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(dǎo)，它引導(dǎo)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(qiáng)構(gòu)件以及外護(hù)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(guān)的單模光纖，如色散平坦光纖（DFF）和色散補(bǔ)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(duì)于四次群以下的光纖通信系統(tǒng)較為實(shí)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(yīng)用最廣泛光纖。主要應(yīng)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(fù)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(diǎn)是易受非線性影響，并產(chǎn)生較嚴(yán)重的四波混頻效應(yīng)（FWM），它不支持波分復(fù)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(yīng)，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(jìn)一步擴(kuò)大可利用的波長范圍以增加波道數(shù)，在G.655基礎(chǔ)上人們想到了利用S+C+L三個(gè)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(diǎn)是在1310~1550nm波段內(nèi)為低色散?？膳cG.652光纖配合使用，降低光纖總色散DCF光纖優(yōu)點(diǎn)是在1550nm內(nèi)有很大的負(fù)色散，主要用于與G.652光纖配合使用由1310nm擴(kuò)容升級(jí)至1550nm時(shí)進(jìn)行色散補(bǔ)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(dǎo),分析導(dǎo)光原理很復(fù)雜,可用兩種理論進(jìn)行即射線理論和波動(dòng)理論.首先采用射線理論分析導(dǎo)光原理然后用波動(dòng)理論討論導(dǎo)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(xué)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(dú)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(jìn).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(dāng)θ2=90°時(shí)對(duì)應(yīng)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(dāng)一束光線從光纖端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中有兩種運(yùn)行的光線：一種是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)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(shí)的軌跡不在同一個(gè)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(dǎo)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(shí),所對(duì)應(yīng)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(dá)示因?yàn)?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(gè)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(guān)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(huì)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(dǎo)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(diǎn)符合下列關(guān)系：n(r0)cosθz0=n(r)cosθz

在轉(zhuǎn)析點(diǎn)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(shè)θz0所對(duì)應(yīng)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?cái)?shù)值孔徑在漸變折射率光纖中，相對(duì)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?cái)?shù)值孔徑。設(shè)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(diǎn)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(dòng)理論又稱為模式理論用來嚴(yán)格分析光纖的導(dǎo)光原理.運(yùn)用波動(dòng)理論的目的:求出光場(chǎng)的表達(dá)示,再用電磁場(chǎng)理論找出哪些模式光可以在光纖里傳輸.2.2.2用波動(dòng)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(dòng)理論分析光纖的導(dǎo)光原理先設(shè)法解出光波導(dǎo)中場(chǎng)的縱向分量Ez、Hz,再解出各個(gè)橫向場(chǎng)分量Er、Eθ、Hr、Hθ。式中，Ez為電場(chǎng)在z軸的分量。選用圓柱坐標(biāo)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(biāo)中展開，得到電場(chǎng)的z分量Ez的波動(dòng)方程為：1．標(biāo)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(gè)變量乘積形式，即設(shè)試探函數(shù)為設(shè)試探函數(shù)為

導(dǎo)波沿光纖軸向變化規(guī)律

導(dǎo)波沿圓周方向的變化規(guī)律

為導(dǎo)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(yīng)為振蕩解，故其解取貝塞爾函數(shù)；在包層中部應(yīng)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(guān)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(biāo)量解

第三十二頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五2．標(biāo)量解的特征方程標(biāo)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(biāo)量模及其特性

(1)大V值（遠(yuǎn)離截止）情況下U值光纖中的U和W值與V值有關(guān),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(chǎng)完全集中在纖芯中，在包層中的場(chǎng)為零。因V=2πn1(2△)1/2a/λ0,所以有（a/λ0）→∞。此時(shí)光波相當(dāng)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(yīng)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(yuǎn)離截止情況時(shí)的U值U=μmn式中,μmn代表m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)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(dǎo)行LPmn模的U值

對(duì)于一對(duì)m、n值，就有一確定的U值，從而就有確定的W及β值。對(duì)應(yīng)著一確定的場(chǎng)分布和傳輸特性。這個(gè)獨(dú)立的場(chǎng)分布就叫做光纖中的一個(gè)模式。稱這種模為標(biāo)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(duì)應(yīng)模式的場(chǎng)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(chǎng)(光場(chǎng))在圓周方向按余弦規(guī)律變化：當(dāng)m=0時(shí)，圓周上電場(chǎng)無變化當(dāng)m=1時(shí)在θ在0--2π沿圓周出現(xiàn)1對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(dāng)光纖中導(dǎo)波變?yōu)檩椛淠r(shí),認(rèn)為導(dǎo)波截止.當(dāng)W→∝時(shí),導(dǎo)波的場(chǎng)在纖芯外衰減的.當(dāng)W→0時(shí),導(dǎo)波截止(相當(dāng)于射線理論中θ1<θc)導(dǎo)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(dāng)m=0時(shí)，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(dāng)m=1時(shí)，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0---J0(Uc)=0當(dāng)m≠0時(shí)，也可求出相應(yīng)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(guān)系對(duì)某一光纖的每一個(gè)模式，都對(duì)應(yīng)有一個(gè)截止波長λc(Vc).當(dāng)工作波長λ0＜λc時(shí),該模式可以傳輸當(dāng)工作波長λ0＞λc時(shí)，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(dāng)光纖的V＜Vc時(shí),該模式就截止了

當(dāng)光纖的V＞Vc時(shí),該模式可以傳輸.因?yàn)?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(chǎng)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(guān)，與光纖的長度及傳輸狀態(tài)無關(guān)。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(duì)芯／包層同心度、不圓度等。1）纖芯直徑——對(duì)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(shí)對(duì)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(guān)系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。ITU-T對(duì)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?cái)?shù)值孔徑為：數(shù)值孔徑的定義為：（2.30）3．?dāng)?shù)值孔徑第五十頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五4．模場(chǎng)直徑模場(chǎng)直徑的定義，其定義是設(shè)LP01模的電場(chǎng)強(qiáng)度分布為E(r)=E0exp(r2/W20)，取其最大值的E0/e處所對(duì)應(yīng)光纖橫截面徑向r上兩點(diǎn)之間的寬度為模場(chǎng)直徑，用2W0表示。模場(chǎng)直徑估算為：模場(chǎng)直徑估算：單模光纖由模場(chǎng)直徑代替纖芯直徑。ITU-T規(guī)定模場(chǎng)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(shí)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(shí)際中，對(duì)這四種截止波長有以下關(guān)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(dāng)Z=L時(shí))在光纖上兩個(gè)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(yīng)（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(dòng)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(dòng)折射率在微觀上的隨機(jī)起伏光散射

~

1/λ4

b.波導(dǎo)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(dāng)=1.55m時(shí)ir0.02dB/km，其影響較小。但當(dāng)=1.70m時(shí)，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(dāng)=1.31m，B=3.5%時(shí)，uv1.75×102dB/km。但當(dāng)=0.60m時(shí)，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(duì)摻鍺的光纖而言，A≈0.63dBμm4／km。對(duì)于λ=0.85、1.31、1.55μm時(shí),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(dòng)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(shí)驗(yàn)研究均表明：光纖彎曲（宏彎）時(shí)，當(dāng)曲率半徑R大于一個(gè)臨界值RC（R＞RC）時(shí)，因彎曲而引起的附加損耗很小，以致可以忽略不計(jì)；當(dāng)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(duì)于光纖的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)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(guān)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(hào)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(fù)用WDM（WaVelengthDivisionMultiPlexing）技術(shù)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(shè)法設(shè)計(jì)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(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨?。光纖色散主要有：模式色散、材料色散、波導(dǎo)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(hào)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(dǎo)色散等。單模光纖中只傳輸基模LP01，總色散由材料色散、波導(dǎo)色散和偏振色散組成。這三個(gè)色散都與波長有關(guān)，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(shí)延差表示色散程度。時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)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(shí)間τmax和光線①所用時(shí)間τmin到達(dá)終端的時(shí)間差△τmax：△τmax=τmax－τmin根據(jù)幾何光學(xué)，設(shè)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(hào)各頻率的群速度不同，引起傳輸時(shí)延差的現(xiàn)象，稱為材料色散。設(shè)光源譜寬為Δλ，單位長度光纖的時(shí)延差用Δτ表示:則由上式所示，時(shí)延差與光源的相對(duì)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(dǎo)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(dǎo)色散和偏振模色散組成。這三個(gè)色散都與波長有關(guān)，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(dòng)和完全是沿Y軸上的振動(dòng)或一些光在兩個(gè)軸上的振動(dòng)，如圖2-12所示。每個(gè)軸代表一個(gè)偏振“?！薄蓚€(gè)偏振模的到達(dá)時(shí)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(dāng)B<10-6時(shí)為低雙折射光纖(LB),當(dāng)B>10-5時(shí)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(gè)周期變化的光纖長度，叫作拍長。如圖2-22所示。在一個(gè)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(gè)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(duì)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(qiáng)。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(qiáng)。

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(yīng)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(dāng)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(jì)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(yīng)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(yīng)力第七十九頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五應(yīng)力雙折射產(chǎn)生原因：光纖受應(yīng)力作用光纖受力時(shí)，引起了彈性形變，通過光彈效應(yīng),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(jī)械應(yīng)力引起的折射率變化稱為彈光效應(yīng)。如沿晶體主軸方向加單向機(jī)械應(yīng)力σ,則沿此力方向折射率n要發(fā)生變化，其表達(dá)式為:式中a’，b’為常數(shù)。改變?chǔ)抑较?，物體就由受拉變成受壓，相應(yīng)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(jìn)偏振色散。設(shè)這兩個(gè)模式傳輸單位長度所用的時(shí)間各為τx，τy，于是單位長度上產(chǎn)生的時(shí)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(yīng)(損耗)

2.5.1非線性效應(yīng)產(chǎn)生

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

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(chǎng)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(dāng)入射一個(gè)強(qiáng)光信號(hào)，在光纖中引發(fā)了介質(zhì)中的分子振動(dòng)對(duì)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(yīng)發(fā)生了。這些分子振動(dòng)對(duì)光信號(hào)調(diào)制后，產(chǎn)生新的光頻，從而對(duì)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(shè)入射光頻率為ωp，介質(zhì)分子振動(dòng)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(gè)入射光子消失，產(chǎn)生了一個(gè)頻率下移ωS光子（即Stoker波）和另一個(gè)頻率上移ωaS光子。SRS散射光是以前后兩個(gè)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(gè)方向傳播的？第八十四頁，共九十三頁，編輯于2023年，星期五對(duì)典型的單模光纖，受激拉曼