光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)波特性-張慶堂

光纖的結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)特性光源調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光纖主要內(nèi)容：光纖的導(dǎo)光原理與結(jié)構(gòu)特性的射線分析階躍光纖的模式理論單模光纖的色散光纖損耗光纖的非線性效應(yīng)光纖光纜設(shè)計(jì)與制造

光的基本特性光的波動(dòng)性17世紀(jì)意大利格里馬蒂和英國胡克觀測(cè)到光的衍射現(xiàn)象1690年海牙物理學(xué)家惠更斯提出光的波動(dòng)性學(xué)說1801年托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1817年菲涅爾解釋并重新演示了光的衍射1865年麥克斯韋發(fā)表電磁場(chǎng)理論并預(yù)言光是一種電磁波1888年赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言光兩種典型的傳播方式假設(shè)光在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播定義：具有相同相位的點(diǎn)的集合稱為光的等相面或者波前性質(zhì)：光的傳播方向垂直于波前點(diǎn)光源球面波前平面波前光線平面波光波是一個(gè)橫波，其傳播方向垂直于電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)的振動(dòng)方向(1821年，菲涅爾)給定一個(gè)空間直角坐標(biāo)系O-xyz，假設(shè)一列平面波始終沿z方向傳播，那么這列波可測(cè)量的電場(chǎng)可以表示為：其中：e為電場(chǎng)振動(dòng)方向

w為光的角頻率

k=2p/l為傳播常數(shù)，表征相位變化的快慢E(z,t)=eEcos(

t-kz)Oxzee偏振態(tài)根據(jù)光的電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以將光分為：線偏振光橢圓偏振光圓偏振光Oyxzee線偏振光電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線的光稱為線偏振光，它可以表示為兩個(gè)相互正交的線偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0xcos(

t-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(

t-kz+

)這兩個(gè)垂直分量之間的相位差滿足d=2mp,其中m=0,±1,±2,…qE0yE0x橢圓偏振光(d

≠2mp,m=0,±1,±2,…)橢圓偏振光圓偏振光特別地，當(dāng)兩個(gè)相互正交的分量E0x=E0y=E0，且二者之間的相位差d=±p/2+2mp時(shí)，橢圓偏振光變成圓偏振光：迎著光傳播的方向觀察，根據(jù)d取p/2和-p/2，圓偏振光分為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光光的量子特性光的粒子性：光電效應(yīng)(1887年赫茲發(fā)現(xiàn)，1905年愛因斯坦成功解釋)1.光能量的發(fā)射與吸收總是以光量子的離散形式進(jìn)行的2.光子的能量僅與光子的頻率有關(guān)一個(gè)頻率為n的光子能量為

E=hn

其中h=6.63

10-34J·s為普朗克常數(shù)在光的照射下，金屬是否發(fā)射電子，僅與光的頻率相關(guān)，而與光的亮度和照射時(shí)間無關(guān)。不同的金屬材料要求不同的光照頻率。

基本的光學(xué)定律和定義光速c=3

108

m/s波長：

=c/v當(dāng)光在媒介中傳播時(shí)，速度cm=c/n常見物質(zhì)的折射率：空氣

1.00027； 水1.33； 玻璃(SiO2)1.47； 鉆石2.42； 硅3.5折射率大的媒介稱為光密媒介，反之稱為光疏媒介光在不同的介質(zhì)中傳輸速度不同光的反射定律[兩種不同媒介的界面]反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，且反射角等于入射角：qin=qr光的折射定律(Snell定律)折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sin

1=n2sin

2光的全反射n1

sinfc=n2sin90°

[

fc

=sin-1(n2/n1),n1>n2]玻璃的折射率為1.50，空氣的折射率為1.00，如果一束光從玻璃入射到玻璃-空氣界面，那么，當(dāng)入射角大于42度時(shí)，入射光將發(fā)生全反射。fc光密媒質(zhì)光疏媒質(zhì)全反射光的相移q1<p/2-fc全反射中，光電場(chǎng)的垂直分量的相移(dN)和平行分量的相移(dp)空氣與玻璃界面n=n1/n2

fcq1<p/2-fcfc48偏振態(tài)按光平面分解垂直分量水平分量fc

=42度

光纖概述60年代，光纖損耗超過1000dB/km1970年出現(xiàn)突破，光纖損耗降低到約20dB/km(1m附近波長區(qū))1979年，光纖損耗又降到0.2dB/km(在1.55m處)

－－低損耗光纖的問世導(dǎo)致了光波技術(shù)領(lǐng)域的革命，開創(chuàng)了光纖通信的時(shí)代。2.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫伞９饫w中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點(diǎn)：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。芯包層樹脂被覆層纖芯的作用——約束光的傳輸。包層的作用——形成光波導(dǎo)效應(yīng)。涂敷層的作用——保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)增加光纖的柔韌性。光纖類型根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為突變型漸變型不同的折射率分布，傳輸特性完全不同光纖的分類按截面折射率分布突變型光纖漸變型光纖雙包層（W型）三角分布--色散位移光纖(DSFG.653),非零色散位移光纖(NZ-DSFG.655)按傳輸模式數(shù)目單模光纖多模光纖按材料石英光纖塑料光纖液體光纖按波長短波長光纖（0.85μm）長波長光纖（1.31μm/1.55μm）ITU-T標(biāo)準(zhǔn)光纖G.652：普通單模光纖（SMF）G.653：色散位移光纖(DSF)G.655：非零色散位移光纖(NZ-DSF),產(chǎn)品：康寧LEAF；長飛：大保實(shí)特種光纖:保偏光纖（PMF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）摻鉺光纖（EDF）等實(shí)用光纖的基本類型突變型多模光纖光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。信號(hào)畸變大。漸變型多模光纖光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。信號(hào)畸變較小。單模光纖光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。光纖中傳輸一個(gè)模式，信號(hào)畸變很小。光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖

2a=50m單模光纖

2a=4~10m外徑：2b=125m常用的特種單模光纖：雙包層光纖（W型光纖）如圖（a）三角芯光纖如圖（b）橢圓芯光纖如圖（c）雙包層光纖（W型光纖）折射率分布為W形，具有兩個(gè)包層，a

/a≤2。用途：色散平坦光纖（Dispersion-FlattenedFiber,DFF）：1.3

1.6μm之間色散變化很小。色散位移光纖（Dispersion-ShiftedFiber,DSF）。三角芯光纖折射率分布呈三角形，改進(jìn)的色散位移光纖。非零色散光纖特點(diǎn)：在1.55μm有微量色散。有效面積較大。適合于密集波分復(fù)用和孤子傳輸?shù)拈L距離系統(tǒng)使用。（康寧－長距離系統(tǒng)光纖）橢圓芯光纖雙折射光纖（偏振保持光纖）特點(diǎn)：纖芯折射率分布呈橢圓形。具有強(qiáng)雙折射特性。突變型多模光纖：小容量（8Mb/s以下）短距離（幾km以內(nèi)）系統(tǒng)。漸變型多模光纖：中等容量（34

140Mb/s）中等距離（10

20km）系統(tǒng)。單模光纖：大容量（565Mb/s

2.5Gb/s）長距離(30km以上)系統(tǒng)。色散位移光纖：10Gb/s、100km的超大容量超長距離系統(tǒng)。色散平坦光纖：波分復(fù)用系統(tǒng)。三角芯光纖：有利于提高入纖光功率，增加傳輸距離。偏振保持光纖：采用外差接收方式的相干光系統(tǒng)。塑料光纖聚合物(塑料)光纖(POF)：用于用戶接入。盡管塑料光纖與玻璃光纖相比有更大的信號(hào)衰減，但韌性好，更為耐用直徑大10~20倍，連接時(shí)允許一定的差錯(cuò)，而不致犧牲耦合效率廉價(jià)的塑料注入成形技術(shù)，可用于制造光連接器、光分路器和收發(fā)設(shè)備。2.2光纖的幾何光學(xué)分析幾何光學(xué)方法－突變型光纖根據(jù)全反射原理：θi<θimax：光線將在纖芯和包層的交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，以折線形狀向前傳播。θi=θimax：光線以

c入射到交界面，折射角為90°，沿交界面向前傳播。θi>θimax：光線在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失。NA越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，纖芯對(duì)能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。從公式上看，△越大，NA越大，光纖的收光效果越好。但△太大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，?huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的模間色散，限制了信息傳輸容量。圖比特間隔示意圖子午光線：通過纖芯軸線的光線約束光線：約束在纖芯內(nèi)部傳播的光線非約束光線：將折射到纖芯外面偏斜光線：與光軸軸線不相交只考慮了通過纖芯軸線的光線的全反射。即使同是子午光線，不同入射角的光線在光纖內(nèi)損耗也不一樣。只是粗略估算。幾何光學(xué)方法－漸變型光纖漸變折射率光纖的折射率分布——“

分布”其中，a為光纖芯半徑，r為光線離軸線的徑向距離。參數(shù)

決定折射率分布。突變型光纖，

＝∞當(dāng)

=2

時(shí)，折射率為拋物線分布。拋物線型光纖幾乎沒有多徑或模間色散。在階躍光纖中光線以曲折的鋸齒形狀向前傳播，而在漸變光纖中則以一種正弦振蕩形式向前傳播。入射角大的光線路徑長,由于折射率的變化,光速在沿路徑變化,雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短,但軸線上折射率最大,光傳播最慢.斜光線大部分路徑在低折射率的介質(zhì)中傳播，雖然路徑長，但傳輸快。通過合理設(shè)計(jì)折射率分布,使光線同時(shí)到達(dá)輸出端，降低模間色散。傍軸近似下，光線軌跡為

=2時(shí)，通解為其中，P=(2n1/a2)1/2，r0和r0

分別為入射光線的位置和方向。z=2mπ/P處，所有光線回復(fù)到初始位置和方向，即所有光線的軸向速度相等，不再出現(xiàn)模間色散。注意：基于幾何光學(xué)和傍軸近似，對(duì)于實(shí)際光纖并不嚴(yán)格成立，總是會(huì)存在一定色散。更嚴(yán)格的分析發(fā)現(xiàn)，模間色散

T/L隨

而變。最小色散發(fā)生在

＝2(1－

)此時(shí)，

T/L=n1

2/8c利用B

T<1,則BL<8c/(n1

2)優(yōu)化設(shè)計(jì)的漸變光纖，數(shù)據(jù)以100Mb/s的速率傳輸100km，其BL積達(dá)約10(Gb/s).km，比階躍光纖提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。第一代光波系統(tǒng)就是使用的漸變光纖。P20圖2.4模間色散問題的更好解決方案

——單模光纖單模光纖不存在模間色散，因此能進(jìn)一步提高信道容量。當(dāng)2a與λ可比擬時(shí)（如：單模光纖），射線理論不再適用。2.3突變光纖的波動(dòng)光學(xué)分析幾何光學(xué)方法對(duì)光纖中光線傳播可提供直觀圖象，但是對(duì)傳輸特性只提供近似結(jié)果。必須用電磁理論分析電磁場(chǎng)的分布性質(zhì)，更準(zhǔn)確獲得光纖的傳輸特性。分析思路：2.3.1波動(dòng)方程光是電磁波，用波動(dòng)理論來分析電磁場(chǎng)的分布，獲得更準(zhǔn)確的光纖的傳輸特性必須從麥克斯韋方程組出發(fā)：電流密度J＝0。電荷體密度

=0

。E、H、B、D之間關(guān)系為：

0、

0分別為真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為感應(yīng)電極化強(qiáng)度和感應(yīng)磁極化強(qiáng)度。光纖為玻璃材質(zhì)（不具備磁性），則M＝0。只考慮感應(yīng)電極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度具有線性關(guān)系，有：χ為線性極化率，一般為二階張量，在這里假設(shè)光纖為各向同性，因此χ為一個(gè)標(biāo)量。設(shè)光纖無損耗，在光纖中傳播的為角頻率為ω的單色光，電磁場(chǎng)與時(shí)間t的關(guān)系為exp(jωt)，則波動(dòng)方程為：k0為真空中的波數(shù)：2.3.2光纖中的模式利用光纖的圓柱對(duì)稱性，將波動(dòng)方程寫成圓柱坐標(biāo)的形式：電場(chǎng)的z分量Ez的波動(dòng)方程為：討論包層無限大的理想光纖情況，對(duì)芯徑為a的突變光纖，折射率分布為用分離變量法求解：求得三個(gè)微分方程：具有Z=exp(iβz)形式的解。β為傳輸常數(shù)，表明場(chǎng)沿軸向方向傳播分量情況。具有Φ=exp(imφ)形式的解。表明場(chǎng)沿圓周角方向的分布。因?yàn)閳?chǎng)隨φ必須以2π為周期變化，所以m為整數(shù)。貝塞爾方程，表明場(chǎng)沿徑向方向的分布。對(duì)于突變型光纖：上式是貝塞爾函數(shù)的微分方程，可以有多種R（r）與β的組合滿足方程。每一個(gè)組合稱為一個(gè)模式。在纖芯中，要求具有振蕩特性，即在包層中，要求具有衰減特性，即所以傳播常數(shù)必須滿足的條件是對(duì)于突變型光纖，貝塞爾方程的解的形式為：A、A

、B、B

為常數(shù)；Jm為第一類貝塞爾函數(shù)；Ym為第二類貝塞爾函數(shù)；Km為第二類變型貝塞爾函數(shù)；Im為第一類變型貝塞爾函數(shù)；

、定義為導(dǎo)模在r=0時(shí)為有限值，Ym在r=0時(shí)不為零→A

=0導(dǎo)模在r=∞時(shí)為零，Im在r=∞時(shí)不為零→B

=0波動(dòng)方程的通解的形式為：同樣可以得到：A、B、C、D待定。貝塞爾函數(shù)Jm(

r)類似振幅衰減的正弦曲線。要求

2>0，否則場(chǎng)將衰減，即β<n1k0。修正的貝塞爾函數(shù)Km(

r)類似振幅衰減的指數(shù)曲線。

r→∞時(shí)，Km(

r)→exp(-

r)r→∞時(shí)，Km(

r)必須為零要求

>0，即β>n2k0。設(shè)光纖中的導(dǎo)波模式具有以下的形式：代入Maxwell方程的前兩個(gè)旋度方程得到六個(gè)電磁場(chǎng)分量方程：求出Ez、Hz后，由麥克斯韋方程組可得其他四個(gè)分量可以表示為：A、B、C、D四個(gè)常數(shù)表示出了光纖纖芯和包層的電磁場(chǎng)分布情況。這些常數(shù)必須滿足電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H在纖芯和包層分層界面上切向分量連續(xù)的邊界條件，即在r=a處有：可得A、B、C、D必須滿足的4個(gè)齊次方程。這些方程只有系數(shù)矩陣的行列式為零時(shí)，才有平凡解。在對(duì)貝塞爾函數(shù)的微分方程的求解過程中，應(yīng)用纖芯—包層邊界條件，求得：因無法導(dǎo)出β的解析表達(dá)式，只能數(shù)值求解。特征方程的解的一個(gè)重要結(jié)論：電磁場(chǎng)不是以連續(xù)的、而是以離散的模式在光纖中傳播。模式：βmn所對(duì)應(yīng)的這種空間分布，在傳播過程中只有相位變化，沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件，這種空間分布稱為模式。一個(gè)模式由βmn唯一確定。進(jìn)入光纖的光分解成稱為“模式”的離散光束，模式是在光纖內(nèi)部存在的穩(wěn)定的電磁場(chǎng)模型。每個(gè)模式可認(rèn)為是以特定傳播角傳播的一個(gè)獨(dú)立光束。以不同角度入射到光纖的射線將形成光纖中不同的模式。第一個(gè)下標(biāo)v是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示在纖芯沿方位角φ繞一圈電場(chǎng)變化的周期數(shù)。第二個(gè)下標(biāo)μ是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心(r=0)到纖芯與包層交界面(r=a)電場(chǎng)變化的半周期數(shù)。完全沿著光纖中心軸線傳播的模式稱為“基模”。模式的傳播角度越大，它的級(jí)就越高。最高級(jí)的模式就是以臨界角傳播的模式。只支持一個(gè)模式（基模）的光纖被稱作單模光纖。可支持多個(gè)模式的光纖為多模光纖。光纖中的電磁場(chǎng)模式不同于平面波導(dǎo)，一般Ez、Hz都不為零。當(dāng)方位角模數(shù)m=0時(shí)：在傳輸方向無磁場(chǎng)的模式稱為橫磁模TM0n。在傳輸方向無電場(chǎng)的模式稱為橫電模TE0n。當(dāng)m≠0時(shí)，電磁場(chǎng)六個(gè)分量都存在，E和H都擁有縱向（即沿著傳播方向z）分量，這些模式稱為混合模。磁場(chǎng)貢獻(xiàn)為主（Hz>Ez）——HEmn電場(chǎng)貢獻(xiàn)為主（Ez>Hz）——EHmn在弱導(dǎo)光纖中，Ez、Hz都近似零。存在的模式為線性偏振（LinearlyPolarized）模

——LPmn。為了方便起見，引入了模折射率（或有效折射率）：有效折射率的物理含義：表明該模式在折射率為的介質(zhì)中傳播。修正的貝塞爾函數(shù)Km(

r)類似振幅衰減的指數(shù)曲線。

r→∞時(shí)，Km(

r)→exp(-

r)r→∞時(shí)，Km(

r)必須為零，要求

>0。為了決定截止條件，定義歸一化頻率V：歸一化頻率V越大，能夠傳播的模式數(shù)就越多。還定義了一個(gè)歸一化傳播常數(shù)b：歸一化傳播常數(shù)

bV才是判斷單模和多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)LP模式LP(線極化模LinearlyPolarizedMode)是Gloge根據(jù)滿足相同近似特征方程,其相位周數(shù)簡并而提出的。LP模命名EHmn，HEmn(m≥1)均有sinm

和cosm

簡并

LP模原命名簡并模近似特征方程LPos(m=0)HE1s2LP1n(m=1)TE0nTM0nHE2n4LPmn(m≥2)EHm-1,nHEm+1,n4LP命名原有命名電場(chǎng)分布Ez場(chǎng)強(qiáng)分布LP01HE11LP11TE01TM01HE21LP21EH11HE31LPmn模與矢量模之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系狹義廣義歸一化頻率V越大，能夠傳播的模式數(shù)就越多。V值較高的光纖可以支持較多的模式，稱為多模光纖。模式數(shù)目隨V的減小快速減少。V=5，7個(gè)模式。當(dāng)V小于某個(gè)值，除HE11模式外，所有模式被截止。只支持一個(gè)模式（基模）的光纖被稱作單模光纖。光纖中可傳播的模式數(shù)M與V的關(guān)系（當(dāng)V>20時(shí)）：例：對(duì)于典型的漸變型光纖：NA＝0.275，纖芯直徑50μm，求當(dāng)工作在1310nm窗口時(shí)，光纖中可容納的模式數(shù)。2.3.3單模光纖1.階躍折射率分布光纖的單模條件單模光纖：除了HE11模外，其它模式均截止，只傳輸單個(gè)模式，這種光纖稱為單模光纖。HE11模稱為光纖的基模。歸一化頻率V決定了光纖傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)M，各模式的截止條件決定于V?；２粫?huì)截止——即使V值再小，基模也仍然存在。單模條件：由TE01、TM01模式達(dá)到截止時(shí)的V值確定。這兩個(gè)模式截止的條件是：階躍折射率光纖的（只傳輸HE11

模）單模條件是：單模光纖的截止波長：單模條件：由此可知：由上面兩式可得：2.模折射率與歸一化傳播常數(shù)：模折射率（有效折射率）：

由圖2.4中HE11模式b與V的曲線，可以近似得到：上式當(dāng)V在1.5~2.5范圍內(nèi)，誤差在0.2%以內(nèi)。3.單模場(chǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)Δ<<1時(shí)（弱導(dǎo)光纖），電場(chǎng)和磁場(chǎng)軸向的分量都很小，因此HE11?？山茷榫€偏振模LP01。對(duì)于線性極化模，設(shè)場(chǎng)的一個(gè)橫向分量為零，如令Ey＝0，則HE11模電場(chǎng)的Ex分量表示為：E0為決定于傳輸功率的一個(gè)常數(shù)，該模式的Hy分量表示為：上面的模式為沿x軸線性極化的模，同一根光纖還承載另一個(gè)沿y軸線性極化的模，所以單模光纖實(shí)際上承載兩個(gè)正交簡并的偏正模式，這兩個(gè)模式具有相同的模折射率。4.單模光纖的雙折射特性任何單模光纖中都存在兩個(gè)相互獨(dú)立且偏振面相互正交的簡并模式。由于光纖結(jié)構(gòu)的不完善，使得兩個(gè)相互簡并的模式在光纖中以不同的相速度傳播，光纖對(duì)它們具有不同的有效折射率，即雙折射效應(yīng)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象的原因：實(shí)際光纖的纖芯形狀不完善——不是理想的圓柱形。應(yīng)力不均勻也使光纖的圓柱對(duì)稱性受到破壞。結(jié)果：HE11偏振態(tài)相互正交的兩個(gè)簡并模雙折射程度的定義：兩個(gè)偏振模的模折射率的差(低雙折射光纖)10-8<B<10-3(高雙折射光纖)兩個(gè)簡并模在傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位差。當(dāng)二者相位差為2

整數(shù)倍時(shí)，則光的偏振態(tài)與入射點(diǎn)相同，此時(shí)稱該點(diǎn)處出現(xiàn)“拍”，兩個(gè)拍之間的間隔稱為拍長：單模光纖中的特有現(xiàn)象：光偏振態(tài)呈周期變化實(shí)際中，由于受到應(yīng)力影響，雙折射系數(shù)沿軸并非常量，因此線偏振光很快變成任意偏振光。d=0d<p/2d=p/2d>p/2d=2pLB雙折射現(xiàn)象帶來的影響：如果纖芯是理想圓柱形，這兩個(gè)正交的模式將以相同的速度傳播，并同時(shí)到達(dá)輸出端。如果圓柱對(duì)稱性出現(xiàn)了改變，這兩個(gè)模式就會(huì)以不同的速度傳播，導(dǎo)致脈沖展寬。偏振的不確定性對(duì)相干通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、接收將產(chǎn)生不良影響。解決雙折射問題的方法：減小單模光纖的不完善性。采用保偏光纖（線偏振光沿一個(gè)主軸偏振）人為引入較高的固定雙折射，壓低小的雙折射隨機(jī)波動(dòng)的影響。典型保偏光纖，B＝10－4。5.光斑尺寸單模光纖纖芯直徑的概念沒有實(shí)際意義，而常用模場(chǎng)直徑的概念。模場(chǎng)直徑(MFD)：光功率為e-2E0時(shí)的光場(chǎng)半徑寬度(E0為軸心的光功率)，即光纖截面的光斑尺寸。因?yàn)閳?chǎng)分布不完全局限在纖芯內(nèi)，有相當(dāng)部分處于包層中（約20％）。一般將光場(chǎng)近似作為高斯分布：實(shí)際場(chǎng)分布與高斯分布近似的結(jié)果符合得相當(dāng)好；高斯分布便于理論計(jì)算。A為常數(shù)，W為模場(chǎng)半徑，即光斑尺寸。在1.2<V<2.4區(qū)間內(nèi)，可用近似公式計(jì)算模場(chǎng)半徑：2a2w電場(chǎng)強(qiáng)度降到峰值的1/eE0/ee=2.718286.功率分布模式縱向傳輸（沿光纖軸向）的功率流在纖芯和包層兩個(gè)區(qū)域同時(shí)傳輸；大部分集中在芯區(qū)，小部分在包層內(nèi)傳輸。芯區(qū)功率流與總功率的比表征了基模功率在空間的集中程度。當(dāng)V=2時(shí)，有75％的光功率限制在纖芯內(nèi)傳輸。當(dāng)V=1時(shí)，比值降為20％。因此，大多數(shù)單模光纖V值設(shè)計(jì)在2～2.4之間。當(dāng)光纖的V值接近某個(gè)模式的截止值時(shí)，這個(gè)模式將有較多的功率進(jìn)入包層。在截止點(diǎn)上，模式功率幾乎全部進(jìn)入包層并輻射出去；如果光纖中有大量的模式存在，包層中總的平均光功率所占的比例可以近似等于：截止點(diǎn)2.405最低階模：包層20%；纖芯80%單模光纖中只有最低階模式HE11存在，它的光纖橫向光斑圖類似于左上角的截面圖：圓柱空心波導(dǎo)中的模式結(jié)論：低階模能量集中在波導(dǎo)中心，而模式階數(shù)越高橫截面直徑越大且能量分布越分散2.4光纖損耗衰減系數(shù)衰減機(jī)理衰減系數(shù)定義：P34圖衰減機(jī)理吸收損耗散射損耗輻射損耗產(chǎn)生光纖傳輸損耗的主要因素：石英紫外吸收損耗瑞利散射損耗雜質(zhì)吸收損耗雜質(zhì)及缺陷散射損耗彎曲輻射損耗連接損耗本征損耗紫外本征吸收對(duì)石英系光纖，當(dāng)波長短到紫外區(qū)域時(shí)，石英材料對(duì)光波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收。尾部可拖到通信頻段。這種損耗隨波長的增加而減小。紅外本征吸收石英材料在紅外波段有四個(gè)固有諧振頻率（9.1

m、12.5

m、21

m、36.4

m）。紅外吸收的尾部一直拖到1.5~1.7

m波段，形成石英系光纖工作波長的上限。瑞利散射損耗光纖材料密度起伏，造成折射率不均勻。散射強(qiáng)度與光波波長的四次方成反比。瑞利散射對(duì)短波長的光更為強(qiáng)烈。瑞利散射損耗是石英系光纖的最主要的本征損耗雜質(zhì)吸收損耗由于材料不純導(dǎo)致的損耗OH-離子（羥基）吸收最為嚴(yán)重。在1.39

m、

1.24

m、

0.95

m對(duì)光波產(chǎn)生諧振吸收。全波長光纖其次是一些過渡金屬離子的吸收損耗過渡金屬離子在可見光和近紅外波段有各自的吸收峰。彎曲損耗源于延伸到包層中的消逝場(chǎng)的尾部的輻射。宏彎損耗光纖的卷繞及必要的轉(zhuǎn)彎造成的。彎曲曲率半徑R較大。R越小，損耗越大。微彎損耗指光纖受到側(cè)向應(yīng)力而形成的微小形變。曲率半徑極小。模場(chǎng)直徑越大，彎曲損耗越大2.5光纖的非線性效應(yīng)原因：

(2)會(huì)引起二次諧波與混頻的產(chǎn)生。純石英光纖中通常不顯示二階非線性效應(yīng)。最低階非線性響應(yīng)為三階非線性。光纖的非線性效應(yīng)分類受激散射受激喇曼散射（SRS）受激布里淵散射（SBS）克爾效應(yīng)Kerreffect光纖的折射率隨輸入光功率的變化而產(chǎn)生的，它與輸入信號(hào)的波形有關(guān)。Kerr效應(yīng)可引起自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、四波混頻（FWM）、調(diào)制不穩(wěn)定（MI）和光孤子等五種不同的非線性效應(yīng)。Kerr效應(yīng)電場(chǎng)中，光纖極化強(qiáng)度P可表示為：忽略高階（>3）非線性效應(yīng)光強(qiáng)較弱時(shí)，光纖是線性介質(zhì)，P=PL，n2=1+

(1)光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，PNL0假設(shè)光場(chǎng)為x方向的線偏振光則光纖在強(qiáng)場(chǎng)情況下的折射率為：自相位調(diào)制（SPM）光信號(hào)強(qiáng)度隨t變化n變對(duì)本身相位產(chǎn)生調(diào)制若不考慮光纖損耗光纖光纜設(shè)計(jì)與制造光纖的結(jié)構(gòu)：光纖是由折射率稍低于纖芯的包層包裹圓柱型纖芯組成的。纖芯和包層都用石英作為基本材料在纖芯中摻入GeO2和P2O5可適當(dāng)提高折射率；在包層中摻入B2O3可降低折射率。在光纖設(shè)計(jì)主要考慮：折射率分布摻雜成分摻雜量幾種典型的折射率分布：由纖芯摻入GeO2，以得到相對(duì)折射率差△=3×10-3，工作波長設(shè)計(jì)在

=1.3m附近由纖芯摻入