光纖傳輸原理及特性

1、光纖傳輸原理及特性 第第2章章 光纖傳輸原理及傳輸特性光纖傳輸原理及傳輸特性 本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要：n光纖和光纜的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型n光纖的傳輸原理分析 n光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(光學(xué)和幾何特性) n光纖傳輸特性 n光纖的非線性效應(yīng) n光纖的機(jī)械與溫度特性 光纖傳輸原理及特性2.1 光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類(lèi)型光纖與光纜的結(jié)構(gòu)光纖？光纜？光纖？光纜？ 所謂“光纖光纖”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。 光纖傳輸原理及特性 2.1.1光纖結(jié)構(gòu)及類(lèi)型光纖結(jié)構(gòu)及類(lèi)型 圖2-1 光纖結(jié)構(gòu)光纖傳輸原理及特性2.光纖分類(lèi)光纖分類(lèi)按

2、模式來(lái)分1)多模光纖（Step-Index Fiber/ Graded-Index Fiber） 2)單模光纖：雙包層光纖三角芯光纖 圖2-3 典型特種單模光纖SiO2+GeO2SiO2+FSiO2光纖傳輸原理及特性橢圓芯光纖：保偏單模光纖。熊貓光纖：保偏狀態(tài)；蝴蝶光纖：保偏狀態(tài) 光纖的用途？光纖傳輸原理及特性n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(jiàn)表

3、2.1和表2.2 3)按ITU-T已提出的規(guī)范建議，光纖類(lèi)別光纖傳輸原理及特性光纖類(lèi)型適 用 范 圍G.651光纖工作在850 nm的短波長(zhǎng)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1 310 nm波長(zhǎng)性能最佳，是目前應(yīng)用最廣泛光纖。主要應(yīng)用在1 310 nm波長(zhǎng)區(qū)開(kāi)通長(zhǎng)距離622 Mbit/s及其以下系統(tǒng)，在1 550 nm波長(zhǎng)區(qū)開(kāi)通2.5 Gbit/s，10 Gbit/s和n2.5 Gbit/s波分復(fù)用系統(tǒng)G.653光纖在1 550 nm工作波長(zhǎng)衰減系數(shù)和色散系數(shù)均最小。主要用于長(zhǎng)距離、高速率，如10 Gbit/s以上系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是易受非線性影響，并

4、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1 550 nm波長(zhǎng)衰減系數(shù)最小，抗彎曲性能好。主要用于長(zhǎng)距離海底系統(tǒng)G.655光纖在1 550 nm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10 Gbit/s以上G.656光纖進(jìn)一步擴(kuò)大可利用的波長(zhǎng)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1 5401 625 nm波段，色散系數(shù)為214 ps/（nm.km）DFF光纖優(yōu)點(diǎn)是在1 3101 550 nm

5、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1 550 nm內(nèi)有很大的負(fù)色散，主要用于與G.652光纖配合使用由1 310 nm擴(kuò)容升級(jí)至1 550 nm時(shí)進(jìn)行色散補(bǔ)償表2.1 各種光纖適用范圍光纖傳輸原理及特性3).以纖芯折射率以纖芯折射率n1(r): 階躍型光纖階躍型光纖;漸變型光漸變型光纖纖幾種典型的光纖折射率分布圖O2O2O2O2O2O2光纖傳輸原理及特性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：

6、SiO2 + B2O3或SiO2 +F。光纖傳輸原理及特性2.1.2光纜結(jié)構(gòu)分類(lèi)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 光纖傳輸原理及特性 圖2-7 骨架式光纜 光纖傳輸原理及特性3.中心束管式光纜 圖2-8 中心束管式光纜圖光纖傳輸原理及特性 圖2-9 帶狀結(jié)構(gòu)光纜圖光纖傳輸原理及特性 n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.n首先采用射線理論分析導(dǎo)光原理n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用射線理論分析光纖的傳輸原理 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=

7、c/n (2.1) 式中，C=3108m/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)光纖傳輸原理及特性獨(dú)立傳輸定律在線性介質(zhì)中(光纖為線性介質(zhì)),來(lái)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1= 1 (2)折射定律2211sinsinnn112n 2=1 n 1=c 2=900 光纖傳輸原理及特性1sinsin1221nn若n1n2,則入射角1c，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？光纖傳輸原理及特性2.光纖中光的

8、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(chēng)為子午線，含光纖中心軸的固定平面就稱(chēng)為子午面，如圖2-11（a）所示。另一種是光線在傳播過(guò)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(chēng)為斜射光線，如圖2-11（b）所示。光纖傳輸原理及特性（a）子午射線；（b）斜射線。圖2-11 光纖中的射線光纖傳輸原理及特性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n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

9、圖2-12所示)端面接收角為最大接收角.0121190sinnnc時(shí),所對(duì)應(yīng)的光纖光纖傳輸原理及特性n為什么是最大接收角?(2)數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture)NA的定義? NA=sin物理意義: NA大小反映了光纖捕捉線的能力. NA=sin=?光纖傳輸原理及特性圖2.12 光線在階躍光纖中傳播n0sin=n1sin(900-c)=n1cosc,222110cossinnnnnNAc2212122212111sin1cosnnnnnnncc12sinnncNA的表達(dá)示因?yàn)?光纖傳輸原理及特性2.漸變型光纖中子午射線的傳播 n光纖接收角?n數(shù)值孔徑NA(r)?一個(gè)漸變型光纖

10、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光纖傳輸原理及特性n各層之間的折射率滿(mǎn)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n其入射角將會(huì)逐漸增大，即有1 2345光纖傳輸原理及特性(1)光纖接收角分析N層的漸變型光纖的導(dǎo)光條件即光纖端面的入射角必須滿(mǎn)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)sin1=n(r1)sin2=n (r)sin (4.6)同理得出：n(r0)sin(900-z0) = n(r1)sin(900-z1)=n(r)sin(900-z) 即n(r0

11、)cosz0=n(r1)cosz1= n (r) cosz 光纖傳輸原理及特性射線上任一點(diǎn)符合下列關(guān)系：n(r0)cosz0=n(r)cosz 在轉(zhuǎn)析點(diǎn)A處，射線與光纖軸平行，則cosz=1， n(r)=n2， n2為包層的折射率 n(r0)cosZ0=n2, cosz0=n2/n(r0) (2)數(shù)值孔徑NA(r)?設(shè)z0所對(duì)應(yīng)為最大入射角 sin=n(r0)sinz0=)(1)(cos1)(02220020rnnrnrnz(2.7)光纖傳輸原理及特性光纖的本地?cái)?shù)值孔徑)(1)(sin02220rnnrnNA2202)(nrnNA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

12、r=0處和芯子界面上的折射率 )0(2)0(2222nnn光纖傳輸原理及特性光纖端面所能收集到的光功率將依賴(lài)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 22222222000nnnrnNArNAprp2)0()0()0(222nnnNA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：光纖傳輸原理及特性波動(dòng)理論又稱(chēng)為模式理論用來(lái)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用波動(dòng)理論分析光纖的傳輸原理光纖傳輸原理及特性2.2.2 2.2.2 用波動(dòng)理

13、論分析光纖的導(dǎo)光原理用波動(dòng)理論分析光纖的導(dǎo)光原理n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、E、Hr、H。n式中，Ez 為電場(chǎng)在z軸的分量。選用圓柱坐標(biāo)系(r、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(kāi)，得到電場(chǎng)的z分量Ez的波動(dòng)方程為：n1標(biāo)量解法 022zzEkE022zzHkH02202zzEnkE02202zzHnkH0112202222222zzzzzEnkZEErrErrE)()()(),(zZrARzrEz光纖傳輸原理及特性（1）將Ey寫(xiě)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 )()()(zZrAREyzjezZ)(導(dǎo)波沿

14、光纖軸向變化規(guī)律 mmsincos)(導(dǎo)波沿圓周方向的變化規(guī)律 )(rR為導(dǎo)波沿r方向的變化規(guī)律 （2）根據(jù)物理概念，寫(xiě)出()和Z(z)的形式zAezZj)(mmsincos)(光纖傳輸原理及特性（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， arrRmrnkrrdRrdrrRdr0)()()()(2222120222arrRmrnkrrdRrdrrRdr0)()()()(2222220222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(lèi)修正修正的貝塞爾函數(shù)解。于是R(r)可寫(xiě)為： arrknJrRm)()(2/120212arrknKrRm

15、 )()(2/102222式中，Jm為m階貝塞爾函數(shù)；Km為m階第二類(lèi)(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光纖傳輸原理及特性整理變?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 arrknJrRm2/120212)(arrknKrRm )(2/ 102222araUrJAmeEmzy )/( cos1j1araWrKAmeEmzy )/( cos2j2arUJaUrJmAeEmmz

16、y )(/ )/( cosj1arUKaUrKmAeEmmzy )(/ )/( cosj2光纖傳輸原理及特性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)()()()()()()()(1111WKWKWUJUJUWKWKWUJUJUmmmmmmmm光纖傳輸原理及特性3標(biāo)量模及其特性(1)大V值（遠(yuǎn)離截止）情況下U 值n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.n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=2n1(2)1/2a/0,所以有（a/0） 。

17、此時(shí)光波相當(dāng)于在折射率為n1的無(wú)限大空間中傳播，其相位常數(shù)k0n1于是有 : 02/ 122212/ 1222102/ 122022)(2)()(annannanW光纖傳輸原理及特性將其代入(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)=WK m+1(W)/Km(W) 可簡(jiǎn)化 Jm(U圖3-10(a)從此式即可確定遠(yuǎn)離截止情況時(shí)的U值U =mn式中,mn代表m階貝塞爾函數(shù)的第n個(gè)根 光纖傳輸原理及特性n m 01212.4053.8325.13625.5207.0168.41738.65410.173 11.619表2.4 大V值情況下的導(dǎo)行LPmn模的

18、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(chēng)這種模為標(biāo)量模，記作LPmn模。LP是線偏振的意思。LP01 U01=2.405 W, ; LP11 U11=3.832 W, ; LP21 U21=5.136 W, ;光纖傳輸原理及特性在模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：(U)/ )/( cosmmzjJaUrJmAeEymcos)()/ ()(arUJrRm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

19、電場(chǎng)無(wú)變化當(dāng)m=1時(shí) 在 在0-2沿圓周出現(xiàn)1對(duì)最大值。 m=2?-依次類(lèi)推。1cos)(mmcos)(LP0nLP1n光纖傳輸原理及特性電場(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=01=2.405,在r=0處,R(r)=1而在r=a 處,沿變化如圖4-12LP02模，U=02=5.5201,在r=0處,R(r)=1,而在r=a 處,在處, 沿r的變化如圖4-10（b）所示。 )/ ()(0arUJrR)/ 405. 2()(0arJrR0)405. 2()(0JrR)/521. 5 ()(0arJrR0)521. 5 ()(0JrR0

20、)405. 2()(0JrR光纖傳輸原理及特性圖圖2-15 LP0n模的場(chǎng)沿半徑的變化模的場(chǎng)沿半徑的變化光纖傳輸原理及特性（2）LPmn模的截止條件Vc和單模傳輸條件 n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)W0時(shí),導(dǎo)波截止(相當(dāng)于射線理論中1c )導(dǎo)波輻射.截止臨界狀態(tài): Wc= W=0, 由于V2=U2+W2 Vc2= Uc2+Wc2= Uc2 若求得UcVc稱(chēng)為歸一化的截止頻率.Uc = Vc?光纖傳輸原理及特性截止條件下的特征方程Wc=0Uc Jm-1(Uc )/Jm(Uc )=Wc Km-1(W)/Km(W)=0Uc=0 或 Jm-1

21、(Uc )=0n在LPmn模的歸一化的截止頻率Vcmn=Ucmn截止特征方程: Jm-1(Uc=cmn )=0n當(dāng)m=0時(shí)，LP0n模的特征方程:J-1(Uc)=J1(Uc)=0，可解出Uc=0n=Vc (0n)=0 ， ， 光纖傳輸原理及特性圖2-16 m0,1模式的U值變化范圍11J1=J-1m=0m=1LP04HE04光纖傳輸原理及特性即表示LP01模的uc01=0。意味著該模式無(wú)截止波長(zhǎng)、無(wú)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)m0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=Vcn m 012102.4053.

22、83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通過(guò)Jm-1(cmn )=0方程,求解而得.如圖4.11所示.光纖傳輸原理及特性從表截止情況下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，說(shuō)明這種模式?jīng)]有截止現(xiàn)象是光纖中的最低模，也稱(chēng)基模。LP11模，稱(chēng)為二階模，其Vc=Uc截止波長(zhǎng)c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(zhǎng)c(Vc) .當(dāng)工作波長(zhǎng)0 c時(shí),該模式可以傳輸當(dāng)工作波長(zhǎng)0c時(shí)，該模式就截止了 光纖傳輸原理及特性 當(dāng)光纖的VVc時(shí),該模式就截止了 當(dāng)光纖的VVc時(shí),該模式可以傳輸.因?yàn)?V=2n1(2)1/2a/0,則:

23、Vc=2n1(2)1/2a/c c =2n1(2)1/2a/ Vc單模傳輸條件單模傳輸條件 Vc01=0 V Vc11 c11=2n1(2)1/2 0c01= 0 C23 C12 C21 C11 LP01LP11LP21LP12LP230 VC11 VC21 V C12 VLP01LP11LP21LP12光纖傳輸原理及特性圖2-12 m=0,1模式的U值變化范圍 HE04LP04光纖傳輸原理及特性2.3光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)n光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有光纖的幾何參數(shù)、 折射率分布、數(shù)值孔徑（NA）、 模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)等。這些參數(shù)與光纖橫截面徑向r有關(guān)，與光纖的長(zhǎng)度及傳輸狀態(tài)無(wú)關(guān)。光纖傳輸原理

24、及特性 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503m 2）外徑外徑多/單模光纖3）芯包層同心度和不圓度芯包層同心度和不圓度 nITU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cccce 221anVcctnmctcc1908 . 0光纖傳輸原理及特性2.4 光纖的傳輸特性 24 41損耗損耗特性特性 一、損耗定義一、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)二、損耗系數(shù) (當(dāng)當(dāng)Z=L時(shí)時(shí))在光纖上兩個(gè)相距在光纖上兩個(gè)相

25、距L的截面之間的波長(zhǎng)的截面之間的波長(zhǎng)上的總衰減：上的總衰減：A（）（）L （dB） 三、光纖產(chǎn)生損耗的原因三、光纖產(chǎn)生損耗的原因光纖產(chǎn)生損耗的原因很多，其類(lèi)型有吸收損耗，散射損耗和附加損耗。10)(10)0()(ZpZp)/( )()0(lg10)(kmdBLppL光纖傳輸原理及特性 (1) 損耗（Attenuation） (2) 色散（Dispersion） (3) 非線性效應(yīng) （Non-Linear Effects in Fiber）光纖傳輸原理及特性產(chǎn)生損耗的因素產(chǎn)生損耗的因素l 材料的吸收損耗材料的吸收損耗 ( (Material absorptionMaterial absorpti

26、on) ) a.a. 本征吸收本征吸收: SiO2 分子振動(dòng)引起，紅外與紫外吸收 b. b. 非固有吸收非固有吸收 (雜質(zhì)吸收) Fe, Cu, Ni, Cr. OH 離子在 uum 和 um形成吸收峰l 散射損耗散射損耗 (scattering) (scattering)a. a. 瑞利散射（瑞利散射（Rayleigh SilicaRayleigh Silica）分子熱騷動(dòng) 折射率在微觀上的隨機(jī)起伏 光散射 1/4 b. b. 波導(dǎo)散射（波導(dǎo)散射（Wavequide ScatteringWavequide Scattering）l 微彎損耗微彎損耗光纖傳輸原理及特性本征吸收: 紅外吸收,紫外

27、吸收雜質(zhì)吸收: 鐵、銅等過(guò)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(zhǎng)，單位為m，當(dāng)=1.55 m時(shí)ir0.02 dB/km，其影響較小。但當(dāng)=1.70 m時(shí)，ir0.32 dB/km?？梢?jiàn)紅外吸收影響了工作波長(zhǎng)向更長(zhǎng)波長(zhǎng)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)=1.31 m，B=3.5%時(shí)，uv1.75102 dB/km。但當(dāng)=0.60 m時(shí)，uv1.00dB/km?？梢?jiàn)紫外吸收隨減少和摻鍺濃度增加而增加 . )dB/km(1081. 7/28.4811eir/63. 42e1047. 1Buv光纖傳輸原理及特性n 瑞利散射瑞利

28、散射比光波長(zhǎng)小得多小得多的粒子引起的散射(本征)n 米氏散射米氏散射與光波同樣大小同樣大小的粒子引起的散射(本征)n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(zhǎng)的14成正比的性質(zhì)，即：R=A4。對(duì)摻鍺的光纖而言，A0.63dBm4km。對(duì)于=0.85、1.31、1.55m時(shí),則R1 .3、0.3、0.1dBkm。 n非線性散射(將在第5節(jié)介紹)n 受激布里淵散射：受激布里淵散射：存在于光能密度超過(guò)某一高值 (本征)n 受激拉曼散射：受激拉曼散射： (本征)n4.附加損耗：張力、側(cè)壓、彎曲、擠壓造成的宏彎和微彎(非本征)。光纖傳輸原理及特性3.附加損耗：張力、側(cè)壓、彎由、擠壓造成的宏彎

29、和微彎圖2-18 光纖的宏彎損耗（a）射線法解釋?zhuān)唬╞）波動(dòng)理論解釋。光纖傳輸原理及特性*彎曲損耗 光纖的彎曲損耗有兩類(lèi)： 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（RRC）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)RRC，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。光纖傳輸原理及特性*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(wú)關(guān)常數(shù)。臨界彎曲半徑估算RC為：2/3222131)(43nnnRc)dB/km(e21TRCC光纖傳輸原理及特性表

30、2-6 光纖的傳輸損耗 光纖傳輸原理及特性色散產(chǎn)生：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(lái)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（Erbium Doped OpticalFiber Amplifier）、波分復(fù)用WDM（WaVelength Division MultiPlexing）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(mén)的研究課題之一。光纖傳輸原理及特性 在具體弄清色散的致因、種類(lèi)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(mǎn)足光纖通信系統(tǒng)的高速率、大容和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨蟆?/p>

31、 光纖色散主要有光纖色散主要有：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(lái)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。 光纖傳輸原理及特性 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(zhǎng)有關(guān)，所以單模光纖的總色散也稱(chēng)為波長(zhǎng)色散。 光纖的色散單位：ps/km 光纖的色散系數(shù)單位 D（）： 光纖傳輸原理及特性cLnnncLnncLncLcM121111max) 1(sinn常用時(shí)延差表示色散程度。n時(shí)延差越大

32、，色散就越嚴(yán)重。光纖傳輸原理及特性模式色散模式色散 n 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和以臨界角c入射的光線，如圖4-18所示。因此，在階躍型多模光纖中最大色散是光線所用時(shí)間max和光線所用時(shí)間nmin到達(dá)終端的時(shí)間差max：max=maxminn根據(jù)幾何光學(xué)，設(shè)在長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖中，光線和沿軸方向傳播的速度分別為c/n1和c/n1sinc。因此光纖的模式色散為：ncLnnncLnncLncLcM121111max) 1(sin光纖傳輸原理及特性 2.材料色散材料色散由于光纖材料的折射率隨光波長(zhǎng)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(chēng)為

33、材料色散。設(shè)光源譜寬為， 單位長(zhǎng)度光纖的時(shí)延差用表示: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。的單位是ps/km 。*=D;:光源譜寬,D:色散系數(shù)212dndcLm光纖傳輸原理及特性3.波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散221)(dVVbdVcnDw=DwL w（psnmkm） 在不同的波長(zhǎng)下，其相位常數(shù)不同，從而群速度不同，引起色散。 光纖傳輸原理及特性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(zhǎng)有關(guān)，所以單模光纖的總色散也稱(chēng)為波長(zhǎng)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“?！?。兩個(gè)偏振模的到達(dá)時(shí)間差稱(chēng)為偏振模色散PMD（Polanzation Mode Dispertion）。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。)(10yxyxyxnn