第910學(xué)時光纖傳輸理論及基本特性學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第第910學(xué)時學(xué)時(xush)光纖傳輸理論及基本光纖傳輸理論及基本特性特性第一頁，共32頁。 由前面討論中知道：光纖中只傳輸一個由前面討論中知道：光纖中只傳輸一個(y )基模基模LP01(HE11)模的模的條件是條件是v vc = 2.4048。由。由v的定義，若光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義，若光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,n1和和)已知，必已知，必存在一個存在一個(y )波長波長c，使光纖的歸一化頻率，使光纖的歸一化頻率v = vc 。當(dāng)當(dāng)c時，時，v vc ，滿足單模傳輸條件，滿足單模傳輸條件，當(dāng)當(dāng) vc ，必然出現(xiàn)，必然出現(xiàn)LP11等高階模，稱為多模光纖。等高階模，稱為多模光纖。(31)精密儀器與光電

2、子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的截止波長單模光纖的截止波長第1頁/共32頁第二頁，共32頁。例例 已知一階躍光纖，已知一階躍光纖，n1 = 1.487， = 0.37, 2a = 8.3m， 在在 = 1.55m，1.31m，0.85m時，時， (1)考察光纖中傳輸那些矢量導(dǎo)模？考察光纖中傳輸那些矢量導(dǎo)模？ (2)若在上述任意若在上述任意(rny)波長下保證單模傳輸，問光纖芯徑波長下保證單模傳輸，問光纖芯徑2a的值？的值？解解精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的截止波長單模光纖的截止波長第2頁/共32頁第三頁，共32頁。 將式將式(31)改寫，得到截止波長的表

3、達(dá)式改寫，得到截止波長的表達(dá)式c稱為單模光纖的截止波長。當(dāng)波長大于稱為單模光纖的截止波長。當(dāng)波長大于c ，給定，給定 的光纖變?yōu)閱文９饫w，光波傳輸成為的光纖變?yōu)閱文９饫w，光波傳輸成為(chngwi)單模傳輸。它是單模傳輸。它是 表征單模光纖特性的重要參數(shù)之一，可與表征單模光纖特性的重要參數(shù)之一，可與 v 值互相替值互相替 換使用。換使用。在光纖出廠時，截止波長、芯徑和相對折射率差是作為光纖參數(shù)給出的。在光纖出廠時，截止波長、芯徑和相對折射率差是作為光纖參數(shù)給出的。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的截止波長單模光纖的截止波長(32)122ccanv第3頁/共32頁第四頁，

4、共32頁。由前面的討論，光纖中的由前面的討論，光纖中的LP01模電場沿徑向模電場沿徑向(jn xin)的分布規(guī)律：的分布規(guī)律：在光纖芯中為在光纖芯中為0階貝塞爾函數(shù)，在包層中為階貝塞爾函數(shù)，在包層中為0階變質(zhì)貝塞爾函數(shù)階變質(zhì)貝塞爾函數(shù)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的模場直徑單模光纖的模場直徑(zhjng)00()( )()uJrraaR rwKrraa第4頁/共32頁第五頁，共32頁。實際問題中，往往把實際問題中，往往把LP01模的光功率分布近似為高斯分布模的光功率分布近似為高斯分布模場直徑模場直徑(zhjng)(MFD)：把光功率分布下降到：把光功率分布下降到 處所

5、對應(yīng)處所對應(yīng) 的直徑的直徑(zhjng) 定義為模場直徑定義為模場直徑(zhjng)。模場直徑模場直徑(zhjng)直接描述了單模光纖中光功率被束縛的情況，反映了單直接描述了單模光纖中光功率被束縛的情況，反映了單模的工作狀態(tài)模的工作狀態(tài)(遠(yuǎn)離或靠近截止遠(yuǎn)離或靠近截止)。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的模場直徑單模光纖的模場直徑(zhjng)第5頁/共32頁第六頁，共32頁。l模場直徑和歸一化頻率模場直徑和歸一化頻率v的關(guān)系的關(guān)系(gun x)l例例一單模光纖，芯徑一單模光纖，芯徑7m，折射率，折射率1.458，包層折射率，包層折射率1.452。當(dāng)。當(dāng)l 光源工作波長為

6、光源工作波長為1.3m，1.5m時，計算光纖單模工作時的截時，計算光纖單模工作時的截l 止波長，止波長，v 數(shù)和模場直徑數(shù)和模場直徑MFD。l答案：答案：1.208m；2.236/1.938；8.57/8.8 m。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的模場直徑單模光纖的模場直徑(zhjng)第6頁/共32頁第七頁，共32頁。單模光纖中傳輸?shù)膯文９饫w中傳輸?shù)腖P01(HE11)模實際上是由兩個正交的偏振模式模實際上是由兩個正交的偏振模式 和和 簡并的，理想情況下，它們的傳播常數(shù)相等，即簡并的，理想情況下，它們的傳播常數(shù)相等，即 xy。由于由于(yuy)實際光纖的不完善，如橢圓

7、橫截面，內(nèi)部殘余應(yīng)力等，實際光纖的不完善，如橢圓橫截面，內(nèi)部殘余應(yīng)力等，引引 起折射率各向異性，使得起折射率各向異性，使得 和和 的簡并受到破壞，即：的簡并受到破壞，即： xy，從而產(chǎn)生附加相位差，從而產(chǎn)生附加相位差 ，這種現(xiàn)象稱為雙折射。，這種現(xiàn)象稱為雙折射。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的極化單模光纖的極化(j hu)和雙折射和雙折射11HEx11HEy11HEx11HEy(33)()xyz第7頁/共32頁第八頁，共32頁。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院單模光纖的極化單模光纖的極化(j hu)和雙折射和雙折射l拍長拍長Lp：表征單模光纖雙折射的常

8、數(shù)，其定義為：表征單模光纖雙折射的常數(shù)，其定義為l物理意義：物理意義：相位差變化相位差變化2，在光纖軸向傳播的距離。，在光纖軸向傳播的距離。(單位：單位：m)(34)2pxyL第8頁/共32頁第九頁，共32頁。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院習(xí)習(xí) 題題1.單模光纖的模場直徑單模光纖的模場直徑(zhjng)是否等于光纖芯徑？試定性說明模是否等于光纖芯徑？試定性說明模場直徑場直徑(zhjng)與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。2.單模光纖的模場直徑單模光纖的模場直徑(zhjng)與入射光波長是否有關(guān)系？為什么？與入射光波長是否有關(guān)系？為什么？3.什么是單模光纖的雙折射？什

9、么是單模光纖的雙折射？4.什么是單模光纖的拍長？物理意義？什么是單模光纖的拍長？物理意義？第9頁/共32頁第十頁，共32頁。12.5.1 光纖的傳光纖的傳輸損耗特輸損耗特性性22.5.2 光纖的色光纖的色散特性散特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第10頁/共32頁第十一頁，共32頁。光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗(snho)特性特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第11頁/共32頁第十二頁，共32頁。 光纖的傳輸(chun sh)損耗特性1. 損耗的幾種表示方法損耗的幾種表示方法2. A. 功率功率(gngl)損耗系數(shù)損耗系數(shù)(1/Km)(35)精密儀器與光電子

10、工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第12頁/共32頁第十三頁，共32頁。 光纖的傳輸損耗(snho)特性1. 損耗的幾種損耗的幾種(j zhn)表示方法表示方法2. B. 功率損耗分貝數(shù)功率損耗分貝數(shù)(dB/Km)(36)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第13頁/共32頁第十四頁，共32頁。 光纖的傳輸(chun sh)損耗特性1. 損耗損耗(snho)的幾種表示方法的幾種表示方法2. C. 以以1mW為參考值的光功率分貝數(shù)為參考值的光功率分貝數(shù)(dBm)(37)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第14頁/共32頁第十五頁，共32頁。2. 光纖損耗的測量方法光纖損耗

11、的測量方法CCITT (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone)建議建議(jiny)規(guī)定的基準(zhǔn)測試規(guī)定的基準(zhǔn)測試法：截斷法法：截斷法其他的：插入損耗法，背向散射法。其他的：插入損耗法，背向散射法。2m 光纖的傳輸損耗(snho)特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第15頁/共32頁第十六頁，共32頁。3. 引起引起(ynq)光纖傳輸損耗的原因光纖傳輸損耗的原因光纖損耗有三個主要原因：吸收損耗、散射損耗、彎曲光纖損耗有三個主要原因：吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗損耗(1)吸收損耗吸收損耗本征吸

12、收、原子缺陷損耗和雜質(zhì)離子吸收本征吸收、原子缺陷損耗和雜質(zhì)離子吸收 材料對光的本征吸收材料對光的本征吸收這是光纖固有的這是光纖固有的 a. 分子振動態(tài)的改變對光子的吸收分子振動態(tài)的改變對光子的吸收(紅外吸收紅外吸收) b. 電子躍遷對光子的吸收電子躍遷對光子的吸收(紫外吸收紫外吸收)雜質(zhì)離子的吸收雜質(zhì)離子的吸收 a. 過渡金屬離子過渡金屬離子 b. 氫氧根離子氫氧根離子原子缺陷損耗原子缺陷損耗由于加熱或強(qiáng)烈的輻射，使某些離子由于加熱或強(qiáng)烈的輻射，使某些離子態(tài)態(tài) 發(fā)生變化，導(dǎo)致原子缺陷。發(fā)生變化，導(dǎo)致原子缺陷。 光纖的傳輸損耗(snho)特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第16

13、頁/共32頁第十七頁，共32頁。(2)散射損耗散射損耗由于介質(zhì)中有折射率不同的懸浮微粒存在，即使不正對由于介質(zhì)中有折射率不同的懸浮微粒存在，即使不正對著入射光的方向也能清楚地看到光線，這種現(xiàn)象著入射光的方向也能清楚地看到光線，這種現(xiàn)象(xinxing)稱為光的散射，由于散射引起的光損耗稱為光的散射，由于散射引起的光損耗稱為散射損耗。稱為散射損耗。 密度不均勻密度不均勻內(nèi)部應(yīng)力不均勻內(nèi)部應(yīng)力不均勻折射率不均勻折射率不均勻懸浮顆粒懸浮顆粒瑞利散射瑞利散射本征散射本征散射非線性散射損耗非線性散射損耗 在強(qiáng)電場作用下，出現(xiàn)新的頻率或輸入光波在強(qiáng)電場作用下，出現(xiàn)新的頻率或輸入光波(gungb)(gung

14、b)頻率頻率發(fā)生變化，稱為非線性散射。由非線性散射引起的損耗稱為非線性發(fā)生變化，稱為非線性散射。由非線性散射引起的損耗稱為非線性散射損耗。散射損耗。光纖的傳輸光纖的傳輸(chun sh)損耗特性損耗特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第17頁/共32頁第十八頁，共32頁。(3)彎曲彎曲(wnq)損耗損耗(4)模式損耗模式損耗(5)微彎損耗微彎損耗光纖的傳輸光纖的傳輸(chun sh)損耗特性損耗特性342263()cmfaEaNhEb(38)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第18頁/共32頁第十九頁，共32頁。2光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗(snho)特性特性精

15、密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第19頁/共32頁第二十頁，共32頁。1.光纖主要的傳輸特性包括光纖主要的傳輸特性包括 和和 。2.什么叫光纖損耗？造成光纖損耗的主要原因有哪些？什么叫光纖損耗？造成光纖損耗的主要原因有哪些？3.光纖傳輸損耗的幾種常用表示方法，之間的對應(yīng)關(guān)系？光纖傳輸損耗的幾種常用表示方法，之間的對應(yīng)關(guān)系？4.簡單敘述截斷法光纖損耗測量的過程。簡單敘述截斷法光纖損耗測量的過程。5.當(dāng)工作波長當(dāng)工作波長 = 1.31m，某光纖的損耗為，某光纖的損耗為0.5dB/km，如果，如果(rgu)最初射最初射入光纖的光功率是入光纖的光功率是0.5mW，試問經(jīng)過，試問經(jīng)過4km

16、以后，以以后，以dBm為單位的光功率為單位的光功率是多少？是多少？6.試從本征的和技術(shù)的兩方面分析減小損耗的方法。試從本征的和技術(shù)的兩方面分析減小損耗的方法。7.為什么光纖工作波長選擇為什么光纖工作波長選擇1.55m、1.31m、0.85m三個窗口？三個窗口？習(xí)習(xí) 題題精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院-5dBm第20頁/共32頁第二十一頁，共32頁。 光脈沖信號通過光纖時，隨著傳輸距離的增加光脈沖信號通過光纖時，隨著傳輸距離的增加(zngji)(zngji)，光脈沖響，光脈沖響應(yīng)應(yīng) 被拉長，即脈沖被展寬；或者出現(xiàn)明顯的波形失真，這種物被拉長，即脈沖被展寬；或者出現(xiàn)明顯的波形失真

17、，這種物 理現(xiàn)象稱為光纖的色散。是不同頻率成分和不同模式成分的理現(xiàn)象稱為光纖的色散。是不同頻率成分和不同模式成分的 群速不同而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。群速不同而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第21頁/共32頁第二十二頁，共32頁。1.群速度群速度(sd)和相速度和相速度(sd)光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第22頁/共32頁第二十三頁，共32頁。光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性2. 模式色散模式色散 不同入射角的光線代表不同的模式，階躍光

18、纖中不不同入射角的光線代表不同的模式，階躍光纖中不同光線的傳播速度相同同光線的傳播速度相同(xin tn)，但幾何程長不同，但幾何程長不同，這將使不同路徑的光線到達(dá)輸出端所用的時間不同，產(chǎn)這將使不同路徑的光線到達(dá)輸出端所用的時間不同，產(chǎn)生脈沖展寬，形成模式色散。生脈沖展寬，形成模式色散。精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第23頁/共32頁第二十四頁，共32頁。光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性2. 模式模式(msh)色散色散精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第24頁/共32頁第二十五頁，共32頁。光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性2. 模式色散模式色散綜合考

19、慮子午光線和斜光線，對于階躍折射率分布剖面綜合考慮子午光線和斜光線，對于階躍折射率分布剖面(pumin)的多模光纖，其模式色散的脈沖展寬的多模光纖，其模式色散的脈沖展寬對于漸變折射率分布剖面對于漸變折射率分布剖面(pumin)的多模光纖，其模式色的多模光纖，其模式色散的脈沖展寬散的脈沖展寬 單位：單位：ns/Km123Mnc(39)21210 3Mnc(40)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第25頁/共32頁第二十六頁，共32頁。3. 材料色散材料色散(Material Dispersion) 光纖材料的折射率隨波長而變化，導(dǎo)致同一模式光纖材料的折射率隨波長而變化，導(dǎo)致同一模式

20、(msh)內(nèi)內(nèi)不同波長的光波的群速度不同，從而產(chǎn)生脈沖展寬。不同波長的光波的群速度不同，從而產(chǎn)生脈沖展寬。光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第26頁/共32頁第二十七頁，共32頁。3. 材料色散材料色散(ssn)(Material Dispersion)對于光源，光功率降為峰值一半時的譜寬叫做光源的半功對于光源，光功率降為峰值一半時的譜寬叫做光源的半功率線寬。率線寬。單位長度光纖由材料色散單位長度光纖由材料色散(ssn)產(chǎn)生的脈沖展寬產(chǎn)生的脈沖展寬單位：單位：ns/Km光纖的色散光纖的色散(ssn)特性特性(37)精密儀器與光電子工程學(xué)院精密儀器與光電子工程學(xué)院第27頁/共32頁第二十八頁，共32頁。4. 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散光波在光纖中的傳播常數(shù)光波在光纖中的傳播常數(shù)隨光波長隨光波長的變化而變化，由此造的變化而變化，