現(xiàn)代光通信第二章

1、2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型 2.1.1 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 2.1.2 光纖類型光纖類型2.2 石英光纖的制造工藝石英光纖的制造工藝2.3 光纖傳輸原理光纖傳輸原理 2.3.1 幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)方法 2.3.2 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論2.4 光纖傳輸特性光纖傳輸特性 2.4.1 光纖色散光纖色散 2.4.2 光纖損耗光纖損耗2.5 光纜光纜 2.5.1 光纜基本要求光纜基本要求 2.5.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型 第第 2 章章 光纖和光纜光纖和光纜 光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的

2、理想傳輸特性，任何信號(hào)均能以相同速度無損無畸變地傳輸。 但實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度較高時(shí)還存在非線性。 ？在實(shí)際系統(tǒng)中，光信號(hào)到底如何傳輸？其傳輸特性、傳輸能力究竟如何？本章討論的要點(diǎn)。2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型 2.1.1 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖光纖（Optical Fiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲組成的圓柱形細(xì)絲。 纖芯纖芯的折射率折射率比包層包層稍高，損耗損耗比包層包層更低，光能量主要在纖芯纖芯內(nèi)傳輸。 包層包層為光的傳輸提供反射面反射面和光隔離光隔離，并起一定的機(jī)械機(jī)械保護(hù)作用。 設(shè)纖芯

3、纖芯和包層包層的折射率折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1n2。（1）纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。直徑d1 =4m50m，單模光纖的纖芯為4m10m，多模光纖的纖芯為50m。纖芯的成分是高純度SiO2 ，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2 ，P2O5 ），作用是提高纖芯對(duì)光的折射率n1 ，以傳輸光信號(hào)。（2）包層：包層位于纖芯的周圍。直徑d2 =125m，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2 。而摻雜劑（如B2O3 ）的作用則是適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率n2 ，使之略低于纖芯的折射率，即n1n2 ，它使得光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸。（3）涂覆層：光纖的最外層為涂覆層，包括一

4、次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料；緩沖層一般為性能良好的填充油膏；二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。 涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說的光纖為此種光纖。 2.1.2 光纖類型光纖類型 光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純高純度石英度石英（SiO2）制成的光纖。實(shí)用光纖主要有三種基本類型， 突變型多模光纖突變型多模光纖（Step-Index Fiber, SIF） 漸變型多模光纖漸變型多模光纖（Graded-Index

5、Fiber, GIF） 單模光纖單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF） 相對(duì)于而言，和的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光纖多模光纖一、按光波模式分布：一、按光波模式分布：按傳輸模的數(shù)量不同，光纖分為多模光纖和單模光纖。 多模光纖（Multi-mode, MMF）：當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1 ，50m左右）遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)（約1m），光纖傳輸?shù)倪^程中會(huì)存在著多個(gè)模式（幾十種乃至幾百種）傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。 單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF）：當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1 ，如4m10m范圍）較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量

6、級(jí)時(shí)，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。什么是傳播模式 ？傳播模式概念：當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，如果光纖纖芯的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，光在光纖中會(huì)以幾十種乃至幾百種傳播模式進(jìn)行傳播。如上圖所示。這些不同的光束稱為模式。二、按折射率分布：二、按折射率分布： 階躍光纖（Step-Index Fiber, SIF）：纖芯和包層的折射率分別為不同的常數(shù)，在交界面上呈臺(tái)階形突變。 漸變光纖（Graded-Index Fiber, GIF）：又稱為梯度光纖，纖芯折射率隨纖芯半徑變化的關(guān)系呈漸變分布的曲線形狀。包層折射率為常數(shù)。 光纖折射率分布 光在單模光纖中

7、的傳播 （信號(hào)畸變很?。?光在階躍折射率多模光纖中的傳播 （信號(hào)畸較大） 光在漸變折射率多模光纖中的傳播（信號(hào)畸變很?。?圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c) 圖 2.3典型特種單模光纖 (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b) 特種單模光纖特種單模光纖 最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結(jié)構(gòu)和折射率分布示于圖2.3，這些

8、光纖的特征如下。 色散平坦光纖色散平坦光纖（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纖色散移位光纖（Dispersion Shifted Fiber, DSF） 雙折射光纖雙折射光纖或偏振保持光纖偏振保持光纖。 折射率分布為W形，具有兩個(gè)包層。 用途：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(zhǎng)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。色散移位光纖：色散零點(diǎn)在1 550nm附

9、近的光纖。特種單模光纖的用途特種單模光纖的用途折射率分布呈三角形，改進(jìn)的色散位移光纖（非零色散光纖）。 特點(diǎn)：在1.55m處有微量色散；有效面積較大。適合于密集波分復(fù)用和孤子傳輸?shù)拈L(zhǎng)距離系統(tǒng)使用。 雙折射光纖或偏振保持光纖。 特點(diǎn)：纖芯折射率分布呈橢圓形；具有強(qiáng)雙折射特性。 主要用途：主要用途： 突變型多模光纖突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。 漸變型多模光纖漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。 單模光纖單模光纖用在大容量長(zhǎng)距離的系統(tǒng)。 特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平 1.55m色散移位光纖色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超長(zhǎng)距離系統(tǒng)。 色散平

10、坦光纖色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。 三角芯光纖三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。 偏振保持光纖偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。三、按傳輸波長(zhǎng)分布：三、按傳輸波長(zhǎng)分布： 短波長(zhǎng)光纖：波長(zhǎng)為0.85m（0.8m0.9m） 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖：波長(zhǎng)為1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m兩個(gè)窗口。四、按套塑結(jié)構(gòu)分類四、按套塑結(jié)構(gòu)分類： 緊套光纖：緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動(dòng)。 松套光纖：松套光纖，就是

11、在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動(dòng)。五、光纖構(gòu)成的原材料分類五、光纖構(gòu)成的原材料分類 石英系光纖塑料光纖（Plastic Optical Fiber，POF）：塑料光纖（POF）是由高透明聚合物制成的光纖。（分為階躍型塑料光纖和梯度型塑料光纖)液體光纖：液芯光纖是在折射率較低的柔性透明皮層軟管里填充折射率較高的透明液體芯料，然后用硬質(zhì)的透明光窗將兩端封堵住。通過光窗傳入的光線在芯料和 皮料的界面上發(fā)生多次全反射，最后通過另一端的光窗傳出光纖。下一代新型光纖“空氣”光纖：一項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信的技術(shù)，甚至可應(yīng)用到人類未來的火星殖民地 ,同時(shí)還可以應(yīng)用到大氣污染探測(cè)、高分

12、辨率地圖、軍用激光武器等領(lǐng)域。光子晶體光纖：(Photonic Crystal Fibers，PCF)光子晶體光纖又被稱為微結(jié)構(gòu)光纖，它的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同排列形式的氣孔，這些氣孔的尺度與光波波長(zhǎng)大致在同一量級(jí)且貫穿器件的整個(gè)長(zhǎng)度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播。 目前光纖通信中主要使用石英系光纖塑料光纖 聚合物(塑料)光纖(POF)：用于用戶接入。 盡管塑料光纖與玻璃光纖相比有更大的信號(hào)衰減，但 韌性好，更為耐用 直徑大1020倍，連接時(shí)允許一定的差錯(cuò)，而不致犧牲耦合效率 廉價(jià)的塑料注入成形技術(shù)，可用于制造光連接器、光分路器和收發(fā)設(shè)備?？諝夤饫w 美國馬里蘭大學(xué)科學(xué)家正在

13、研制一種以空氣為材質(zhì)的新型光纖即空氣光纖。該光纖擺脫了固體材料自身性能的局限，能夠在太空中實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的激光通信。 空氣導(dǎo)波管的結(jié)構(gòu)為：一個(gè)由低密度空氣組成的“外壁”，包裹著充滿高密度空氣的內(nèi)芯。而與普通光纖一樣，外壁的折射率要低于內(nèi)芯。這種結(jié)構(gòu)的“空氣”導(dǎo)波管能夠長(zhǎng)距離、無損耗地傳送光信號(hào)。 霍華德團(tuán)隊(duì)制造空氣導(dǎo)波管的方法，是使用超強(qiáng)激光脈沖。激光脈沖能夠在空氣中電離出很細(xì)的“光絲”，而這些光絲會(huì)提高周圍空氣的溫度，令空氣擴(kuò)散，并在其經(jīng)過之后留下一條低密度的、內(nèi)部空氣折射率低于外部氣體的空洞。 光絲存在的時(shí)間短得驚人，只有約一萬億分之一秒，而空洞則可以存活幾毫秒，幾乎是激光脈沖的一百萬倍?；?/p>

14、華德團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，正因?yàn)榭諝鈱?dǎo)波管能夠較長(zhǎng)時(shí)間的存在，因而單個(gè)的它就可以傳導(dǎo)激光并收集信號(hào)。目前霍華德的團(tuán)隊(duì)正在致力使空氣導(dǎo)波管的長(zhǎng)度達(dá)到至少50米。 該項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離通信的技術(shù)，可應(yīng)用到人類未來的火星殖民地，同時(shí)還可以應(yīng)用到大氣污染探測(cè)、高分辨率地圖、軍用激光武器等領(lǐng)域。光子晶體光纖 空隙帶隙型光子晶體光纖具有易耦合，無菲涅爾反射，低彎曲損耗、低非線性和特殊波導(dǎo)色散等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高功率導(dǎo)光，光纖傳感和氣體光纖等方面。光子晶體光纖的發(fā)展為光纖傳感開拓了廣闊的空間，尤其是在生物傳感和氣體傳感方面為光纖傳感技術(shù)帶來新的發(fā)展。 光子晶體光纖的應(yīng)用： 高功率低損耗近紅外激光傳輸 脈沖整形，脈沖壓縮

15、非線性光學(xué) 光纖傳感領(lǐng)域 新應(yīng)用： (1) 超連續(xù)產(chǎn)生 (2) 脈沖壓縮 (3) 可調(diào)諧光纖耦合器光子晶體光纖六、六、ITU-T建議規(guī)范光纖的分類：建議規(guī)范光纖的分類：ITU-T建議規(guī)范了G.651、 G.652、G.653、G.654和G.655、 G.656、 G.657七種光纖G.651光纖：50/125 mm的多模光纖 。 G.652光纖：G.652光纖，也稱標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）指色散零點(diǎn)（即色散為零的波長(zhǎng)）在1310nm附近的光纖。G.653光纖：G.653光纖也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點(diǎn)在1 550nm附近的光纖，它相對(duì)于G.652光纖，色散零點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)，所以叫色散

16、位移光纖。 G.654光纖：G.654光纖是截止波長(zhǎng)移位的單模光纖。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低1550nm的衰減，其零色散點(diǎn)仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散較高。G.655光纖：由于G.653光纖的色散零點(diǎn)在1550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長(zhǎng)處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免該效應(yīng)，將色散零點(diǎn)的位置從1 550nm附近移開一定波長(zhǎng)數(shù)，使色散零點(diǎn)不在1550nm附近的DWDM工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。注：后四種單模光纖的主要性能指標(biāo)是衰減、色散、偏振模色散（PMD）和模場(chǎng)直徑 ；G.653光纖是為了優(yōu)化1550nm窗口的色散性能而設(shè)計(jì)的，但它也可以

17、用于1310nm窗口的傳輸。由于G.654光纖和G.655光纖的截止波長(zhǎng)都大于1 310nm，所以G.654光纖和G.655光纖不能用于1310nm窗口。 G.656光纖：寬帶光傳輸用非零色散位移單模光纖 。這種寬帶光傳送的非零色散光纖，在14601624nm波長(zhǎng)范圍具有大于非零值的正色散系數(shù)值，能有效抑制密集波分復(fù)用系統(tǒng)的非線性效應(yīng)。這種光纖非常適合于14601624nm波長(zhǎng)范圍的粗波分復(fù)用和密集波分復(fù)用。它與G.652光纖比較，G.656能支持更小的色散系數(shù)，與G.655光纖比較，G.656光纖能支持更寬的工作波長(zhǎng)。G.656光纖可保證通道間隔100GHz、40Gbit/s系統(tǒng)至少傳400

18、km。人們預(yù)測(cè)G.656光纖可能成為繼G.652和G.655之后的又一個(gè)廣泛應(yīng)用的光纖。 G.657光纖：G.657光纖是為了實(shí)現(xiàn)光纖到戶的目標(biāo)，在G.652光纖的基礎(chǔ)上開發(fā)的最新的一個(gè)光纖品種。這類光纖最主要的特性是具有優(yōu)異的耐彎曲特性，其彎曲半徑可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的G.652光纖的彎曲半徑的1/41/2 。G.657光纖具有良好的抗彎曲性能，使其適用于光纖接入網(wǎng)，包括位于光纖接入網(wǎng)終端的建筑物內(nèi)的各種布線。其它單模光纖 全波光纖：可傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)在整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域12801675nm，與常規(guī)光纖相比，全波光纖應(yīng)用于DWDM，可使信道數(shù)增加50%。（全波光纖是在1380nm附件的高OH離子濃度降低后（即去水

19、峰光纖）的基礎(chǔ)上制作的。新型光纖每秒可傳新型光纖每秒可傳255TB 這種新型光纖擁有7條不同的核心可供信號(hào)傳遞，而不是現(xiàn)在最先進(jìn)的光纖中那樣只有一條。這就像是將一條一車道的道路改造為7車道的道路。與此同時(shí)，他們還引入了兩條額外的垂直信道用于數(shù)據(jù)傳輸這就像是有三輛車可以在同一車道內(nèi)上下疊加地行駛。通過這兩種方法的結(jié)合運(yùn)用，研究組成功實(shí)現(xiàn)了大約每秒255TB的傳輸速率，相比目前的光纖傳輸效率(48TB/s)，這一速度幾乎是目前速度得到20倍以上。烽火科技在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)560Tb/s超大容量波分復(fù)用及空分復(fù)用的光傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，傳輸容量是日常用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸系統(tǒng)最大容量的五倍，可以實(shí)現(xiàn)一根光纖上67

20、.5億對(duì)人(135億人)同時(shí)通話，標(biāo)志著我國在“超大容量、超長(zhǎng)距離、超高速率”光通信系統(tǒng)研究領(lǐng)域邁向了新的臺(tái)階。本次實(shí)驗(yàn)采用具有烽火科技自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單模七芯光纖為傳輸介質(zhì)。和普通光纖不同的是，一根單模七芯光纖相當(dāng)于七根普通光纖合而為一。假如將光纖信息傳輸類比于高速公路，普通光纖如果是單一車道，那么單模七芯光纖就相當(dāng)于并行七車道，能夠提供7倍于普通光纖的傳輸能力。通過工藝及技術(shù)上的突破，烽火自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單模七芯光纖解決了多芯光纖間串?dāng)_難題，隔離度達(dá)到-70dB，把“車道”與“車道”之間的干擾和影響降到了最低。2.2 石英光纖的制造工藝石英光纖的制造工藝 一、光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一、光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)1

21、.主要材料： 主要是高純度的玻璃材料制成的； 按玻璃內(nèi)所含化學(xué)元素組分的不同，大體上可分為以石英玻璃（SiO2）為主的石英系光纖和普通的多組分玻璃光纖兩類； 普通的多組分玻璃是在SiO2中含有較多成分的堿金屬氧化物和硼、鋁等氧化物。它的熔融溫度比石英玻璃低得多，制造成光纖后的抗拉強(qiáng)度也低得多。因而目前通信中主要使用的是石英光纖。2.設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)： 二、光纖的制造過程二、光纖的制造過程1.提純工藝： 2.熔煉工藝（光纖預(yù)制棒的制造）： 預(yù)制棒制作技術(shù)改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）、棒外氣相沉積法（OVPD）和軸向氣相沉積法（VAD）3.拉絲工藝： 改進(jìn)的化學(xué)汽相

22、沉積法改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 (MCVD modified chemical vapor deposition)22242ClSiOOSiCl無水峰光纖的制作無水峰光纖的制作: 芯棒在氯氣氣氛中脫水 - 沉積好的芯棒疏松體要放在1200含氯或含氟的氣氛中。脫水的原理是氯氣進(jìn)入芯棒孔隙中取代O，其產(chǎn)生的Si-Cl鍵吸收波長(zhǎng)在25微米，遠(yuǎn)離光纖工作波段。脫水的速率取決于脫水溫度和氯氣的流量。 軸向氣相沉積法VAD 損耗最小 改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法MCVD - 色散最小4.涂覆和套塑工藝：2.3 光纖傳輸原理光纖傳輸原理分析光纖傳輸原理的常用方法：分析光纖傳輸原理的常用方法： 光折射折射和折射率 ：光線

23、在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定： n = c/v 其中是光在某種介質(zhì)中的速度，是光在真空中的速度。在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長(zhǎng)變?yōu)?/n（ 0表示光在真空中的波長(zhǎng)） 材料 空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.521.891.432.42一些介質(zhì)的折射率斯涅耳定律 當(dāng)一條光線照射到兩種介質(zhì)相接的邊界時(shí)，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線斯涅耳定律給出了定義這些光線方向的規(guī)則： 1 = 3n1sin 1 = n2sin 2全反射是光信號(hào)在光纖中傳播的必要條件 2.3.1 幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)方法

24、 幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn) 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 時(shí)間延遲時(shí)間延遲 通過分析光束在光纖中傳播的空間分布空間分布和時(shí)間分布時(shí)間分布 幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)角度幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)角度 突變型多模光纖突變型多模光纖 漸變型多模光纖漸變型多模光纖子午光線和偏斜光線 圖 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc11. 突變型多模光纖突變型多模光纖 為簡(jiǎn)便起見，以的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。 設(shè)和折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1， 纖芯中心軸線與z軸一致， 如圖2.4。 光線在光纖端面以小角度

25、從空氣入射到纖芯(n0n2)。 改變角度，不同相應(yīng)的光線將在與交界面發(fā)生反射或折射。 根據(jù)全反射原理全反射原理， 存在一個(gè)臨界角c。 當(dāng)c時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入并逐漸消失，如光線3。 由此可見，只有在半錐角為c的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。 根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角c的正弦為(Numerical Aperture, NA)。根據(jù)定義和 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n0=1，由式（2.2）經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到 式中=(n1-n2)/n1為與。 ，NA(或c)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的越高。 對(duì)于無損耗光纖，在c內(nèi)的

26、入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大， 纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好; 但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱螅蚨?所以要根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。 212221nnnNA(2.3) 根據(jù)圖2.4，入射角為的光線在長(zhǎng)度為L(zhǎng)(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)， 在不大的條件下，其傳播時(shí)間即為 式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角最大入射角(=c)和最小入射角最小入射角(=0)的光線之間差差近似為 )21 (sec211111cLncLncln(2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生，或稱為。 由

27、此可見，的信號(hào)畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其不同而產(chǎn)生的。傳輸容量限制: cnnBL212（只是粗略計(jì)算） 式中，n1和n2分別為纖芯中心纖芯中心和包層包層的折射率， r和a分別為徑向坐標(biāo)徑向坐標(biāo)和纖芯半徑纖芯半徑，=(n1-n2)/n1為相對(duì)折射率差相對(duì)折射率差，g為折射率折射率分布指數(shù)分布指數(shù)(也稱為折射率光柵系數(shù)也稱為折射率光柵系數(shù))， 的極限條件下，式(2.6)表示突變型多模光纖突變型多模光纖的折射率分布 ，n(r)按平方律(拋物線)變化，表示常規(guī)漸變型多模光纖漸變型多模光纖的折射率分布。具有這種分布的光纖，不同入射角的光線會(huì)聚在中心軸線的一點(diǎn)上，因而脈沖展寬減小 2. 漸

28、變型多模光纖漸變型多模光纖漸變型多模光纖漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點(diǎn)減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點(diǎn)。 漸變型光纖折射率分布的普遍公式為)(1)(211211ggarnarnn11-=n2 ra 0ran(r)= (2.6) 由于折射率分布是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，纖芯各點(diǎn)不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑局部數(shù)值孔徑NA(r)和 222)()(nrnrNA2221maxnnNA漸變型多模光纖光線傳輸途徑 2.3.2 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn) 光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)角度光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論的兩個(gè)角度 式中，E和H分別為

29、和在直角坐標(biāo)中的任一分量， c為光速。選用圓柱坐標(biāo)(r，z)，使z軸與光纖中心軸線一致， 如圖2.6所示。 將式(2.18)在圓柱坐標(biāo)中展開，得到電場(chǎng)的z分量Ez 的為0)(22EcnE(2.18a)0)(22HcnH(2.18b)0)(1122222222ZZZZZEcnzEErrErrE(2.19)1. 波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)表達(dá)式波動(dòng)方程和電磁場(chǎng)表達(dá)式 設(shè)光纖沒有損耗損耗，折射率折射率n變化很小，在光纖中傳播的是角頻率為的單色光單色光，電磁場(chǎng)與時(shí)間t的關(guān)系為exp(jt)，則方程為 圖 2.6 光纖中的圓柱坐標(biāo) xryz包層n2纖芯n1 Hz的方程和式(2.19)完全相同，不再列出。 解方程(

30、2.19)，求出Ez 和Hz，再通過求出其他電磁場(chǎng)分量，就得到任意位置的和。 把Ez(r, , z)分解為Ez(r)、Ez()和Ez(z)。設(shè)光沿光纖軸向(z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為，則Ez(z)應(yīng)為exp(-jz)。 由于光纖的，Ez()應(yīng)為的周期函數(shù)， 設(shè)為exp( jv)，v為整數(shù)。 現(xiàn)在Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達(dá)式， 電場(chǎng)z分量可以寫成 Ez(r, z)=Ez(r)ej(v-z) (2.20) 把式(2.20)代入式(2.19)得到 式中，k=2/=2f /c=/c，和f為光的波長(zhǎng)和頻率。 這樣就把分析光纖中的，歸結(jié)為求解(2.21)。 設(shè)纖芯(0ra)折射率n(r)=n1，包層

31、(ra)折射率n(r)=n2，實(shí)際上和常規(guī)都滿足這個(gè)條件。 為求解方程(2.21)，引入無量綱參數(shù) , 和 。 0)()()(1)(2222222rErvkndrrdErdrrEdZZZ(2.21) 因?yàn)?；?根據(jù)這些特點(diǎn)，式(2.23a)的解應(yīng)取v階Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解則應(yīng)取v階修正的Kv(wr/a)。 u2=a2(n21k2 -2) (0ra) w2=a2(2-n22k2) (ra) V2=u2+w2=a2k2(n21-n22) 利用這些參數(shù)， 把式(2.21)分解為兩個(gè)： (2.22)0)()()(1)(222222rErvaudrrdErdrrEdZZz0)()()

32、(1)(222222rErvawdrrdErdrrEdZZz(0ra) (ra) (2.23a)(2.23b)因此，在和的Ez(r, , z)和Hz(r, , z)表達(dá)式為 Ez1(r, , z) (0ra)()/(zvjvveJaurJAHz1(r, , z)= )()/(zvjvveJaurJBEz2(r, , z) )()()/(zvjvvewkawrKAHz2(r, , z) )()()/(zvjvvewkawrKB(00。awr)(awrkv)exp(awr)exp(awr 如果w0， 將在振蕩， 將轉(zhuǎn)換為，使能量從輻射出去。 w=0(=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)， 這

33、個(gè)狀態(tài)稱為。 其u、 w和值記為uc、wc和c，此時(shí)V=Vc=uc。 對(duì)于每個(gè)確定的v值，可以從特征方程(2.26)求出一系列uc值，每個(gè)uc值對(duì)應(yīng)一定的模式，決定其值和分布。 當(dāng)v=0時(shí)，可分為兩類。一類只有Ez、Er和H分量，Hz=Hr=0，E=0， 這類在傳輸方向無磁場(chǎng)的模式稱為(波)，記為TM0。 另一類只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，這類在傳輸方向無電場(chǎng)的模式稱為(波)，記為TE0。 當(dāng)v0時(shí)，電磁場(chǎng)六個(gè)分量都存在，這些模式稱為。 混合模也有兩類， 一類EzHz，記為HEv，另一類HzEz，記為EHv。下標(biāo)v和都是整數(shù)。 第一個(gè)下標(biāo)v是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為，它表示在

34、纖芯沿方位角繞一圈電場(chǎng)變化的周期數(shù)。 第二個(gè)下標(biāo)是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)， 稱為，它表示從纖芯中心(r=0)到與交界面(r=a)電場(chǎng)變化的半周期數(shù)。 TE波、TM波和混合?；旌夏?在平面介質(zhì)波導(dǎo)中傳輸?shù)牟ú皇菣M電波橫電波（TE, 傳輸方向無電場(chǎng)的模式）就是橫磁波橫磁波（TM, 傳輸方向無磁場(chǎng)的模式）。 而在階躍多模光纖中，入射的子午光線和斜射光線都 產(chǎn)生沿光纖傳輸?shù)膶?dǎo)模。子午光線在光纖內(nèi)產(chǎn)生TE波和TM波，然而斜射光線產(chǎn)生的導(dǎo)模既有Ez分量，又有 Hz，因此既不是TE波也不是TM波，而是HE波或波或EH波波（EzHz，記為HE； HzEz，記為EH），這兩種模 式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都具有

35、沿z軸的分量，所以稱為混合?；旌夏?。 當(dāng)V時(shí)， w增加很快，當(dāng)w時(shí)，u只能增加到一個(gè)有限值，這個(gè)狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止模式遠(yuǎn)離截止，其u值記為u。 波動(dòng)方程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進(jìn)行簡(jiǎn)化。 大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對(duì)折射率差都很小(例如1)由HEv+1和EHv-1組成，包含4重簡(jiǎn)并。 若干低階LPv模簡(jiǎn)化的和和列于表2.1，這些低階模式和相應(yīng)的V值范圍列于表2.2，圖2.9示出四個(gè)低階模式的。 可用線性偏振模來表示弱導(dǎo)光纖（通信使用）的傳輸模式。弱導(dǎo)光纖的相對(duì)折射率差滿足： 可以說，弱導(dǎo)光纖的傳播模式近似為TEM模，或準(zhǔn)TEM模。如果電磁波在傳播過程始終保持場(chǎng)矢量取向不變，則

36、這種電磁波稱為線偏振波，或者稱為線偏振模，簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)P模。12221121212221nnnnnnnnn必須指出，線偏振模LPv是弱導(dǎo)近似下得到的標(biāo)量模，實(shí)際上它可視為矢量模的線性疊加，例如： LP01模是HE11模，是個(gè)雙重兼并模，包括兩個(gè)正交的線偏振態(tài)； LP11模是TE01 、 TM01和HE21三個(gè)模的疊加。顯然，兼并模具有相同的傳輸常數(shù)及截止條件。所謂矢量模，是用嚴(yán)格的矢量波動(dòng)方程求出光纖中麥克斯韋方程的全套模式。0wuc J0( uc)=0v=1 uc 0J1( uc)=0v=0 遠(yuǎn)離截止值截止值uc 本征方程 本征方程方位角模數(shù)405. 20LPuwu0)(J0u00)(J1uuu

37、1LP01LP11LP405. 2832. 3832. 3520. 5016. 7832. 3016. 7.173.10654. 8792.11016. 7173.10173.10237.1314LP13LP12LP04LP03LP02LP.vLP表表2.1 模截止值和遠(yuǎn)離截止值模截止值和遠(yuǎn)離截止值LP01 HE11LP11 HE21 TM01 TE01 LP02 HE12LP12 HE22 TM02 TE02LP03 HE13LP13 HE23 TM03 TE0302.4052.4053.8323.8325.5205.5207.0167.0168.6548.65410.173低階模式低階模式

38、V值范圍值范圍表表2.2 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值范圍值范圍圖 2.9 四個(gè)低階模式的電磁場(chǎng)矢量結(jié)構(gòu)圖 HE11HE21TE01TM01電場(chǎng)磁場(chǎng)v=0，意味著場(chǎng)量不是的函數(shù)，即場(chǎng)分量在光纖中呈軸對(duì)稱分布。只有場(chǎng)結(jié)構(gòu)呈軸對(duì)稱分布的電磁波，才有可能在光纖或介質(zhì)波導(dǎo)中以TE波或TM波的形式存在。v和對(duì)應(yīng)LPv模的光強(qiáng)分布圖案（場(chǎng)斑）， v表示循環(huán)一周最大光強(qiáng)的對(duì)數(shù)，表示從纖芯開始沿r方向到包層具有場(chǎng)斑的個(gè)數(shù)。光纖三種模式 波導(dǎo)模：縱向傳播傳輸滿足如下條件：n2kn1k，則該模式是導(dǎo)波模。 輻射模：光纖外部入射光的入射角度超過最大允許值，導(dǎo)致光在波導(dǎo)表面產(chǎn)生折射。由

39、于包層的半徑是有限的，所以從纖芯中輻射出的部分光被包層所俘獲。 泄漏模：僅僅部分地約束于纖芯內(nèi)，在傳播過程中，由于其功率連續(xù)地輻射而產(chǎn)生衰減。導(dǎo)波模和輻射模的分界點(diǎn)：n2k，定義為所謂的截止條件。當(dāng)剛好小于n2k時(shí)，光功率就會(huì)從纖芯中泄漏并進(jìn)入包層中。 3. 多模漸變型光纖的模式特性多模漸變型光纖的模式特性 傳輸常數(shù)的普遍公式為2121)(21ggMmkn(2.31) 式中， n1、 g和k前面已經(jīng)定義了，M是， m()是傳輸常數(shù)大于的。經(jīng)計(jì)算 2)2()2(22122VggnkaggM)2(2122212)2()(ggnknkMm(2.32a)(2.32b) 由式(2.32)看到： 對(duì)于，g

40、，M=V2/2； 對(duì)于，g=2，M=V2/4。 端面的(又稱為近場(chǎng))P(r)主要由決定，)()0()()()0()(2222annanrncprp(2.35)式中P(0)為纖芯中心(r=0)的光強(qiáng)，C為修正因子。 4. 單模光纖的模式特性單模光纖的模式特性 從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。 當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生， 逐漸減少。 特別值得注意的是當(dāng)V2.405時(shí)，只有HE11(LP01)一個(gè)模式存在，其余模式全部截止。 HE11稱為，由兩個(gè)偏振態(tài)簡(jiǎn)并而成。 由此得到為 V=2.405 或c= c405. 2V 由式(2.36)可以看到，對(duì)于給定的光纖(n1、n2和a

41、確定)，存在一個(gè)，當(dāng)c時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長(zhǎng)c稱為。由此得到405. 222221nnaV(2.36) 通常認(rèn)為基模HE11的電磁場(chǎng)分布近似為 式中，A為場(chǎng)的幅度，r為徑向坐標(biāo)，w0為高斯分布1/e點(diǎn)的半寬度，稱為。 實(shí)際的w0是用測(cè)量確定的，常規(guī)用纖芯半徑a歸一化的的經(jīng)驗(yàn)公式為 (r)=A exp )(20wr(2.37)aw0 0.65+1.619V-1.5+2.879V-6=0.65+0.434 + 0.01495 . 1)(c6)(c(2.38)一個(gè)更簡(jiǎn)捷的近似公式是：Va/6 . 20 實(shí)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，使兩個(gè)偏振模具有不同的傳輸常數(shù)

42、(xy)。 在傳輸過程要引起的變化， 我們把兩個(gè)偏振模傳輸常數(shù)的差(x-y)定義為， 通常用歸一化雙折射B來表示， 式中， =(x+y) / 2為兩個(gè)傳輸常數(shù)的平均值。)(yxB(2.39) 合理的解決辦法是通過光纖設(shè)計(jì)，引入，把B值增加到足以使保持不變，或只保存一個(gè)偏振模式，實(shí)現(xiàn)。 和為。兩個(gè)正交偏振模的相位差達(dá)到2的光纖長(zhǎng)度定義為拍長(zhǎng)Lb2bL(2.40)雙折射雙折射 偏振色散偏振色散 限制系統(tǒng)的傳輸容量限制系統(tǒng)的傳輸容量。yxBL2710B410B在常規(guī)單模光纖中，由于纖芯形狀的波動(dòng)和不均勻應(yīng)力作用，B沿軸并不是常量，而是隨機(jī)變化的，這會(huì)使注入到光纖的線偏振光很快成為任意偏振光。 偏振的

43、不確定性，對(duì)于采用直接檢測(cè)接收技術(shù)的光波系統(tǒng)一般影響不大，但對(duì)于相干通信系統(tǒng)將產(chǎn)生影響，因而在相干光波系統(tǒng)中必須使用對(duì)偏振不靈敏的相干接收機(jī)或采用特別設(shè)計(jì)的保偏光纖。2.4 光纖傳輸特性光纖傳輸特性 產(chǎn)生產(chǎn)生的主要原因是光纖中存在的主要原因是光纖中存在，是光纖最重要的傳輸特性：是光纖最重要的傳輸特性： 2.4.1 光纖色散光纖色散 一、一、 色散、群速及脈沖展寬色散、群速及脈沖展寬 1、(Dispersion)：是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同 成分的光的不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。 色散的種類：色散的種類： 棱鏡的色散現(xiàn)象說明：玻璃的折射率是光波長(zhǎng)的函數(shù) 不同波長(zhǎng)的光在玻璃中的傳播速度不同。光

44、信號(hào)的組成：光信號(hào)的組成：不同模式不同模式、不同頻率不同頻率一個(gè)實(shí)驗(yàn)：一個(gè)實(shí)驗(yàn)： 一定寬度的脈沖輸入進(jìn)一段一定寬度的脈沖輸入進(jìn)一段光纖傳輸，當(dāng)它從光纖輸出時(shí)，光纖傳輸，當(dāng)它從光纖輸出時(shí)，脈沖的寬度脈沖的寬度展寬了近展寬了近3 3倍倍。為什么色散如此重要為什么色散如此重要輸入的信號(hào)輸入的信號(hào)輸出的信號(hào)輸出的信號(hào)為什么色散如此重要為什么色散如此重要1011脈沖序列脈沖序列脈沖展寬，但可脈沖展寬，但可分辨分辨脈沖進(jìn)一步展寬，脈沖進(jìn)一步展寬，不可分辨不可分辨色散歸咎于不同的傳播速度。色散歸咎于不同的傳播速度。引起傳播速度不同的原因：引起傳播速度不同的原因： 1. 不同的模式不同的模式 模式色散模式色散

45、 2. 材料對(duì)不同波長(zhǎng)的相應(yīng)不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)的相應(yīng)不同 材料色散材料色散 3. 不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 4. 雙折射對(duì)不同波長(zhǎng)的相應(yīng)不同雙折射對(duì)不同波長(zhǎng)的相應(yīng)不同 極化色散極化色散2、群速及群速色散(GVD) 由光源發(fā)射進(jìn)入光纖的光脈沖能量包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過程中必將出現(xiàn)脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為群速色散（GVD）、模內(nèi)色散或簡(jiǎn)言之光纖色散。包括材料色散和波導(dǎo)色散。群速色散(GVD)群速度 沿z方向傳輸?shù)膯紊ǎ?是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數(shù)（m-1）。 群速度：表征光信號(hào)包絡(luò)的傳輸速度 ztjAztEexp),

46、(ddvg相速度v相速度就是電磁波相位傳播的速度。 在波導(dǎo)中，相速度往往比群速度要大。 一個(gè)光脈沖可以如下圖分解成一系列具有不同波長(zhǎng)的正弦波。一個(gè)光脈沖可以如下圖分解成一系列具有不同波長(zhǎng)的正弦波。 波包由具有相近頻率的紅、綠和藍(lán)三個(gè)波組成。合成波波包由具有相近頻率的紅、綠和藍(lán)三個(gè)波組成。合成波的包洛以群速前進(jìn)。的包洛以群速前進(jìn)。群速和群速色散群速和群速色散ddLvLg群折射率群折射率 定義群折射率 ：ddnnvcngg（它表示介質(zhì)對(duì)群速度的影響。）如右圖所示，在1550nm波長(zhǎng)附近，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，ng越大，由可知，此時(shí)vg就越小，群延遲就越大。請(qǐng)注意=1300nm附近， ng與幾乎無關(guān)，因此130

47、0nm附近的光以相同的群速度傳播，而不會(huì)經(jīng)受色散。 光脈沖展寬 以色散參數(shù)Dps/(nm. km)表達(dá)脈沖展寬 D的定義為：LD1LD二、色散分類色散分類 1模式色散：在在多模光纖多模光纖中，同時(shí)存在多個(gè)模式，不同模式沿光纖中，同時(shí)存在多個(gè)模式，不同模式沿光纖軸向的傳播速度不同，到達(dá)終端時(shí)就有先有后，出現(xiàn)軸向的傳播速度不同，到達(dá)終端時(shí)就有先有后，出現(xiàn)時(shí)延差，引起色散，并引起脈沖展寬。時(shí)延差，引起色散，并引起脈沖展寬。階躍型光纖中模式色散示意圖階躍型光纖中模式色散示意圖 傳播傳播最快最快和和最慢最慢的兩條光線的兩條光線：模式色散模式色散2模內(nèi)色散：材料色散系數(shù)：材料色散系數(shù)： 212dndcDm

48、材料色散：材料色散： LDmm波導(dǎo)色散系數(shù)：波導(dǎo)色散系數(shù)： 221dVVbdVcnDW波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的色散。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的色散。取決于波導(dǎo)尺寸、纖芯包層的相對(duì)折射率差和剖面形狀。取決于波導(dǎo)尺寸、纖芯包層的相對(duì)折射率差和剖面形狀。WmDDD式中，nx和ny分別為x-和y-方向的。 偏振模色散本質(zhì)上是，由于模式耦合是隨機(jī)的， 因而它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。 目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但一般要求小于0.5ps/km。 由于存在，即使在色度色散C()=0的波長(zhǎng)，帶寬也不是無限大。 ：實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個(gè)偏振模

49、的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時(shí)間延遲差稱為。 取決于光纖的，由=x-ynxk-nyk得到，)(11yxnncdkdc(2.58)多模與單模光纖的色散 波導(dǎo)色散和材料色散都是模式本身的色散，也稱模內(nèi)色散(intra-modal dispersion)。對(duì)于多模光纖，既有模間色散(inter-modal dispersion)，又有模內(nèi)色散，但主要以模式色散為主。而單模光纖不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，波導(dǎo)色散的大小與材料色散相比擬?；驹恚夯驹恚喝? 色散控制色散控制（dispersion management）：）：ddLD1色散系數(shù)：色散系數(shù)：0D0Dor四、總色散四、總色散

50、模式色散模式色散 材料色散材料色散 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 偏振色散偏振色散通?？珊雎圆挥?jì)通?？珊雎圆挥?jì)總色散：總色散：222)(pWmn對(duì)于單模光纖，一般給出色散系數(shù)對(duì)于單模光纖，一般給出色散系數(shù)D，包含了材料色散和包含了材料色散和波導(dǎo)色散兩部分的影響波導(dǎo)色散兩部分的影響。 超高速系統(tǒng)的主要性能限制超高速系統(tǒng)的主要性能限制: 色散色散 非線性非線性 色散的減少色散的減少: 光纖的設(shè)計(jì)光纖的設(shè)計(jì) 色散的補(bǔ)償色散的補(bǔ)償 非線性的減少非線性的減少: 光纖的設(shè)計(jì)光纖的設(shè)計(jì) 沒有線性補(bǔ)償?shù)姆椒]有線性補(bǔ)償?shù)姆椒?/(lg100kmdBPPLi(2.61a) 2.4.2 光纖損耗光纖損耗 的存在 光信號(hào)減小 限制系統(tǒng)的 。 在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)碾S的變化，可以用下式表示習(xí)慣上的單位用dB/km， 由式(2.60)得到Po=Pi exp(-L) (2.60) 設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)的光纖，輸入，根據(jù)式(2.59)，應(yīng)為 式中，是。PdzdP(2.59)343. 4log10)/(10inoutPPLkmdB 1. 損耗的機(jī)理損耗的機(jī)理 圖2.15是的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的的關(guān)系，這些機(jī)理包括和兩部分。 是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。 主要由材料微觀密度不均勻引起的和由光纖(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。 是光纖的，它決定著光纖損