光技術(shù)與光纖通信2章(改底)

1、光技術(shù)與光纖通信光技術(shù)與光纖通信云南大學(xué)信息學(xué)院通信工程系云南大學(xué)信息學(xué)院通信工程系 宗宗 容容第二章第二章 光纖與光纜光纖與光纜光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信光技術(shù)與光纖通信光技術(shù)與光纖通信 第一章第一章 概述概述第二章第二章 光纖與光纜光纖與光纜第三章第三章 通信用光器件通信用光器件第四章第四章 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)第五章第五章 光纖通信中的高新技術(shù)光纖通信中的高新技術(shù)光纖光纖通信通信第二章第二章 光纖與光纜光纖與光纜2.1 光纖的構(gòu)造與分類光纖的構(gòu)造與分類2.2 光纖傳光原理光纖傳光原理2.3 光纖的特性（性能）光纖的特性（性能）2.4 光纜光纜2.5 光纖特性的測量方法光纖特性的

2、測量方法光纖光纖通信通信2.1 光纖的構(gòu)造與分類光纖的構(gòu)造與分類一、光纖的構(gòu)造一、光纖的構(gòu)造二、光纖的分類二、光纖的分類三、常用光纖三、常用光纖四、光纖型號的命名方法四、光纖型號的命名方法五、光纖制作方法簡介五、光纖制作方法簡介六、光纖的選用原則和推薦方案六、光纖的選用原則和推薦方案光纖光纖通信通信一、一、光纖的構(gòu)造光纖的構(gòu)造1、纖芯，光信號的傳輸、纖芯，光信號的傳輸2、包層，限制光信號溢出包層，限制光信號溢出3、一次涂敷層（預(yù)涂層），、一次涂敷層（預(yù)涂層）， 保護光纖增加韌性保護光纖增加韌性4、緩沖層，減少對光纖的壓緩沖層，減少對光纖的壓 力力5、二次涂敷層（套塑層），、二次涂敷層（套塑層）

3、， 加強光纖的機械強度加強光纖的機械強度光纖光纖通信通信1、纖芯：位于光纖中心部位，主要成分是高純、纖芯：位于光纖中心部位，主要成分是高純度的度的SiO2,純度可達純度可達99.99999%，其余成份為摻，其余成份為摻入極少量摻雜劑，如入極少量摻雜劑，如P2O5和和GeO2，摻雜劑的作，摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯直徑一般為用是提高纖芯的折射率。纖芯直徑一般為2a3100m2、包層：含有少量摻雜劑的高純度、包層：含有少量摻雜劑的高純度SiO2,摻雜摻雜劑有氟或硼，其作用是降低包層折射率，包層劑有氟或硼，其作用是降低包層折射率，包層直徑直徑2b125140m3、一次涂層：厚度、一次涂層：

4、厚度540m，材料一般為環(huán)氧，材料一般為環(huán)氧樹脂或硅橡膠，可承受樹脂或硅橡膠，可承受7kg拉力拉力4、緩沖層：厚度、緩沖層：厚度100m5、二次涂敷層：原料大都采用尼龍或聚乙烯、二次涂敷層：原料大都采用尼龍或聚乙烯1層層2層光纖層光纖345層護層層護層5層大約層大約0.9mm左右左右光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信二、二、光纖的分類光纖的分類11、從原材料分：、從原材料分：石英系光纖石英系光纖多組份玻璃光纖多組份玻璃光纖氟化物光纖氟化物光纖塑料光纖塑料光纖液芯光纖液芯光纖摻雜光纖，如摻鉺光纖摻雜光纖，如摻鉺光纖 由于石英系光纖具有傳輸衰減小，由于石英系光纖具有傳輸衰減小，通信頻帶寬，機械強度較

5、高等特點，通信頻帶寬，機械強度較高等特點，在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。光纖光纖通信通信材料對性能的影響材料對性能的影響按原材料按原材料劃分劃分所用原材料舉所用原材料舉例例可制成光纖按其可制成光纖按其它方法歸類它方法歸類特點特點衰衰減減強強度度可靠可靠性性價價格格石英光纖石英光纖 SiO2和摻雜劑和摻雜劑 階躍單模階躍單模(SM)階躍多模階躍多模(SI)梯度多模梯度多模(GI)低低 高高 高高高高多成份玻多成份玻璃光纖璃光纖納鈣玻璃納鈣玻璃硼硅酸鹽玻璃硼硅酸鹽玻璃階躍多模階躍多模(SI)梯度多模梯度多模(GI)較較低低較較低低存在存在問題問題較較低低塑包石英塑包石英光纖光

6、纖纖芯：纖芯： SiO2包層：塑料包層：塑料階躍多模階躍多模(SI)較較低低較較高高存在存在問題問題較較低低全塑光纖全塑光纖 纖芯：聚甲基丙烯酸甲酯纖芯：聚甲基丙烯酸甲酯包層：氟代丙烯酸樹酯包層：氟代丙烯酸樹酯SI高高 低低 有問有問題題低低光纖光纖通信通信光纖分類光纖分類22、按照光纖橫截面上折射率分布特征、按照光纖橫截面上折射率分布特征n(r) 分：分：階躍型光纖，也稱突變型光纖（常用階躍型光纖，也稱突變型光纖（常用SI表示表示Step Index fibber） 纖芯與包層的折射率均為一常數(shù)，其界纖芯與包層的折射率均為一常數(shù)，其界面處呈階躍式變化。面處呈階躍式變化。漸變型光纖，也稱梯度光

7、纖或自聚焦光漸變型光纖，也稱梯度光纖或自聚焦光纖纖（常用常用GI表示表示Graded Index fibber ）纖芯折射率連續(xù)變化，包層的折射率則纖芯折射率連續(xù)變化，包層的折射率則為一常數(shù)。為一常數(shù)。W型光纖型光纖 等等光纖光纖通信通信ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2階躍型光纖階躍型光纖漸變型光纖漸變型光纖 n1 r a n1 1 - 2 ( r/a ) g 1/2 r a n2 a r b n2 1 - 2 1/2 a 2m 短波長與長波長光纖為石英系光纖，而短波長與長波長光纖為石英系光纖，而超長波長光纖為非石英系光纖，如重金屬超長波長光纖為非石英系光纖，如重金屬氧化物

8、、硫硒碲化合物和鹵化物光纖等氧化物、硫硒碲化合物和鹵化物光纖等光纖光纖通信通信三、常用光纖三、常用光纖1、階躍多模光纖（、階躍多模光纖（SIF）2、梯度多模光纖（、梯度多模光纖（GIF）3、單模光纖（、單模光纖（SMF） 目前常用單模光纖有：目前常用單模光纖有：G.652 、G.653、 G.654、 G.655光纖光纖通信通信按照零色散波長將單模光纖分為按照零色散波長將單模光纖分為6種種非色散位移光纖：非色散位移光纖：G.652色散位移光纖：色散位移光纖：G.653截止波長位移光纖：截止波長位移光纖： G.654非零色散位移光纖：非零色散位移光纖：G.655色散平坦光纖色散平坦光纖色散補償光

9、纖色散補償光纖光纖光纖通信通信G.651，多模漸變型（，多模漸變型（GIF）光纖）光纖（或稱梯（或稱梯度光纖），它在光纖通信發(fā)展的初期廣泛度光纖），它在光纖通信發(fā)展的初期廣泛應(yīng)用于中小容量，中短距離的通信系統(tǒng)；應(yīng)用于中小容量，中短距離的通信系統(tǒng)；G.652 常規(guī)單模光纖常規(guī)單模光纖，或稱非色散位移光，或稱非色散位移光纖，是第一代單模光纖，其特點是在波長纖，是第一代單模光纖，其特點是在波長1310nm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制，但耗的限制，但1310nm處損耗不是最小值處損耗不是最小值（0.4dB/km）。光纖工作在）。光纖工作在1550nm窗口窗口衰減

10、小，且具有衰減小，且具有EDFA供選用，但其在供選用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系統(tǒng)的長窗口色散大，不利于高速系統(tǒng)的長距離傳輸。距離傳輸。光纖光纖通信通信G.653 色散移位光纖色散移位光纖，是第二代單模光纖，是第二代單模光纖，其特點是在波長其特點是在波長1550nm色散為零，損耗又色散為零，損耗又最小。適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。但最小。適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。但其在波分復(fù)用時會出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)，故其在波分復(fù)用時會出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)，故其被限用于單信道高速傳輸。其被限用于單信道高速傳輸。G.654 截止波長位移光纖截止波長位移光纖，1550nm損耗最損耗最小單模光纖，其特點是

11、在波長小單模光纖，其特點是在波長1310nm處色處色散為零，在散為零，在1550nm處色散為處色散為1720ps/(nm.km)，和常規(guī)單模光纖相同，但，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達損耗更低，可達0.2dB/km以下。它主要是以下。它主要是一種用于一種用于1550nm改進的常規(guī)單模光纖。目改進的常規(guī)單模光纖。目的是增加傳輸距離的是增加傳輸距離光纖光纖通信通信G.655 非零色散位移光纖非零色散位移光纖，是一種改進的，是一種改進的色散移位光纖，在密集波分復(fù)用（色散移位光纖，在密集波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中，當(dāng)使用波長系統(tǒng)中，當(dāng)使用波長1550nm色散為零的色色散為零的色散移位光纖時，由于復(fù)

12、用信道多，信道間散移位光纖時，由于復(fù)用信道多，信道間隔小，出現(xiàn)了一種稱為四波混頻的非線性隔小，出現(xiàn)了一種稱為四波混頻的非線性效應(yīng)。這種效應(yīng)是由兩個或三個波長的傳效應(yīng)。這種效應(yīng)是由兩個或三個波長的傳輸光混合而產(chǎn)生的有害分量，它使信道間輸光混合而產(chǎn)生的有害分量，它使信道間相互干擾。相互干擾。如果色散為零，四波混頻的干擾十分嚴(yán)重，如果色散為零，四波混頻的干擾十分嚴(yán)重，如果有微量色散，四波混頻反而減小。為如果有微量色散，四波混頻反而減小。為此，科學(xué)家研究了此，科學(xué)家研究了非零色散光纖非零色散光纖。光纖光纖通信通信G.655光纖的特點光纖的特點是有效面積大，零色散波長不是有效面積大，零色散波長不在在15

13、50nm，而在，而在1525nm或或1585nm。在。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分復(fù)用系有微量色散，其值大到足以抑制密集波分復(fù)用系統(tǒng)的四波混頻效應(yīng)，小到允許信道傳輸速率達到統(tǒng)的四波混頻效應(yīng)，小到允許信道傳輸速率達到10Gb/s以上。它具有常規(guī)單模光纖和色散移位光以上。它具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的優(yōu)點，是最新一代的單模光纖。光纖工作在纖的優(yōu)點，是最新一代的單模光纖。光纖工作在1550nm窗口衰減小、色散低，大大減小四波混窗口衰減小、色散低，大大減小四波混頻效應(yīng)，故其可用于遠距離、波分復(fù)用、孤子傳頻效應(yīng)，故其可用于遠距離、波分復(fù)用、孤子傳輸高速系統(tǒng)中，實現(xiàn)超大容量超長距

14、離的通信。輸高速系統(tǒng)中，實現(xiàn)超大容量超長距離的通信?？祵幙祵?Corning)公司開發(fā)的這種新型光纖稱為公司開發(fā)的這種新型光纖稱為長長距離系統(tǒng)光纖距離系統(tǒng)光纖(Long Haul System Fiber)；AT&T(美國電報電話美國電報電話)公司開發(fā)的這種光纖稱為公司開發(fā)的這種光纖稱為真波光纖真波光纖(True Wave Fiber)光纖光纖通信通信色散補償光纖色散補償光纖，其特點是在波長，其特點是在波長1550nm具具有大的負(fù)色散，這種光纖是針對波長為有大的負(fù)色散，這種光纖是針對波長為1310nm的常規(guī)單模光纖系統(tǒng)升級而設(shè)計的，的常規(guī)單模光纖系統(tǒng)升級而設(shè)計的，因為當(dāng)這種系統(tǒng)要使用摻

15、鉺光纖放大器因為當(dāng)這種系統(tǒng)要使用摻鉺光纖放大器（EDFA）以增加傳輸距離時，必須把工）以增加傳輸距離時，必須把工作波長從作波長從1310nm移到移到1550nm，。用色散，。用色散補償光纖在波長為補償光纖在波長為1550nm的負(fù)色散和常規(guī)的負(fù)色散和常規(guī)單模光纖在單模光纖在1550nm的正色散相互抵消，以的正色散相互抵消，以獲得線路總色散零而損耗又最小的效果。獲得線路總色散零而損耗又最小的效果。色散平坦光纖色散平坦光纖，其特點是色散值在一定范，其特點是色散值在一定范圍內(nèi)為常數(shù)，圍內(nèi)為常數(shù)，光纖光纖通信通信四、光纖型號的命名方法四、光纖型號的命名方法根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB11819-

16、89規(guī)定，規(guī)定，光纖型號應(yīng)包括光纖的類型代號和規(guī)光纖型號應(yīng)包括光纖的類型代號和規(guī)格代號。格代號。1、多模光纖型號的命名方法、多模光纖型號的命名方法 現(xiàn)以通信用多模漸變型、工作波長現(xiàn)以通信用多模漸變型、工作波長850nm的的A1-50/125(20)12008C2光纖光纖為例，說明多模光纖型號的命名方法。為例，說明多模光纖型號的命名方法。光纖光纖通信通信多模漸多模漸變型變型芯徑芯徑/包層徑包層徑數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑0.20工作波長工作波長0.85m環(huán)境環(huán)境溫度溫度帶寬長度積帶寬長度積800MHzkm衰減常數(shù)衰減常數(shù)2.0dB/km帶寬長度積：用千位和百位來表示（帶寬長度積：用千位和百位來表示（MHz

17、km）衰減常數(shù)：用個位和小數(shù)點后一位來表示衰減常數(shù)：用個位和小數(shù)點后一位來表示光纖光纖通信通信多模光纖類型：多模光纖類型：A1通信用多模漸變型通信用多模漸變型A2階躍型階躍型A3大數(shù)值孔徑型大數(shù)值孔徑型標(biāo)稱工作波長代號標(biāo)稱工作波長代號 1850nm ； 21310nm ； 31550nm ； 1/2850/1310nm ；環(huán)境溫度代號環(huán)境溫度代號 C1 -40+60 C ； C2 -30+60 C ； C3 -20+60 C ； C4 -5+60 C ；光纖光纖通信通信常規(guī)常規(guī)單模單模模場直徑模場直徑/包層徑包層徑工作波長工作波長1.31m環(huán)境環(huán)境溫度溫度衰減常數(shù)衰減常數(shù)0.8dB/km2、單

18、模光纖型號的命名方法、單模光纖型號的命名方法光纖光纖通信通信單模光纖類型：單模光纖類型：B1常規(guī)單模光纖，在常規(guī)單模光纖，在1310nm附近有零附近有零色散波長，最佳工作波長為色散波長，最佳工作波長為1310nm，其其截止波長應(yīng)小于截止波長應(yīng)小于1310nm；B2在在1310nm附近有零色散波長，最佳附近有零色散波長，最佳工作波長為工作波長為1550nm，而而 1310 nm C G.655 G.653 G.652光纖光纖通信通信推薦方案：陸地干線光網(wǎng)的光纖優(yōu)選方案推薦方案：陸地干線光網(wǎng)的光纖優(yōu)選方案工作波工作波長長(nm)工作方式工作方式 傳輸速傳輸速率率(Gb/s)G.652G.653G.

19、6551310單信道單信道2.5直接開通直接開通1550單信道單信道2.5G.652+DCF+EDFA155010直接開通直接開通1550WDM10G.652+DCF+EDFA1550單信道單信道10直接開通直接開通WDMG.655+DCF+DWDM+EDFADWDM光纖光纖通信通信2.2 光纖的傳光原理光纖的傳光原理 分析光纖的傳輸原理有兩種方法：分析光纖的傳輸原理有兩種方法：幾何光學(xué)法幾何光學(xué)法：將光看成一條條的幾：將光看成一條條的幾何射線來分析，也稱射線理論何射線來分析，也稱射線理論 應(yīng)用條件應(yīng)用條件：光波的波長遠小于光纖：光波的波長遠小于光纖的幾何尺寸，只適用于多模光纖的幾何尺寸，只適

20、用于多模光纖波動光學(xué)法波動光學(xué)法：光波按電磁場理論，：光波按電磁場理論，用麥克斯韋方程組求解，也稱模式用麥克斯韋方程組求解，也稱模式理論。理論。 它既可用于多模光纖，也可它既可用于多模光纖，也可用于單模光纖用于單模光纖光纖光纖通信通信本節(jié)主要內(nèi)容本節(jié)主要內(nèi)容一、幾何光學(xué)法一、幾何光學(xué)法射線理論射線理論基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識階躍光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑階躍光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑漸變光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑漸變光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑光線模式的分立性光線模式的分立性二、光纖傳輸?shù)牟▌永碚摱⒐饫w傳輸?shù)牟▌永碚撃Ｊ降母拍钆c線偏振模模式的概念與線偏振模歸一化頻率歸一化頻率模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件

21、模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件單模傳輸?shù)臈l件單模傳輸?shù)臈l件單模光纖單模光纖光纖光纖通信通信基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識1、光譜、光速和媒質(zhì)的折射率、光譜、光速和媒質(zhì)的折射率 光在真空中的速度光在真空中的速度C=2.9979108 m/s， 空氣中為空氣中為 C0=2.997108 m/s， 在其它媒質(zhì)中的速度在其它媒質(zhì)中的速度 = c / n n 為折射率為折射率, 如如n水水=1.33, n玻璃玻璃=1.5 n 大為光密媒質(zhì)，大為光密媒質(zhì)， n 小為光疏媒質(zhì)，小為光疏媒質(zhì)，且且 n 還與光的波長有關(guān)，或者說，不還與光的波長有關(guān)，或者說，不同波長的光在同一媒質(zhì)中傳輸速度有同波長的光在同一媒質(zhì)中傳輸速度有差異。

22、如玻璃對紅光（波長較大）的差異。如玻璃對紅光（波長較大）的折射率比對紫光（波長較小）的折射折射率比對紫光（波長較小）的折射率小。率小。光纖光纖通信通信2、光的反射、折射和全反射、光的反射、折射和全反射 光波屬于電磁波范疇，在均勻介質(zhì)中光波屬于電磁波范疇，在均勻介質(zhì)中傳播時，其軌跡是一條直線，可稱為傳播時，其軌跡是一條直線，可稱為光射線。當(dāng)光射線射到兩介質(zhì)（媒質(zhì)）光射線。當(dāng)光射線射到兩介質(zhì)（媒質(zhì)）交界面時，將發(fā)生反射和折射。交界面時，將發(fā)生反射和折射。 irtn1n2設(shè)入射角為設(shè)入射角為i ，反射角反射角為為r ，折射角為折射角為t 則則 i r （反射定理反射定理) n1Sin i = n2S

23、in t （折折射定理，即斯涅爾射定理，即斯涅爾Snell 定定理）理）光纖光纖通信通信當(dāng)光從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)入射，當(dāng)光從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)入射， 則則t i當(dāng)光從光疏媒質(zhì)向光密媒質(zhì)入射，當(dāng)光從光疏媒質(zhì)向光密媒質(zhì)入射， 則則t n2，則此時介質(zhì)則此時介質(zhì)中中折射線將離開法線而折射，折射線將離開法線而折射， r t 。當(dāng)入射角增加到某一值時，可使得折射角當(dāng)入射角增加到某一值時，可使得折射角t = 90o,這時折射線將沿界面?zhèn)鬏?，此時的這時折射線將沿界面?zhèn)鬏?，此時的入射角稱為臨界角，用入射角稱為臨界角，用c表示。表示。根據(jù)折射定理根據(jù)折射定理 n1Sin i = n2Sin t 當(dāng)當(dāng)i c時，折

24、射角時，折射角t必大于必大于90o，光射線不光射線不再進入介質(zhì)再進入介質(zhì)，而由界面全部反射回介質(zhì)，而由界面全部反射回介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為全反射。此時反向系數(shù)，這種現(xiàn)象稱為全反射。此時反向系數(shù)的模值等于的模值等于1。 光纖光纖通信通信全反射并不是從入射處發(fā)生的，而是全反射并不是從入射處發(fā)生的，而是好像透入到第二媒質(zhì)中一定深度，與好像透入到第二媒質(zhì)中一定深度，與其表層結(jié)構(gòu)互相作用，才使得入射光其表層結(jié)構(gòu)互相作用，才使得入射光改變方向，發(fā)生全反射。此現(xiàn)象稱為改變方向，發(fā)生全反射。此現(xiàn)象稱為古斯古斯?jié)h欣相移（漢欣相移（GH相移）。相移）。GH相移光纖光纖通信通信1、階躍光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑、階躍光

25、纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑（1）光線軌跡）光線軌跡光纖光纖通信通信光線光線 1 以以角入射，折射角為角入射，折射角為1，若在若在包層包層纖芯邊界滿足：纖芯邊界滿足： 90o 1 c （全反射臨界角全反射臨界角)，則光，則光線線 1 以之字形折線在纖芯中傳播，直以之字形折線在纖芯中傳播，直至能量損失殆盡或從光纖中另一端射至能量損失殆盡或從光纖中另一端射出。出。始終被束縛在芯區(qū)中的光線被稱為始終被束縛在芯區(qū)中的光線被稱為“傳導(dǎo)模傳導(dǎo)?！?，或簡稱，或簡稱“導(dǎo)模導(dǎo)?！惫饩€光線根據(jù)斯奈爾根據(jù)斯奈爾(Snell)定律定律,有有 n0Sin n1Sin 1 n1Cos1光纖光纖通信通信光線光線 2 以以c角入

26、射，折射線在包角入射，折射線在包芯邊芯邊界恰好滿足全反射（折射角為界恰好滿足全反射（折射角為90o ），），相應(yīng)光線將以為相應(yīng)光線將以為c 入射到交界面，并沿入射到交界面，并沿交界面向前傳播。交界面向前傳播。光線光線 3 的初始入射角較大，致使到達的初始入射角較大，致使到達芯芯包層界面時不滿足該處全反射條件，包層界面時不滿足該處全反射條件，此光線折射進入包層。這種光線的能量此光線折射進入包層。這種光線的能量經(jīng)過不長光纖的傳輸（約幾百米）便損經(jīng)過不長光纖的傳輸（約幾百米）便損失掉了。失掉了。這種光線被稱為這種光線被稱為“包層模包層?！被蚧颉拜椛淠］椛淠！惫饩€，它對光纖通信無效。光線，它對光纖通信

27、無效。光纖光纖通信通信（2）數(shù)值孔徑）數(shù)值孔徑 由上述三種光線軌跡可知，只有在半由上述三種光線軌跡可知，只有在半錐角為錐角為 c的圓錐內(nèi)的入射的光束才能在的圓錐內(nèi)的入射的光束才能在光纖中傳播。根據(jù)這個傳播條件，定義臨光纖中傳播。根據(jù)這個傳播條件，定義臨界角界角c的正弦為數(shù)值孔徑（的正弦為數(shù)值孔徑（Numerical Aperture , NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律根據(jù)定義和斯奈爾定律NA=n0Sinc=n1Cosc，n1Sincn2Sin 90o 解之有：解之有：式中，式中，(n1-n2) / n1 相對折射率差相對折射率差如如0.01，n1=1.5，則則NA=0.21 或或 12.2o2n

28、n1NA0122210nnn 光纖光纖通信通信數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA是光纖接受和傳輸光的能力，是光纖接受和傳輸光的能力，它取決于折射率它取決于折射率nNA(或或) c越大，光纖接收光的能力越強，越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損耗光纖，在耗光纖，在c內(nèi)的入射光都能在光纖中傳內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。光纖抗彎曲性能越好。但但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號崎變越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號崎變越大，色散帶寬變差，限制了信息傳輸容越大，色散帶寬變差

29、，限制了信息傳輸容量。量。ITUT(CCITU)規(guī)定：規(guī)定： NA0.150.24 0.002 我國規(guī)定：我國規(guī)定： NA0.2 0.02光纖光纖通信通信（3）子午光線、斜光線和螺旋光線）子午光線、斜光線和螺旋光線子午光線：子午光線：光線始終在經(jīng)過軸線的某個平面內(nèi)，光線始終在經(jīng)過軸線的某個平面內(nèi)，該面為子午面。若入射光線原來就在子午面內(nèi)，該面為子午面。若入射光線原來就在子午面內(nèi)，則射入光纖后仍為子午光線。則射入光纖后仍為子午光線。斜光線：斜光線：光纖入射方向與子午面有一夾角，則射光纖入射方向與子午面有一夾角，則射入光纖后，將形成一條條空間折線，此折線在圓入光纖后，將形成一條條空間折線，此折線在

30、圓周方向的投影是一段段搭接在纖芯邊界圓上的等周方向的投影是一段段搭接在纖芯邊界圓上的等長弦。長弦。 一般它們不一定形成正多變形，而繞軸足一般它們不一定形成正多變形，而繞軸足夠多圈后，不同方位的弦互相交疊，將充滿以纖夠多圈后，不同方位的弦互相交疊，將充滿以纖芯邊界為外圓的環(huán)行區(qū)，環(huán)的內(nèi)圓半徑等于等長芯邊界為外圓的環(huán)行區(qū)，環(huán)的內(nèi)圓半徑等于等長弦的弦心距。弦的弦心距。 實際上，光纖中的斜光線是以此環(huán)形為底面實際上，光纖中的斜光線是以此環(huán)形為底面的圓形管壁中曲折前進的。的圓形管壁中曲折前進的。光纖光纖通信通信螺旋光線：螺旋光線：當(dāng)內(nèi)圓柱面半徑加大，最后與當(dāng)內(nèi)圓柱面半徑加大，最后與纖芯邊界重合，此時的光

31、線軌跡相當(dāng)于沿纖芯邊界重合，此時的光線軌跡相當(dāng)于沿著芯包邊界的圓柱面螺旋前進，因而被稱著芯包邊界的圓柱面螺旋前進，因而被稱為螺旋光線。為螺旋光線。光纖端面上接受斜光線入射角的最大角光纖端面上接受斜光線入射角的最大角s與與NA有：有：Sin sCos=NA， 相鄰兩段等長弦的夾角之半相鄰兩段等長弦的夾角之半由此可以看出，在滿足芯由此可以看出，在滿足芯包邊界全反射包邊界全反射的條件下，對斜光線的端面入射角度比對的條件下，對斜光線的端面入射角度比對子午光線有所放松。那些在子午光線有所放松。那些在“放松放松”角度角度范圍內(nèi)入射的斜光線，有時被稱為范圍內(nèi)入射的斜光線，有時被稱為“隧道隧道模?！惫饩€。它們

32、雖然能在芯區(qū)正常傳輸，光線。它們雖然能在芯區(qū)正常傳輸，但因不易定量分析，常被暫時忽略，只在但因不易定量分析，常被暫時忽略，只在其影響正確測量時，才設(shè)法避免或修正。其影響正確測量時，才設(shè)法避免或修正。光纖光纖通信通信2、梯度光纖中的光線軌跡和局部數(shù)值、梯度光纖中的光線軌跡和局部數(shù)值孔徑孔徑其光線軌跡可用射線方程來描述其光線軌跡可用射線方程來描述深入分析表明，拋物光纖中的光纖軌深入分析表明，拋物光纖中的光纖軌跡近似正弦線。跡近似正弦線。光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信自聚焦效應(yīng)：自聚焦效應(yīng)：漸變多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同漸變多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)當(dāng)光線會聚焦在同一點上，而

33、入射角相應(yīng)當(dāng)光線會聚焦在同一點上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。且這些光線的時間延遲也近似相等。這是因為光線傳播速度這是因為光線傳播速度v( r) =c/n( r)，入射入射角大的光線經(jīng)歷代路程較長，但大部分路角大的光線經(jīng)歷代路程較長，但大部分路程遠離中心軸線，程遠離中心軸線， n( r )較小，傳播速度較較小，傳播速度較快，補償了較長的路程。入射角小的光線快，補償了較長的路程。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢，情況正相反，其路程較短，但速度較慢，所以這些光線的時間延遲相等。所以這些光線的時間延遲相等。光纖光纖通信通信二、光纖傳輸?shù)牟▌永碚摱?、光纖傳輸?shù)牟▌永碚撾姶挪ㄔ诠饫w

34、中傳播的基本方程電磁波在光纖中傳播的基本方程直角坐標(biāo)系下的麥克斯韋方程組直角坐標(biāo)系下的麥克斯韋方程組柱坐標(biāo)系下的波動方程柱坐標(biāo)系下的波動方程階躍光纖中的光場階躍光纖中的光場階躍光纖的本征值方程與模式階躍光纖的本征值方程與模式單模光纖單模光纖光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信a、貝塞爾函數(shù)、貝塞爾函數(shù) b、修正的貝塞爾函數(shù)、修正的貝塞爾函數(shù)光纖光纖通信通信a、貝塞爾函數(shù)、貝塞爾函數(shù)光纖光纖通信通信b、修正的貝塞爾函數(shù)、修正的貝塞爾函數(shù)光纖光纖通信通信零階和一階貝塞爾函數(shù)的根值表零階和一階貝塞爾函數(shù)的根值表J0(uc)2.4055.208.65411.620J1(uc)03.8327.01610.1

35、73光纖光纖通信通信光纖傳輸?shù)牟▌永碚摰闹饕殴饫w傳輸?shù)牟▌永碚摰闹饕拍詈徒Y(jié)論念和結(jié)論模式的概念與線偏振模模式的概念與線偏振模歸一化頻率歸一化頻率模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件單模傳輸?shù)臈l件單模傳輸?shù)臈l件單模光纖單模光纖光纖光纖通信通信1、模式的概念與線偏振模、模式的概念與線偏振模波動方程的一個波動方程的一個“特解特解”，表示電磁場的，表示電磁場的一種穩(wěn)定存在形式，用電力線或磁力線將一種穩(wěn)定存在形式，用電力線或磁力線將此形式描繪出來便是一種特定圖案。這種此形式描繪出來便是一種特定圖案。這種電磁場分布的電磁場分布的特定圖案特定圖案或稱或稱“場型場型”，被，被稱為稱為“模式

36、模式”在均勻介質(zhì)傳播的光波可以認(rèn)為是平面波，在均勻介質(zhì)傳播的光波可以認(rèn)為是平面波，其電場和磁場的方向與光的傳播方向垂直，其電場和磁場的方向與光的傳播方向垂直，而且是正交的兩個分量，即橫電磁波而且是正交的兩個分量，即橫電磁波(TEM)。當(dāng)光在由幾種媒介組成的非均勻當(dāng)光在由幾種媒介組成的非均勻介質(zhì)中傳播時，據(jù)傳播方向有無電磁場分介質(zhì)中傳播時，據(jù)傳播方向有無電磁場分量可分為：量可分為：光纖光纖通信通信 橫電磁波橫電磁波（TEM）傳播方向上無電場傳播方向上無電場 和磁場分量和磁場分量橫電波橫電波(TE)傳播方向上無電場，有磁場分量傳播方向上無電場，有磁場分量橫磁波橫磁波(TM)傳播方向上有電場，無磁場

37、分傳播方向上有電場，無磁場分量量混合波混合波(EH、HE)傳播方向上既有電場也有傳播方向上既有電場也有磁場分量磁場分量在這些電磁波中，有一部分的場型和傳播速度在這些電磁波中，有一部分的場型和傳播速度是相同的，通常，我們把這些場型分布相同的是相同的，通常，我們把這些場型分布相同的模式稱為模式稱為簡并模簡并模計算表明，能計算表明，能在光纖中存在的導(dǎo)模有在光纖中存在的導(dǎo)模有TEon、TMon、HEmn、EHmn四種四種。(m表示在圓周方向表示在圓周方向上有上有m對最大；對最大；n表示在半徑方向上有表示在半徑方向上有n個最大個最大)光纖光纖通信通信下面是幾個低階模的場分布下面是幾個低階模的場分布光纖光

38、纖通信通信幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線為磁力線，為磁力線，g=2g=2/ /）光纖光纖通信通信(a) HE11模的場結(jié)構(gòu)模的場結(jié)構(gòu)(b) HE11模的簡化圖模的簡化圖光纖光纖通信通信(a) TE01模的場結(jié)構(gòu)模的場結(jié)構(gòu)(b) TE01模的簡化圖模的簡化圖光纖光纖通信通信幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線為磁力線，為磁力線，g=2g=2/ /）光纖光纖通信通信(a) TM01模的場結(jié)構(gòu)模的場結(jié)構(gòu)(b) TM01模的簡化圖模的簡化圖光纖光纖通信通信幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線幾個低次模的場型（實線為電力線，虛

39、線為磁力線，為磁力線，g=2g=2/ /）光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信線偏振模線偏振模LPDoGloge提出把這些簡并模集中在一起，稱提出把這些簡并模集中在一起，稱為線偏振模，用為線偏振模，用LP表示。這就是說，不管表示。這就是說，不管TE、TM、HE、EH的區(qū)別的區(qū)別,只考慮它們的相只考慮它們的相位常數(shù)，把相位常數(shù)相等的模式都給予一個位常數(shù)，把相位常數(shù)相等的模式都給予一個相同的稱呼，即相同的稱呼，即LPmn模。（模。（Linearly Polarized mode）m、 n 表示不同表示不同LP模的特征模的特征 m沿圓周方向光場強度出現(xiàn)零點沿圓周方向光場強度出現(xiàn)零點（或極點）（或極點）的

40、對數(shù)的對數(shù) n沿徑向出現(xiàn)的零點個數(shù)沿徑向出現(xiàn)的零點個數(shù)光纖光纖通信通信低次低次LP模與模與TE 、TM、HE、EH模的對應(yīng)關(guān)系模的對應(yīng)關(guān)系簡并模簡并?；旌夏；旌夏：啿⒍群啿⒍萀P01HE1122LP11TE01 、TM01、 HE2124LP21EH112、 HE3124LP02HE1222LP31EH212、 HE4124LP41EH312、 HE5124LP22EH122、 HE3224光纖光纖通信通信下圖表示了幾種下圖表示了幾種LP模的電場分布模的電場分布與與x方向的場強分布方向的場強分布LP01HE11LP11HE21LP21EH11LP21HE31LP11TM01LP11TE01光纖

41、光纖通信通信光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信2、歸一化頻率、歸一化頻率V和導(dǎo)模數(shù)計算和導(dǎo)模數(shù)計算在分析光纖中光的傳播模式時，在分析光纖中光的傳播模式時，要經(jīng)常用到一個主要參數(shù)要經(jīng)常用到一個主要參數(shù) 教材上給出了其定義為：教材上給出了其定義為：相相對對折折射射率率差差包包層層折折射射率率；纖纖芯芯折折射射率率；纖纖芯芯半半徑徑；工工作作波波長長；12121121222122)(2nnnnnaannnaV 光纖光纖通信通信歸一化頻率不僅包含了光纖的主歸一化頻率不僅包含了光纖的主要參數(shù)要參數(shù)a、n、 ，而且還考慮了而且還考慮了所傳輸光的波長所傳輸光的波長所以，它是一種

42、具體光纖中光的所以，它是一種具體光纖中光的具體傳輸狀態(tài)度綜合反映。由于具體傳輸狀態(tài)度綜合反映。由于V具有頻率的量綱，故稱之為歸一具有頻率的量綱，故稱之為歸一化頻率化頻率歸一化傳播常數(shù)歸一化傳播常數(shù)b為：為：21212120/nnnnnnnkb光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信導(dǎo)模數(shù)計算公式導(dǎo)模數(shù)計算公式222ggVM一般，導(dǎo)模數(shù)一般，導(dǎo)模數(shù)M為：為：g折射率分布指數(shù)折射率分布指數(shù)V歸一化頻率歸一化頻率當(dāng)當(dāng)g g時，為階躍光纖，導(dǎo)模數(shù)時，為階躍光纖，導(dǎo)模數(shù)M=VM=V2 2/2/2；當(dāng)當(dāng)g g2 2時，為拋物光纖，導(dǎo)模數(shù)時，為拋物光纖，導(dǎo)模數(shù)M=VM=V2 2/4/4；當(dāng)當(dāng)g g1 1時，為三角光

43、纖，導(dǎo)模數(shù)時，為三角光纖，導(dǎo)模數(shù)M=VM=V2 2/6/6；光纖光纖通信通信3、模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件、模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件光纖中可能存在各種模，若考慮它們能否穩(wěn)光纖中可能存在各種模，若考慮它們能否穩(wěn)定存在，先要確定某個模式能否存在的定存在，先要確定某個模式能否存在的“門門限限”參數(shù)，這個參數(shù)的量綱和參數(shù)，這個參數(shù)的量綱和V相同，用相同，用Vcmn表示，代表表示，代表mn序號的某模式序號的某模式(如如LPmn)的的截止頻率。截止頻率。當(dāng)客觀條件小于此值時，這種模式便不存在當(dāng)客觀條件小于此值時，這種模式便不存在,稱截止。實際上是這種場型的電磁波不能在稱截止。實際上是這種場型的電磁波不能

44、在芯區(qū)形成駐波振蕩，而向包層輻射出去了。芯區(qū)形成駐波振蕩，而向包層輻射出去了。各種模式截止的門限值與光纖的折射率有關(guān)，各種模式截止的門限值與光纖的折射率有關(guān)，而與而與a、n0、等具體參數(shù)沒有直接關(guān)系。等具體參數(shù)沒有直接關(guān)系。光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信幾種低階模式的截止頻率值幾種低階模式的截止頻率值模式模式 LP01LP11LP21LP02LP12LP22LP13LP23Vc02.405 3.832 5.136 5.520 7.016 8.654 10.173對應(yīng)對應(yīng)的電的電磁場磁場HE11HE21 TM01 TE01EH11HE12HE31EH21HE41TE02 TM02 HE22 E

45、H51HE51HE13EH12 HE32EH41HE61TE03 TM03 EH22EH23HE33理論計算對于階躍光纖得出的部分模理論計算對于階躍光纖得出的部分模式的模截止頻率如下表：式的模截止頻率如下表：光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信關(guān)于其它折射率分布形式的光纖，各關(guān)于其它折射率分布形式的光纖，各模式模式Vc值可用下列公式進行估算值可用下列公式進行估算gVVccg315.21 g折射率分布指數(shù)折射率分布指數(shù)如如g2，梯度光纖，梯度光纖，Vcg=1.47Vc導(dǎo)行條件導(dǎo)行條件：V Vc ，V大于某一模式的歸一大于某一模式的歸一化頻率化頻率Vc，則該模式便在光纖中導(dǎo)行；則該模式便在光纖中導(dǎo)行；

46、截止條件截止條件：V Vc ，V小于某一模式的歸一小于某一模式的歸一化頻率化頻率Vc，則該模式不在光纖中導(dǎo)行；則該模式不在光纖中導(dǎo)行；臨界條件臨界條件： V Vc 光纖光纖通信通信LPmn模截止值和遠離截止值模截止值和遠離截止值方位角方位角模數(shù)模數(shù)00本本征方程征方程本本征方程征方程截止值截止值uc遠離截止值遠離截止值u V=0J1(uc)=0 J0(u )=0u c 03.832 7.016 10.173 u 2.4055.520 8.654 11.792 LP0n LP01LP02 LP03 LP04V=1J0(uc)=0 J1(u )=0u 0u c 2.405 3.832 7.016

47、10.173 u 3.8327.016 10.173 13.273LP1n LP11LP12 LP13 LP14光纖光纖通信通信低階低階(v=0和和v=1)模式和相應(yīng)的模式和相應(yīng)的V值范圍值范圍V值范圍值范圍LP模模電磁場電磁場02.405LP01HE112.4053.832LP01HE21 TM01 TE013.8325.520LP01HE125.520 7.016LP01HE22 TM02 TE027.0168.654LP01HE138.65410.173 LP01HE23 TM03 TE03光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信4、單模傳輸?shù)臈l件、單模傳輸?shù)臈l件在各模式的截止頻率中，在各模式的

48、截止頻率中，LP01模的模的Vc=0，最低，稱該模為最低，稱該模為“基模基?！?，或，或“最低次最低次模模”；LP11模的模的Vc=2.405，為第二低的截止頻率，為第二低的截止頻率，稱該模為稱該模為“次低階模次低階?！?，或，或“二階模二階?！?；其它其它Vc更高，稱高階模。更高，稱高階模。若在光纖中選取合適的若在光纖中選取合適的a、n0、，可可使使V 2.405，從而抑制從而抑制LP11模及所有高階模及所有高階模的傳輸。模的傳輸。由于由于Vc01=0，即基模永不截止。即基模永不截止。所以，所以，單模傳輸?shù)臈l件為單模傳輸?shù)臈l件為: V Vc11 = 2.405光纖光纖通信通信一般，一般，對階躍型光

49、纖，對階躍型光纖，g，Vc=2.405;對拋物型光纖，對拋物型光纖，g2，Vc=3.533;對三角型光纖，對三角型光纖，g1，Vc=4.739;gVVccg315.21 光纖光纖通信通信例例:若想在目前的多模光纖中實現(xiàn)單模若想在目前的多模光纖中實現(xiàn)單模傳輸，應(yīng)選用怎樣的光波長？傳輸，應(yīng)選用怎樣的光波長？ 也就是說，如果有波長為也就是說，如果有波長為14m或更長或更長的實用光源，且光纖在此波長下?lián)p耗的實用光源，且光纖在此波長下?lián)p耗低，則目前通用的多模光纖就可以作低，則目前通用的多模光纖就可以作為單模光纖使用。為單模光纖使用。mananVnma 7 .13405. 222405. 22201. 0

50、, 5 . 1,25000 由由單單模模傳傳輸輸?shù)牡臈l條件件，有有解解：光纖光纖通信通信5、單模光纖的模場直徑、單模光纖的模場直徑(MFD)由于多模光纖傳輸?shù)墓饽懿⒉皇怯捎诙嗄９饫w傳輸?shù)墓饽懿⒉皇峭耆杏诶w芯之中，而是有相完全集中于纖芯之中，而是有相當(dāng)部分在包層中傳輸，所以很難當(dāng)部分在包層中傳輸，所以很難用纖芯的幾何參數(shù)進行描述。為用纖芯的幾何參數(shù)進行描述。為了便于研究，在單模光纖中引入了便于研究，在單模光纖中引入了模場直徑這一參數(shù)來表征導(dǎo)光了模場直徑這一參數(shù)來表征導(dǎo)光區(qū)域的大小。它是取代光纖芯徑區(qū)域的大小。它是取代光纖芯徑的參數(shù)。的參數(shù)。光纖光纖通信通信模場直徑模場直徑(MFD)定義定義定

51、義定義:若單模光纖中的光強呈高斯分布，則若單模光纖中的光強呈高斯分布，則將光波場強幅度下降到將光波場強幅度下降到1/e 時的各點所連成時的各點所連成的圓周直徑定義為的圓周直徑定義為MFD（常用常用20表示）表示）若光強不呈高斯分布，則按下式定義：若光強不呈高斯分布，則按下式定義：21020220)()(222 dqqqFdqqqF 式中式中F2(q)為主模的遠場強度分布，為主模的遠場強度分布，q=Sin/， 為為遠場角，遠場角， 為波長，具體應(yīng)用可參看為波長，具體應(yīng)用可參看ITU-T的相關(guān)的相關(guān)建議。建議。(遠場：距離光纖端面遠場：距離光纖端面20mm以上的區(qū)域以上的區(qū)域)光纖光纖通信通信IT

52、UT規(guī)定，在規(guī)定，在1.31 m波段上，模波段上，模場直徑的標(biāo)稱值應(yīng)當(dāng)在場直徑的標(biāo)稱值應(yīng)當(dāng)在910 m范圍范圍內(nèi)，容差為內(nèi)，容差為1 m。模場直徑表征著光場在纖芯的分布情模場直徑表征著光場在纖芯的分布情況，并且與纖芯半徑和歸一化頻率況，并且與纖芯半徑和歸一化頻率V值有關(guān)，見右圖。值有關(guān)，見右圖。模場半徑與纖芯半徑模場半徑與纖芯半徑 的關(guān)系為的關(guān)系為(見后圖見后圖) /a2 3 4 5 V 1 0.8 0.6 0.4 65 . 165 . 1)(0149. 0)(434. 065. 0879. 2619. 165. 0ccVVa 階躍：階躍：光纖光纖通信通信光纖光纖通信通信當(dāng)兩根光纖連接時，由模

53、場直徑當(dāng)兩根光纖連接時，由模場直徑計算接續(xù)附加損耗公式為：計算接續(xù)附加損耗公式為：1、當(dāng)兩纖芯軸對得很準(zhǔn)，但兩光、當(dāng)兩纖芯軸對得很準(zhǔn)，但兩光纖模場直徑分別為纖模場直徑分別為1和和 2，則則dB21log202112 2、當(dāng)兩根光纖模場直徑相當(dāng)，但兩纖、當(dāng)兩根光纖模場直徑相當(dāng)，但兩纖芯未對準(zhǔn)，有橫向偏移芯未對準(zhǔn)，有橫向偏移d，則：則：dBed2)(log10 光纖光纖通信通信雙折射和偏振保持光纖雙折射和偏振保持光纖偏振是單模光纖所特有且很重要的問題。多模光纖傳偏振是單模光纖所特有且很重要的問題。多模光纖傳輸幾百甚至上千個模式。各模的偏振盡管沿途變化和輸幾百甚至上千個模式。各模的偏振盡管沿途變化和

54、旋轉(zhuǎn)，但除了在終端可能產(chǎn)生模式噪聲外，對其他性旋轉(zhuǎn)，但除了在終端可能產(chǎn)生模式噪聲外，對其他性能沒有影響，故不必專門考慮偏振問題。但對單模光能沒有影響，故不必專門考慮偏振問題。但對單模光纖，偏振卻極為重要。這不僅因為當(dāng)單模光纖的模內(nèi)纖，偏振卻極為重要。這不僅因為當(dāng)單模光纖的模內(nèi)色散為零時，偏振色散將成為色散的極限，而且還因色散為零時，偏振色散將成為色散的極限，而且還因為偏振對相干光通信的實現(xiàn)，對集成光路和單模傳感為偏振對相干光通信的實現(xiàn)，對集成光路和單模傳感器的制作等都有重要影響和應(yīng)用。器的制作等都有重要影響和應(yīng)用。1、偏振現(xiàn)象（光纖的雙折射特性）、偏振現(xiàn)象（光纖的雙折射特性）前面討論都假設(shè)了光

55、纖具有完美的圓形橫截面和理想前面討論都假設(shè)了光纖具有完美的圓形橫截面和理想的圓對稱折射率分布，而且沿光纖軸向不發(fā)生變化。的圓對稱折射率分布，而且沿光纖軸向不發(fā)生變化。因此因此HE11(LP01)模的模的x-偏振模偏振模HEx11(Ey=0)和和y-偏振模偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的傳輸常數(shù)具有相同的傳輸常數(shù)(x=y)，兩個偏振模，兩個偏振模完全簡并。完全簡并。光纖光纖通信通信但實際光纖難以避免的形狀不完善或應(yīng)力不均勻，但實際光纖難以避免的形狀不完善或應(yīng)力不均勻，必定造成折射率分布各向異性，使兩個偏振模具必定造成折射率分布各向異性，使兩個偏振模具有不同的傳輸常數(shù)有不同的傳輸常數(shù)(xy)

56、，形成相位差，形成相位差 ，簡，簡并被破壞。這種現(xiàn)象稱為單模光纖中的雙折射現(xiàn)并被破壞。這種現(xiàn)象稱為單模光纖中的雙折射現(xiàn)象。象。2、單模光纖中雙折射的種類、單模光纖中雙折射的種類極化：隨著時間的變化，電場或磁場的空間方位極化：隨著時間的變化，電場或磁場的空間方位如何變化？一般把電場的空間方位作為波的極化如何變化？一般把電場的空間方位作為波的極化方向，在研究光波傳輸時，常用偏振來表示。方向，在研究光波傳輸時，常用偏振來表示。光矢量的空間方位稱為光的偏振。一般分為三種光矢量的空間方位稱為光的偏振。一般分為三種類型的偏振光：類型的偏振光：線偏振光：光矢量的端點描繪出的圖形是一條直線；線偏振光：光矢量的

57、端點描繪出的圖形是一條直線；圓偏振光：如果電場的水平分量與垂直分量振幅相等，圓偏振光：如果電場的水平分量與垂直分量振幅相等，相位相差相位相差/2/2，則，則光矢量的大小不變，而方向繞傳輸光矢量的大小不變，而方向繞傳輸方向旋轉(zhuǎn)，矢量端點的軌跡是一個圓；方向旋轉(zhuǎn)，矢量端點的軌跡是一個圓；光纖光纖通信通信橢圓偏振光：如果電場強度的兩個分量，空間方橢圓偏振光：如果電場強度的兩個分量，空間方位互相垂直，振幅和相位都不等時，隨著時間位互相垂直，振幅和相位都不等時，隨著時間t的的變化合成矢量的軌跡是一個橢圓；變化合成矢量的軌跡是一個橢圓；對應(yīng)以上三種偏振光，單模光纖中的雙折射也有對應(yīng)以上三種偏振光，單模光纖

58、中的雙折射也有三種：三種：線雙折射：線偏振光在兩個正交的方向上，如果線雙折射：線偏振光在兩個正交的方向上，如果有不同的折射率，因而有不同的相位常數(shù)的雙折有不同的折射率，因而有不同的相位常數(shù)的雙折射；射；圓雙折射：在傳輸媒質(zhì)中，當(dāng)左旋偏振波與右旋圓雙折射：在傳輸媒質(zhì)中，當(dāng)左旋偏振波與右旋偏振波有不同的折射率時，從而使其有不同的相偏振波有不同的折射率時，從而使其有不同的相位常數(shù)位常數(shù)橢圓雙折射：當(dāng)線雙折射與圓雙折射同時存在時橢圓雙折射：當(dāng)線雙折射與圓雙折射同時存在時光纖光纖通信通信線偏振光線偏振光(a)和它的振動波形和它的振動波形(b)光纖光纖通信通信圓偏振光圓偏振光(a)和它的振動波形和它的振動

59、波形(b)光纖光纖通信通信橢圓偏振光橢圓偏振光光的雙折射光的雙折射光纖光纖通信通信單模光纖中的兩個正交本征模單模光纖中的兩個正交本征模(a)和它們各自的振動波形和它們各自的振動波形(b)光纖光纖通信通信理想單模光纖中光的傳輸狀態(tài)理想單模光纖中光的傳輸狀態(tài)光纖光纖通信通信3、單模光纖偏振態(tài)的幾個物理量、單模光纖偏振態(tài)的幾個物理量2,)(yxyxB其中(3)拍長：拍長：在縱向均勻的單模光纖中，當(dāng)兩個正在縱向均勻的單模光纖中，當(dāng)兩個正交偏振模的相位差達到交偏振模的相位差達到2時，光在光纖中所傳時，光在光纖中所傳輸?shù)木嚯x輸?shù)木嚯xL就稱為一個拍長就稱為一個拍長Lb。2bL(1)模式雙折射或偏振雙折射模式

60、雙折射或偏振雙折射我們把兩個偏振模傳輸常數(shù)的差我們把兩個偏振模傳輸常數(shù)的差(xy)定義為定義為雙折射雙折射，通常用歸一化雙折射，通常用歸一化雙折射B來表示來表示)(2yxyxnn 其中其中光在自由空間中的波長；光在自由空間中的波長；n nx x、n ny y_ _兩正交偏振模兩正交偏振模HEHE11x11x、HEHE11y11y的有效折射率的有效折射率(2)(2)歸一化雙折射歸一化雙折射B B光纖光纖通信通信單模光纖中一個拍長上光的偏振態(tài)單模光纖中一個拍長上光的偏振態(tài)變化變化(a)和它形成的明、暗帶區(qū)和它形成的明、暗帶區(qū)(b)光纖光纖通信通信單模光纖中的拍長單模光纖中的拍長L光纖光纖通信通信各種由各種