光纖傳輸原理及特性

光纖傳輸原理及特性第一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型光纖與光纜的結(jié)構(gòu)光纖？光纜？所謂“光纖”就是工作在光頻下的一種圓柱體介質(zhì)波導，它引導光能沿著軸線平行方向傳輸。所謂“光纜”就是由多根光纖和加強構(gòu)件以及外護層構(gòu)成。

第二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

2.1.1．光纖結(jié)構(gòu)及類型

1.光纖結(jié)構(gòu)圖2-1光纖結(jié)構(gòu)第三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.光纖分類

按模式來分

1)多模光纖（Step-IndexFiber/Graded-IndexFiber）

2)單模光纖：①雙包層光纖②三角芯光纖

圖2-3典型特種單模光纖SiO2+GeO2SiO2+FSiO2第四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五③橢圓芯光纖：保偏單模光纖。

④熊貓光纖：保偏狀態(tài)；⑤蝴蝶光纖：保偏狀態(tài)

光纖的用途？第五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五有：多模光纖G.651（MMF）、單模光纖G.652（常規(guī)單模光纖）、G.653光纖（色散位移光纖）、G.654光纖（低損耗光纖）、G.655光纖（非零色散位移光纖）和G.656光纖。還有其他相關的單模光纖，如色散平坦光纖（DFF）和色散補償光纖（DCF）。各種光纖的適用范圍及特性見表2.1和表2.23)按ITU-T已提出的規(guī)范建議，光纖類別第六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五光纖類型適

用

范

圍G.651光纖工作在850nm的短波長窗口，對于四次群以下的光纖通信系統(tǒng)較為實用。常用于局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)鏈路G.652光纖在1310nm波長性能最佳，是目前應用最廣泛光纖。主要應用在1310nm波長區(qū)開通長距離622Mbit/s及其以下系統(tǒng)，在1550nm波長區(qū)開通2.5Gbit/s，10Gbit/s和n×2.5Gbit/s波分復用系統(tǒng)G.653光纖在1550nm工作波長衰減系數(shù)和色散系數(shù)均最小。主要用于長距離、高速率，如10Gbit/s以上系統(tǒng)，其缺點是易受非線性影響，并產(chǎn)生較嚴重的四波混頻效應（FWM），它不支持波分復用系統(tǒng)G.654光纖在1550nm波長衰減系數(shù)最小，抗彎曲性能好。主要用于長距離海底系統(tǒng)G.655光纖在1550nm處有低色散保證，有抑制FWM等非線性效應，使得其能用在EDFA和DWDM系統(tǒng)，傳輸速率在10Gbit/s以上G.656光纖進一步擴大可利用的波長范圍以增加波道數(shù)，在G.655基礎上人們想到了利用S+C+L三個波段光纖。2002年由日本NTT公司和CLPAJ公司提出G.656光纖的基本規(guī)范。與G.655不同是在1540~1625nm波段，色散系數(shù)為2~14ps/（nm.km）DFF光纖優(yōu)點是在1310~1550nm波段內(nèi)為低色散。可與G.652光纖配合使用，降低光纖總色散DCF光纖優(yōu)點是在1550nm內(nèi)有很大的負色散，主要用于與G.652光纖配合使用由1310nm擴容升級至1550nm時進行色散補償表2.1各種光纖適用范圍第七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3).以纖芯折射率n1(r):

階躍型光纖;漸變型光纖幾種典型的光纖折射率分布圖O2O2O2O2O2O2第八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五石英光纖的主要原料為：纖芯和包層本體材料：SiCL4纖芯和包層摻雜用劑：GeO2、P2O5、GeCL4

、B2O3、

POCL3和F等纖芯材料：SiO2或SiO2+GeO2包層材料：SiO2+B2O3或SiO2+F。第九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

2.1.2．光纜結(jié)構(gòu)分類

按纜芯結(jié)構(gòu)不同光纜可分為以下4種

1．層絞式光纜圖2-6層絞式光纜第十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.骨架式光纜

圖2-7骨架式光纜第十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3.中心束管式光纜圖2-8中心束管式光纜圖第十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4.帶狀式光纜

圖2-9帶狀結(jié)構(gòu)光纜圖第十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.2光纖傳輸原理分析

光纖屬于介質(zhì)圓波導,分析導光原理很復雜,可用兩種理論進行即射線理論和波動理論.首先采用射線理論分析導光原理然后用波動理論討論導光原理2.2.1用射線理論分析光纖的傳輸原理1.基本光學定律

光在均勻介質(zhì)(折射率n不變)中是沿直線路徑傳播的.

其傳播的速度為：v=c/n(2.1)

式中，C=3×108m/s，是光在真空中的傳播速度，n是介質(zhì)的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1，玻璃的折射率為1.45左右)第十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五獨立傳輸定律在線性介質(zhì)中(光纖為線性介質(zhì)),來自不同方向的光線即使在空中相交也能互不影響,按各自原有方向繼續(xù)前進.反射定律和折射定律(1)反射定律θ1=θ’1

(2)折射定律θ1θ’1θ2n2=1

n1=1.45θ1=θc

θ2=900

第十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五若n1>n2,則入射角θ1<折射角θ2當θ2=90°時對應的入射角θ1

=臨界角θc

只要θ1>θc，入射光出現(xiàn)全反射，光被限制在n1介質(zhì)里傳播。若光從n2向n1入射，光線是否能出現(xiàn)全反射？第十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.光纖中光的傳播

當一束光線從光纖端面耦合進光纖時，光纖中有兩種運行的光線：一種是光線始終在一個包含光纖中心軸的平面內(nèi)傳播，并且一個傳播周期與中心軸相交兩次，這種光線常稱為子午線，含光纖中心軸的固定平面就稱為子午面，如圖2-11（a）所示。另一種是光線在傳播過程中，其傳播時的軌跡不在同一個平面內(nèi)，并不與光纖中心軸相交，這種光線就稱為斜射光線，如圖2-11（b）所示。第十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（a）子午射線；（b）斜射線。

圖2-11光纖中的射線

第十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1.子午線在階躍（均勻）光纖中的傳播

_____射線理論分析導光原理什么樣的子午線能限制在光纖纖芯中傳輸?它必須能在纖芯的界面上產(chǎn)生全反射.(1)光纖的接收角(如圖2-12所示)端面接收角φα為最大接收角.時,所對應的光纖第十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五φα為什么是最大接收角?(2)數(shù)值孔徑NA(NumericalAperture)NA的定義?NA=sinφα物理意義:NA大小反映了光纖捕捉線的能力.NA=sinφα=?第二十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖2.12光線在階躍光纖中傳播n0sinφα=n1sin(900-θc)=n1cosθc,NA的表達示因為:第二十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.漸變型光纖中子午射線的傳播

光纖接收角?數(shù)值孔徑NA(r)?一個漸變型光纖的子午面上分層如圖2-13所示.圖2-13漸變折射率光纖中的子午曲線第二十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五各層之間的折射率滿足以下關系：n(r0)＞n(r1)＞n(r2)＞n(r3)＞……由于光都是由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播其入射角將會逐漸增大，即有θ1

＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5……第二十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五(1)光纖接收角φ分析N層的漸變型光纖的導光條件即光纖端面的入射角φ必須滿足條件是什么？光線最遲也必須在N層與包層界面上發(fā)生全反射。根據(jù)光線的折射和全反射定律有：n(r0)sinθ1=n(r1)sinθ2=……=n(r)sinθ(4.6)同理得出：n(r0)sin(900-θz0)=n(r1)sin(900-θz1)=……=n(r)sin(900-θz)即n(r0)cosθz0=n(r1)cosθz1=……=n(r)cosθz第二十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五射線上任一點符合下列關系：n(r0)cosθz0=n(r)cosθz

在轉(zhuǎn)析點A處，射線與光纖軸平行，則cosθz=1，n(r)=n2，n2為包層的折射率n(r0)cosθZ0=n2,cosθz0=n2/n(r0)(2)數(shù)值孔徑NA(r)?設θz0所對應φ為最大入射角sinφ=n(r0)sinθz0=(2.7)第二十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五光纖的本地數(shù)值孔徑在漸變折射率光纖中，相對折射指數(shù)差定義為其中n(0),n2分別是r=0處和芯子界面上的折射率

第二十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五光纖端面所能收集到的光功率將依賴本地數(shù)值孔徑。設纖芯處和離軸線為r處的功率密度各為P（0）、P（r），則有中心點垂直入射(r0=0）的數(shù)值孔徑NA（0）為最大數(shù)值孔徑：第二十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五波動理論又稱為模式理論用來嚴格分析光纖的導光原理.運用波動理論的目的:求出光場的表達示,再用電磁場理論找出哪些模式光可以在光纖里傳輸.2.2.2用波動理論分析光纖的傳輸原理第二十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.2.2用波動理論分析光纖的導光原理先設法解出光波導中場的縱向分量Ez、Hz,再解出各個橫向場分量Er、Eθ、Hr、Hθ。式中，Ez為電場在z軸的分量。選用圓柱坐標系(r、θ、z),使z軸與光纖中心軸線一致，將（4.1）式在圓柱坐標中展開，得到電場的z分量Ez的波動方程為：1．標量解法

第二十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（1）將Ey寫成三個變量乘積形式，即設試探函數(shù)為設試探函數(shù)為

導波沿光纖軸向變化規(guī)律

導波沿圓周方向的變化規(guī)律

為導波沿r方向的變化規(guī)律

（2）根據(jù)物理概念，寫出()和Z(z)的形式第三十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（3）求出R(r)的形式

考慮纖芯和包層中的折射率分別為n1和n2，

在纖芯中應為振蕩解，故其解取貝塞爾函數(shù)；在包層中部應是衰減解，故其解取第二類修正的貝塞爾函數(shù)解。于是R(r)可寫為：

式中，Jm為m階貝塞爾函數(shù)；Km為m階第二類(修正)貝塞爾函數(shù)。這兩種函數(shù)的曲線如圖4-9所示。

U/aw/a第三十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五整理變?yōu)椋豪霉饫w的邊界條件可確定式中的常數(shù)。首先根據(jù)邊界條件找出A1,A2之間的關系。在r=a處，因，可得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，將此式代人（2.16）式中，得：得

(2.16)（4）Ey的標量解

第三十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．標量解的特征方程標量解的特征方程，可由邊界條件得出。在r=a處，令Ez1=Ez2，忽略n1和n2之間的微小差別，即令n1=n2，可得第三十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3．標量模及其特性

(1)大V值（遠離截止）情況下U值光纖中的U和W值與V值有關,光纖的V值越大,傳輸?shù)哪Ｊ搅吭蕉?越不容易截止.在極限情況下，V→∞表示場完全集中在纖芯中，在包層中的場為零。因V=2πn1(2△)1/2a/λ0,所以有（a/λ0）→∞。此時光波相當于在折射率為n1的無限大空間中傳播，其相位常數(shù)β→k0n1于是有:

∞第三十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五將其代入(2.20-a)可得相應情況下的特征方程(W→

∝條件下)U

Jm+1(U)/Jm(U)=WKm+1(W)/Km(W)

→

∝

可簡化→

Jm(U)=0P.73圖3-10(a)從此式即可確定遠離截止情況時的U值U=μmn式中,μmn代表m階貝塞爾函數(shù)的第n個根

第三十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五nm01212.4053.8325.13625.5207.0168.41738.65410.17311.619表2.4大V值情況下的導行LPmn模的U值

對于一對m、n值，就有一確定的U值，從而就有確定的W及β值。對應著一確定的場分布和傳輸特性。這個獨立的場分布就叫做光纖中的一個模式。稱這種模為標量模，記作LPmn模。LP是線偏振的意思。LP01–

U01=2.405W,β;LP11–

U11=3.832W,β;

LP21–

U21=5.136W,β;第三十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五在模LPmn模表示中，m、n值有明確的物理意義，它們表示對應模式的場在橫截面上的分布規(guī)律。如其圓周及半徑方向的分布規(guī)律各為：電場(光場)在圓周方向按余弦規(guī)律變化：當m=0時，圓周上電場無變化當m=1時在θ在0--2π沿圓周出現(xiàn)1對最大值。m=2?---依次類推。LP0nLP1n第三十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五電場沿半徑方向，按貝塞爾函數(shù)規(guī)律變化：以m=0的LP0n模為例，其場沿r方向變化為：LP01模，U=μ01=2.405,,在r=0處,R(r)=1而在r=a處,沿變化如圖4-12LP02模，U=μ02=5.5201,在r=0處,R(r)=1,而在r=a處,在r=0.4357a處,沿r的變化如圖4-10（b）所示。第三十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖2-15LP0n模的場沿半徑的變化第三十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）LPmn模的截止條件Vc和單模傳輸條件

截止的概念:當光纖中導波變?yōu)檩椛淠r,認為導波截止.當W→∝時,導波的場在纖芯外衰減的.當W→0時,導波截止(相當于射線理論中θ1<θc)導波輻射.截止臨界狀態(tài):Wc=W=0,由于V2=U2+W2Vc2=Uc2+Wc2→=Uc2

若求得Uc→Vc稱為歸一化的截止頻率.Uc=Vc?第四十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五截止條件下的特征方程Wc=0UcJm-1(Uc)/Jm(Uc)=WcKm-1(W)/Km(W)=0Uc=0或Jm-1(Uc)=0在LPmn模的歸一化的截止頻率Vcmn=Ucmn截止特征方程:Jm-1(Uc=μcmn)=0當m=0時，LP0n模的特征方程:J-1(Uc)=J1(Uc)=0，可解出Uc=μ0n=Vc(0n)=0，3.83171，7.01559，10.17347…

第四十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖2-16m＝0,1模式的U值變化范圍11J1=J-1m=0m=1LP04HE04第四十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五即表示LP01模的uc01=0。意味著該模式無截止波長、無截止情況.當m=1時，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0---J0(Uc)=0當m≠0時，也可求出相應的根表4.3表2.5截止情況下LPmn模的Uc=Vcnm012102.4053.83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通過Jm-1(μcmn)=0方程,求解而得.如圖4.11所示.第四十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五從表2.5截止情況下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，說明這種模式?jīng)]有截止現(xiàn)象是光纖中的最低模，也稱基模。LP11模，稱為二階模，其Vc=Uc=2.405截止波長λc與歸一化截止頻率Vc關系對某一光纖的每一個模式，都對應有一個截止波長λc(Vc).當工作波長λ0＜λc時,該模式可以傳輸當工作波長λ0＞λc時，該模式就截止了

第四十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五當光纖的V＜Vc時,該模式就截止了

當光纖的V＞Vc時,該模式可以傳輸.因為:V=2πn1(2△)1/2a/λ0,則:Vc=2πn1(2△)1/2a/λcλc=2πn1(2△)1/2a/Vc單模傳輸條件

Vc01=0＜V＜Vc11=2.405λc11=2πn1(2△)1/2a/2.405

＜λ0＜λc01=∝0λC23λC12λC21λC11λLP01LP11LP21LP12LP230VC11VC21VC12

VLP01LP11LP21LP12第四十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖2-12m=0,1模式的U值變化范圍

HE04LP04第四十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.3光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有光纖的①幾何參數(shù)、②折射率分布、③數(shù)值孔徑（NA）、④模場直徑和⑤截止波長等。這些參數(shù)與光纖橫截面徑向r有關，與光纖的長度及傳輸狀態(tài)無關。第四十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

1．幾何參數(shù)幾何特性有芯徑、包層的尺寸和對芯／包層同心度、不圓度等。1）纖芯直徑——對多模光纖而言ITU-T規(guī)定多模光纖的芯直徑為50±3μm

2）外徑——多/單模光纖3）芯／包層同心度和不圓度

ITU規(guī)定：光纖同心度誤差＜6％;（包括單模）芯不圓度＜6％,包層不圓度<2％,單模光纖同心度誤差1μm第四十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．折射率分布光纖折射率的通式第四十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)之一，它表征了多模光纖接收光的能力，同時對光源耦合效率、光纖微彎損耗的敏感性和帶寬有著密切的關系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。ITU-T對單模光纖沒有規(guī)定數(shù)值孔徑作為正式參數(shù)。數(shù)值孔徑的定義為：（2.29）式中，n1為階躍光纖纖芯的折射率；n2為包層的折射率。而漸變型光纖的本地數(shù)值孔徑為：數(shù)值孔徑的定義為：（2.30）3．數(shù)值孔徑第五十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．模場直徑模場直徑的定義，其定義是設LP01模的電場強度分布為E(r)=E0exp(r2/W20)，取其最大值的E0/e處所對應光纖橫截面徑向r上兩點之間的寬度為模場直徑，用2W0表示。模場直徑估算為：模場直徑估算：單模光纖由模場直徑代替纖芯直徑。ITU-T規(guī)定模場直徑為[（9～10）±1]μm第五十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五5．截止波長（模光纖的截止波長）截止波長是單模光纖保證單模傳輸?shù)臈l件，所以截止波長的定義是大于此波長時二階LP11模不再傳播。1、理論截止波長λct2、成纜光纖的截止波長λcc3、跳線光纖的截止波長λc4、有效截止波長λce在實際中，對這四種截止波長有以下關系：λct>λc>λcc>λce第五十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.4光纖的傳輸特性

2．4．1損耗特性

一、損耗定義

p（0）為輸入光纖的光功率，即在Z=0處注入的光功率；p（Z）為傳輸距離L處的光功率；

二、損耗系數(shù)

(當Z=L時)在光纖上兩個相距L的截面之間的波長λ上的總衰減：A（λ）＝α（λ）×L（dB）

三、光纖產(chǎn)生損耗的原因光纖產(chǎn)生損耗的原因很多，其類型有吸收損耗，散射損耗和附加損耗。第五十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五光纖的傳輸性質(zhì)

(1)損耗（Attenuation）(2)色散（Dispersion）(3)非線性效應（Non-LinearEffectsinFiber）第五十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五產(chǎn)生損耗的因素

材料的吸收損耗(Materialabsorption)

a.

本征吸收:

SiO2

分子振動引起，紅外與紫外吸收

b.非固有吸收

(雜質(zhì)吸收)

Fe,Cu,Ni,Cr.OH離子在

1.39um,1.24um和

0.95um形成吸收峰

散射損耗

(scattering)a.瑞利散射（RayleighSilica）分子熱騷動折射率在微觀上的隨機起伏光散射

~

1/λ4

b.波導散射（WavequideScattering）

微彎損耗第五十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1.吸收損耗本征吸收:紅外吸收,紫外吸收雜質(zhì)吸收:鐵、銅等過渡金屬離子和OH離子(非本征)。公式估算紅外吸收的損耗系數(shù)：其中是工作波長，單位為m，當=1.55m時ir0.02dB/km，其影響較小。但當=1.70m時，ir0.32dB/km?？梢娂t外吸收影響了工作波長向更長波長方向發(fā)展。公式估算紫外吸收的損耗系數(shù)：其中，B是摻鍺的重量百分比，當=1.31m，B=3.5%時，uv1.75×102dB/km。但當=0.60m時，uv1.00dB/km。可見紫外吸收隨減少和摻鍺濃度增加而增加.

第五十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.線性散射

瑞利散射比光波長小得多的粒子引起的散射(本征)

米氏散射與光波同樣大小的粒子引起的散射(本征)引起光纖損耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有與短波長的1／λ4成正比的性質(zhì)，即：αR=A／λ4。對摻鍺的光纖而言，A≈0.63dBμm4／km。對于λ=0.85、1.31、1.55μm時,則αR≈1.3、0.3、0.1dB／km。非線性散射(將在第5節(jié)介紹)

受激布里淵散射：存在于光能密度超過某一高值(本征)

受激拉曼散射：

(本征)4.附加損耗：張力、側(cè)壓、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎(非本征)。第五十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3.附加損耗：

張力、側(cè)壓、彎由、擠壓造成的宏彎和微彎圖2-18光纖的宏彎損耗（a）射線法解釋；（b）波動理論解釋。第五十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五*彎曲損耗

光纖的彎曲損耗有兩類：宏彎損耗和微彎損耗

1．光纖的宏彎損耗理論分析和實驗研究均表明：光纖彎曲（宏彎）時，當曲率半徑R大于一個臨界值RC（R＞RC）時，因彎曲而引起的附加損耗很小，以致可以忽略不計；當R<RC，附加損耗按指數(shù)規(guī)律迅速增加。因此確定臨界值RC，對于光纖的研究、設計和應用都很重要。第五十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五*單模光纖彎曲損耗的估算公式為式中,R為光纖彎曲半徑、C1、C2與R無關常數(shù)。臨界彎曲半徑估算RC為：第六十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五表2-6光纖的傳輸損耗

第六十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.4.2色散特性和帶寬色散產(chǎn)生：由于光纖中的光信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸群速度不同，從而引起色散。隨著摻鉺光纖放大器EDFA（ErbiumDopedOptical－FiberAmplifier）、波分復用WDM（WaVelengthDivisionMultiPlexing）技術在光纖通信系統(tǒng)中的商用化后，光纖色散便成為最熱門的研究課題之一。第六十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五在具體弄清色散的致因、種類及相互作用的前提下，設法設計和制造出優(yōu)質(zhì)的、小色散的光纖，以滿足光纖通信系統(tǒng)的高速率、大容和遠距離傳輸?shù)男枨?。光纖色散主要有：模式色散、材料色散、波導色散和偏振色散等。在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于光纖中的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速度不同，從而引起色散。第六十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五多模光纖：模式色散、材料色散、波導色散等。單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導色散和偏振色散組成。這三個色散都與波長有關，所以單模光纖的總色散也稱為波長色散。光纖的色散單位：ps/km光纖的色散系數(shù)單位D（λ）：ps/nm.km第六十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1.模式色散常用時延差表示色散程度。時延差越大，色散就越嚴重。第六十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五模式色散

在多模階躍光纖中，傳輸最快和最慢的兩條光線分別是沿軸心傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖4-18所示。因此，在階躍型多模光纖中最大色散是光線②所用時間τmax和光線①所用時間τmin到達終端的時間差△τmax：△τmax=τmax－τmin根據(jù)幾何光學，設在長為L的光纖中，光線①和②沿軸方向傳播的速度分別為c/n1和c/n1sinθc。因此光纖的模式色散為：

第六十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五

2.材料色散由于光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，使得光信號各頻率的群速度不同，引起傳輸時延差的現(xiàn)象，稱為材料色散。設光源譜寬為Δλ，單位長度光纖的時延差用Δτ表示:則由上式所示，時延差與光源的相對帶寬成正比。因此采用窄譜寬激光器做光源有利減少色散。Δτ的單位是ps/km。*Δτ=D×Δλ;Δλ:光源譜寬,D:色散系數(shù)第六十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3.波導色散=Dw×△λ×L

（ps／nm·km）在不同的波長下，其相位常數(shù)β不同，從而群速度不同，引起色散。第六十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．偏振色散PMD單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導色散和偏振模色散組成。這三個色散都與波長有關，所以單模光纖的總色散也稱為波長色散。光纖中的光傳輸可描述完全是沿X軸振動和完全是沿Y軸上的振動或一些光在兩個軸上的振動，如圖2-12所示。每個軸代表一個偏振“?！?。兩個偏振模的到達時間差稱為偏振模色散PMD（PolanzationModeDispertion）。PMD的度量單位為微微秒(ps)。光纖的PMD系數(shù)表示的單位為ps/km。第六十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五5.光纖的帶寬

D：光纖色散系數(shù)（ps/nm.km）；△λ：光源譜寬（nm）；B0：光纖的帶寬（MHz）；常數(shù)：ε=0.115（多縱模激光器）,ε=0.306（單縱模激光器）第七十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.4.3單模光纖的雙折射及偏振特性

．基本概念1）理想的單模光纖：傳輸模式是線極化波LP01，即用LP01x和LP01y，兩模式有相同的相位常數(shù)βx=βy，它們是相互簡2）光纖的雙折射：光纖的不完善，將使兩模式之間的簡并被破壞βx≠βy。這種現(xiàn)象叫作模式雙折射。

第七十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3）光纖雙折射危害由于雙折射，兩種模式的群速度不同，因而引起偏振（極化）色散。4）雙折射的利用保偏光纖即是利用光纖的雙折射特性制成的。第七十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五1．線雙折射的參數(shù)（1）線雙折射率ΔβL：它定義為兩正交線偏振模的相位常數(shù)之差。ΔβL＝βx-βy*歸一化雙折射率B：它是線雙折射率ΔβL與真空中的波數(shù)k0之比。B=ΔβL/k0=（βx-βy）/k0=nx-ny=Δneff式中：nx，ny是LP01x，LP01y模的等效折射指數(shù)；Δneff是等效折射指數(shù)差。一般單模光纖的B值為10-5~10-6之間:當B<10-6時為低雙折射光纖(LB),當B>10-5時為高雙折射光纖(HB).第七十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（2）拍長LB：

拍長LB即偏振態(tài)完成一個周期變化的光纖長度，叫作拍長。如圖2-22所示。在一個拍長上，兩正交偏振光的相位差變化2π，因而有ΔβL×LB＝2π。

LB＝2π/ΔβL＝λ0/B第七十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五圖2-22光纖雙折射的偏振態(tài)在一個拍長上的演化

第七十五頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（3）消光比和功率耦合系數(shù)

如在光纖輸入端激發(fā)x方向的線偏振模，其功率為Px，由于耦合，在光纖的輸出端出現(xiàn)了y方向的線偏振模，其功率為Py。用消光比η和功率耦合系數(shù)h來表示這一對正交線偏振模的耦合作用η=10lgtan（hL）=10lg(Px/Py)η越大說明光纖的保偏能力強。式中：L是光纖長度。這兩參數(shù)說明光纖的保偏能力，η、h越大保偏能力越強。

第七十六頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．線雙折射的成因

線雙折射歸為兩類:幾何雙折射應力雙折射第七十七頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五（1）幾何雙折射

其截面如圖2-21所示，長軸2a，在x方向；短軸2b在y方向。橢圓度e=1-（b／a）2。當橢圓度e<<1，歸一化頻率V≈2.4［V值按平均光纖芯徑（a＋b）/2計算］的情況下，雙折射率為：

第七十八頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五(2)應力雙折射（如圖2-14所示）

圖2-14(a)光纖彎曲，(b)光纖側(cè)向受應力第七十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五應力雙折射產(chǎn)生原因：光纖受應力作用光纖受力時，引起了彈性形變，通過光彈效應,該形變又引起折射指數(shù)的變化，使材料變?yōu)楦飨虍愋?，從而呈現(xiàn)出雙折射。由機械應力引起的折射率變化稱為彈光效應。如沿晶體主軸方向加單向機械應力σ,則沿此力方向折射率n要發(fā)生變化，其表達式為:式中a’，b’為常數(shù)。改變σ之方向，物體就由受拉變成受壓，相應的n值也隨之變化。

第八十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五3．線雙折射的影響單模光纖的偏振色散由于存在雙折射，單模光纖中基模LP01x和LP01y的相位常數(shù)βx≠βy，從而引進偏振色散。設這兩個模式傳輸單位長度所用的時間各為τx，τy，于是單位長度上產(chǎn)生的時延差為：第八十一頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.5光纖的非線性效應(損耗)

2.5.1非線性效應產(chǎn)生

因大的光功率引起信號與光纖的相互作用而產(chǎn)生各種非線性效應。光纖的非線性可分為兩類：非線性受激散射折射率擾動

第八十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2.5.2受激散射受激散射—指光場把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)1．受激拉曼散射SRS（StimulatedRamanScattering）SRS是當入射一個強光信號，在光纖中引發(fā)了介質(zhì)中的分子振動對入射光的相互作用,從而使入射光產(chǎn)生散射——拉曼非線性效應發(fā)生了。這些分子振動對光信號調(diào)制后，產(chǎn)生新的光頻，從而對入射光產(chǎn)生散射作用。第八十三頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五設入射光頻率為ωp，介質(zhì)分子振動頻率為ωv則散射光頻率為ωS=ωp-ωv和ωaS=ωp+ωv這種現(xiàn)象叫受激拉曼散射。ωS散射光叫斯托克斯波。斯托克斯波：使一個入射光子消失，產(chǎn)生了一個頻率下移ωS光子（即Stoker波）和另一個頻率上移ωaS光子。SRS散射光是以前后兩個方向傳播的，但是可采用光隔離器來消除后向傳輸?shù)墓夤β?。ωaS散射光叫反斯托克斯波。

SRS散射光是以前后兩個方向傳播的？第八十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五對典型的單模光纖，受激拉曼