第2章 光纖(修改)

1、第第2 2章章 光纖光纖 第第2章章 光纖光纖 2.1 光纖與光纜光纖與光纜 2.2 光纖的折射率分布光纖的折射率分布 2.3 光在光纖中的幾何傳輸光在光纖中的幾何傳輸 2.4 光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑NA 2.5 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性 2.6 光纖介質(zhì)的特性光纖介質(zhì)的特性 2.7 光纖模式光纖模式 第第2 2章章 光纖光纖 2.8 光纖的模式色散光纖的模式色散 2.9 單模光纖的波長色散或色度色散單模光纖的波長色散或色度色散 2.10 光纖的損耗光纖的損耗 2.11 單模光纖單模光纖 2.12 光纖的非線性效應(yīng)光纖的非線性效應(yīng) 2.13 光孤子的定性描述光孤子的定性描述 第第2 2章章

2、光纖光纖 2.1 光光 纖纖 與與 光光 纜纜 2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖的基本結(jié)構(gòu)一般是雙層或多層的同心圓柱體， 如圖2.1所示。 其中心部分是纖芯， 纖芯外面的部分是包層， 纖芯的折射率高于包層的折射率， 從而形成一種光波導(dǎo)效應(yīng)， 使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸， 實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的長距離傳輸。 550 m125 m250 m纖 芯包 層防 護(hù) 層圖 2.1 光纖的基本結(jié)構(gòu) 第第2 2章章 光纖光纖 由纖芯和包層組成的光纖常稱為裸光纖， 這種光纖如果直接使用， 由于裸露在環(huán)境中, 容易受到外界溫度、 壓力、 水氣的侵蝕等， 因而實(shí)際中應(yīng)用的光纖都在裸光纖的外面增加了防護(hù)層, 用來緩沖外界的壓力

3、, 增加光纖的抗拉、 抗壓強(qiáng)度， 并改善光纖的溫度特性和防潮性能等。 防護(hù)層通常也包括好幾層， 細(xì)分為包層外面的緩沖涂層， 加強(qiáng)材料涂覆層以及最外一層的套塑層。 光纖的套塑方法有兩種： 第第2 2章章 光纖光纖 緊套和松套。 緊套是指光纖在二次套管內(nèi)不能自由松動(dòng)； 而松套光纖則有一定的活動(dòng)范圍。 緊套的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定， 外徑較小但機(jī)械性能不如松套， 因?yàn)榫o套無松套的緩沖空間， 易受外力影響。 松套光纖溫度性能優(yōu)于緊套， 制作比較容易， 但外徑較大， 為避免水分， 需要填充半流質(zhì)的油膏來提高光纜的縱向封閉性能。 現(xiàn)在采用的套方法是發(fā)展方向。 經(jīng)過涂覆、 套塑形成的光纖常稱為被覆光纖或纜芯。 光纖

4、的幾何尺寸很小， 纖芯直徑一般在550 m之間， 包層的外徑為125 m， 包括防護(hù)層， 整個(gè)光纖的外徑也只有250 m左右。 第第2 2章章 光纖光纖 2.1.2 光纖的主要成分 目前通信用的光纖主要是石英系光纖， 其主要成分是高純度的SiO2玻璃。 如果在石英中摻入折射率高于石英的摻雜劑， 就可以制作光纖的纖芯。 同樣， 如果在石英中摻入折射率低于石英的摻雜劑， 就可以作為包層材料。 纖芯中廣泛應(yīng)用的摻雜劑為二氧化鍺（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等， 包層中主要的摻雜劑為三氧化二硼（B2O3）、 氟（F）等。 第第2 2章章 光纖光纖 2.1.3 光纖的制造工藝簡介 光纖是由圓柱形預(yù)

5、制棒拉制而成的， 因而光纖的生產(chǎn)工藝主要包括怎樣制造圓柱形預(yù)制棒和拉絲工藝。 1. 預(yù)制棒的制造方法 預(yù)制棒的制造方法主要有管內(nèi)化學(xué)汽相沉積法， 如改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法MCVD(Modified Chemical Vapour Deposition)， 等離子體汽相沉積法PCVD(Plasma Chemical Vapour Deposition)和管外化學(xué)汽相沉積法。 而管外化學(xué)汽相沉積法又分為汽相軸向沉積法VAD(Vapour Phase Axial Deposition)和外汽相沉積法OVD(Outside Vapour Deposition)兩種。 第第2 2章章 光纖光纖 MCVD是

6、目前使用最廣泛的預(yù)制棒生產(chǎn)工藝。 MCVD法生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的基本原理是用氧氣按特定的次序?qū)iO2、 GeCl4、 BCl3送入旋轉(zhuǎn)的高純硅管中， 硅管維持較高的溫度， 使硅和摻雜元素(Ge、 B等)按受控方式產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。 反應(yīng)的產(chǎn)物均勻沉積在硅管的內(nèi)壁， 隨著沉積不斷產(chǎn)生， 中空的硅管逐漸被封閉。 SiCl4+O2 SiO2+2Cl2 4BCl3+3O2 2B2O3+6Cl2最后沉積光纖的纖芯， 其氧化反應(yīng)過程為： SiCl4+O2 SiO2+2Cl2 GeCl4+O2 GeO2+2Cl2高溫 高溫 高溫 高溫 第第2 2章章 光纖光纖 為了保證沉積的均勻性， 在整個(gè)過程中要以一定的速度旋

7、轉(zhuǎn)石英管， 并使氫氧焰噴燈以適當(dāng)?shù)乃俣妊厥⒐軄砘匾苿?dòng)， 下圖給出了其工藝示意圖。 圖2.2 用MCVD法制造預(yù)制棒的工藝多 余 氣 體 排 出旋 轉(zhuǎn) 的 硅 管BCl3、 GeCl4SiCl4、 SiO2O2噴 燈左 右 移 動(dòng)第第2 2章章 光纖光纖 2. 拉絲工藝 預(yù)制棒拉制成光纖的示意圖如圖2.3所示， 當(dāng)預(yù)制棒由送料機(jī)構(gòu)以一定的速度均勻地送往環(huán)狀加熱爐中加熱， 且預(yù)制棒尖端加熱到一定的溫度時(shí)， 棒體尖端的粘度變低， 靠自身重量逐漸下垂變細(xì)而成纖維， 由牽引棍繞到卷筒上。 光纖外徑和圓的同心度由激光測徑儀和同心度測試儀監(jiān)測， 其監(jiān)測結(jié)果控制送棒機(jī)構(gòu)和牽引輥相互配合， 以保證光纖的同心度

8、和外徑的均勻性。 目前， 光纖的外徑波動(dòng)可控制在0.5 m以內(nèi)， 拉絲速度一般為600 m/min。 第第2 2章章 光纖光纖 圖 2.3 光纖制造的拉絲工藝送棒機(jī)構(gòu)硅預(yù)制棒環(huán)形加熱爐直徑測量涂覆同心度測量固化牽引棍套塑第第2 2章章 光纖光纖 2.1.4 光纜的技術(shù)要求 為了構(gòu)成實(shí)用的傳輸線路， 同時(shí)便于工程上安裝和敷設(shè)， 常常將若干根光纖組合成光纜。雖然在拉絲過程中經(jīng)過涂覆的光纖已具有一定的抗拉強(qiáng)度， 但仍經(jīng)不起彎折、 扭曲等側(cè)壓力， 所以必須把光纖和其他保護(hù)元件組合起來構(gòu)成光纜， 使光纖能在各種敷設(shè)條件下和各種工程環(huán)境中使用， 達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的。 第第2 2章章 光纖光纖 光纜的最主要

9、的技術(shù)要求是保證在制造成纜、 敷設(shè)以及在各種使用環(huán)境下光纖的傳輸性能不受影響并具有長期穩(wěn)定性。 其主要性能有： (1) 機(jī)械性能： 包括抗拉強(qiáng)度、 抗壓、 抗沖擊和彎曲性能。 (2) 溫度特性： 包括高溫和低溫溫度特性。 (3) 重量和尺寸： 每千米重量(kg/km)及外徑尺寸。 第第2 2章章 光纖光纖 其中最關(guān)鍵的是機(jī)械性能， 它是保持光纜在各種敷設(shè)條件下都能為纜芯提供足夠的抗拉、 抗壓、 抗彎曲等機(jī)械強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。 必須采用加強(qiáng)芯和光纜防護(hù)層（簡稱護(hù)層）， 根據(jù)敷設(shè)方式的不同， 護(hù)層要求也不一樣： 管道光纜的護(hù)層要求具有較高的抗拉、 抗側(cè)壓、 抗彎曲的能力； 直埋光纜要加裝鎧裝層， 要

10、考慮地面的振動(dòng)和蟲咬等； 架空光纜的護(hù)層要考慮環(huán)境的影響， 還要有防彈層等； 海底光纜則要求具有更高的抗拉強(qiáng)度和更高的抗水壓能力。 第第2 2章章 光纖光纖 2.1.5 光纜的結(jié)構(gòu) 為了滿足以上所說的光纜的性能， 必須合理地設(shè)計(jì)光纜的結(jié)構(gòu)。 光纜的結(jié)構(gòu)可分為纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三大部分。 纜芯是光纜結(jié)構(gòu)中的主體， 其作用主要是妥善地安置光纖的位置， 使光纖在各種外力影響下仍能保持優(yōu)良的傳輸性能。 多芯光纜還要對光纖進(jìn)行著色以便于識(shí)別。 另外， 為防止氣體和水分子浸入， 光纖中應(yīng)具有各種防潮層并填充油膏。 第第2 2章章 光纖光纖 加強(qiáng)元件有兩種結(jié)構(gòu)方式， 一種是放在光纜中心的中心加強(qiáng)方式， 另

11、一種是放在護(hù)層中的外層加強(qiáng)方式。 對加強(qiáng)元件的要求是具有高楊氏模量， 高彈性范圍， 高比強(qiáng)度(強(qiáng)度和重量之比)， 低線膨脹系數(shù)， 優(yōu)良的抗腐蝕性和一定的柔軟性。 加強(qiáng)件一般采用鋼絲， 鋼絞線或鋼管等， 而在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境和雷區(qū)中則應(yīng)使用高強(qiáng)度的非金屬材料玻璃絲和凱夫拉爾纖維(Kevlar)。 光纖護(hù)層同電纜護(hù)層一樣， 是由護(hù)套等構(gòu)成的多層組合體。 護(hù)層一般分為填充層、 內(nèi)護(hù)套、 防水層、 緩沖層、 鎧裝層和外護(hù)套等。 第第2 2章章 光纖光纖 填充層是由聚氯乙稀(PVC)等組成的填充物， 起固定各單元位置的作用。 內(nèi)護(hù)套是置于纜芯外的一層聚脂薄膜， 一方面可將線芯扎成一個(gè)整體， 另一方面也可起

12、隔熱和緩沖的作用。防水層用在海底光纜中， 由密封的鋁管等構(gòu)成。 緩沖層用于保護(hù)纜芯免受徑向壓力， 一般采用尼龍帶沿軸向螺旋式繞包線芯的方式。鎧裝層是在直埋光纜中為免受徑向壓力而在光纜外加裝的金屬護(hù)套。外護(hù)套是利用擠塑的方法將塑料擠鑄在光纜外面， 常用材料有PVC、 聚乙稀等。 第第2 2章章 光纖光纖 圖 2.4 各類光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖(a) 層絞式； (b) 骨架式； (c) 帶狀式； (d) 束管式聚乙烯聚脂薄膜帶包帶骨架中心加強(qiáng)芯光纖光纖鋼芯(a)(b)鋼棒聚乙烯帶狀光纖聚乙烯管光纖纖維凱夫拉爾纖維聚乙烯(c)(d) 2.1.6 常用光纜的典型結(jié)構(gòu)第第2 2章章 光纖光纖 層絞式光纜結(jié)

13、構(gòu)(圖2.4(a)與一般的電纜結(jié)構(gòu)相似， 能用普通的電纜制造設(shè)備和加工工藝來制造， 工藝比較簡單， 也較成熟。 這種結(jié)構(gòu)由中心加強(qiáng)件承受張力， 而光纖環(huán)繞在中心加強(qiáng)件周圍， 以一定的節(jié)距絞合成纜， 光纖與光纖之間排列緊密。 骨架式結(jié)構(gòu)(圖2.4(b)是在中心加強(qiáng)件的外面制作一個(gè)帶螺旋槽的聚乙烯骨架， 在槽內(nèi)放置光纖繩并充以油膏， 光纖可以自由移動(dòng)， 并由骨架來承受軸向拉力和側(cè)向壓力， 因此骨架式結(jié)構(gòu)光纖具有優(yōu)良的機(jī)械性能和抗沖擊性能， 而且成纜時(shí)引起的微彎損耗也小， 屬于松結(jié)構(gòu)光纜。 其缺點(diǎn)是加工工藝復(fù)雜， 生產(chǎn)精度要求較高。第第2 2章章 光纖光纖 帶狀式光纜(如2.4(c)是一種高密度結(jié)構(gòu)

14、的光纖組合。 它是將一定數(shù)目的光纖排列成行制成光纖帶， 然后把若干條光纖帶按一定的方式排列扭絞而成。 其特點(diǎn)是空間利用率高， 光纖易處理和識(shí)別， 可以做到多纖一次快速接續(xù)。 缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜， 光纖帶在扭絞成纜時(shí)容易產(chǎn)生微彎損耗。 束管式光纜(圖2.4(d)的特點(diǎn)是中心無加強(qiáng)元件， 纜心為一充油管， 一次涂覆的光纖浮在油中。這種結(jié)構(gòu)的光纜因?yàn)闊o中心加強(qiáng)件， 所以纜芯可以做得很細(xì)， 減小了光纜的外徑， 減輕了重量， 降低了成本， 而且抗彎曲性能和縱向密封性較好， 制作工藝較簡單。 第第2 2章章 光纖光纖 2.2 光纖的折射率分布光纖的折射率分布 光纖的光學(xué)特性決定于它的折射率分布， 因此光纖

15、纖芯和包層折射率在制造階段是沿徑向加以控制的， 即用控制預(yù)制棒中摻雜劑的種類和數(shù)量的方法來使之產(chǎn)生一定形狀的折射率分布。 折射率分布的形狀有階躍（突變）、 高斯、 三角或更復(fù)雜的形式圖 2.5 (a) 階躍分布； (b) 三角分布； (c) 高斯分布 n2n2n1n2n2n1纖 芯包 層n2n2n1(a)(b)(c)第第2 2章章 光纖光纖 根據(jù)光纖橫截面上折射率分布的情況來分類， 光纖可分為階躍折射率型和漸變折射率型（也稱為梯度折射率型）， 即階躍光纖和漸變光纖。 階躍光纖： 在纖芯中折射率的分布是均勻的， 常用n1表示， 在纖芯和包層的界面上折射率發(fā)生突變。 漸變光纖: 在纖芯中折射率的分

16、布是變化的， 而包層中的折射率通常是常數(shù)。 在漸變光纖中， 包層中的折射率常數(shù)用n2表示， 纖芯中折射率分布可用方冪律式表示。 第第2 2章章 光纖光纖 漸變光纖的折射率分布可以表示為 ararnarnrng211)( 其中, g是折射率變化的參數(shù)， a是纖芯半徑， r是光纖中任意一點(diǎn)到中心的距離， 是漸變折射率光纖的相對折射率差， 即121nnn 當(dāng)g=2時(shí)， 折射率分布為拋物線分布; 當(dāng)g=時(shí)， 漸變光纖演變?yōu)殡A躍光纖。 第第2 2章章 光纖光纖 2.3 光在光纖中的幾何傳輸光在光纖中的幾何傳輸 當(dāng)小圓孔尺寸大小的數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光的波長時(shí)， 光直接通過圓孔， 投入圓孔后面的屏幕上； 當(dāng)小圓

17、孔的大小量級與光的波長比擬即相當(dāng)時(shí)， 才觀察到衍射光斑。 因此， 當(dāng)空間尺度遠(yuǎn)大于光波長時(shí)， 可以用較成熟的幾何光學(xué)分析法分析光在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)空間尺度與光波長相當(dāng)時(shí)， 應(yīng)采用復(fù)雜而嚴(yán)密的波動(dòng)理論分析法。 由此可見， 幾何光學(xué)分析法是嚴(yán)密的波動(dòng)理論在一定條件下的近似。 第第2 2章章 光纖光纖 對于多模光纖， 由于其光纖的纖芯為50/62.5 m, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波的波長(約1 m)， 因而可以采用幾何光學(xué)分析法； 而對于單模光纖, 其光纖纖芯小于10 m， 與光波的波長同一數(shù)量級，因而用幾何光學(xué)分析法不合適， 應(yīng)采用波動(dòng)理論進(jìn)行嚴(yán)格的求解。 第第2 2章章 光纖光纖 2.3.1 反射和折射圖

18、 2.6 光在兩種介質(zhì)界面上的反射和折射入 射 光 線反 射 光 線透 過 光 線n1n221r1入射角1定義為入射光線與分界面垂直線（常稱為法線）之間的夾角， 反射角1r定義為反射光線與分界面垂直線之間的夾角， 折射角2定義為折射光線與分界面垂直線之間的夾角。 第第2 2章章 光纖光纖 從介質(zhì)n1入射到介質(zhì)n2的光信號(hào)的能量一部分反射回介質(zhì)n1， 一部分透射到介質(zhì)n2， 且1、 2、 1r滿足如下關(guān)系： 1r=1 (2.1)n1sin1=n2sin2 (2.2) 式(2.1)即為大家熟知的反射定律， 式(2.2)為折射定律， 又稱斯涅爾（Snell）定律。 第第2 2章章 光纖光纖 2.3.

19、2 全反射定律 由斯涅爾定律可以得到， 折射角 。 如果n1n2， 則在 時(shí)，折射角2=90； 當(dāng)（n1 sin1）/n21時(shí)， 2為非實(shí)數(shù)，這意味著發(fā)生了全反射。 我們稱滿足 （n1 sin1）/n2=1的入射角1為全反射的臨界角，記為c， 則有2112sinarctannn1sin121nn12arctannnc (2.3) 第第2 2章章 光纖光纖 當(dāng)入射角1c時(shí)， 光線在分界面上發(fā)生全反射， 這是用幾何光學(xué)描述均勻光波導(dǎo)中光線傳播特點(diǎn)的一個(gè)理論依據(jù)。 可見光在階躍光纖中的傳輸是由光在纖芯和包層分界面上的全反射導(dǎo)引向前的。 其在纖芯中的傳輸速度為1nc其中， c為光在真空中的速度， c=

20、2.997 924 58105 km/s； n1為纖芯中的折射率。 第第2 2章章 光纖光纖 漸變光纖的纖芯折射率是連續(xù)變化的， 可以將其看成n0n1n2（n0、 n2分別對應(yīng)纖芯最大的折射率和包層的折射率）的均勻介質(zhì)， 因而光線由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)行進(jìn)時(shí)， 由于折射， 光線不斷向光纖的中心軸線方向偏移， 到達(dá)與包層的分界面時(shí)全反射返回; 由光疏介質(zhì)向光密介質(zhì)行進(jìn)時(shí)， 光線不斷折射， 其傳輸路徑如圖2.8（b）所示。 圖2.8 階躍光纖和漸變光纖中的光傳輸(a) 階躍光纖中的光傳輸； (b) 漸變光纖中的光傳輸端 面 折 射(a)(b)端 面 折 射第第2 2章章 光纖光纖 2.4 光纖的數(shù)值

21、孔徑光纖的數(shù)值孔徑NA 現(xiàn)在來討論從光源輸出的光通過光纖端面送入光纖的條件。 這是光纖通信和電通信的一個(gè)重要差別。 對電信號(hào)來說， 只要把放大器的輸出端與傳輸線連接起來， 電信號(hào)就被送入線路。 而對光通信來說， 情況就比較復(fù)雜了。 入射在光纖端面上的光， 其中一部分是不能進(jìn)入光纖的， 而能進(jìn)入光纖端面的光也不一定能在光纖中傳輸， 只有符合某一特定條件的光才能在光纖中發(fā)生全反射而傳播到遠(yuǎn)方。 第第2 2章章 光纖光纖 從空氣中入射到光纖纖芯端面上的光線被光纖捕獲成為束縛光線的最大入射角max為臨界光錐的半角(如圖2.9所示)， 稱其為光纖的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture）， 記為

22、NA。 它與纖芯和包層的折射率分布有關(guān)， 而與光纖的直徑無關(guān)。 對于階躍光纖， NA為2sin12221nnnNAc (2.4)式中， 是光纖纖芯和包層的相對折射率差。 。2122212nnn 非 全 反 射 光全 反 射 光臨 界 光 錐包 層 (n2)纖 芯 (n1 n2)c圖2.9 臨界光錐與數(shù)值孔徑 第第2 2章章 光纖光纖 例題例題 2. 階躍光纖纖芯和包層折射率指數(shù)分別為n1=1.5， n2=1.45， 試計(jì)算：（1） 纖芯和包層的相對折射差。 （2） 光纖的數(shù)值孔徑NA。 1.計(jì)算n1=1.48及n2=1.46的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑。 如果光纖端面外介質(zhì)折射率n=1.00，

23、則允許的最大入射角max為多少？第第2 2章章 光纖光纖 答案答案1.階躍光纖的數(shù)值孔徑為允許的最大入射角22max12sin0.24NAnnmaxarcsin 0.242212210.032nnn 22120.38NAnn2.階躍光纖纖芯和包層的相對折射率差為光纖的數(shù)值孔徑為第第2 2章章 光纖光纖 2.5 光光 的的 波波 動(dòng)動(dòng) 性性 1. 光的描述 光的波動(dòng)性表明， 光像無線電波、 X射線一樣， 實(shí)際上都是電磁波， 會(huì)產(chǎn)生光的反射、 折射、 干涉、 衍射、 吸收、 偏振、 損耗等。 單個(gè)波長（或頻率）的光稱為單色光， 可用麥克斯韋方程即式來描述。 其中， E有三個(gè)分量， 即Ex、 Ey、

24、 Ez， 其解有如下形式（以Ez為例）：ztiAetzE),( 式中： A為場的幅度; 為角頻率, =2f， f為頻率， 單位是每秒的波數(shù); 為傳播常數(shù)。 第第2 2章章 光纖光纖 2. TE波和TM波 設(shè)波的傳播方向?yàn)閦方向， 如果Ez分量為零， 即Ez=0， 而Hz0， 稱這種波為模電波或TE波； 如果Hz分量為零， 即Hz=0， 而Ez0， 稱這種波為模波或TM波。 第第2 2章章 光纖光纖 3. 光波的偏振 圖2.10 光的偏振示意圖(光的方向垂直入射到紙面)無偏振或圓偏振TE偏振線性偏振TM偏振線性偏振橢圓偏振第第2 2章章 光纖光纖 2.6 光纖介質(zhì)的特性光纖介質(zhì)的特性 原子極化的

25、經(jīng)典模型認(rèn)為： 原子中電子帶負(fù)電， 原子核帶正電， 在沒有外電場作用時(shí)， 它們幾乎重疊在一起， 因而不具有偶極性； 有外電場作用時(shí)， 由于場的作用， 正負(fù)電荷不再重合， 被拉開了一段距離， 從而形成了電偶極子， 因而光場與物質(zhì)的相互作用可看成介質(zhì)的極化， 可用極化強(qiáng)度來描述。 第第2 2章章 光纖光纖 對于光纖， 當(dāng)有光場加于光纖中的SiO2原子時(shí)， 原子核和電子所受的作用力是相反的， 會(huì)引起原子的極化或畸變。 材料的感應(yīng)電極化(或簡單地說極化)可以用矢量P來表示，P與材料的特性和所加的電場有關(guān)， 極化可以理解為材料對所加電場的響應(yīng)。 P和外加電場E之間的相互關(guān)系是影響光纖（SiO2材料）色散

26、和非線性的根本原因（下面再討論）。 E和P之間的關(guān)系與介質(zhì)的特性有關(guān)， 下面介紹介質(zhì)的五個(gè)特性以及它們對介質(zhì)的極化P與所加電場E之間的相互關(guān)系的影響。 第第2 2章章 光纖光纖 (1) 響應(yīng)的局部性。 在介質(zhì)中， 介質(zhì)對所加電場的響應(yīng)是局部的， 即介質(zhì)在某處的極化P只與該處所加電場E有關(guān)， 而其他部分所加的電場E對P沒有影響， 這一特性對工作在 0.52 m波長的光纖是一個(gè)很好的近似。 目前， 光纖通信系統(tǒng)采用的光纖波長為1.3 m和1.55 m。 第第2 2章章 光纖光纖 (2) 各向同性與各向異性（雙折射）。 各向同性介質(zhì)是指其電磁特性(如折射率、 偏振、 傳播常數(shù)等)在所有的方向都是一樣

27、的， 且其電場矢量E、 極化矢量取向相同的介質(zhì)。 SiO2材料的圓柱形光纖都是各向同性介質(zhì)。 如果光纖的圓柱特性被破壞， 如不對稱， 則不是各向同性介質(zhì)。 如果材料的折射率在任意兩個(gè)方向上不同， 如X、 Y方向， 則稱為雙折射。 由于光纖沿長度方向很難保證圓柱對稱性， 因而它是雙折射材料。 同樣， 鈮酸鋰、 光隔離器、 調(diào)諧濾波器等都是雙折射材料。 第第2 2章章 光纖光纖 (3) 線性與非線性特性。 當(dāng)介質(zhì)所加的電場E較弱時(shí)， 其電極化強(qiáng)度P與電場E近似成線性關(guān)系。 線性介質(zhì)可看作線性系統(tǒng)， 則介質(zhì)所產(chǎn)生的感應(yīng)極化可以看作是系統(tǒng)的沖激響應(yīng)。 最重要的是, 時(shí)刻t的P的值不僅與時(shí)刻t時(shí)的電場值

28、E有關(guān)， 還與t以前的電場值E有關(guān)， 介質(zhì)對加在其上的電場的這種響應(yīng)特性是非時(shí)變的， 而且是有依賴關(guān)系的， 這是光纖色散的根本原因所在， 它對光纖通信系統(tǒng)的性能是一個(gè)基本的限制。 電極化P與所加電場E之間的線性關(guān)系只有在光纖中信號(hào)的功率和所傳比特率適中的情況下才保持正確， 當(dāng)光功率增加到一定的閾值時(shí)， 系統(tǒng)的非線性會(huì)影響系統(tǒng)的性能。 第第2 2章章 光纖光纖 (4) 均勻性與不均勻性。 如介質(zhì)在其所有點(diǎn)上的電磁特性都相同, 則介質(zhì)稱為均勻介質(zhì)。 光纖不是均勻介質(zhì)， 因?yàn)槔w芯的折射率與包層的折射率不相等。 然而對于階躍光纖, 在其纖芯域和包層域分別是均勻介質(zhì)。 梯度光纖在纖芯域不是均勻介質(zhì)。 第

29、第2 2章章 光纖光纖 (5) 無損耗特性。 盡管光纖不是無損耗介質(zhì)， 但其損耗值較小, 可以忽略不計(jì)， 因此在討論傳播模時(shí)可以假設(shè)損耗為零， 即使假設(shè)損耗不為零, 對討論模式也沒有大的影響。 由上面的分析可知： 如果假設(shè)光纖具有這五種特性, 即響應(yīng)的局部性、 各向同性、 線性、 均勻、 無損， 那么其實(shí)質(zhì)是與假設(shè)光纖的感應(yīng)極化P與所加的電場E有合適的特性(如線性關(guān)系、 平方關(guān)系等)是一致的。 第第2 2章章 光纖光纖 2.7 光光 纖纖 模模 式式 2.7.1 模的概念 光纖纖芯中的電場和磁場， 包層中的電場和磁場均滿足波動(dòng)方程， 但它們的解不是彼此獨(dú)立的， 而是滿足在纖芯和包層處電場和磁場

30、的邊界條件， 這樣理解光纖的模是相當(dāng)簡單的。 所謂的光纖模， 就是滿足邊界條件的電磁場波動(dòng)方程的解， 即電磁場的穩(wěn)態(tài)分布。 這種空間分布在傳播過程中只有相位的變化， 沒有形狀的變化， 且始終滿足邊界條件， 每一種這樣的分布對應(yīng)一種模式。 第第2 2章章 光纖光纖 光纖中的模式， 不同于光在自由空間或平面波導(dǎo)中的傳輸， 除少數(shù)幾個(gè)模式之外， 大部分模式的Ez或Hz分量不為零， 因而光纖中的模式是混合模。 根據(jù)Ez和Hz的貢獻(xiàn)大小， 分為EH模（EzHz）和HE模（EzHz）。 一個(gè)模式由它的傳播常數(shù)惟一決定。 為了更好地理解傳播常數(shù)， 作如下假設(shè)： 電磁波在折射率為n的均勻介質(zhì)中傳播， 電磁波是

31、一個(gè)單色波， 也就是說所有的能量集中在一個(gè)頻率或真空中的波長上。 在這種情況下， 傳播常數(shù)=n/c=2n/， 利用波數(shù) k=2/ 來表示， 則=kn。 第第2 2章章 光纖光纖 在光纖中， 單色波在纖芯中傳播時(shí)， 傳播常數(shù)為kn1， 在包層中傳播時(shí)， 傳播常數(shù)為kn2。 由于光纖中模式部分在纖芯中傳播， 部分在包層中傳播， 因而其傳播常數(shù)滿足kn2kn1。 可用模的有效折射率neff=/k代替模的傳播常數(shù)， 則模的有效折射率位于纖芯折射率和包層折射率之間。 在光纖中， 單色波的有效折射率與折射率n類似， 波的傳播速度為effnc(2.5)第第2 2章章 光纖光纖 2.7.2 多模光纖中的模式數(shù)

32、目 通常在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)目很多， 它與光的波長、 光纖的結(jié)構(gòu)（如纖芯的直徑）、 光纖的纖芯和包層的折射率分布有關(guān)。 為了表示光纖中存在模式的數(shù)目， 我們引入一個(gè)參數(shù)V（歸一化頻率）， 其定義為22212nnaV (2.6) 式中， 為光纖中電磁波的工作波長， a為光纖的纖芯半徑， n1為纖芯的折射率，n2為包層的折射率。 光纖中傳導(dǎo)模的總數(shù)為第第2 2章章 光纖光纖 ggVM222 (2.7) 式中， g為光纖中纖芯的折射率分布參數(shù)。 對于三角分布, g， 其模式數(shù)目為62VM (2.9b)對于漸變光纖, g， 其模式數(shù)目為 (2.9a)42VM 22VM (2.8) 對于階躍光纖， g

33、， 其模式數(shù)目為第第2 2章章 光纖光纖 例題：一根數(shù)值孔徑為0.20的階躍折射率多模光纖在850 nm波長上可以支持1000個(gè)左右的傳播模式。 試問： （1） 其纖芯直徑為多少？ （2） 在1310 nm波長上可以支持多少個(gè)模？ （3） 在1550 nm波長上可以支持多少個(gè)模？第第2 2章章 光纖光纖 2.7.3 單模光纖的傳播模 只能傳播一種模式的光纖稱為單模光纖。 為保證光纖中只存在一個(gè)模式， 可以證明應(yīng)滿足如下截止條件： 405. 222221nnaV(2.10) 第第2 2章章 光纖光纖 其中， 波長的最小值稱為單模光纖的截止波長， 表示為截止。 V隨纖芯半徑a、 纖芯和包層的相對折

34、射率=(n1-n2)/n1的增大而增大， 而單模光纖的纖芯和折射率差都較小， 典型值是當(dāng)a=4 m， =0.03， =1.55 m時(shí)， V的值約為2。 由于的值較小， 因而纖芯和包層的折射率近似相等， 光的能量并不全部限制在纖芯中，相反有相當(dāng)一部分在包層中， 我們稱這種光纖為弱導(dǎo)光纖。 為了減少基模在包層中的損耗， 實(shí)際的單模光纖的結(jié)構(gòu)是在包層外再制一層包層(稱為外包層， 原有的包層稱為內(nèi)包層)。 內(nèi)包層的折射率可以大于也可以小于纖芯的折射。 第第2 2章章 光纖光纖 2.7.4 偏振模色散 單模光纖中的基模實(shí)際上是一簡并模， 它是兩個(gè)相互正交的線性偏振模。 對于理想的圓柱對稱光纖， 這兩個(gè)模

35、具有相同的傳播常數(shù)， 盡管光脈沖的能量分布在這兩個(gè)模上， 但并沒有引起光脈沖的展寬。 但實(shí)際上， 光纖不可能保證圓柱對稱性， 因而這兩個(gè)模的傳播常數(shù)有微小的差別， 分布在這兩個(gè)模式上的光能略微有分開。 傳播常數(shù)的差別導(dǎo)致了光脈沖的展寬， 我們稱這一現(xiàn)象為偏振模色散PMD。 第第2 2章章 光纖光纖 2.8 光纖的模式色散光纖的模式色散 2.8.1 模間時(shí)延差 模間時(shí)延主要存在于多模光纖中。 在光纖中， 光能量首先被分配到光纖中存在的模式上去， 然后由不同的模攜帶能量向前傳播。 由于不同的模的傳播路徑不同， 因此到達(dá)目的地時(shí)不同的模之間存在時(shí)延差。 對于多模光纖， 其纖芯為50 m， 遠(yuǎn)大于光的

36、波長1.3 m， 因而波動(dòng)理論與幾何光學(xué)分析的結(jié)論是一致的。 可以將一個(gè)模式看成是光線在光纖中一種可能的行進(jìn)路徑。 由于不同的路徑其長度不同， 因而對應(yīng)的不同的模式其傳播時(shí)延也不同。 第第2 2章章 光纖光纖 設(shè)有一光脈沖注入長為L的階躍型光纖中， 可以用幾何光學(xué)求出其最大的時(shí)延差。 設(shè)一單色光波注入光纖中， 其能量將由不同的模式攜帶， 速度最快的模（路徑最短）與中心軸線光線相對應(yīng)， 速度最慢的模（路徑最長）與沿全反射路徑的光線相對應(yīng)， 可求出最大的時(shí)延差： (2.11) 圖 2.12 模間時(shí)延差 輸 入 光 脈 沖全 反 射 路 徑纖 芯 (n1)包 層 (n2)m axm in中 心 軸

37、線輸 出 光 脈 沖21maxmin112/sin/LnLLLc nc ncn 第第2 2章章 光纖光纖 2.8.2 模間色散的減少 由于不同的光線在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)間不同， 因而輸入一個(gè)光脈沖時(shí)， 其能量在時(shí)間上相對集中， 經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)輸出端， 輸出一個(gè)光脈沖， 其能量在時(shí)間上相對彌散， 這種現(xiàn)象稱為模式色散。 通過合理設(shè)計(jì)光纖， 模式色散可以減?。ㄈ鐫u變光纖）， 甚至沒有（如單模光纖）。 2.8.3 多模光纖的最大比特率 由于模間色散的存在， 展寬的光脈沖會(huì)達(dá)到某種程度， 使得前后光脈沖相互重疊， 這是我們不希望看到的。 一個(gè)粗略的判據(jù)是, 只要光脈沖在時(shí)間上的展寬不超過系統(tǒng)比特周期 1

38、/B 的1/2， 即1/(2B)（B為系統(tǒng)的比特率（比特率是指每秒傳送的比特(bit)數(shù)）， 就可接受。 因此模式色散有如下的限制:(2.12) 112nTLLcB 第第2 2章章 光纖光纖 因而光纖通信系統(tǒng)由于受模式色散的影響， 其比特距離積為12ncBL (2.13) 如=0.01， n1=1.5（n2）， 可得BL10（Mb/s）km。 對于折射率成拋物線分布的漸變光纖， 在光纖L處， 最快光線和最慢光線的時(shí)延差為821ncLLT (2.14) 如假設(shè) , 則系統(tǒng)的帶寬距離積為BT21214ncBL (2.15) 第第2 2章章 光纖光纖 2.9 單模光纖的波長色散或色度色散單模光纖的波

39、長色散或色度色散 2.9.1 相速度 單色光波可以描述為 E(z, t)=A cos(0t-(0)z) 式中： A為光場的振幅， (=0)為傳播常數(shù)， 0=2f0。 相速v定義為與行波光場保持固定相位的觀察者前進(jìn)的速度或等相位面（t-z=常數(shù)）前進(jìn)的速度:)(00dtdz （2.16） 第第2 2章章 光纖光纖 2.9.2 群速度 實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中的光波不是單色波而是已調(diào)光波， 為簡化分析, 我們假設(shè)光波只包含兩個(gè)分量： 0+和0-， 且1.27 m時(shí)有正的色散， 1.27 m， 由于材料色散與波導(dǎo)色散符號(hào)相反， 因而在某一波長上可以完全相互抵消。對于普通的單模光纖，波長為=1.30 m，選

40、用工作于該波長的光纖其色散最小。 (2) 色散位移光纖DSF。 減少光纖的纖芯使波導(dǎo)色散增加， 可以把零色散波長向長波長方向移動(dòng)， 從而在光纖最低損耗窗口=1.55 m附近得到最小色散。 將零色散波長移至=1.55 m附近的光纖稱為DSF光纖。 (3) 色散平坦光纖DFF。 將在=1.30 m和=1.55 m范圍內(nèi)， 色散接近于零的光纖稱為DFF光纖。第第2 2章章 光纖光纖 (4) 色散補(bǔ)償光纖DCF。 普通單模光纖的色散典型值為1 ps/(nmkm)， 在特定波長范圍內(nèi)； DCF光纖的色散符號(hào)與其相反， 即為負(fù)色散， 這樣當(dāng)DCF光纖與普通單模光混合使用時(shí), 色散得到了補(bǔ)償。 為了得到好的

41、補(bǔ)償效果, 通常DCF光纖的色散值很大， 典型值為-103 ps/(kmnm)， 所以只需很短的DCF光纖就能補(bǔ)償很長的普通單模光纖。 (5) 色散補(bǔ)償器如光纖光柵FG、 光學(xué)相位共軛OPC等。 其原理都是讓原先跑得快的波長經(jīng)過補(bǔ)償器時(shí)慢下來， 減少不同波長由于速度不一樣而導(dǎo)致的時(shí)延。 第第2 2章章 光纖光纖 2.10 光光 纖纖 的的 損損 耗耗 2.10.1 損耗系數(shù) 光纖的損耗限制了光纖最大無中繼傳輸距離。 損耗用損耗系數(shù)()表示， 單位為dB/km, 即單位長度km的光功率損耗 dB（分貝）值。 如果注入光纖的功率為 p(z=0), 光纖的長度為L， 經(jīng)長度L的光纖傳輸后光功率為p(

42、z=L)， 因?yàn)楣夤β孰S長度是按指數(shù)規(guī)律衰減的， 所以()為)/()()0(lg10)(kmdBLzpzpL（2.21） 光纖的損耗系數(shù)與光纖因折射率波動(dòng)而產(chǎn)生的散射如瑞利散射、 光缺陷、 雜質(zhì)吸收（如OH-根離子、 紅外）等有關(guān)， 且是波長的函數(shù):)()(241Acc（2.22）第第2 2章章 光纖光纖 式中， c1為瑞利散射常數(shù)， c2為與缺陷有關(guān)的常數(shù)， A()為雜質(zhì)引起的波吸收。 ()與波長的關(guān)系如圖2.13所示。 從圖中可看出， 有三個(gè)低損耗窗口， 其中心波長分別位于0.85 m、 1.30 m、 1.55 m處。 圖2.13 光纖損耗與波長的關(guān)系 0.81.01.21.41.6瑞利

43、散射OHOH紅外吸收波長 / m損耗 / (dB / km)第第2 2章章 光纖光纖 2.10.2 光纖可用頻譜 根據(jù)光纖的光功率損耗， 同時(shí)考慮到光源、 光檢測器和包括光纖在內(nèi)的光器件的使用， 目前應(yīng)用的光譜范圍如表2.1所示。 單模光纖的第一低損耗窗口位于0.85 m附近; 第二低損耗窗口位于1.30 m附近， 即S波段; 第三低損耗窗口位于1.55 m附近， 即 C波段， 它位于15281565 nm段。 習(xí)慣將15281545 nm段稱為藍(lán)波段， 將13501450 nm 段稱為紅波段； 15611620 nm段定義為L波段或第四窗口； 13501450nm段為第五窗口。 第第2 2章

44、章 光纖光纖 表2.1 目前光纖采用的低損耗光譜第第2 2章章 光纖光纖 2.11 單單 模模 光光 纖纖 2.11.1 模場直徑 光纖中的傳播模場的模場直徑（MFD）是一個(gè)重要的性能參數(shù)。 模場直徑可以由主模LP01模的模場分布決定。 多模光纖的模場直徑與纖芯直徑幾乎相等， 但單模光纖的模場直徑一般不等于纖芯直徑， 這是因?yàn)閱文９饫w中并非所有的光都由纖芯承載并局限于纖芯內(nèi)傳播。 單模光纖中模場的分布可以用圖2.14 解釋。 第第2 2章章 光纖光纖 圖2.14 單模光纖中模場的光功率分布E(r)r0r2aE0e2E0模場直徑2W0第第2 2章章 光纖光纖 假設(shè)電場分布是高斯型的， 即2020

45、exp)(WrErE （2.23） 等式中r是纖芯徑向長度， E0是r=0處的場量值， W0是電場分布的半寬度。 于是可以定義式（2.23）中的全寬2W0為MFD， 也就是場量降至中心處的e-1對應(yīng)半徑的2倍（這個(gè)半徑等價(jià)于光功率降至中心處e-2時(shí)的半徑）。 LP01模的MFD寬度2W0可以定義為drrrEdrrErW)()(222202300 （2.24）第第2 2章章 光纖光纖 2.11.2 單模光纖的分類及折射率剖面 單模光纖按照零色散波長， 可以分為常規(guī)型、 色散位移型、 非零色散型以及色散平坦型光纖。 每種光纖又有不同的折射率剖面。 第第2 2章章 光纖光纖 1. 常規(guī)型單模光纖 常

46、規(guī)型單模光纖的零色散波長在 1310 nm 附近， 最低損耗在 1550 nm 附近， 在1550 nm處有一個(gè)較高的正色散值。 ITU-T建議的G.652光纖和G.654光纖都屬于這種類型。 零色散波長在13001324 nm， 最大色散D（）3.5 ps/(nmkm)， 色散斜率S00.093/(nm2km)。 常規(guī)光纖的剖面結(jié)構(gòu)有匹配包層型和下凹內(nèi)包層型SiO2 GeO2SiO2 F P2O5SiO2純 SiO2SiO2 F(a)SiO2 GeO2SiO2 SiO2 F純 SiO2SiO2 FSiO2(b)圖 2.15 常規(guī)單模光纖的折射率分(a) 匹配包層； (b) 下凹內(nèi)包層第第2

47、2章章 光纖光纖 2. 色散位移型光纖(DSF) 色散位移型光纖的零色散波長0在1.55 m左右， 它的零色散波長范圍為15001600 nm， 色散斜率S00.085/(nm2km)， 在15251575 nm范圍內(nèi)最大色散系數(shù)D()1時(shí)為非線性的高階響應(yīng)。 對于各向同性介質(zhì)如光纖， 第二項(xiàng)是正交的， 因而該項(xiàng)消失， 第三項(xiàng)引起的非線性效應(yīng)很大， 它常稱為克爾效應(yīng)， 主要有兩類： 一類是由于光纖的折射率隨輸入光功率的變化引起的， 另一類是由散射產(chǎn)生的。 第第2 2章章 光纖光纖 當(dāng)光纖中光功率保持低電平時(shí)， 玻璃光纖的折射率一直為常數(shù)。 當(dāng)光纖中的光功率提高后， 光纖的折射率受到傳輸信號(hào)光強(qiáng)

48、度的調(diào)制而發(fā)生變化。 非線性折射率波動(dòng)效應(yīng)可分為三大類： 自相位調(diào)制(SPM)， 交叉相位調(diào)制(XPM)以及四波混頻(FWM)。 在光強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中， 當(dāng)光信號(hào)與聲波或光纖材料中振動(dòng)的分子相互作用時(shí)， 會(huì)散射光并把能量向更長的波長轉(zhuǎn)移。 非線性受激散射可分為布里淵散射和拉曼散射兩種形式。 第第2 2章章 光纖光纖 2.12.1 自相位調(diào)制SPM 由克爾效應(yīng)可知， 強(qiáng)光場將瞬時(shí)改變光纖的折射率， 光強(qiáng)I與折射率變化n的關(guān)系為 n=I 其中， 是非線性克爾系數(shù)。 當(dāng)有一光波信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)， 其相位隨距離而變化， 方程為ztInz)(2)(0 (2.25) 第第2 2章章 光纖光纖 前一項(xiàng)是線性

49、相移， 后一項(xiàng)為非線性相移。 如果輸入的光信號(hào)是強(qiáng)度調(diào)制， 則非線性相移引起相位調(diào)制， 這種效應(yīng)稱為自相位調(diào)制(SPM)。 SPM的相位調(diào)制能夠產(chǎn)生新的頻率， 同時(shí)展寬了光脈沖的頻譜， 在波分復(fù)用系統(tǒng)中如果這種調(diào)制現(xiàn)象較嚴(yán)重， 展寬的光譜會(huì)覆蓋到相鄰的信道。 另外, 自相位調(diào)制能帶來好處， 它能夠與光纖的正色散作用, 從而暫時(shí)壓縮傳輸?shù)墓饷}沖。 交叉相位調(diào)制(XPM/CPM)準(zhǔn)確地講是與自相位調(diào)制產(chǎn)生方式相同的另一種非線性效應(yīng)。 然而自相位調(diào)制是光脈沖對自身相位的影響， 交叉相位調(diào)制是用來描述光脈沖對其他信道信號(hào)光脈沖相位的影響， 僅在多信道系統(tǒng)中才發(fā)生。 第第2 2章章 光纖光纖 2.12.

50、2 四波混頻FWM 當(dāng)有三個(gè)不同波長的光波同時(shí)注入光纖時(shí)， 由于三者的相互作用， 產(chǎn)生了一個(gè)新的波長或頻率， 即第四個(gè)波， 新波長的頻率是由入射波長組合產(chǎn)生的新頻率。 這種現(xiàn)象稱為四波混頻效應(yīng)。 四波混頻效應(yīng)能夠?qū)⒃瓉砀鱾€(gè)波長信號(hào)的光功率轉(zhuǎn)移到新產(chǎn)生的波長上， 從而對傳輸系統(tǒng)性能造成破壞。 在波分復(fù)用系統(tǒng)中， 混合產(chǎn)生的新波長會(huì)與其他信號(hào)信道的波長完全一樣，嚴(yán)重地破壞信號(hào)的眼圖并產(chǎn)生誤碼。 第第2 2章章 光纖光纖 四波混頻效應(yīng)的效率與波長失配、 波長間隔、 注入光波長的強(qiáng)度、 光纖的色散、 光纖折射率、 光纖的長度等有關(guān)。 色散在四波混頻效應(yīng)中起了重要的作用。 通過破壞相互作用的信號(hào)間的相位

51、匹配， 色散能減少四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的新波長數(shù)目。 目前, 1550 nm波長附近的波分復(fù)用系統(tǒng)能夠傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)目受到了嚴(yán)格限制。 第第2 2章章 光纖光纖 2.12.3 受激布里淵散射SBS 當(dāng)一個(gè)窄線寬、 高功率信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)， 將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號(hào)同向的聲波， 此聲波波長為光波長的一半， 且以聲速傳輸。 理解非線性布里淵效應(yīng)的一個(gè)簡單方法是將聲波想象為一個(gè)把入射光反射回去的移動(dòng)布拉格光柵， 由于光柵向前移動(dòng)， 因此反射光經(jīng)多普勒頻移到一個(gè)較低的頻率值。 對于工作于1.55 m的二氧化硅光纖， 布里淵頻偏約為 11 GHz， 且決定于光纖中的聲速， 反射光線寬， 還取決于聲波的損耗， 它可在幾十至幾百兆赫茲的范圍內(nèi)變動(dòng)。 第第2 2章章 光纖光纖 2.12.3 受激布里淵散射SBS 當(dāng)一個(gè)窄線寬、 高功率信號(hào)沿光纖傳輸時(shí)， 將產(chǎn)生一個(gè)與輸入光信號(hào)同向的聲波， 此聲波波長為光波長的一半， 且以聲速傳輸。 理解非線性布里淵效應(yīng)的一個(gè)簡單方法是將聲波想象為一個(gè)把入射光反射回去的移動(dòng)布拉格光柵， 由于光柵向前移動(dòng)， 因此反射光經(jīng)多普勒頻移到一個(gè)較低的頻率值。 對于工作于1.55 m的二氧化硅光纖， 布里淵頻偏約為 11 GHz， 且決定于光纖中的聲速， 反射光線寬， 還取決于聲波的損耗，