光纖技術(shù)及應(yīng)用---第四章

1、第四章第四章光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性n光纖作為光纖作為光通信的傳輸介質(zhì)光通信的傳輸介質(zhì)，從通信角度來看，主要關(guān)心光，從通信角度來看，主要關(guān)心光纖的以下幾個(gè)傳輸特性：纖的以下幾個(gè)傳輸特性： (1) (1)損耗：損耗：只有衰減小到一定程度才可能做長距離通信使用；只有衰減小到一定程度才可能做長距離通信使用； (2) (2)色散：色散：色散小，脈沖展寬小，從而要求光纖有較小的色散色散小，脈沖展寬小，從而要求光纖有較小的色散，才可能以高速率傳輸信號或者說有較大的通信容量。，才可能以高速率傳輸信號或者說有較大的通信容量。 另外，隨著光纖通信的發(fā)展，另外，隨著光纖通信的發(fā)展，光纖的偏振特性光纖的偏振特性

2、和和非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)對光信號的傳輸也有較大的影響。對光信號的傳輸也有較大的影響。 光通信光通信就是以光波為載波的通信。增加光路帶寬的方法有兩種：一是提高光纖的單信道傳輸速率；二是增加單光纖中傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)，即波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性1 4.1 光纖 損耗2 4.2 光纖 色散3 4.3 光纖 偏振4 4.4 光纖中的非線性 效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)光纖通信，一個(gè)重要的問題是盡可能地降低光纖的損盡可能地降低光纖的損耗耗。 光纖損耗光纖損耗所謂損耗是指光纖每單位長度上的衰減指光纖每單位長度上的衰減，單位為dB/km。光纖損耗的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距影響傳輸距離或中繼站

3、間隔距離的遠(yuǎn)近離的遠(yuǎn)近，因此，了解并降低光纖的損耗對光纖通信有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。4.1光纖損耗光纖損耗 n一段光纖的損耗由通過這段一段光纖的損耗由通過這段光纖的光功率光纖的光功率損失來衡量，損失來衡量， 穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)態(tài)條件下，單位長度的光纖損耗稱為衰減系數(shù)單位長度的光纖損耗稱為衰減系數(shù) ， 通常定義為通常定義為 （ ） (1)(1) 式中，式中， 為入射光功率；為入射光功率； 為傳輸后的輸出光功率。為傳輸后的輸出光功率。inout10lg(/)/P PLdB/kminPoutP1 1 光纖損耗（衰減）的表示光纖損耗（衰減）的表示-是指光纖每單位是指光纖每單位 長度上的衰減，決定了光信號能在光

4、纖長度上的衰減，決定了光信號能在光纖中傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。中傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。2022-3-96光纖傳輸光功率和傳輸距離 z之間的關(guān)系為：zzePPzP34. 41 . 0)0(10)0()(低損耗低損耗是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖通信的前提。 產(chǎn)生光纖損耗的機(jī)制很復(fù)雜，產(chǎn)生光纖損耗的機(jī)制很復(fù)雜，主要主要與光纖材料本身的特與光纖材料本身的特性有關(guān)，性有關(guān)，其次，其次，制造工藝也影響光纖的損耗，影響損耗的制造工藝也影響光纖的損耗，影響損耗的制造工藝因素很多。制造工藝因素很多。 這是由于光纖基質(zhì)材料（本征吸收）和雜質(zhì)（雜質(zhì)吸收）對光能的吸收而引起的，它們把光能以熱能的形式消耗于光纖中光能以熱能的形式消耗于光纖中，是

5、光纖損耗中重要的損耗，吸收損耗包括以下幾種： 2.損耗機(jī)制 光信號在光纖中傳輸時(shí)的損耗注意來著光纖材料的吸收吸收、散射散射以及光纖彎曲彎曲等因素。（1）吸收損耗）吸收損耗本征吸收：是物質(zhì)固有的吸收，它使得光功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁夤β兽D(zhuǎn)變?yōu)闊嵯牡簟１菊魑张c光纖基質(zhì)材料的共振躍遷與光纖基質(zhì)材料的共振躍遷有關(guān)。當(dāng)光波長滿足下列關(guān)系時(shí)發(fā)生共振吸收：21EEhcE1和E2是電子或分子振動(dòng)能級電子或分子振動(dòng)能級的初態(tài)和終態(tài)，h是普朗克常數(shù)，c是真空中的光速。它有兩個(gè)頻帶，一個(gè)在紅外紅外的812m區(qū)域里，這個(gè)波段的本征吸收是由于分子振動(dòng)。另一個(gè)物質(zhì)固有吸收帶在紫外光波段，吸收很強(qiáng)時(shí)，它的尾巴會(huì)拖到光通信波段（光

6、通信波段（0.71.6m）里去。光纖通信系統(tǒng)主要工作在光纖通信系統(tǒng)主要工作在1310nm波段和波段和1550nm波段上，尤波段上，尤其是其是1550nm波段，波段，長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)多工作在這一波段。（1）紫外（10400nm）吸收光纖損耗光纖基質(zhì)材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時(shí)引起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍（2）紅外（0.7500m）吸收光纖損耗光波與光纖晶格相互作用光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳遞給晶格，使其分子振動(dòng)加?。ɑ蚨嗦曌游眨瑥亩鸬膿p耗。聲子就是“晶格振動(dòng)的簡正模能量量子?！庇⑽氖莗honon-固體物

7、理中的晶格振動(dòng)。2022-3-910(b)雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收 由于材料不純或工藝不完善而引入的雜質(zhì)，而不是與光纖折射率有關(guān)的故意摻雜物。 光纖材料中含有過渡族金屬如鐵、銅、鉻等，它們有各自的吸收峰和吸收帶并隨它們價(jià)態(tài)不同而不同。由過渡金屬離子吸收引起的光纖損耗取決于它們的濃度取決于它們的濃度。 另外，水分子中OH存在也產(chǎn)生吸收損耗，OH的基本吸收極峰在2.8m紅外附近，其中OH-離子的影響比較大，它的吸收峰分別位于950nm，1240mm和1390nm，對光纖通信系統(tǒng)影響較大。如：在光纖制造過程中摻入了過渡金屬和水分，就會(huì)引起非常大的吸收。解決方法：(1)光纖材料化學(xué)提純化學(xué)提純，比如達(dá)到99.

8、9999999%的純度。（2）制造工藝上制造工藝上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱。2022-3-911 光纖的損耗譜形象地描繪了衰減系數(shù)與波長的關(guān)系。從光纖損耗譜可以看出，衰減系數(shù)隨波長的增大呈降低趨勢衰減系數(shù)隨波長的增大呈降低趨勢；損耗的峰值主要與OH-離子有關(guān)。目前，光纖的制造工藝可以消除光纖在1385nm附近的0H-離子的吸收峰，使光纖在整個(gè)13001600nm波段都有很低的損耗。光纖的損耗特性曲線光纖的損耗特性曲線損耗譜（損耗與波長的關(guān)系）損耗譜（損耗與波長的關(guān)系） 圖4.1-2，從石英光纖的損耗譜曲線可以看到光纖通信所使用的三個(gè)低損耗“窗口”三個(gè)低損耗谷三個(gè)低損耗谷，它們分別是850 n

9、m波段短波長波段、1310nm波段和1550nm波段長波長波段。目前，光纖通信系統(tǒng)主要工作在光纖通信系統(tǒng)主要工作在1310nm波波段和段和1550nm波段上，尤其是波段上，尤其是1550nm波段，長距離大容量波段，長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)多工作在這一波段的光纖通信系統(tǒng)多工作在這一波段。其中1310nm窗口的優(yōu)點(diǎn)是它接近于光纖材料色散為零接近于光纖材料色散為零的波長。光纖的衰減光纖的衰減圖0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰減(dB/km)水峰值6 543212022-3-914（2）散射損耗）散射損

10、耗 散射損耗是由于光纖材料的不均勻引起光的散射，其散射光的大部分不能滿足導(dǎo)模條件，稱為輻射模而導(dǎo)致?lián)p耗。 光纖材料的不均勻包括材料密度的起伏、制造過程中引入材料密度的起伏、制造過程中引入的雜質(zhì)或缺陷的雜質(zhì)或缺陷等。瑞利散射：瑞利散射：指不均勻性的尺度小于光的波長尺度小于光的波長所產(chǎn)生的散射。 （或半徑比光或其他電磁輻射的波長小很多的微小顆粒對入射光的散射（顆粒是單個(gè)原子或分子）米氏散射：米氏散射：材料不均勻尺度較大當(dāng)光纖中光功率密度較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)非線性散射非線性散射（受激拉曼散射、受激布里淵散射）-指光波在散射后頻率發(fā)生改變指光波在散射后頻率發(fā)生改變2022-3-915（3）彎曲損耗）彎曲損耗

11、彎曲損耗可以分為：宏彎損耗和微彎損耗宏彎損耗和微彎損耗宏彎：指肉眼可見的明顯彎曲，如光纜連接處的光纖彎曲。宏彎損耗：宏彎損耗：原來接近全反射臨界角傳輸?shù)母唠A導(dǎo)模，在光纖彎曲部分其入射角將小于全反射臨界角，故轉(zhuǎn)換成輻射模而損耗。彎曲曲率半徑越小，彎曲損耗越大彎曲曲率半徑越小，彎曲損耗越大。微彎：是指光纖局部產(chǎn)生的微小畸變，其曲率半徑與光纖的橫截面尺寸相當(dāng)，主要是光纖制造和成纜過程中產(chǎn)生的一種隨機(jī)缺陷。也是使部分高階導(dǎo)模不再滿足全反射條件而成為輻射莫，從而產(chǎn)生損耗。 習(xí)題 一段12 km長的光纖線路， 其損耗為1.5 dB/km。 試回答：（1） 如果在接收端保持0.3 W的接收光功率， 則發(fā)送端

12、的功率至少為多少？（2） 如果光纖的損耗變?yōu)?.5 dB/km， 則所需的輸入光功率為多少？2022-3-9174.2 光纖色散光纖色散 光纖色散直接影響光信號傳輸?shù)拿}沖形狀光信號傳輸?shù)拿}沖形狀，因而限制了通信容量。光纖的損耗和色散共同決定了光纖通信系統(tǒng)所能達(dá)到的最決定了光纖通信系統(tǒng)所能達(dá)到的最大無中繼距離大無中繼距離。目前：損耗已接近極限值，所以光纖的色散成為影響通信距離和容量的重要因素。1、光纖色散的定義、光纖色散的定義-在光纖中傳輸光信號的不同頻率成不同頻率成分或不同的模式分量將以不同的速度傳播，傳過一定距離后必分或不同的模式分量將以不同的速度傳播，傳過一定距離后必然會(huì)產(chǎn)生信號失真然會(huì)產(chǎn)

13、生信號失真，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散或彌散。色散越大，光纖中的帶寬色散越大，光纖中的帶寬-距離乘積值越小。在傳輸距離一定時(shí)，距離乘積值越小。在傳輸距離一定時(shí)，帶寬越小，所傳輸?shù)男畔⑷萘烤驮缴?。帶寬越小，所傳輸?shù)男畔⑷萘烤驮缴佟?、光纖色散的種類、光纖色散的種類 光纖的色散主要有材料色散、波導(dǎo)色散和模間色散材料色散、波導(dǎo)色散和模間色散三種，它們之間還會(huì)相互影響。材料色散：指材料折射率是波長（或頻率）的非線性函數(shù)材料折射率是波長（或頻率）的非線性函數(shù)，由于不同頻率的光波傳輸群速度不同而導(dǎo)致的色散為材料色散。波導(dǎo)色散：指導(dǎo)模的傳播常數(shù) 是波長（或頻率）的非線性函數(shù)，使得該導(dǎo)模的群速度隨光波長的變化而變

14、化，所產(chǎn)生的色散為波導(dǎo)色散（或結(jié)構(gòu)色散）。模間色散（多模色散）：在多模光纖中，不同模式的群速度不同模式的群速度不同不同，所引起的色散為模間色散（多模色散） 2022-3-919幾個(gè)名詞定義：（1）、光纖在特定波長上的色散值：光纖在特定波長上的色散值：一般定義為該波長上，單位長度光纖的傳輸延時(shí)隨波長（或頻率）的變化，即：0)()(0ddD式中，傳輸延時(shí)傳輸延時(shí) 表示波長為波長為 的光波通過單位長度光的光波通過單位長度光纖所經(jīng)歷的延遲時(shí)間纖所經(jīng)歷的延遲時(shí)間，單位為ps/km，色散D的單位為ps/(km.nm)(2022-3-920（2）相速度 ：指等相位面?zhèn)鞑サ乃俣龋╬hase velocity）

15、pv單色波單色波：其相速度：nckvp其中：波數(shù)：cnnknk002（3）群速度（group velocity) gv不同頻率的波疊加形成合成波（波包）時(shí)不同頻率的波疊加形成合成波（波包）時(shí)，波包的波峰傳播速，波包的波峰傳播速度稱為度稱為群速度，群速度，它代表著波包具有的能量傳播速度。復(fù)色光復(fù)色光：可視為若干單色波列的疊加。在色散介質(zhì)中，各單色光以不同的相速度傳播，因而，復(fù)色光在色散介質(zhì)中的傳播問題也隨之復(fù)雜化。vg= d /dk2022-3-921vg= d /dk)(nn 色散介質(zhì)中：kncncdkdknckncdkddkdvg)(相速度與群速度的關(guān)系：dkdvkvvppg2kddk222

16、2dkdddvdkdddvdkdvppp22（1）-代入（1）式2022-3-922得到：ddvvvppgncvp)1 (2ddnnvddnncncvpgddnnvvgp1討論：0ddvp（1）當(dāng)或0ddngpvv -正常色散；0ddvp0ddngpvv -反常色散（2）當(dāng)或2022-3-9231、材料色散-源于折射率隨波長的變化。光與物質(zhì)的相互作用表現(xiàn)在某些特定波長上介質(zhì)材料對光波場的共振吸收，材料對外場的響應(yīng)與光的波長有關(guān)，因此材料的材料的折射率折射率n是光波頻率或波長的函數(shù)是光波頻率或波長的函數(shù)。材料色散導(dǎo)致的群延時(shí)：指光信號傳播單位距離的延遲時(shí)間)(0dkdkcvg011dkdkcdd

17、kvg0cknckvp二者比較：定義群折射率：群折射率：0dkdkN -描述介質(zhì)中群速度比真空中光速慢的倍數(shù)2022-3-92400000)(dkdnknnkdkddkdkN群折射率：定義色散參量D為：2020dkkddkdND利用：00dkdddNdkdN220dkd)(1110ddnncdkdkcddkvg群延時(shí)表示為：色散參量D為：222020dndcdkkddkdND222020dndcdkkddkdND色散參量D為：-可以看出：材料色散主要取決于折射率隨波長的非線性材料色散主要取決于折射率隨波長的非線性變化，變化，其值在某一特定波長上可能為零，這一波長稱為材料的材料的零色散波長。對于

18、石英光纖材料的零色散波長七號位于零色散波長。對于石英光纖材料的零色散波長七號位于1.3m附近的低損耗窗口。2、 波導(dǎo)色散-存在于一個(gè)波導(dǎo)模式內(nèi)，由波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散，也稱為模式色散或模內(nèi)色散，。實(shí)際上;導(dǎo)模的傳播常數(shù)是波長或頻率的非線性函數(shù)，書P69式（4.2-18,19）選擇適當(dāng)?shù)墓饫w波導(dǎo)參數(shù)，有可能使波導(dǎo)色散和材料色散的絕對值相等而符號相反，從而使單模光纖的總色散為零總色散為零。3、 模間色散-存在于多模光纖中，各導(dǎo)模的群速度不同，導(dǎo)致各模式之間的群延時(shí)差，從而引起色散?？傊荷?dǎo)致光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的總之：色散將導(dǎo)致光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的脈沖展寬脈沖展寬，從而，從而限制了光纖通信的

19、限制了光纖通信的信息傳輸速率信息傳輸速率，即，即通信容量通信容量。4.2.2 光信號在色散光纖中的傳輸光信號在色散光纖中的傳輸 光纖中傳輸?shù)男盘柟馐侵副贿m當(dāng)調(diào)制的光頻電磁波被適當(dāng)調(diào)制的光頻電磁波。對于幅度調(diào)制，在輸入端（z=0），信號光可以用幅度雖時(shí)間的變化關(guān)系 f(t) 描述。由于光纖中的損耗和色散，信號光在光纖中傳輸時(shí)，其形狀將發(fā)生變化，并與傳輸距離有關(guān)形狀將發(fā)生變化，并與傳輸距離有關(guān)，可以用A(z,t) 表示。 不論何種方式調(diào)制，信號光總具有一定的光譜寬度。設(shè)信號光的中心頻率為 ，則光纖中沿z方向傳輸?shù)妮d有信號的線偏振光模場可表示為：0)(00),(),(),(ztievutzAtzvu

20、E-（22）2022-3-928而光場可視為所有頻率分量所有頻率分量的疊加，即：dezvuEtzvuEti),(21),(每一頻率分量每一頻率分量為：zievuzAzvuE0),(),(),(0所以得到：dezAtzAti)(00),(21),(-（23）-（24）將（3）式代入亥姆霍茲方程，并利用分離變量可到：0)()(22022knt0),()(),(2020200zAzzAi-（25）2022-3-9290)()(22022knt0),()(),(2020200zAzzAi-（27）-（26）-決定了光纖中模式光場的橫向分布和模式的本征方程，并能確定相應(yīng)的傳播常數(shù)。-決定了信號中各頻率成

21、分在光纖中的傳輸性質(zhì)，是光信號決定了信號中各頻率成分在光纖中的傳輸性質(zhì)，是光信號在頻域的傳輸方程。在頻域的傳輸方程。當(dāng)光信號的光譜寬度較窄，色散較小時(shí)，可將傳播常數(shù) 在信號中心頻率 附近泰勒級數(shù)展開：)(0303202010)(61)(21)()(其中：nnndd)(2022-3-930當(dāng)n=1,n=2時(shí)，gvdd11dddd222-是光纖在光信號中心頻率處是光纖在光信號中心頻率處的的群延時(shí)群延時(shí)；-是光纖在光信號中心頻率處的色散色散；略去高階色散項(xiàng)，可將信號光的頻域傳輸方程寫為：0),()(21)(),(0202010zAizzA由此可得到信號在光纖中傳輸距離在光纖中傳輸距離z處的頻譜處的頻

22、譜為：ziAzA)(21)(exp), 0(),(20201002022-3-931ziAzA)(21)(exp), 0(),(2020100式中：), 0(0A為信號在光纖入射端z=0處的頻譜。在已知 和信號初始頻譜的情況下，輸出信號的形狀可以通過下列式求得。12ziAzA)(21)(exp), 0(),(2020100dezAtzAti)(00),(21),(2022-3-932如果 02即信號光波長位于光纖的零色散波長上，則輸出信號的形狀為：)(), 0(21),(1)(010ztfdeAtzAzti-表明在沒有色散的情況下，輸出信號的形狀與輸入信號的在沒有色散的情況下，輸出信號的形狀與

23、輸入信號的形狀完全相同，在光纖中的結(jié)果只是使信號獲得了形狀完全相同，在光纖中的結(jié)果只是使信號獲得了 gvzz/1的傳輸延遲?？梢?，造成信號在光纖中傳輸畸變的最低效應(yīng)為二階色散效應(yīng) 或D.22022-3-933同時(shí)可得到光信號在光纖中的傳輸演化光信號在光纖中的傳輸演化-光信號時(shí)域傳輸光信號時(shí)域傳輸方程方程0),(2),(),(2221ttzAittzAztzA2022-3-9343、光脈沖的色散展寬 在光纖通信系統(tǒng)中，信號由光脈沖攜帶信號由光脈沖攜帶。此光纖對系統(tǒng)性能的影響主要表現(xiàn)在使信號脈沖展寬主要表現(xiàn)在使信號脈沖展寬，這樣對系統(tǒng)的傳輸速率產(chǎn)生了限制作用。假定脈沖幅度為2/),(zetzAzt

24、T1令：222),(2),(TTzAzTzAi得到脈沖形狀演化的傳輸方程脈沖形狀演化的傳輸方程：將其中的A(z,T)進(jìn)行傅里葉展寬，即：dezATzATi),(21),(得到脈沖頻域的演化方程脈沖頻域的演化方程：),(21),(22zAzzAi2022-3-935求得：2/22), 0(),(zieAzA其中：), 0(A為輸入脈沖的傅里葉頻譜輸入脈沖的傅里葉頻譜，即dTeTfATi)(), 0(因此：deeATzATizi2/22), 0(21),(比如： 輸入峰值為輸入峰值為1的無啁啾高斯型脈沖的無啁啾高斯型脈沖：)2/(202)(TTeTf-其中脈沖寬度參數(shù) 為脈沖峰值功率 點(diǎn)的半寬度0

25、Te/12022-3-936在光纖中傳輸距離光纖中傳輸距離 z后的輸出脈沖后的輸出脈沖為：),()/(124/12)(22202022022202)/(1 ),(TziLzTTDziTTeeLzeziTTTzAD表明：經(jīng)光纖傳輸距離經(jīng)光纖傳輸距離 z后，脈沖仍為高斯脈沖，但其峰值后，脈沖仍為高斯脈沖，但其峰值功率功率 點(diǎn)的半寬度展寬為點(diǎn)的半寬度展寬為：2201)/(1DLzTTe/1-與初始脈沖相比展寬與初始脈沖相比展寬了2)/(1DLz倍倍。-為光纖的色光纖的色散長度散長度220/TLD2022-3-9374.2.3 色散優(yōu)化光纖色散優(yōu)化光纖 普通單模光纖在1.27m波長處的色散為零，在該波

26、長附近的色散通常小于2ps/(nm.km)，但光纖的損耗在0.30.6dB/km之間；在波長1.55m處，光纖損耗達(dá)到最低（0.2dB/km),但色散高達(dá)20ps/(nm.km)。如何在同一波段即保持低損耗又保持低保持低損耗又保持低色散色散，從而可以增大通信中繼距離。色散位移的概念隨之出現(xiàn)。1、零色散位移光纖零色散位移光纖-通過改變光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加波導(dǎo)色散改變光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加波導(dǎo)色散，使1.55m處的材料色散與波導(dǎo)色散相抵消，成為零色散位移光纖。采用圖4.2-3的折射率分布結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：增加了波導(dǎo)色散，而且減小了模場直徑；缺點(diǎn)：不適用于波分復(fù)用波分復(fù)用系統(tǒng)，且有多個(gè)光信道時(shí)，會(huì)引發(fā)四四波混頻

27、效應(yīng)波混頻效應(yīng)，影響信號傳輸。2022-3-938 波分復(fù)用波分復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是將兩種或多種不同波長的光載波信號兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號。這種在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長光信號的技術(shù)，稱為波分復(fù)用。2022-3-9392、非零色散位移光

28、纖非零色散位移光纖-采用圖4.2-4的折射率分布，進(jìn)一步控制摻雜濃度，使零色散波長不在1.55m，而是在該波段以下或以上（1.525m或1.585m），使零色散波長發(fā)生位移。優(yōu)點(diǎn)：1.55m處色散很低，且抑制了四波混頻效應(yīng)的出現(xiàn)。3、色散平坦光纖色散平坦光纖-指在極寬的波長范圍內(nèi)得到很低的色散在極寬的波長范圍內(nèi)得到很低的色散，波段在1.31.6m寬波段范圍。采用的光纖結(jié)構(gòu)如圖4.2-3,4.2-7。2022-3-9404.3 光纖偏振光纖偏振1. 理想理想SMF：（橫截面和折射率分布為理想圓對稱結(jié)構(gòu)）實(shí)際上有兩個(gè)偏振方向正交的基模有兩個(gè)偏振方向正交的基模：yxHEHE1111,具有相同的傳播常

29、數(shù)，是簡并的，在傳播過程中偏振態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際單模光纖并不完善實(shí)際單模光纖并不完善（如：光纖芯的橢圓變形橢圓變形，光纖內(nèi)部的殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力），導(dǎo)致折射率分布不均勻，使得兩個(gè)模式并不簡并，兩個(gè)正交偏振模式的傳輸常數(shù)不再相等，從而導(dǎo)致偏振態(tài)沿光纖長度方向發(fā)生變化偏振態(tài)沿光纖長度方向發(fā)生變化，這就是所謂的光纖光纖雙折射雙折射。2022-3-9414.3.1 光纖雙折射光纖雙折射（1）引起光纖雙折射的原因：）引起光纖雙折射的原因：幾何模型不理想：其橢圓度以及芯的組成會(huì)有不均勻現(xiàn)象； 外部因素: 如光纖側(cè)壓力、溫度不均勻、光纖彎曲、扭轉(zhuǎn)等。（2）描述光纖雙折射的參量：）描述光纖雙折射的參量：偏振雙

30、折射：-定義單模光纖中兩個(gè)正交的偏振基模沿兩個(gè)正交的偏振基模沿光纖軸向傳輸時(shí)的傳輸常數(shù)差光纖軸向傳輸時(shí)的傳輸常數(shù)差0/ )(2yxyxnn (b)歸一化雙折射參數(shù)B：2/ )(yxyxnnnnB2022-3-9(c) 拍長拍長 ：bL-表示偏振態(tài)變化一個(gè)周期的長度稱為光纖的拍長表示偏振態(tài)變化一個(gè)周期的長度稱為光纖的拍長。兩個(gè)正交偏振模的偏振態(tài)沿 著光纖長度將發(fā)生周期性的變化：線偏振光-圓偏振光-橢圓偏振光-線偏振光yxyxbnnL2表明：拍長 越短，說明雙折射越嚴(yán)重；波長越長，拍長越長。bL2022-3-9434.3.2 單模光纖的偏振模色散單模光纖的偏振模色散（PMD） 由于光纖的雙折射效應(yīng)

31、，導(dǎo)致兩種偏振模在光纖中的群速度不同，即產(chǎn)生偏振模色散（ Polarization Mode Dispersion。偏振模色散會(huì)限制信息傳輸?shù)乃俾?，所以在長距離傳輸系統(tǒng)中，要求偏振態(tài)穩(wěn)定。能保持光的偏振狀態(tài)不變的光纖稱為偏振保持光纖，簡稱為保偏光纖。保偏光纖。2022-3-944n 4.4 4.4 非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)n當(dāng)光纖中的光場強(qiáng)較弱時(shí)，光纖可視為線性介質(zhì)；但光場當(dāng)光纖中的光場強(qiáng)較弱時(shí)，光纖可視為線性介質(zhì)；但光場強(qiáng)加大后，任何電介質(zhì)都會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)加大后，任何電介質(zhì)都會(huì)表現(xiàn)出非線性非線性。n1 1非線性極化理論非線性極化理論n光纖作為電介質(zhì)在外電場（包括光波電場）作用下，感應(yīng)光纖作為電介質(zhì)在

32、外電場（包括光波電場）作用下，感應(yīng)電偶極矩，極化所形成的附加電場與外電場疊加形成介質(zhì)電偶極矩，極化所形成的附加電場與外電場疊加形成介質(zhì)中的場。中的場。 n電偶極子的極化強(qiáng)度電偶極子的極化強(qiáng)度 對于電場對于電場 是非線性的，通常滿是非線性的，通常滿足足 式中，式中， 為真空介電常數(shù)；為真空介電常數(shù)； , , , , 分別為一階、分別為一階、二階、三階電極化率。二階、三階電極化率。n當(dāng)外場較弱時(shí)，當(dāng)外場較弱時(shí)， ， ，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程是線性的。是線性的。 PE(1)(2)(3)0()PEEEEEE0(1)(2)(3

33、)(1)0 PE(1)00(1) DE PEE222t0EEn在線性光學(xué)范圍內(nèi)，在線性光學(xué)范圍內(nèi)，光的疊加性原理成立。光頻率各分量光的疊加性原理成立。光頻率各分量不存在相互作用，頻率也不會(huì)變化，表征介質(zhì)特性的參數(shù)不存在相互作用，頻率也不會(huì)變化，表征介質(zhì)特性的參數(shù)如介電系數(shù)、吸收系數(shù)都與外加光場強(qiáng)度無關(guān)。如介電系數(shù)、吸收系數(shù)都與外加光場強(qiáng)度無關(guān)。n但在非線性光學(xué)范圍內(nèi)，但在非線性光學(xué)范圍內(nèi)，情況就不同了，式中的第二項(xiàng)及情況就不同了，式中的第二項(xiàng)及其以后的各項(xiàng)之和統(tǒng)稱為非線性極化強(qiáng)度矢量：其以后的各項(xiàng)之和統(tǒng)稱為非線性極化強(qiáng)度矢量： n由于非線性極化強(qiáng)度的存在，物質(zhì)方程不再是線性的，因由于非線性極化

34、強(qiáng)度的存在，物質(zhì)方程不再是線性的，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的波動(dòng)方程也是非線性方程：此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的波動(dòng)方程也是非線性方程： (2)(3)00NL PEEEEE222022ttEPEn光纖中不顯示二階非線性光學(xué)效應(yīng)，摻雜時(shí)才會(huì)考慮二階光纖中不顯示二階非線性光學(xué)效應(yīng)，摻雜時(shí)才會(huì)考慮二階非線性光學(xué)效應(yīng)。三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng)導(dǎo)致克爾效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)。三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng)導(dǎo)致克爾效應(yīng)、雙光子吸收、光波自作用以及受激輻射受激拉曼散射和受雙光子吸收、光波自作用以及受激輻射受激拉曼散射和受激布里淵散射等現(xiàn)象。這些是影響光纖通信的重要的非線激布里淵散射等現(xiàn)象。這些是影響光纖通信的重要的非線性光

35、學(xué)效應(yīng)。性光學(xué)效應(yīng)。n從物理機(jī)制上講，非線性光學(xué)效應(yīng)大致可以分為兩大類：從物理機(jī)制上講，非線性光學(xué)效應(yīng)大致可以分為兩大類：一類稱為參量過程（非激活的），另一類稱為非參量過程一類稱為參量過程（非激活的），另一類稱為非參量過程（激活的）。（激活的）。n在參量過程中，在參量過程中，參與參量過程的光場之間需要滿足一定的參與參量過程的光場之間需要滿足一定的相位匹配條件。相位匹配條件。在非參量過程中，在非參量過程中，非參量過程不需要滿足非參量過程不需要滿足相位匹配條件。相位匹配條件。 n2 2受激散射及其對光纖通信的影響受激散射及其對光纖通信的影響n受激散射受激散射是是三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng)三階非線性極化強(qiáng)

36、度項(xiàng)表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，從量表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，從量子觀點(diǎn)容易說明其物理機(jī)理，并分析其對光通信系統(tǒng)的影子觀點(diǎn)容易說明其物理機(jī)理，并分析其對光通信系統(tǒng)的影響。響。n(1) (1) 物理機(jī)理物理機(jī)理n拉曼散射拉曼散射和和布里淵散射布里淵散射是光纖物質(zhì)中原子參與的光散射現(xiàn)是光纖物質(zhì)中原子參與的光散射現(xiàn)象象。在晶體中，原子在其平衡位置附近不停地振動(dòng)，由于。在晶體中，原子在其平衡位置附近不停地振動(dòng)，由于原子之間的相互作用，每一個(gè)原子的振動(dòng)要依次傳遞給其原子之間的相互作用，每一個(gè)原子的振動(dòng)要依次傳遞給其他原子，從而形成晶體中的格波，格波的形式很復(fù)雜，可他原子，從而形成晶體中的格波，格波的形式很復(fù)雜，可以分解成一些

37、簡諧波的疊加。以分解成一些簡諧波的疊加。n根據(jù)量子力學(xué)理論，格波的能量是量子化的，對頻率根據(jù)量子力學(xué)理論，格波的能量是量子化的，對頻率 的的格波，它們的每份能量格波，它們的每份能量 稱為一個(gè)聲子。稱為一個(gè)聲子。所謂聲子，所謂聲子，就是晶格振動(dòng)能量變化的最小單位。就是晶格振動(dòng)能量變化的最小單位。n入射光波被晶格振動(dòng)散射，可以理解為光子與聲子相互碰入射光波被晶格振動(dòng)散射，可以理解為光子與聲子相互碰撞的問題，在散射過程中，常常伴隨聲子的吸收和發(fā)射，撞的問題，在散射過程中，常常伴隨聲子的吸收和發(fā)射，但必須滿足能量守恒，從而使入射光發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換。但必須滿足能量守恒，從而使入射光發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換。 n通過薛定

38、諤方程求出的格波解分為兩支，通過薛定諤方程求出的格波解分為兩支，頻率較高的一支頻率較高的一支與晶體的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通常稱為光學(xué)波，頻率較低的一與晶體的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通常稱為光學(xué)波，頻率較低的一支與宏觀彈性波（聲波）有密切關(guān)系，稱為聲學(xué)波。支與宏觀彈性波（聲波）有密切關(guān)系，稱為聲學(xué)波。由光由光學(xué)波聲子參與的光散射稱為拉曼散射，由聲學(xué)波聲子參與學(xué)波聲子參與的光散射稱為拉曼散射，由聲學(xué)波聲子參與的光散射稱為布里淵散射。的光散射稱為布里淵散射。hn拉曼散射的基本過程可以理解為：拉曼散射的基本過程可以理解為：頻率頻率 的入射光子與的入射光子與介質(zhì)相互作用，可以發(fā)射一個(gè)頻率為介質(zhì)相互作用，可以發(fā)射一個(gè)頻率

39、為 的斯托的斯托克斯克斯(Stokes)(Stokes)光子和一個(gè)頻率為光子和一個(gè)頻率為 的光學(xué)波聲子。在這的光學(xué)波聲子。在這個(gè)過程中，能量守恒，即個(gè)過程中，能量守恒，即 （h h是普朗克常量是普朗克常量），光波產(chǎn)生下頻移。），光波產(chǎn)生下頻移。n入射光子與介質(zhì)相互作用，也可能吸收頻率入射光子與介質(zhì)相互作用，也可能吸收頻率 的聲子而的聲子而產(chǎn)生一個(gè)頻率為產(chǎn)生一個(gè)頻率為 的反斯托克斯光子，能量仍的反斯托克斯光子，能量仍守恒，光波產(chǎn)生上頻移。守恒，光波產(chǎn)生上頻移。n布里淵散射與拉曼散射過程相似，只是參與的聲子是聲學(xué)布里淵散射與拉曼散射過程相似，只是參與的聲子是聲學(xué)聲子，頻率低，聲子，頻率低，因此布里

40、淵散射頻移小因此布里淵散射頻移小。 sinvinvinsvhhhvainvn (2) (2) 受激受激Raman 散射對光通信的影響散射對光通信的影響n當(dāng)光纖中傳輸功率較小時(shí)當(dāng)光纖中傳輸功率較小時(shí)，主要是，主要是自發(fā)拉曼散射與布里淵自發(fā)拉曼散射與布里淵散射散射，對光纖通信不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。，對光纖通信不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。n但隨光功率增大，但隨光功率增大，就可能產(chǎn)生就可能產(chǎn)生受激拉曼散射受激拉曼散射( (SRS) )和受激和受激布里淵散射布里淵散射(SBS)。n臨界功率大約為臨界功率大約為3 W 左右左右，它與光纖的有效面積以及光纖，它與光纖的有效面積以及光纖的長度、光學(xué)性質(zhì)都有關(guān)。的長度、光

41、學(xué)性質(zhì)都有關(guān)。n受激拉曼散射主要以受激拉曼散射主要以前向散射前向散射為主，對光纖的影響主要表為主，對光纖的影響主要表現(xiàn)為現(xiàn)為限制了限制了光纖中傳輸?shù)墓饫w中傳輸?shù)淖畲蠊β首畲蠊β省受激拉曼散射導(dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換，使光纖損耗加大，引起波分受激拉曼散射導(dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換，使光纖損耗加大，引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_。復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_。n受激拉曼散射對波分復(fù)用系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單通道光受激拉曼散射對波分復(fù)用系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單通道光纖系統(tǒng)，纖系統(tǒng)，每一個(gè)信道只要幾毫瓦的光子功率就能引起明顯每一個(gè)信道只要幾毫瓦的光子功率就能引起明顯的拉曼串?dāng)_，的拉曼串?dāng)_，其特點(diǎn)是其特點(diǎn)是短波長信道功率向長波長信道轉(zhuǎn)移短波長信道功

42、率向長波長信道轉(zhuǎn)移。由于光纖中處于激發(fā)態(tài)的原子很少，反斯托克斯光增益。由于光纖中處于激發(fā)態(tài)的原子很少，反斯托克斯光增益小，長波長信道功率向短波長信道轉(zhuǎn)移不明顯。小，長波長信道功率向短波長信道轉(zhuǎn)移不明顯。n (3) (3) 受激布里淵散射的特點(diǎn)及對光通信的影響受激布里淵散射的特點(diǎn)及對光通信的影響n受激布里淵散射受激布里淵散射( (SBS) )的特點(diǎn)是的特點(diǎn)是：以：以反向散射反向散射為主；為主；增益增益系數(shù)大；閾值低，系數(shù)大；閾值低，對常規(guī)單模光纖來說大約為對常規(guī)單模光纖來說大約為4 mW ；頻；頻移小，僅有數(shù)十兆赫茲。移小，僅有數(shù)十兆赫茲。n因此，受激布里淵散射主要對因此，受激布里淵散射主要對窄

43、譜線光源的系統(tǒng)窄譜線光源的系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重產(chǎn)生嚴(yán)重影響，反向散射光反饋回窄譜線激光器會(huì)嚴(yán)重影響激光器影響，反向散射光反饋回窄譜線激光器會(huì)嚴(yán)重影響激光器的正常工作，必須使用的正常工作，必須使用光隔離器光隔離器。受激布里淵散射。受激布里淵散射使光譜使光譜線增寬線增寬，對相干光通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。，對相干光通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。n3 3非線性折射率調(diào)制引起的非線性光學(xué)效應(yīng)非線性折射率調(diào)制引起的非線性光學(xué)效應(yīng)n折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是 引起的，光纖的折射率可引起的，光纖的折射率可以表示為以表示為 (2.33)(2.33) 式中，式中， 為線性折射率；為線性折射率； 為與為與 有關(guān)的非線性

44、折射率有關(guān)的非線性折射率系數(shù)，對于石英光纖約為系數(shù)，對于石英光纖約為 ；P為光功率；為光功率； 為光纖的有效面積，為光纖的有效面積， ，其中，其中I I為光強(qiáng)為光強(qiáng)。(3)(2)0eff/n = n + nP A0n(2)n(3)2023 10 m /weffA2effd dd d2rI(r,) rAI (r,) rn非線性折射率調(diào)制可以引發(fā)以下非線性光學(xué)效應(yīng)。非線性折射率調(diào)制可以引發(fā)以下非線性光學(xué)效應(yīng)。 n(1) (1) 自相位調(diào)制自相位調(diào)制( (SPM) )n n n 依賴于光功率依賴于光功率P P，則光傳輸常數(shù)，則光傳輸常數(shù) 也與也與 P 相關(guān)：相關(guān)：n ，光傳輸，光傳輸L L長度后，產(chǎn)

45、生的長度后，產(chǎn)生的 非線性相位差為非線性相位差為 (2.34) (2.34)n式中，式中， 為光纖的有效長度；為光纖的有效長度； 為輸入端光為輸入端光功率。功率。0P(2)00eff2,/kk nA(2)0eff0inin000eff()d( )dedLLLzNLk n LzPz zPzPAeff(1e)/LLinPn當(dāng)光波被調(diào)制后，當(dāng)光波被調(diào)制后， 隨時(shí)間變化，隨時(shí)間變化，SPMSPM導(dǎo)致頻譜展寬，導(dǎo)致頻譜展寬，展展寬值寬值可以由可以由 的導(dǎo)數(shù)求得的導(dǎo)數(shù)求得 nSPMSPM導(dǎo)致的頻譜展寬是一種頻率啁啾。導(dǎo)致的頻譜展寬是一種頻率啁啾。n(2) (2) 交叉相位調(diào)制交叉相位調(diào)制( (XPM) )

46、n產(chǎn)生產(chǎn)生XPM現(xiàn)象的物理機(jī)制與現(xiàn)象的物理機(jī)制與SPM類似，當(dāng)兩束或更多束類似，當(dāng)兩束或更多束光波在光纖中傳輸時(shí)，某信道的非線性相位變化不僅依賴光波在光纖中傳輸時(shí)，某信道的非線性相位變化不僅依賴于該信道的功率變化，而且與其他信道相關(guān)，從而引起較于該信道的功率變化，而且與其他信道相關(guān)，從而引起較大的頻譜展寬。大的頻譜展寬。inPNL(2)effinSPMeffdd12ddNLn LPtAn (3) (3) 四波混頻四波混頻( (FWM) )n四波混頻是源于非線性折射率的參量過程，需要滿足相位四波混頻是源于非線性折射率的參量過程，需要滿足相位匹配條件。匹配條件。從量子的觀點(diǎn)看，一個(gè)或幾個(gè)光子湮滅，

47、同時(shí)從量子的觀點(diǎn)看，一個(gè)或幾個(gè)光子湮滅，同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)不同頻率的新光子，在參量過程中能量和動(dòng)量都產(chǎn)生幾個(gè)不同頻率的新光子，在參量過程中能量和動(dòng)量都守恒，動(dòng)量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配條件。守恒，動(dòng)量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配條件。n四波混頻大致分為兩種情況，一種情況是四波混頻大致分為兩種情況，一種情況是三個(gè)光子合成一三個(gè)光子合成一個(gè)新光子，其頻率為個(gè)新光子，其頻率為 。當(dāng)。當(dāng) 時(shí)，時(shí)，對應(yīng)三次諧波，當(dāng)對應(yīng)三次諧波，當(dāng) , , 時(shí)，對應(yīng)頻時(shí)，對應(yīng)頻率上轉(zhuǎn)換，由于在光纖中難以滿足相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)有率上轉(zhuǎn)換，由于在光纖中難以滿足相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)有困難。困難。41231231234132n另

48、一種情況是另一種情況是頻率為頻率為 , , 的光子湮滅，產(chǎn)生頻率為的光子湮滅，產(chǎn)生頻率為 , , 的新光子。能量守恒的新光子。能量守恒 ，動(dòng)量守恒，動(dòng)量守恒 ，在光纖滿足的條件相對容易些。，在光纖滿足的條件相對容易些。n四波混頻引起光波分復(fù)用四波混頻引起光波分復(fù)用(WDM)(WDM)系統(tǒng)中復(fù)用信道之間的串系統(tǒng)中復(fù)用信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。擾，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。光纖色散越小，復(fù)用信道波長間光纖色散越小，復(fù)用信道波長間隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。這是因?yàn)橛腥核俣壬r(shí)，相位匹隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。這是因?yàn)橛腥核俣壬r(shí)，相位匹配條件難以滿足。配條件難以滿足。在色散位移光纖中，相位匹配條件容易在色散

49、位移光纖中，相位匹配條件容易滿足，四波混頻嚴(yán)重，因此非零色散位移光纖應(yīng)運(yùn)而生。滿足，四波混頻嚴(yán)重，因此非零色散位移光纖應(yīng)運(yùn)而生。1234123434210kk +kkk ? 光纖的種類n光纖的種類繁多，按光纖所用材料、折射率分布、傳輸模光纖的種類繁多，按光纖所用材料、折射率分布、傳輸模式等，都可以對光纖進(jìn)行分類。式等，都可以對光纖進(jìn)行分類。n從材料角度，從材料角度，可以分為石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合可以分為石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合物光纖、液心光纖等。物光纖、液心光纖等。n從折射率分布角度，從折射率分布角度，可以分為階躍折射率光纖和梯度折射可以分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。率光纖。n從傳輸模式上，從傳輸模式上，可以分為多模光纖和單模光纖?？梢苑譃槎嗄９饫w和單模光纖。n從用途上，從用途上，可以分為常規(guī)通信光纖和特種光纖?？梢苑譃槌Ｒ?guī)通信光纖和特種光纖。2022-3-9612022-3-962n 4.2 2 色散色散n光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于 傳輸常數(shù)傳輸常數(shù) 是光頻率是光頻率 的函數(shù)，的函數(shù)，當(dāng)當(dāng) 與