第2章光導(dǎo)纖維

1、第二章光纖與光纜 概述 光纖的幾何光學(xué)分析 光纖的波動光學(xué)分析 單模光纖中的色散 光纖的損耗 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng) 光纜及連接技術(shù)概述 光纖是由SiO2拉制成的細(xì)絲，它主要由纖芯和包層構(gòu)成。 包層的折射率略少于纖芯的折射率。n1涂敷層包層纖芯n2纖芯纖芯包層包層保護套保護套(a)(b)n1包層玻璃 芯玻璃n2 光纖的制造工藝 (a)預(yù)制棒；(b)拉絲預(yù) 制 棒預(yù) 涂 覆裝 置線 徑控 制電 路牽 引 輥光 纖線 徑 測 量 儀電 阻 加 熱 爐送 棒機 構(gòu) 光纖拉絲工藝過程示意圖 光纖的種類 按光纖的材料分類可分為 石英光纖：衰減為0.3-6dB/km 多組分玻璃光纖：衰減為4-20dB/k

2、m 全塑光纖：衰減為100-500dB/km 氟化物光纖：理論上的最低損耗，在3pm波長時可 達(dá)10-210-3dB/km 液芯光纖：在折射率較低的柔性透明皮層軟管里填充折射率較高的透明液，導(dǎo)熱性好 液芯光纖光纖的種類 按橫截面上折射率的分布可分為： 階躍光纖和漸變（梯度）光纖階躍光纖的折射率分布漸變光纖的折射率分布光纖的種類 根據(jù)光纖中傳輸模式的數(shù)量可分為： 多模光纖和單模光纖 多模光纖芯徑較粗，約50m。容易耦合，接續(xù)方便，生產(chǎn)工藝要求低，但傳輸帶寬較窄，一般為幾百MHzKm。 單模光纖芯徑較細(xì)，約410 m。耦合、接續(xù)困難，生產(chǎn)工藝要求高。但傳輸帶寬非常寬，可達(dá)幾十GHzKm以上。傳輸模

3、式折射率分布光 纖 種 類多模(A)階躍漸變多模階躍光纖(A2)多模漸變光纖(A1)單模(B)階躍單模（階躍）光纖橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c) 三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 光纖的種類 ITU-T G.651（1993） 50/125m多模漸變型折射率光纖光纜 ITU-T G.652（1997） 單模光纖光纜（ 1.31 m ） ITU-T G.653（1997） 色散位移單模光纖光纜（ 1.55 m ） I

4、TU-T G.654（1997） 截止波長位移型單模光纖光纜 ITU-T G.655（1996） 非零色散位移單模光纖光纜新型光纖 色散位移光纖（DSF） 色散平坦單模光纖 色散補償單模光纖（DCF） 非零色散位移光纖（NZ-DSF） 大有效面積光纖（LEAF） 全波（低水峰）光纖（AWF） 摻鉺放大光纖(EDF) 大有效面積光纖模場分布（Large Effective Area Fiber）小有效面積光纖大有效面積光纖光強光纖半徑單模光纖的色散隨波長的變化曲線OH吸收峰dB / km瑞利散射紅外吸收/m65432100.80.91.01.11.21.31.41.51.61.7 石英光纖的衰減

5、與波長之間的關(guān)系曲線 射線理論要點： 在均勻介質(zhì)中光射線作直線傳播 反射定律：反射角1入射角2 折射定律： 全反射：光線由折射率較高的介質(zhì)進(jìn)入折射率較低的介質(zhì)時，如果入射角大于臨界角c就會出現(xiàn)全反射。2211sinsinnn2112sinnnnnc光纖的幾何光學(xué)分析 n1n2 n1n2光在階躍光纖中的傳播階躍光纖的子午光線 光在階躍光纖中的傳播 找出最大的入射角imax： 因為 所以1n,nnsin012ccnni0max90sinsin0122212121imaxnnnn1nsin數(shù)值孔徑NA 定義光纖的數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture)，即它表征了光纖收集光線的能力。 定

6、義光纖的相對折射率差2221imaxsinnnNA221121212221nnnnnn2nnn212122211nnnnn 例1： 在階躍光纖中，若纖芯折射率n1=1.5，相對折射率差=0.02，試計算數(shù)值孔徑NA. 3 . 002. 025 . 12nNA1解：光在階躍光纖中的傳播 那么， （或者說NA）到底是大一點好呢？還是小一點好呢？ 增加可以提高光纖收集光的能力 但是，增加也會產(chǎn)生嚴(yán)重的“模式（間）色散” 一般通信用光纖的值小于0.01 模式色散： 不同的角度的入射光線，雖然同時進(jìn)入光纖的輸入端，但它們到達(dá)光纖輸出端的時間卻不相同。1211nncLn1cncLsinL2211nnncL

7、ncLn1光在階躍光纖中的傳播 系統(tǒng)容量： 例： 多模階躍光纖的模式間色散很大，所以在通信中很少采用，而使用漸變光纖。1ncLB即BcLnBTB111kmsMbBLkmnsnkmsMbBLkmnsn/100/10002. 05 . 1/20/5001. 05 . 111光在漸變光纖中的傳播 21)(2211arnar nrngar)(rncv 漸變光纖的模式色散 例： g=2時，光纖的折射率分布近似于雙曲正割曲線，此時光纖的模式色散最小，具有自聚焦功能。222gcLn2g2cLn121ggkmnsngkmnsng/6 . 25 . 101. 022. 2/25. 05 . 101. 0211光

8、纖的波動光學(xué)分析 波動方程 設(shè)介質(zhì)中沒有電荷和電流存在，而且是線性和各向同性的，則麥克斯韋方程組為：DBHE0tDJtB式中：E為電場強度；H為磁場強度；B為磁感應(yīng)強度；D為電位移。 為自由電荷的體密度 J為體電流密度光纖的波動光學(xué)分析 物質(zhì)方程：對于各向同性的介質(zhì)，有下列的物質(zhì)方程。式中：為介質(zhì)的介電常數(shù)；為介質(zhì)的磁導(dǎo)率 波動方程為： （亥姆霍茲方程）HBED20002222ncnnkkHkHEkE式中HE11HE21TE01TM01電場磁場截止參數(shù)405.221222210annnakV單模光纖的單模條件 單模光纖只支持單一的基模HE11，其它所有較高模式在工作波長上都被截止。 單模條件：

9、V與光波頻率（或波長）及光纖結(jié)構(gòu)有關(guān)，故稱之為歸一化頻率或結(jié)構(gòu)參數(shù)。它決定了光在光纖中的傳輸模式的數(shù)量。405. 221222210annnakV 截止波長 滿足： 當(dāng) 時，是多模傳輸； 當(dāng) 時，是單模傳輸。c405. 222221nnaccc 損耗特性：幅度的減小 色散特性：脈沖的展寬 衰減系數(shù)：用來表示光纖損耗的大小，定義為單位長度的光纖對傳輸光功率的衰減值。kmdBPPLoutin/lg10單位為光纖的衰減圖光纖的衰減圖衰減(dB/km)水峰值0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口6 54321 吸

10、收損耗： 純石英材料引起的本征吸收損耗 電子諧振出現(xiàn)在紫外區(qū)域（0.4m） 分子諧振出現(xiàn)在紅外區(qū)域（7m） 雜質(zhì)引起的非本征吸收損耗 主要是由于氫氧根（OH-1）引起的 在1.39 m 、1.24 m 和0.95 m波長處都有較強的吸收。 散射損耗：主要是由瑞利散射引起的。 瑞利散射： 在小于光波長的尺寸上出現(xiàn)折射率的非均勻性而引起的散射，由制造光纖時局部濃度漂移引起； 損耗大小與波長的4次方成反比； 光纖的固有損耗，決定光纖損耗的最低理論極限 波導(dǎo)散射： 由制造光纖時芯徑隨機漂移引起，其損耗大小與波長無關(guān)。 輻射損耗: 光纖彎曲引起入射角小于臨界角，從而使光線逸出纖芯外而造成的的損耗。 R5

11、mm，則彎曲損耗0.01dB/km，可忽略。連接損耗耦合損耗接續(xù)損耗彎曲損耗輻射損耗非線性散射損耗波導(dǎo)散射光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的瑞利散射散射損耗過渡金屬離子吸收氫氧根離子吸收雜質(zhì)吸收紅外吸收紫外吸收材料吸收吸收損耗損耗)(石英光纖的損耗曲線 什么是色散：光脈沖在光纖中的脈沖展寬1/21/ e輸入脈沖光 纖1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2輸出脈沖 模式色散 ：不同的傳輸模式沿著不同的途徑到達(dá)光纖的終端，因此各個模的傳播時間不同，并造成光脈沖展寬。 模內(nèi)色散（群速度色散、頻率色散或色度色散） 材料色散 波導(dǎo)色

12、散 光纖總色散2/ 1222M)(wmWmM 材料色散：由于光纖材料的折射率隨頻率而變化，而光源產(chǎn)生的光具有一定的譜寬，因此不同頻率分量有不同的傳播速度，從而引起光脈沖的展寬。激光器的發(fā)射光譜光源的譜寬光源的譜寬P()0dB波長()0-3dB-20dB-2.17dB-20dB寬度 RMS寬度 FWHM寬度 2 波導(dǎo)色散：傳輸模的個數(shù)以及它們的傳播常數(shù)與光波長有關(guān)，它決定于光纖的幾何結(jié)構(gòu)。405. 221222210annnakV 群速度色散D：由于光源產(chǎn)生的光并不是單一頻率的純單色光而引起的。 群速度定義： 其中為光纖的傳播常數(shù)， ng為群折射率，cnkn/0cnddvgg1dndnng/)(

13、n有效折射率為模折射率2221LddLvddLddg)/(,)2(22nmkmpscD單位為光纖的色散參數(shù)2c2c2DLLc222 色散=材料色散+波導(dǎo)色散dndnnncDDdnddndvddccDgggWMg/,/22122222222其中 由于材料的折射率n隨光頻的變化而改變所引起的。圖中：n為光纖的折射率；ng為光纖的群折射率。ddncDgM1 波導(dǎo)色散DW：決定于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)V，即V隨頻率的變化而變化。注：n2g為包層材料的群折射率V為光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)b為波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)dVVbdddndVVbVdnnDggW)()(22222222405. 221222210annnakV單模光

14、纖中DM、DW及D隨波長的變化關(guān)系各種單模光纖的色散隨波長的變化曲線m31. 1波導(dǎo)色散與纖芯半徑 的關(guān)系改變纖芯半徑a 來移動零色散波長 可用 來估算 對于工作波長 為 1.3um的單模光纖，D值可達(dá)到1ps/(kmnm)，若取=2-4nm，則系統(tǒng)的BL值可以超過100Gb/s km。1B1DBL)(4413MHzfBdBG()10.5fcfg(t)10.5 例2：已知單模光纖色散系數(shù)D=6ps/(kmnm)，光源譜線寬度=2nm，試求光纖帶寬B。 )km/ps(1226解：km)(MHz.fB6736124413dB 在強光場作用下，光纖介質(zhì)會呈現(xiàn)非線性效應(yīng)。 導(dǎo)致非線性效應(yīng)加劇的因素：

15、大輸出功率的激光器 超低損耗單模光纖 波分復(fù)用（）的應(yīng)用 受激光散射 喇曼散射（SRS） 布里淵散射(SBS) 當(dāng)某一頻率的光輸入時，在散射輸出光中出現(xiàn)了光頻率偏移的現(xiàn)象。 散射光頻率變低，剩余能量轉(zhuǎn)為頻率較高的分子振動。 SRS的閾值： 單信道系統(tǒng)約為 多波長系統(tǒng)：500f) 1N(NP 散射光頻率變低，剩余能量轉(zhuǎn)為頻率很低的聲子振動。 SBS閾值： 光源的譜線寬度越窄，產(chǎn)生SBS的門限功率越低。f03. 0Pth 克爾效應(yīng)：光纖的折射率隨光強而變化 非線性折射（SPM and XPM) 四波混頻 eAPnn20n 自相位調(diào)制（SPM） 光纖的折射率隨光強變化，對自身相位的調(diào)制 對具有較高色散或傳輸距離長的系統(tǒng)影響嚴(yán)重 交叉相位調(diào)制（XPM） 多波長系統(tǒng)中，由于克爾效應(yīng)導(dǎo)致任一波長的光信號受到其他波長光信號的調(diào)制。 XPM造成的代價隨光信道間隔的變小和光信道數(shù)變大而增加 如果三個頻率的光場、的光場同時在光纖中傳輸，由于非線性將引起新的頻率的光場。 其中的組合最為不利3214321電弧固定熔接活動光纖連接光纜的連接 光纖的綜述光纖的綜述（結(jié)構(gòu)特點、分類）（結(jié)