏 能 力 越 强 。 2 线 双 折 射 的 成 因 线 双 折 射 归 为 两 类 :

53、几 何 双 折 射 应 力 双 折 射 （ 1） 几 何 双 折 射 其 截 面 如 图 2-21所 示 ， 长 轴 2a， 在 x方 向 ； 短 轴 2b在 y方 向 。 椭 圆度 e=1-（ b a） 2。 当 椭 圆 度 e0蓝 移 ; Wi 0红 移 .n 最 终 效 果 随 信 号 在 光 纤 中 传 输 ,脉 冲将 加 宽 . 3） 四 波 混 频 FWM(Four Wave Mixing) FWM是 指 由 两 个 或 三 个 波 长 的 光 波 混 合后 产 生 的 新 光 波 ， 其 原 理 如 图 2-26所 示 。在 系 统 中 ， 某 一 波 长 的 入 射 光 会 改 变 光纤 的 折 射 率 ， 从 而 在 不 同 频 率 处 发 生 相位 调 制 ， 产 生 新 的 波 长 。 四 波 混 频 产 生 原 理 图