光纖光學(xué)第四章

1、第四章第四章 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性和新型光纖和新型光纖p 光纖的衰減機(jī)理及其決定因素光纖的衰減機(jī)理及其決定因素p 光纖的色散機(jī)理及其決定因素光纖的色散機(jī)理及其決定因素p 光纖的非線性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊懝饫w的非線性及其對(duì)傳輸?shù)挠绊憄 新型石英光纖的特性及其應(yīng)用場(chǎng)合新型石英光纖的特性及其應(yīng)用場(chǎng)合4.3 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性 光纖中傳輸光信號(hào)時(shí)，光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、相光纖中傳輸光信號(hào)時(shí)，光信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、相位、偏振態(tài)等光參量會(huì)隨傳輸距離的增加而改變，位、偏振態(tài)等光參量會(huì)隨傳輸距離的增加而改變，這種特性稱為光纖的傳輸特性。這種特性稱為光纖的傳輸特性。u 光信號(hào)的強(qiáng)度變化光信號(hào)的強(qiáng)度變化

2、光纖的衰減光纖的衰減u 光信號(hào)的相位變化光信號(hào)的相位變化光纖的色散光纖的色散u 光信號(hào)的頻率、相位變化等光信號(hào)的頻率、相位變化等光纖的非線性光纖的非線性4.3.1 光纖的衰減特性光纖的衰減特性p 光纖通信中，光纖的衰減限制了信號(hào)所能傳輸?shù)淖罟饫w通信中，光纖的衰減限制了信號(hào)所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x，光纖的衰減越小，光傳輸距離就會(huì)越長(zhǎng)。大距離，光纖的衰減越小，光傳輸距離就會(huì)越長(zhǎng)。p 光能量的衰減（損耗）主要包括光能量的衰減（損耗）主要包括光纖耦合損耗光纖耦合損耗、光光纖的吸收和散射損耗纖的吸收和散射損耗以及以及光纖的彎曲輻射損耗。光纖的彎曲輻射損耗。p 在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于光纖損耗有所偏重：在不同的應(yīng)

3、用場(chǎng)合，對(duì)于光纖損耗有所偏重：n 短距離傳輸：端面耦合損耗；短距離傳輸：端面耦合損耗；n 長(zhǎng)距離傳輸：光纖的吸收和散射損耗。長(zhǎng)距離傳輸：光纖的吸收和散射損耗。一、光纖損耗的計(jì)算一、光纖損耗的計(jì)算 DsppDp)(1)(0P(D)為輸入功率為輸入功率p0的光信號(hào)傳輸?shù)墓庑盘?hào)傳輸D后，剩余光功率。后，剩余光功率。 為單位距離上的吸收損耗；為單位距離上的吸收損耗；s為單位距離上的散射損耗；為單位距離上的散射損耗；(1) 以以W為單位計(jì)算為單位計(jì)算:(2) 以以dB為單位計(jì)算衰減為單位計(jì)算衰減光纖傳輸總衰減（損耗）定義光纖傳輸總衰減（損耗）定義為為)lg(10)lg(10)(outininoutPPP

4、PA總損耗與光纖長(zhǎng)度總損耗與光纖長(zhǎng)度L的比值的比值定義為光纖的損耗系數(shù)定義為光纖的損耗系數(shù) ：)()(lg10)()(outinfPPLLA二、光纖的損耗特性二、光纖的損耗特性 光纖的損耗大小與波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。損耗與波長(zhǎng)光纖的損耗大小與波長(zhǎng)有密切的關(guān)系。損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為的關(guān)系曲線稱為光纖的損耗譜光纖的損耗譜，在譜線上，損耗值，在譜線上，損耗值比較大的地方，稱為光纖的比較大的地方，稱為光纖的吸收峰吸收峰，較低損耗的地方，較低損耗的地方稱為光纖的工作波長(zhǎng)（稱為光纖的工作波長(zhǎng)（工作窗口工作窗口）。）。1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收紅外吸收紅外吸收瑞利散射瑞利散

5、射0.20.22.52.5損損 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 長(zhǎng)長(zhǎng) (nm)(nm)OHOH離子吸收峰離子吸收峰三、光纖的損耗機(jī)理三、光纖的損耗機(jī)理（1） 光纖的吸收損耗光纖的吸收損耗 紫外吸收損耗和紅外吸收損耗：紫外吸收損耗和紅外吸收損耗：在任一波長(zhǎng)處，在任一波長(zhǎng)處，任何材料的吸收與特定分子的電子振動(dòng)和共振有關(guān)。在任何材料的吸收與特定分子的電子振動(dòng)和共振有關(guān)。在石英系光纖中，電子共振發(fā)生在紫外區(qū)（石英系光纖中，電子共振發(fā)生在紫外區(qū)（9m）處，由于石英玻璃的非結(jié)晶特性，）處，由于石英玻璃的非結(jié)晶特性，使得共振吸收形成邊帶，吸收帶延伸到可見光。使得共振吸收形成邊帶，吸收帶延伸到可見光。

6、 雜質(zhì)吸收損耗：雜質(zhì)吸收損耗：光纖材料中含有光纖材料中含有OH-離子和金屬離離子和金屬離子以及摻雜雜質(zhì)，也會(huì)引起損耗。子以及摻雜雜質(zhì)，也會(huì)引起損耗。OH-鍵的基本諧振波鍵的基本諧振波長(zhǎng)為長(zhǎng)為2.73m，與，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)互相影響，形成一鍵的諧振波長(zhǎng)互相影響，形成一系列吸收峰，其中影響較大的波長(zhǎng)有系列吸收峰，其中影響較大的波長(zhǎng)有1.39m、1.24m、0.95m。由于制造工藝的改變，金屬離子和雜質(zhì)的吸。由于制造工藝的改變，金屬離子和雜質(zhì)的吸收損耗，目前可忽略不計(jì)。收損耗，目前可忽略不計(jì)。（2） 光纖的散射損耗光纖的散射損耗n 瑞利散射損耗：瑞利散射損耗：光纖材料在加熱過程中，由于熱騷光纖

7、材料在加熱過程中，由于熱騷動(dòng)，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，動(dòng)，使原子得到的壓縮性不均勻，使物質(zhì)的密度不均勻，進(jìn)而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定進(jìn)而使折射率不均勻。這種不均勻在冷卻過程中被固定下來(lái)，它的尺寸比光波波長(zhǎng)要小。光在傳輸時(shí)遇到這些下來(lái)，它的尺寸比光波波長(zhǎng)要小。光在傳輸時(shí)遇到這些比光波波長(zhǎng)小，帶有隨機(jī)起伏的不均勻物質(zhì)時(shí)，改變了比光波波長(zhǎng)小，帶有隨機(jī)起伏的不均勻物質(zhì)時(shí)，改變了傳輸方向，產(chǎn)生散射，引起損耗。傳輸方向，產(chǎn)生散射，引起損耗。n 波導(dǎo)散射損耗：波導(dǎo)散射損耗：由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)由表面畸變或粗糙所引起的模式轉(zhuǎn)換或模式耦合，而導(dǎo)致總功率額外的損

8、耗。（一種模式換或模式耦合，而導(dǎo)致總功率額外的損耗。（一種模式會(huì)產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。由于在光纖中傳輸?shù)臅?huì)產(chǎn)生其他傳輸模式和輻射模式。由于在光纖中傳輸?shù)母鞣N模式衰減不同，在長(zhǎng)距離的模式變換過程中，衰減各種模式衰減不同，在長(zhǎng)距離的模式變換過程中，衰減小的模式變成衰減大的模式，連續(xù)的變換和反變換后，小的模式變成衰減大的模式，連續(xù)的變換和反變換后，總體產(chǎn)生額外的損耗），目前，該項(xiàng)損耗可忽略?？傮w產(chǎn)生額外的損耗），目前，該項(xiàng)損耗可忽略。 瑞利瑞利散射損耗系數(shù)散射損耗系數(shù)4/CRC0.70.9（dB/km）m4 在在1.55m處，為處，為0.120.16dB/km。光纖在該波長(zhǎng)。光纖在該波長(zhǎng)處的損

9、耗主要由瑞利散射引起。處的損耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射損耗與光波長(zhǎng)瑞利散射損耗與光波長(zhǎng)的四次方成反比。的四次方成反比。（3） 光纖的彎曲輻射損耗光纖的彎曲輻射損耗 彎曲輻射損耗：彎曲輻射損耗：當(dāng)理想的圓柱形光纖受到某些力當(dāng)理想的圓柱形光纖受到某些力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲，原在纖芯中以的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲，原在纖芯中以導(dǎo)模形式傳輸?shù)墓β蕦⒉糠洲D(zhuǎn)化為輻射模功率，并逃逸導(dǎo)模形式傳輸?shù)墓β蕦⒉糠洲D(zhuǎn)化為輻射模功率，并逃逸出纖芯，造成能量的損失。出纖芯，造成能量的損失。光線理論解釋彎曲損耗：在彎曲處不再滿足全反射定理。光線理論解釋彎曲損耗：在彎曲處不再滿足全反射定理。 宏彎損

10、耗：宏彎損耗：當(dāng)彎曲曲率半徑當(dāng)彎曲曲率半徑RRc，彎曲引起的損耗。彎曲引起的損耗。一般由盤繞等引起的宏彎。一般由盤繞等引起的宏彎。 微彎損耗：微彎損耗：當(dāng)彎曲曲率半徑當(dāng)彎曲曲率半徑R Rc，彎曲引起的損耗。彎曲引起的損耗。由光纖制備過程中或在應(yīng)用過程中由由光纖制備過程中或在應(yīng)用過程中由于應(yīng)變等原因引起的形變。于應(yīng)變等原因引起的形變。 R1cm時(shí)，附加損耗忽略不計(jì)。時(shí)，附加損耗忽略不計(jì)。單模光纖的彎曲損耗單模光纖的彎曲損耗)exp(21URRAcc21213)()(21WWkUaWAc22334naVWUnc323)996. 0748. 2(20cncR臨界曲率半徑臨界曲率半徑Rc： A、B、C

11、分別對(duì)應(yīng)于分別對(duì)應(yīng)于3種截種截止波長(zhǎng)（止波長(zhǎng)（0.7m、1.18m、1.4m）的光纖彎曲臨界半）的光纖彎曲臨界半徑隨波長(zhǎng)的變化。徑隨波長(zhǎng)的變化。（4） 光纖的耦合損耗光纖的耦合損耗 光纖與光源的耦合損耗光纖與光源的耦合損耗為獲得最佳的耦合效率，主要考慮光纖與光源的特征為獲得最佳的耦合效率，主要考慮光纖與光源的特征參量的相互匹配。參量的相互匹配。光纖：纖芯直徑光纖：纖芯直徑 數(shù)值孔徑角數(shù)值孔徑角 截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng) 偏振特性偏振特性光源：發(fā)光面積光源：發(fā)光面積 發(fā)光的角分布發(fā)光的角分布 光譜特性光譜特性 偏振特性偏振特性a) 半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合損耗b) 半導(dǎo)體發(fā)光

12、二極管和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體發(fā)光二極管和光纖的耦合損耗 光纖與光纖的耦合損耗光纖與光纖的耦合損耗LD發(fā)光的角分布特點(diǎn)：在發(fā)光的角分布特點(diǎn)：在x方向（平行于方向（平行于PN結(jié)方向）光結(jié)方向）光束較集中，發(fā)散角束較集中，發(fā)散角2|約為約為5o6o，在，在y方向上，光束發(fā)方向上，光束發(fā)散角散角2 約為約為40o60o，LD的遠(yuǎn)場(chǎng)圖為的遠(yuǎn)場(chǎng)圖為細(xì)長(zhǎng)橢圓細(xì)長(zhǎng)橢圓。LD尺寸及光斑特點(diǎn)：發(fā)光面為窄長(zhǎng)條，長(zhǎng)為幾十尺寸及光斑特點(diǎn)：發(fā)光面為窄長(zhǎng)條，長(zhǎng)為幾十m。寬約幾寬約幾m。當(dāng)激勵(lì)電流超過閾值不多，基橫模輸出，。當(dāng)激勵(lì)電流超過閾值不多，基橫模輸出，在垂直于光軸的平面內(nèi)呈在垂直于光軸的平面內(nèi)呈高斯分布高斯分布。 2

13、exp)(),(22yxWyWxzAzyxIoxzxWoyzyWa) 半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合損耗n 直接耦合的損耗直接耦合的損耗%95)()tan2(%950maxerfwerfPPcoydttAerfA02)2exp(22)(W Woyoy=0.05m=0.05m，=0.85m=0.85m的的LDLD，NA=0.14NA=0.14的光纖直接耦合效率約的光纖直接耦合效率約為為20%20%。n 透鏡耦合的損耗透鏡耦合的損耗端面球透鏡耦合的光路簡(jiǎn)化端面球透鏡耦合的光路簡(jiǎn)化圓錐透鏡耦合的光路簡(jiǎn)化圓錐透鏡耦合的光路簡(jiǎn)化凸透鏡耦合的光路簡(jiǎn)化凸透鏡耦合的光路簡(jiǎn)化LD與光纖耦合

14、的典型光路示意圖與光纖耦合的典型光路示意圖b) 半導(dǎo)體發(fā)光二極管和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體發(fā)光二極管和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體發(fā)光管半導(dǎo)體發(fā)光管LED看成均勻的面發(fā)光體（朗伯型光源）看成均勻的面發(fā)光體（朗伯型光源）220max)(sinNAPPcLED和和MMF直接耦合時(shí)的最大耦合效率為：直接耦合時(shí)的最大耦合效率為：常見多模光纖常見多模光纖NA=0.14，其最大耦合效率僅為，其最大耦合效率僅為2%。 光纖與光纖的耦合損耗光纖與光纖的耦合損耗a) 多模光纖多模光纖MMF和和MMF的耦合損耗的耦合損耗)(1 )1 (162142FNNT光纖的透過率：光纖的透過率：01nnN u 軸偏離對(duì)耦合損耗的影響軸偏

15、離對(duì)耦合損耗的影響u 兩光纖端面之間的間隙對(duì)耦合損耗的影響兩光纖端面之間的間隙對(duì)耦合損耗的影響u 兩光纖軸之間的傾斜對(duì)耦合損耗的影響兩光纖軸之間的傾斜對(duì)耦合損耗的影響u 光纖端面的不完整（端面傾斜和端面彎曲）對(duì)耦合損耗光纖端面的不完整（端面傾斜和端面彎曲）對(duì)耦合損耗的影響的影響u 光纖種類（光纖芯徑和折射率）不同對(duì)耦合損耗的影響光纖種類（光纖芯徑和折射率）不同對(duì)耦合損耗的影響端面光功率端面光功率均勻分布均勻分布u耦合損耗和軸偏離耦合損耗和軸偏離x的關(guān)系的關(guān)系u耦合損耗和間隙耦合損耗和間隙z的關(guān)系的關(guān)系21 )2arccos(21)1 (16212421axaxaxNN)2(41 )1 (162

16、1422NazNNu耦合損耗和軸傾斜耦合損耗和軸傾斜的關(guān)系的關(guān)系u耦合損耗和端面傾斜的關(guān)系耦合損耗和端面傾斜的關(guān)系)2(1 )1 (1621423NNN)()2(11 )1 (162121424NNNNu耦合損耗和端面彎曲的關(guān)系耦合損耗和端面彎曲的關(guān)系u耦合損耗和芯徑差的關(guān)系耦合損耗和芯徑差的關(guān)系1)2(211 )1 (162121424addNNNN0)1 (1601 )1 (164221424PNNPPNNb) 單模光纖單模光纖SMF和和SMF的耦合損耗的耦合損耗u 兩光纖的離軸和軸傾斜引起的耦合損耗兩光纖的離軸和軸傾斜引起的耦合損耗u 兩光纖端面間的間隙引起的耦合損耗兩光纖端面間的間隙引

17、起的耦合損耗u 不同種類光纖引起的耦合損耗不同種類光纖引起的耦合損耗端面光功率端面光功率高斯分布高斯分布34. 4202201snsd202022222214110snkSzzzze22212132lg20ssssS1，s2為兩光纖模斑半徑為兩光纖模斑半徑4.3.2 光纖的色散特性光纖的色散特性主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：u 光纖色散的定義光纖色散的定義u 光纖色散的計(jì)算分析光纖色散的計(jì)算分析u 光纖色散的種類及其產(chǎn)生原因光纖色散的種類及其產(chǎn)生原因u 單模光纖的色散波譜特性單模光纖的色散波譜特性 教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)：n 理解光纖色散的概念及形成機(jī)制。理解光纖色散的概念及形成機(jī)制。 不同頻率的電磁波以不

18、同的相速度和群速度在不同頻率的電磁波以不同的相速度和群速度在介質(zhì)中傳播介質(zhì)中傳播。 不同模式之間具有不同的傳輸常數(shù)，所以具有不同模式之間具有不同的傳輸常數(shù)，所以具有不同的相速度和群速度不同的相速度和群速度。 波長(zhǎng)色散波長(zhǎng)色散模式色散模式色散 色散與媒質(zhì)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)都有關(guān)系，一般把有媒質(zhì)色散與媒質(zhì)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)都有關(guān)系，一般把有媒質(zhì)貢獻(xiàn)的項(xiàng)稱為貢獻(xiàn)的項(xiàng)稱為材料色散材料色散，而把波導(dǎo)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的項(xiàng)稱為，而把波導(dǎo)結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)的項(xiàng)稱為波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散。 色散導(dǎo)致光脈沖在傳播過程中展寬，致使前后色散導(dǎo)致光脈沖在傳播過程中展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_。脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_。 光纖

19、的色散越小，越有利于高速傳輸。光纖的色散越小，越有利于高速傳輸。一一、波長(zhǎng)色散、波長(zhǎng)色散（色度色散）色度色散） 光信號(hào)在光纖中以群速度傳播，群速度的定義為光信號(hào)在光纖中以群速度傳播，群速度的定義為ddgv光信號(hào)在光纖中傳播單位距離的時(shí)間稱為群時(shí)延，用光信號(hào)在光纖中傳播單位距離的時(shí)間稱為群時(shí)延，用 表示。表示。dd1gv0001dkdcddkdkd0000ckddc2220k)2(21222ddddcddfdkcdcdd202222時(shí)延差：時(shí)延差： 二二、模式模式色散色散（模間色散、（模間色散、多徑色散）多徑色散） 幾何理論的時(shí)延定義：沿傳輸方向走單位距離所用的時(shí)間。幾何理論的時(shí)延定義：沿傳輸方

20、向走單位距離所用的時(shí)間。波動(dòng)理論的群時(shí)延定義：某一模式波動(dòng)理論的群時(shí)延定義：某一模式光信號(hào)在光纖中傳播單位光信號(hào)在光纖中傳播單位距離的時(shí)間距離的時(shí)間，即群速度的倒數(shù)。，即群速度的倒數(shù)。21時(shí)延差時(shí)延差ddddmn11時(shí)延差時(shí)延差 在多模光纖中，光信號(hào)耦合進(jìn)光纖以后，會(huì)激勵(lì)起在多模光纖中，光信號(hào)耦合進(jìn)光纖以后，會(huì)激勵(lì)起多個(gè)模式。這些模式有不同的相位常數(shù)和不同的傳播速多個(gè)模式。這些模式有不同的相位常數(shù)和不同的傳播速度，從而導(dǎo)致光脈沖的展寬。與光信號(hào)譜寬無(wú)關(guān)，僅由度，從而導(dǎo)致光脈沖的展寬。與光信號(hào)譜寬無(wú)關(guān)，僅由傳播模式間相位常數(shù)的差異導(dǎo)致的色散效應(yīng)，稱為模式傳播模式間相位常數(shù)的差異導(dǎo)致的色散效應(yīng)，稱

21、為模式色散或模間色散。色散或模間色散。 LTmincLTcosmax22101minmax1cos1nnncLnLTTTc2211212122212nnnnnnnnn012012)(cnNALcLnT最低模式：最低模式：最高模式：最高模式：相對(duì)折射率相對(duì)折射率脈沖展寬脈沖展寬漸變型多模光纖模式色散較?。u變型多模光纖模式色散較??！階躍階躍MMF的模式色散的計(jì)算的模式色散的計(jì)算群時(shí)延：光信號(hào)在光纖中傳播單位距離的時(shí)間，即群時(shí)延：光信號(hào)在光纖中傳播單位距離的時(shí)間，即群速度的倒數(shù)群速度的倒數(shù)dd群折射率：群折射率：ggncddvncvpddnnngddnnddnndnddndkcddcng11110

22、模式色散時(shí)延差：模式色散時(shí)延差：ddddmn波長(zhǎng)色散時(shí)延差：波長(zhǎng)色散時(shí)延差：ddddLH結(jié)論：傳輸常數(shù)結(jié)論：傳輸常數(shù)隨頻率或者模式隨頻率或者模式的變化關(guān)系決定的變化關(guān)系決定了色散的性質(zhì)了色散的性質(zhì)群折射率gn1 1、色散系數(shù)、色散系數(shù) D ddddddD定義：定義：意義：意義：?jiǎn)挝徊ㄩL(zhǎng)間隔（單位波長(zhǎng)間隔（1 1nmnm）的兩個(gè)頻率成分在光纖中的兩個(gè)頻率成分在光纖中傳播傳播1 1kmkm時(shí)所產(chǎn)生的群時(shí)延差。時(shí)所產(chǎn)生的群時(shí)延差。 kmnmps/描述光波導(dǎo)色散特性的兩個(gè)重要參數(shù)描述光波導(dǎo)色散特性的兩個(gè)重要參數(shù)202022201)2(21)(lim)(dkdkcddddcddddddD 單模光纖的色散

23、系數(shù)單模光纖的色散系數(shù)D D（）由光纖中光波傳）由光纖中光波傳播的相位常數(shù)播的相位常數(shù)對(duì)對(duì)k k0 0 的二階導(dǎo)數(shù)決定。的二階導(dǎo)數(shù)決定。 2)(2221012220210010WmDDdVbdVcNNdkdNcdVbdkVNNckdkdNckDddNcdkdNcDm101212)(2221)()(dVbVdVcNNDW材料色散材料色散波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散)1 ()21 (22)(102110212122211210212221220bnkbnknbnnnnnkbnnnk22212022202nnknkb22120nkaU22202nkaW22221VUVWb002121101001011000)(

24、)()1 ()1 (dkdbknnbNNNdkdbnkdkdbnkbNbnkdkddkd)(),(20021001nkdkdNnkdkdN分別是纖芯和包層的群折射率分別是纖芯和包層的群折射率 dVdbkVnnadVdbnnakdkddVdbdkdb0212221212221000dVbVdNNNdVdbVnnbNNNdkd)()()(2112121102202121001202)()(dVbdkVNNdVbVdNNdkddkdNdkd2202101202)(dVbdkVNNdkdNdkd波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 2221)()(dVbVdVcNNDW波導(dǎo)色散項(xiàng)是由于導(dǎo)波模的相位常數(shù)隨工作波長(zhǎng)的波導(dǎo)色散

25、項(xiàng)是由于導(dǎo)波模的相位常數(shù)隨工作波長(zhǎng)的變化而引起的，它與歸一化工作頻率變化而引起的，它與歸一化工作頻率V和和 的乘的乘積成比例。而積成比例。而V和和b又都是光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。又都是光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。22)(dVVbd由于由于 ，近紅外波段內(nèi)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，總，近紅外波段內(nèi)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，總有有 ，所以必有波導(dǎo)色散項(xiàng)，所以必有波導(dǎo)色散項(xiàng) 。0)(21 NN0)(22dVVbdV0)(mD 構(gòu)成介質(zhì)材料的分子、原子可以看成一個(gè)個(gè)諧振子，他們有構(gòu)成介質(zhì)材料的分子、原子可以看成一個(gè)個(gè)諧振子，他們有一系列固有的諧振頻率或諧振波長(zhǎng)。在外加高頻電磁場(chǎng)作用下，一系列固有的諧振頻率或諧振波長(zhǎng)。在外加高頻電磁場(chǎng)作用下，

26、這些諧振子作受迫振動(dòng)。這些諧振子作受迫振動(dòng)。由于折射率隨外加電磁場(chǎng)的頻率變由于折射率隨外加電磁場(chǎng)的頻率變化，所以介質(zhì)呈色散特性，這就是材料色散。化，所以介質(zhì)呈色散特性，這就是材料色散。 n jnn在在 1ps)222),(EnnEn光場(chǎng)幅度光場(chǎng)幅度的有效值的有效值或均方根或均方根線性折線性折射率射率非線性折射率非線性折射率或或KerrKerr系數(shù)系數(shù)折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大部分非線性效應(yīng)都起源于非線性折射率。部分非線性效應(yīng)都起源于非線性折射率。1）自相位調(diào)制）自相位調(diào)制SPMl折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變折射率非線性分量的出現(xiàn)

27、將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變化，使傳播常數(shù)增加了一附加項(xiàng)：化，使傳播常數(shù)增加了一附加項(xiàng)：effAn22光纖有效光纖有效截面積截面積由模場(chǎng)自己產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移稱為自相位調(diào)制，信號(hào)光強(qiáng)的瞬間變化引起其自身的相位調(diào)制。P線性傳輸時(shí)線性傳輸時(shí)的傳播常數(shù)的傳播常數(shù)非線性非線性系數(shù)系數(shù)光纖中傳光纖中傳輸?shù)墓β瘦數(shù)墓β蔛elf -Phase ModulationA A、單色平面波：?jiǎn)紊矫娌ǎ築 B、新的頻率成份新的頻率成份 似忽略似忽略 reasonreason：其頻率在感興趣的頻段以外；其強(qiáng)度弱。其頻率在感興趣的頻段以外；其強(qiáng)度弱。03)cos(),(00ztEtzE3341)cos(43)

28、(cos),(00003)3(00033)3(01ttztEztEtrPNLC C、基波另外的分量會(huì)引起頻率的啁啾，并且改變其色散?；硗獾姆至繒?huì)引起頻率的啁啾，并且改變其色散。D D、忽略忽略3 3次諧波次諧波)(cos)43(),(0033)3(01ztEEtrPNL2)3()1(200431Eccnn00)1(21)cos(43)cos()1(002)3(0000)1(ttEEttEPPPNL)cos()431 (0002)3()3(ttEEA A、相位相位B B 、折射率：折射率： (1)(3)20314Ec(1)(3 )2023114nnEcn( 3 )2023(1)8nEcn2(

29、3 )00231()()82nnnIncn Ecnn 非線性相移非線性相移ineffeffeffinLNLPALnLPdZZP)/2()(20p 非線性相移與信號(hào)功率成比例增大，輸入信號(hào)功率越大，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。p SPM不僅隨光強(qiáng)而變，而且隨時(shí)間變化，這種瞬時(shí)變化相移導(dǎo)致在光脈沖的中心兩側(cè)出現(xiàn)不同的瞬時(shí)光頻率，即出現(xiàn)頻率啁啾，引起光脈沖的頻譜展寬 。2）交叉相位調(diào)制）交叉相位調(diào)制XPMl在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中（在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中（WDM），），光強(qiáng)的變化引起相位的變光強(qiáng)的變化引起相位的變化，由于相鄰信道間的相互作用，引起交叉相位調(diào)制?；?，由于相鄰信道間的相互作用，引起交叉相位調(diào)制。 XPM是不同波長(zhǎng)的光

30、脈沖在光纖中共同傳輸時(shí)引起的是不同波長(zhǎng)的光脈沖在光纖中共同傳輸時(shí)引起的一種光場(chǎng)的非線性相移。一種光場(chǎng)的非線性相移。l特點(diǎn)：信道光信號(hào)產(chǎn)生的非線性相移不僅取決于其自身特點(diǎn)：信道光信號(hào)產(chǎn)生的非線性相移不僅取決于其自身的強(qiáng)度或功率，也取決于其他信道信號(hào)功率，因而第的強(qiáng)度或功率，也取決于其他信道信號(hào)功率，因而第j信道的相移可寫為：信道的相移可寫為：MjmmjeffNLjP2PLM：信道總數(shù)；Pj：信道功率（j1M）；因子2表明在同樣功率下XPM的影響是SPM的兩倍，這樣總相移就與所有信道功率和有關(guān)，并根據(jù)相鄰信道比特圖形而變化。n交叉相位調(diào)制在多信道系統(tǒng)中是主要的功率限制因素交叉相位調(diào)制在多信道系統(tǒng)中

31、是主要的功率限制因素3） 四波混頻四波混頻FWMlFWM： 光纖中不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長(zhǎng)光纖中不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長(zhǎng)上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物或邊帶的新光波的現(xiàn)象。上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物或邊帶的新光波的現(xiàn)象。對(duì)于等間隔的對(duì)于等間隔的WDMWDM系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號(hào)頻率重系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號(hào)頻率重疊，形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。疊，形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。4.1 不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的石英光纖不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的石英光纖研究?jī)?nèi)容：光纖是如何滿足不同時(shí)期的不同應(yīng)用需求的。研究?jī)?nèi)容：光纖是如何滿足不同時(shí)期的不同應(yīng)用需求的。不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光纖

32、特性不一樣光纖特性不一樣研究思路：研究思路：不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)光纖性能的要求光纖性能的要求幾何特性幾何特性光學(xué)特性光學(xué)特性傳輸特性傳輸特性環(huán)境特性環(huán)境特性距離（遠(yuǎn)、近）距離（遠(yuǎn)、近）容量（大、小）容量（大、小）易操作性（方便、不方便）易操作性（方便、不方便）u 光纖的幾何特性光纖的幾何特性纖芯直徑、包層直徑、纖芯纖芯直徑、包層直徑、纖芯/ /包層同心度、不圓度和光纖包層同心度、不圓度和光纖翹曲度等。翹曲度等。u 光纖的光學(xué)特性光纖的光學(xué)特性折射率分布、數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑及截止波長(zhǎng)等。折射率分布、數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑及截止波長(zhǎng)等。u 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性光纖的光纖的損耗特性和

33、色散特性損耗特性和色散特性損耗導(dǎo)致脈沖幅度減小，限制系統(tǒng)的傳輸距離；色散導(dǎo)致?lián)p耗導(dǎo)致脈沖幅度減小，限制系統(tǒng)的傳輸距離；色散導(dǎo)致脈沖展寬、畸變，限制系統(tǒng)的傳輸容量。脈沖展寬、畸變，限制系統(tǒng)的傳輸容量?；仡櫍汗饫w特性回顧：光纖特性u(píng) 光纖的機(jī)械特性和溫度特性光纖的機(jī)械特性和溫度特性回顧：光纖應(yīng)用回顧：光纖應(yīng)用u 光纖在光纖在通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用（重要應(yīng)用場(chǎng)合）中的應(yīng)用（重要應(yīng)用場(chǎng)合）光纖在光纖在干線網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)干線網(wǎng)、城域網(wǎng)和接入網(wǎng)（含本地網(wǎng)）（含本地網(wǎng)）不同場(chǎng)合已有很多的應(yīng)用，并應(yīng)用前景巨大。不同場(chǎng)合已有很多的應(yīng)用，并應(yīng)用前景巨大。u 光纖在傳感中的應(yīng)用光纖在傳感中的應(yīng)用光纖在傳感中不

34、僅起到光纖在傳感中不僅起到“傳傳”的作用，同時(shí)可的作用，同時(shí)可起到起到“感感”的作用。的作用。u 光纖在照明、成像等場(chǎng)合中的應(yīng)用光纖在照明、成像等場(chǎng)合中的應(yīng)用光纖在照明、成像場(chǎng)合主要起到（可見）光的光纖在照明、成像場(chǎng)合主要起到（可見）光的傳輸和散射等作用。傳輸和散射等作用。SI-MMF模式色散大模式色散大，限制大容量傳輸，一般工，限制大容量傳輸，一般工作在作在850nm，損耗大。但數(shù)值孔徑較大，耦合，損耗大。但數(shù)值孔徑較大，耦合效率較高，彎曲產(chǎn)生的損耗相對(duì)較小。效率較高，彎曲產(chǎn)生的損耗相對(duì)較小。GI-MMF改善模式色散，適合光局域網(wǎng)等場(chǎng)合應(yīng)用。改善模式色散，適合光局域網(wǎng)等場(chǎng)合應(yīng)用。 光纖的色散

35、進(jìn)一步降低，同時(shí)工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)向光纖的色散進(jìn)一步降低，同時(shí)工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移，光纖的損耗降低，適合大容量長(zhǎng)距離傳輸。長(zhǎng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移，光纖的損耗降低，適合大容量長(zhǎng)距離傳輸。 SiO2+GeO2 SiO2+GeO2SiO2 SiO2 SiO2+F簡(jiǎn)單階躍匹配包層型簡(jiǎn)單階躍匹配包層型 簡(jiǎn)單階躍下凹內(nèi)包層型簡(jiǎn)單階躍下凹內(nèi)包層型高的能大高的能大大改變光纖大改變光纖的抗彎性的抗彎性相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差偏低光纖抗偏低光纖抗彎性稍差彎性稍差u在在1310nm波段的損耗較大（約波段的損耗較大（約0.35dB/km）；在）；在1550nm波段的損耗較?。s波段的損耗較?。s0.25dB/km）。）。u

36、 在在1310nm波段的色散較?。s為波段的色散較?。s為3.5ps/nmkm），系），系統(tǒng)傳輸距離只受光纖衰減所限制。在統(tǒng)傳輸距離只受光纖衰減所限制。在1550nm波段的色散波段的色散較大（約為較大（約為20ps/nmkm），若傳輸），若傳輸10Gb/s的信號(hào)，不加的信號(hào)，不加處理，不能實(shí)用。處理，不能實(shí)用。 存在的問題：存在的問題： 損耗與色散最小值不損耗與色散最小值不在同一個(gè)波段（在同一個(gè)波段（在在1310nm區(qū)色散值小，但區(qū)色散值小，但損耗大；在損耗大；在1550nm區(qū)損區(qū)損耗小，但色散大耗小，但色散大），不利），不利于長(zhǎng)距離大容量傳輸。于長(zhǎng)距離大容量傳輸。是否可以將兩者最小值是否可以

37、將兩者最小值在同一波段實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一？在同一波段實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一？改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光纖的色度色散為材料色散和波導(dǎo)色散的代數(shù)和。光纖的色度色散為材料色散和波導(dǎo)色散的代數(shù)和。改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可有效實(shí)現(xiàn)零色可有效實(shí)現(xiàn)零色散點(diǎn)的位移。散點(diǎn)的位移。為何不改變材料色散，使色度色散為零呢？為何不改變材料色散，使色度色散為零呢？ 通過改變光纖的材料（摻雜），無(wú)形中通過改變光纖的材料（摻雜），無(wú)形中會(huì)增加光纖的損耗，此解決辦法不理想。會(huì)增加光纖的損耗，此解決辦法不理想。DSF的損耗和色的損耗和色散在散在1550nm同同時(shí)達(dá)到最小值。時(shí)達(dá)到最小值。 因此，因此， DSF）是單波長(zhǎng)）是單波長(zhǎng)信號(hào)傳輸?shù)淖罴堰x擇

38、。信號(hào)傳輸?shù)淖罴堰x擇。存在的問題：存在的問題： 多信道傳輸時(shí)，多信道傳輸時(shí)，容容易產(chǎn)生四波混頻易產(chǎn)生四波混頻FWM現(xiàn)現(xiàn)象，不利于多信道的象，不利于多信道的WDM傳輸傳輸，F(xiàn)WM導(dǎo)致導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。信道間發(fā)生串?dāng)_。是否可以降低是否可以降低FWM對(duì)對(duì)多信道傳輸?shù)挠绊?？多信道傳輸?shù)挠绊懀窟m量的微量色散，適量的微量色散，F(xiàn)WM的影響會(huì)減小的影響會(huì)減小。 NZ-DSF的損耗小，的損耗小，色散適量，有效克色散適量，有效克服服FWM對(duì)多信道傳對(duì)多信道傳輸?shù)挠绊懀m合應(yīng)輸?shù)挠绊?，適合應(yīng)用于用于WDM系統(tǒng)。系統(tǒng)。 G.655光纖特別適合于光纖特別適合于高密度高密度WDM系統(tǒng)系統(tǒng)的傳輸，的傳輸，是新一代光纖通

39、信系統(tǒng)的是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)最佳傳輸介質(zhì)。 WDM WDM傳輸系統(tǒng)由傳輸系統(tǒng)由于于色散的積累及色散的積累及色散色散斜率斜率的作用，各通路的作用，各通路的色散積累量是不同的色散積累量是不同的，其中位于兩側(cè)的的，其中位于兩側(cè)的邊緣通路間的色散積邊緣通路間的色散積累量差別最大。當(dāng)傳累量差別最大。當(dāng)傳輸距離超過一定值后，輸距離超過一定值后，具有較大色散積累量具有較大色散積累量通路的色散值超標(biāo)，通路的色散值超標(biāo)，從而限制了整個(gè)從而限制了整個(gè)WDMWDM系統(tǒng)的傳輸距離。系統(tǒng)的傳輸距離。 低色散斜率光纖低色散斜率光纖可使工作波長(zhǎng)區(qū)可使工作波長(zhǎng)區(qū)順利地從順利地從C波段波段（15301565nm）

40、擴(kuò)展至）擴(kuò)展至L波段（波段（15651625nm），），而而不至引起過大的色散補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，只需一個(gè)不至引起過大的色散補(bǔ)償負(fù)擔(dān)，只需一個(gè)色散補(bǔ)償模塊色散補(bǔ)償模塊即可補(bǔ)償整個(gè)即可補(bǔ)償整個(gè)C波段和波段和L波段波段。1.1色散平坦色散移位常規(guī)1.21.31.41.51.61.7201001020波長(zhǎng) / m色散 / (ps(nmkm)1) 我國(guó)在建設(shè)期我國(guó)在建設(shè)期（2002年前后）鋪設(shè)年前后）鋪設(shè)的光纖的光纖99%為為G.652光纖，色散問題嚴(yán)重光纖，色散問題嚴(yán)重阻礙阻礙1310nm單模光單模光纖到纖到1550nm得升級(jí)得升級(jí)擴(kuò)容。擴(kuò)容。如何解決呢？如何解決呢？ G.652光纖的色散值光纖的色散值在在1

41、550nm波長(zhǎng)是波長(zhǎng)是正的（正的（1720）ps/（nmkm），），且且具有正的色散斜率具有正的色散斜率，可加接具有，可加接具有負(fù)負(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖色散的色散補(bǔ)償光纖，進(jìn)行色散補(bǔ)償，以保證整條光纖，進(jìn)行色散補(bǔ)償，以保證整條光纖線路的總色散近似為零，從而實(shí)現(xiàn)高速度、大容量、長(zhǎng)線路的總色散近似為零，從而實(shí)現(xiàn)高速度、大容量、長(zhǎng)距離的通信。距離的通信。 DCF是具有是具有大的負(fù)色散光纖大的負(fù)色散光纖。 常規(guī)光纖無(wú)法常規(guī)光纖無(wú)法避免在避免在1385nm處處很強(qiáng)的很強(qiáng)的OH-離子的離子的吸收損耗。就會(huì)限吸收損耗。就會(huì)限制制E波段的利用，波段的利用，很難工作在全波段。很難工作在全波段。措施：降低措施：降低

42、OH-離子的濃度。離子的濃度。 All-wave Fiber消除了常規(guī)消除了常規(guī)光纖在光纖在1385nm附附近的損耗峰，近的損耗峰，損耗損耗從原來(lái)的從原來(lái)的2dB/km降到降到0.3dB/km，使光纖損耗在使光纖損耗在1310nm1600nm都趨于平坦。都趨于平坦。 全波光纖可使用全波光纖可使用1310nm、1400nm和和1550nm三三個(gè)窗口，所以全波光纖將有可能實(shí)現(xiàn)在單根光纖上傳輸個(gè)窗口，所以全波光纖將有可能實(shí)現(xiàn)在單根光纖上傳輸語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖象信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一。語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖象信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一。 線性色散可用色散補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除，而非線性的線性色散可用色散補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除，而非線性的

43、影響卻不能用簡(jiǎn)單的線性補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除，一旦產(chǎn)生影響卻不能用簡(jiǎn)單的線性補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除，一旦產(chǎn)生很難處理，所以采用大有效面積光纖可解決非線性問題。很難處理，所以采用大有效面積光纖可解決非線性問題。 NZ-DSF NZ-DSF光纖模場(chǎng)直徑變小，其光纖模場(chǎng)直徑變小，其有效面積也減小有效面積也減小 ，更容易產(chǎn)生較大的插入損耗和更容易產(chǎn)生較大的插入損耗和非線性效應(yīng)非線性效應(yīng)。理論研究。理論研究表明，增加光纖有效面積，減低所有的非線性。表明，增加光纖有效面積，減低所有的非線性。 有效面積變大有效面積變大后導(dǎo)致后導(dǎo)致色散斜率偏大色散斜率偏大（約為約為0.1ps/(nm2km)），在），在L波段的高端色散系數(shù)高（波段的高端色散系數(shù)高（達(dá)達(dá)11.2ps/(nmkm)），使高波段通道的色散受限距離縮短；，使高波段通道的色散受限距離縮短；當(dāng)應(yīng)用范圍從當(dāng)應(yīng)用范圍從C波段擴(kuò)展到波段擴(kuò)展到L波段時(shí)需