國脈信息學(xué)院光纖課件

1、12.1 光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和分類光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和分類2.2 用射線理論分析光纖的導(dǎo)光原理用射線理論分析光纖的導(dǎo)光原理2.3 用波動理論法分析光纖的導(dǎo)光原理用波動理論法分析光纖的導(dǎo)光原理2.4 單模光纖單模光纖2.5 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性2.6 光纖的非線性效應(yīng)光纖的非線性效應(yīng)22.1 光纖光纜的結(jié)構(gòu)和分類2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)2.1.2 光纖的分類2.1.3 光纜的結(jié)構(gòu)2.1.4 光纜的分類2.1.5 光纜的型號和規(guī)格3 目前，通信用的光纖絕大多數(shù)用石英材料做成 的橫截面積很小的雙層同心圓柱體。 光纖由 涂覆層、纖芯、包層 組成。 2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)4 折射率高的中心部分叫做纖芯

2、，其折射率為n1，直徑為2a； 折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為n2，直徑為2b。 5纖芯：纖芯位于光纖的中心部位（直徑d1= 9 50m）。 多模光纖的纖芯為50m， 單模光纖的纖芯為910m。成份：高純度的二氧化硅。 還摻有極少量的摻雜劑（如二氧化鍺，五氧化二磷）。作用：適當(dāng)提高纖芯對光的折射率(n1)，用于傳輸光信號。6包層：位于纖芯的周圍（直徑d2= 125m），含有極少量摻雜劑 的高純度二氧化硅。作用：適當(dāng)降低包層對光的折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射 率，即n1 n2， 這是光纖結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，它是使光信號封閉在纖芯中傳輸。涂敷層：由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成的涂敷層。 作用

3、：增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性。7目前在通信中使用較為廣泛的光纖有兩種：緊套光纖與松套光纖 。82.1.2 光纖的分類 1、按照光纖橫截面折射率分布不同來劃分 階躍型光纖 纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定， 包層折射率n2沿半徑方向也保持一定， 而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖稱為階躍型光纖， 又稱為：均勻光纖。 漸變型光纖 如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小， 而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖， 又稱為：非均勻光纖。 9102、按照纖芯中傳輸模式的數(shù)量劃分 只有滿足全反射條件的模式光波才能在纖芯中準(zhǔn)確地傳輸 11 多模光纖 在一定的工作波下， 多模光纖

4、是能傳輸多 種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。 多模光纖可以采用階 躍折射率分布，也可 采用漸變折射率分布 多模光纖的纖芯直徑 約為50m。 模式色散，僅適用于 低速率、短距離通信 12 單模光纖 光纖中只傳輸一種模 式時(shí)，叫做單模光纖 單模光纖的纖芯直徑 較小，約為410m 適用于大容量、長距 離的光纖通信。 13 單模光纖 Vs 多模光纖143、按照傳輸波長分類 （1）短波長光纖：0.85m（0.80.9m） 作用：用于短距離市話中繼線路或?qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)等線路。 （2）長波長光纖：1.31.6m（主要有1.3m和1.55m兩個(gè)窗口） 作用：用于干線傳輸。4、按套塑結(jié)構(gòu)分類 （1）緊套光纖 （2）松套光纖15思

5、考：試比較下列單模光纖的異同點(diǎn)（1）G.652光纖 （2）G.653光纖 （3）G.654光纖 （4）G.655光纖162.1.3 光纜的結(jié)構(gòu)經(jīng)過一次涂敷或二次涂敷（套塑）以后的光纖，雖然具有一定抗拉強(qiáng)度，但還經(jīng)過一次涂敷或二次涂敷（套塑）以后的光纖，雖然具有一定抗拉強(qiáng)度，但還是經(jīng)不起工程應(yīng)用中的彎折、扭曲、和側(cè)壓力的作用。為此欲使光纖達(dá)到工程是經(jīng)不起工程應(yīng)用中的彎折、扭曲、和側(cè)壓力的作用。為此欲使光纖達(dá)到工程應(yīng)用的要求，必須通過絞合、套塑、金屬愷裝等措施，把若干根光纖組合在一應(yīng)用的要求，必須通過絞合、套塑、金屬愷裝等措施，把若干根光纖組合在一起，這就構(gòu)成了光纜。光纜能夠承受實(shí)用條件下的抗拉、

6、抗沖擊、抗彎、抗扭起，這就構(gòu)成了光纜。光纜能夠承受實(shí)用條件下的抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭曲等機(jī)械性能，能夠保證光纖原有的傳輸特性，并且使光纖在各種環(huán)境條件下曲等機(jī)械性能，能夠保證光纖原有的傳輸特性，并且使光纖在各種環(huán)境條件下可靠工作可靠工作 光纜的結(jié)構(gòu)：一般可分為一般可分為 纜芯、護(hù)層纜芯、護(hù)層、加強(qiáng)芯加強(qiáng)芯 三大部分。三大部分。 （1 1）纜芯：纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。 （2 2）護(hù)層）護(hù)層：護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層護(hù)層可分為內(nèi)護(hù)層和外護(hù)層。 （3 3）加強(qiáng)芯：加強(qiáng)芯主要承受敷設(shè)安裝時(shí)所加的外力，用來保護(hù)光纖。加強(qiáng)芯主要承

7、受敷設(shè)安裝時(shí)所加的外力，用來保護(hù)光纖。 171層絞式結(jié)構(gòu)光纜 182骨架式結(jié)構(gòu)光纜 193束管式結(jié)構(gòu)光纜 204帶狀結(jié)構(gòu)光纜 可以容納大量光纖5單芯結(jié)構(gòu)光纜 采用松套光纖或者將一次光固化涂層光纖直接置于骨架或者束 管來制造6特殊結(jié)構(gòu)光纜 （1）海底光纜 淺海光纜 & 深海光纜 （2）無金屬光纜21現(xiàn)階段的光纜分類：（1）室外光纜（2）軟光纜（3）室內(nèi)光纜（4）設(shè)備內(nèi)光纜（5）海底光纜（6）特種光纜 2.1.5 光纜的型號和規(guī)格 分類 加強(qiáng)構(gòu)件 光 纜 結(jié) 構(gòu) 特 性 護(hù)套 外護(hù)層 (1)鎧裝層 (2)外被層或外套 光纖 芯數(shù) 直接由阿拉伯?dāng)?shù)字寫出 光纖 類別 A 多模光纖 B 單模光纖

8、 分類 GY 通信用室(野)外光纜 GM 通信用移動式光纜 GJ 通信用室(局)內(nèi)光纜 GS 通信用設(shè)備內(nèi)光纜 GH 通信用海底光纜 GT 通信用特殊光纜 加強(qiáng)構(gòu)件 無 金屬加強(qiáng)構(gòu)件 F 非金屬加強(qiáng)構(gòu)件 G 金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件 光 纜 結(jié) 構(gòu) 特 性 S 光纖松套被覆結(jié)構(gòu) J 光纖緊套被覆結(jié)構(gòu) D 光纖帶結(jié)構(gòu) 無 層絞式結(jié)構(gòu) G 骨架槽結(jié)構(gòu) X 纜中心管(被覆)結(jié)構(gòu) T 填充式結(jié)構(gòu) B 扁平結(jié)構(gòu) Z 阻燃 C 自承式結(jié)構(gòu) 護(hù)套 Y 聚乙烯 V 聚氯乙烯 F 氟塑料 U 聚氨酯 E 聚酯彈性體 A 鋁帶-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層 S 鋼帶-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層 W 夾帶鋼絲的鋼帶-聚乙烯粘結(jié)護(hù)層 L 鋁 G 鋼

9、Q 鉛 外護(hù)層 (1)鎧裝層 0 無鎧裝 2 雙鋼帶 3 細(xì)圓鋼絲 4 粗圓鋼絲 5 皺紋鋼帶 6 雙層圓鋼絲 (2)外被層或外套 1 纖維外護(hù)套 2 聚氯乙烯護(hù)套 3 聚乙烯護(hù)套 4 聚乙烯護(hù)套加敷尼龍護(hù)套 5 聚乙烯管 光纖芯數(shù) 直接由阿拉伯?dāng)?shù)字寫出 光纖類別 A 多模光纖 B 單模光纖 GYFTY04 24B1 代號構(gòu)成說明：松套層絞填充式、非金屬中心加強(qiáng)件、代號構(gòu)成說明：松套層絞填充式、非金屬中心加強(qiáng)件、聚乙稀護(hù)套加覆防白蟻的尼龍層的通信用室外光纜，聚乙稀護(hù)套加覆防白蟻的尼龍層的通信用室外光纜，包含包含24根根B1類類G.652單模光纖單模光纖 GY 通信用室通信用室(野野)外光纜外光

10、纜 F 非金屬加強(qiáng)構(gòu)件非金屬加強(qiáng)構(gòu)件 T 填充式結(jié)構(gòu)填充式結(jié)構(gòu) Y聚乙烯聚乙烯 0 無鎧裝無鎧裝 4 聚乙烯護(hù)套加敷尼龍護(hù)套聚乙烯護(hù)套加敷尼龍護(hù)套 24芯芯 B1 二氧化硅普通單模光纖二氧化硅普通單模光纖 G.652 30光纜型號由型式代號和規(guī)格代號構(gòu)成例如：解釋GYTA53-12A1意義 GY 空 T A 53 - 12 A1 1 2 3 4 5 6 7 分析: 1: GY： 通信用室外光纜 2: 無F：金屬加強(qiáng)件 3: T: 油膏填充式結(jié)構(gòu)（松套層絞式結(jié)構(gòu)） 4： A：鋁-聚乙烯粘接護(hù)套 5： 5：鎧裝層 5： 3：單鋼帶皺紋縱包 6：12：內(nèi)裝12根光纖 7： A1: 漸變型多模光纖 答

11、: 含義為：松套層絞結(jié)構(gòu)，金屬加強(qiáng)件，鋁-塑粘接護(hù)層，皺紋鋼帶鎧裝，聚乙 烯外護(hù)套，室外用通信光纜，內(nèi)裝12根漸變型多模光纖。 312.2 用射線理論分析光纖的導(dǎo)光原理 分析光纖導(dǎo)光原理有兩種基本的研究方法 射線理論法（簡稱為射線法，又稱幾何光學(xué)法） 波動理論法（又稱波動光學(xué)法）2.2.1 平面波在兩介質(zhì)交界面的反射與折射 2.2.2 階躍型光纖的導(dǎo)光原理2.2.3 漸變型光纖的導(dǎo)光原理322.2.1 平面波在兩介質(zhì)交界面的反射與折射1、均勻平面波的概念均勻平面波是指在與傳播方向垂直的無限大平面的每個(gè)點(diǎn)上：電場強(qiáng)度 E 的幅度相等、相位相同，磁場強(qiáng)度 H 的幅度相等、相位相同。 33均勻平面波

12、在均勻理想介質(zhì)中的傳播特性可通過以下3個(gè)參量來描述。 （1）傳播速度v （2）波阻抗Z （3）相位常數(shù)k34 （1）傳播速度v 定義：平面波的傳播速度是指在平面波的傳播方向上等相 位面的傳播速度，故又稱為相速。 表達(dá)式：1kv35377000ZHEZ（2）波阻抗Z 定義：電場 Ex 和 磁場 Hy 比值具有阻抗的量綱，稱為波阻抗 表達(dá)式： 真空中傳播的波阻抗 36（3）相位常數(shù) k 定義： 相位常數(shù) k 代表在單位長度上相位變化的數(shù)量。 表達(dá)式： 當(dāng)平面波在折射指數(shù)為 n 的無限大介質(zhì)中傳播時(shí)， 2k0nkk 372平面波在兩介質(zhì)交界面上的折射與反射 反射和折射的基本規(guī)律遵循：(1) 斯奈耳定

13、律 (2) 菲涅爾公式38（1）斯奈耳定律 斯奈耳定律說明反射波、折射波與入射波方向之間的關(guān)系。 反射定律： 1=1 折射定律： n1sin1= n2sin2 其中，n 代表介質(zhì)的折射指數(shù)，vcn 39（2）菲涅爾公式 菲涅爾公式表明反射波、折射波與入射波的復(fù)數(shù)振幅之間的關(guān)系。 反射系數(shù)R = 折射系數(shù)T = 120101jeREE入射波電場的復(fù)數(shù)振幅反射波電場的復(fù)數(shù)振幅220102jeTEE入射波電場的復(fù)數(shù)振幅折射波電場的復(fù)數(shù)振幅40平面波可分成 水平極化波和垂直極化波：411與2之間的關(guān)系： 結(jié)論： 平面波在兩介質(zhì)分界面產(chǎn)生反射和折射的基本規(guī)律是由斯奈耳定律及菲涅爾公式?jīng)Q定的。 極化波的反

14、射和折射系數(shù)不同，但它們都是由介質(zhì)參數(shù)n1、n2及入射角1決定的。12221222sin)(1sin1nnCOS423平面波的全反射 光由光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)的界面時(shí)，全部被反射回原介質(zhì)內(nèi) 的現(xiàn)象 稱為全反射。 c：折射角剛好達(dá)到90時(shí)的入射角稱為臨界角 全反射條件： 階躍光纖就是使入射光在光纖中反復(fù)地通過上述全反射形式， 閉鎖在其中向前傳播。 12sinnnc90121cnn432.2.2 階躍型光纖的導(dǎo)光原理 1相對折射指數(shù)差 2階躍型光纖中的光射線種類 （1）子午射線 （2）斜射線3子午線的分析 4數(shù)值孔徑的概念 441相對折射指數(shù)差 相對折射指數(shù)差： 弱導(dǎo)波光纖：2122212nnn

15、121nnn 452階躍型光纖中的光射線種類 （1）子午射線 46（2）斜射線 473子午線的分析 導(dǎo)波：攜帶信息的光波在光纖的纖芯中，由纖芯和包層的界 面引導(dǎo)前進(jìn)，這種波稱為導(dǎo)波。 48子午射線只有滿足: 才能在纖芯中形成導(dǎo)波（即滿足 全反射條件 ）。 2221sinnn 494數(shù)值孔徑的概念 NA：表示光纖捕捉入射光線的能力。 50 練習(xí)題弱導(dǎo)波階躍光纖纖芯和包層的折射指數(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指數(shù)差（2）光纖的數(shù)值孔徑NA512.2.3 漸變型光纖的導(dǎo)光原理 1漸變型光纖中的子午線 2子午線的軌跡方程 3漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布 4漸變

16、型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑 521、 漸變型光纖中的子午線 532子午線的軌跡方程 crNnrnNnZd)(2020200543漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布 在漸變型光纖中，射線的起始條件不同，相應(yīng)的軸向 速度也不同，以致出現(xiàn)不同的傳播軌跡。 如果n(r)分布合適，不同射線有可能以相同的軸向速 度前進(jìn)，從而可減小光纖中的模式色散。 55模式色散：（1）光功率以脈沖形式注入光纖后，將分布在光纖內(nèi) 所有模式之中，而不同模式沿著不同軌跡傳輸。 （2）每個(gè)模式的軸向傳輸速度不同，于是它們在相同 的光纖長度上，到達(dá)某一點(diǎn)所需要的時(shí)間不同， 從而使得沿光纖行進(jìn)的脈沖在時(shí)間上展寬，這種 色散稱為模式色散。 最佳折

17、射指數(shù)分布：這種在最大程度上減少模式色散的 n(r) 分 布，稱為漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布。56在下列三個(gè)條件下：（1）均勻的激勵(lì)；（2）恒定的光中心波長；（3）相同傳輸損耗的模式；漸變型（平方律）光纖的最佳折射指數(shù)分布表達(dá)為：5721nNA4漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑 NA 漸變型光纖纖芯折射指數(shù) n1 隨半徑r變化。因此，數(shù)值孔徑 NA 是纖芯端面上位置的函數(shù)。 故，漸變型光纖纖芯在某一點(diǎn)的數(shù)值孔徑可表示為： 比較：階躍型光纖的數(shù)值孔徑 )()()(22anrnrNA58 漸變型光纖的數(shù)值孔徑 NA 表征的意義： 當(dāng)折射指數(shù)越大時(shí)，本地?cái)?shù)值孔徑也越大，表示光纖捕捉射線的能力就越強(qiáng)。 軸線

18、處的折射指數(shù) 最大，捕捉射線的能力最強(qiáng)。)()()(22anrnrNA)(rn59 練習(xí)題已知：漸變型光纖的折射指數(shù)分布為試求：該光纖的本地?cái)?shù)值孔徑。21)(21)0()(aarnrn602.3 用波動理論法分析光纖的導(dǎo)光原理 22VM 2.3.2 階躍型光纖的標(biāo)量近似解法 歸一化頻率： 導(dǎo)波的數(shù)量： 單模傳輸條件： 0V2.40483 6142maxVM2.3.3 漸變型光纖的標(biāo)量近似解法 歸一化頻率： 最大導(dǎo)波數(shù)量：6201. 00 練習(xí)題已知：階躍光纖纖芯的折射指數(shù)為n1=1.5，相對折射指數(shù) 差 、纖芯半徑a=25m。 若 =1m， 求：該光纖的歸一化頻率值及其中傳播的模數(shù)量。6301

19、. 0已知：階躍型光纖，若n1=1.5，0=1.31m， （1）若 ，當(dāng)保證單模傳輸時(shí)，纖芯半徑a 應(yīng)取多大？ （2）若纖芯半徑a=5m，應(yīng)怎樣選擇 才能保證 單模傳輸？642.4 單模光纖2.4.1 單模光纖的折射率分布2.4.2 單模傳輸?shù)睦碚摲治?.4.3 單模光纖的雙折射2.4.4 新型單模光纖652.4.1 單模光纖的折射率分布 (1)階躍型單模光纖折射率分布形式 66嚴(yán)格說來，階躍光纖的折射率主要由于以下兩方面的原因使得折射指數(shù)呈漸變趨勢： 纖芯材料和包層材料各不同，在制造過程中，相互擴(kuò) 散滲透，使得在纖芯包層交界處折射率由n1逐漸過度 到n2，呈“圓形”變化，如圖（b）所示。 M

20、CVD工藝制造過程中，在預(yù)制棒制作階段，使得纖 芯r=0處，折射指數(shù)下陷，如圖（c）所示。 67（2）圖示為 下凹型單模光纖折射率分布 68 在纖芯和包層之間設(shè)立折射率比包層折射率還低的中間層，或稱為內(nèi)包層。 采用這種結(jié)構(gòu)形式是為了減小單模光纖的色散，可以使材料色散和波導(dǎo)色散相互抵消。 692.4.2 單模傳輸?shù)睦碚摲治?、階躍單模光纖傳輸?shù)臈l件 0V2.404832、單模光纖的場方程和特征方程 70c0log10PPLi 3單模光纖的特征參數(shù) （1）衰減系數(shù) dB/km （2）截止波長c 當(dāng) ，光纖才能傳輸基模。 （3）模場直徑d 沿芯徑方向上，相對該場強(qiáng)最大點(diǎn)功率下降了1/e的 兩點(diǎn)之間的

21、距離，稱為單模光纖的模場直徑712.4.3 單模光纖的雙折射1線偏振、橢圓偏振、圓偏振 2單模光纖的雙折 722.4.4 新型單模光纖四種新型單模光纖：1色散位移單模光纖（DSF） 2非零色散光纖 3色散平坦光纖 4色散補(bǔ)償光纖 731色散位移 單模光纖（DSF） 常規(guī)石英單模光纖：在1.55m處損耗最??； ：在1.31m時(shí)色散系數(shù)趨于零； 色散位移單模光纖（DSF）：將零色散點(diǎn)移到1.55m 單模光纖的色散 = 材料色散 + 波導(dǎo)色散。 實(shí)現(xiàn)方法：通過改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，加大波導(dǎo)色散值。 非零色散光纖（NZDF）。74 圖示 色散位移光纖的色散 752非零色散光纖 存在問題：在色散位移光纖線

22、路中采用光纖放大器會 使得光纖中的光功率密度加大，引起非線 性效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)用到WDM系統(tǒng)中造成光波間 能量交換，引起信道間干擾。 解決方法： 將零色散波長移至1.54-1.565范圍內(nèi)，減 小其色散值。約為1.04.0PS/kmnm。763色散平坦光纖 為了挖掘光纖的潛力，充分利用光纖的有效帶寬，最好使光纖在整個(gè)光纖通信的長波段（1.31.6m）都保持低損耗和低色散，即研制了一種新型光纖色散平坦光纖（DFF）。 為了實(shí)現(xiàn)在一個(gè)比較寬的波段內(nèi)得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纖的不同折射率分布來達(dá)到目的。77圖示 色散平坦光纖的折射率分布 78 圖示 色散平坦光纖1.305和1.62的零色散

23、波長 794色散補(bǔ)償光纖 色散補(bǔ)償又稱為光均衡，它主要是利用一段光纖來消除光纖中由于色散的存在使得光脈沖信號發(fā)生的展寬和畸變。 能夠起這種均衡作用的光纖稱為色散補(bǔ)償光纖（DCF）。 如果常規(guī)光纖的色散在1.55m波長區(qū)為正色散值，那么DCF應(yīng)具有負(fù)的色散系數(shù)。使得光脈沖信號在此工作窗口波形不產(chǎn)生畸變。DCF的這一特性可以比較好地達(dá)到高速率長距離傳輸?shù)哪康摹?02.5 光纖的傳輸特性1光纖的損耗特性2光纖的色散特性811光纖的損耗 分類：吸收損耗、散射損耗 吸收損耗 定義：光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，從 而造成光功率的損失。 原因1：本征吸收。即光纖基本材料（SiO2）固有吸收。

24、吸收損耗的大小與波長有關(guān)，對于SiO2石英系光 纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶，分別為紫外吸收 帶，和紅外吸收帶。 原因2：雜質(zhì)吸收。材料的不純凈和工藝不完善造成的附加吸收 損耗。尤為氫氧根離子的吸收。82散射損耗定義：由于光纖的材料、形狀及折射指數(shù)分布等的缺陷 或不均勻，光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射而產(chǎn)生的損 耗。分類：線性散射損耗、非線性散射損耗。 線性散射損耗主要包括：瑞利散射、材料不均勻引起的散射 非線性散射主要包括：受激喇曼散射、受激布里淵散射等。83兩種線性散射損耗： 瑞利散射損耗 瑞利散射損耗也是光纖的本征散射損耗。 這種散射是由光纖材料的折射率隨機(jī)性變化而引起的。 瑞利散射損耗與1/4成正

25、比，它隨波長的增加而急劇減小，所以在長波長工作時(shí)，瑞利散射會大大減小。 材料不均勻所引起的散射損耗 結(jié)構(gòu)的不均勻性以及在制作光纖的過程中產(chǎn)生的缺陷也可能使光線產(chǎn)生散射。842光纖的色散特性（1）什么是光纖的色散？ 一般將光功率降到峰值一半 時(shí)所對應(yīng)的波長范圍稱為光 源的譜線寬度，用表示。 一個(gè)理想的光源發(fā)出的應(yīng)是 單色光，即譜線寬度應(yīng)為零。85 光纖中傳送的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分構(gòu)成的。它們有不同的傳播速度，將會引起脈沖波形的形狀發(fā)生變化。 如果從波形在時(shí)間上展寬的角度去理解，也就是光脈沖在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的加大，脈沖波形在時(shí)間上發(fā)生了展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。86

26、（2）光纖色散的表示方法 時(shí)延 信號傳輸單位長度時(shí)，所需要的時(shí)間 時(shí)延差 不同速度的信號傳輸同樣的距離，需要不同的時(shí)間。即各 信號的時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別表示。0|dkd10ffc87 （3）光纖中的色散 模式色散：光纖中的不同模式，在同一波長下傳輸，各自的相位常 數(shù)mn不同，它所引起的色散稱為模式色散。 材料色散：由于光纖材料本身的折射指數(shù)n和波長呈非線性系， 從而使光的傳播速度隨波長而變化，這樣引起的色散 稱為材料色散。 波導(dǎo)色散：光纖中同一模式在不同的頻率下傳輸時(shí)，其相位常數(shù)不 同，這樣引起的色散稱為波導(dǎo)色散。88 單模光纖中的色散 求出相位常數(shù)的解析式 求出單模光纖時(shí)延差的表示式

27、單模光纖時(shí)延差表示式的物理意義 89maxp 多模光纖中的色散 多模階躍型光纖的色散 多模漸變型光纖的色散 a、模式群的群時(shí)延 b、模式群的最大相對時(shí)延差 c、多模漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布比較：多模階躍型光纖和多模漸變型光纖，依照時(shí)延差公式， 在相同的條件下，漸變型光纖的色散較小。902.6 光纖的非線性效應(yīng) 定義：在強(qiáng)光場的作用下，光波信號和光纖介質(zhì)相互作用 的一種物理效應(yīng)。 包括：由于散射作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)。 如，受激喇曼散射、布里淵散射； 由于光纖的折射指數(shù)隨光強(qiáng)度變化引起的非線性效應(yīng)。 如，自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等。911受激喇曼散射 當(dāng)強(qiáng)光信號輸入光纖后引起介質(zhì)中

28、分子振動，這些 分子振動對入射光調(diào)制后就會產(chǎn)生新的光頻，從而 對入射光產(chǎn)生散射作用。 如， 入射光頻率為： f0 介質(zhì)分子振動頻率為：fv 受激喇曼散射光的頻率為：fs = f0 fv 922受激布里淵散射 相同點(diǎn)：物理過程與受激喇曼散射相似。光信號進(jìn)入光纖后與介質(zhì)發(fā)生能量相 互交換。 不同點(diǎn)：受激喇曼散射產(chǎn)生的 fs = f0 fv ； 光信號頻率屬于光頻的范圍， 相互作用后的光信號沿泵浦光波方向繼續(xù)傳輸； 而受激布里淵散射所產(chǎn)生的光信號屬于聲頻的范圍， 相互作用后的光信號沿泵浦波相反方向傳輸。 結(jié)果：大量后向傳輸?shù)墓庑盘柺构夤β蕼p少，并降低激光器工作的穩(wěn)定性。最 終對系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。93

29、LtnLktnt)(2)()(03、自相位調(diào)制（SPM） 定義：在強(qiáng)光場的作用下，光纖的折射率出現(xiàn)非線性變化。進(jìn)而 使得所傳光脈沖前、后沿的相位發(fā)生相對漂移。這種相位 的變化，對應(yīng)于所傳光脈沖的頻譜發(fā)生變化。通常將光脈 沖在傳輸過程中由于自身引起的相位變化而導(dǎo)致光脈沖頻 譜展寬的這種現(xiàn)象稱為自相位調(diào)制。 公式： 944交叉相位調(diào)制（XPM） 當(dāng)光纖中有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長的光波同時(shí)傳輸時(shí)， 一個(gè)光波的幅度調(diào)制引起其它光波的相位調(diào)制。 這種由光纖中某一波長的光強(qiáng)對同時(shí)傳輸?shù)牧硪徊煌ㄩL的光強(qiáng)所引起的非線性相移，稱為交叉相位調(diào)制。 因此，交叉相位調(diào)制（XPM）與 自相位調(diào)制（SPM）總是并存。各光波相位調(diào)制與自身光強(qiáng)、臨近光波光強(qiáng)有關(guān)。955四波混頻（FWM） 當(dāng)多個(gè)頻率的光波以較大的功率在光纖中同時(shí)傳輸時(shí)，由于光纖中非線性效應(yīng)的存在，光波之間會產(chǎn)生能量交換。 第四個(gè)光波的頻率可以是三個(gè)入射光波頻率的各種組合，把這種現(xiàn)象稱之為是非線性介質(zhì)引發(fā)多個(gè)光波之間出現(xiàn)能量交換的一種響應(yīng)現(xiàn)象。 四波混頻現(xiàn)象對