第2章_光纤传输原理与传输特性概要课件.ppt

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1、第第2 2章章 光纤传输原理光纤传输原理 与传输特性与传输特性本章内容光纤概述光纤传输的几何光学分析方法阶跃光纤的模式理论单模光纤光纤的损耗光纤的色散光纤的非线性特性光纤的制造和光缆光是什么大尺寸现象粒子光线小尺寸现象波动光波量子性波粒二象性光（量）子2.1 光纤概述对光的研究方法光线几何光学（射线光学）光波波动光学光子量子力学光的折射与反射折射定律反射定律全反射nn2n1irt可能的导光方式光纤目标约束光能量，以尽量小的损失将光能量传导到接收端可资利用的光学现象：全反射结构上的特点圆柱形，由纤芯和包层组成，外加涂覆层和套塑改善机械特性折射率变化，纤芯折射率略高于包层光纤的结构阶跃折射率光纤阶

2、跃折射率光纤梯度折射率光纤梯度折射率光纤外包层外包层包层包层纤芯纤芯 a ab b轴向轴向 距离距离折折射射率率n1n2n0 a ab b折折射射率率轴向轴向 距离距离n1n2n0光纤的分类材料石英系光纤、多组份玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤等折射率分布阶跃光纤、梯度光纤传输特性多模光纤、单模光纤三种石英系光纤2.2 光纤传输的几何光学分析方法优点和局限优点简单、物理概念清晰局限性几何光学是理论是波动光学理论的短波长极限，因而其适用范围是传输系统横向尺寸比起工作波长要大得多对于光纤，所得结果仅适用于多模光纤对单模光纤只能用模式理论分析2.2.1 阶跃光纤中光线的传播阶跃光纤的结构特点：纤芯和

3、包层折射率n1，n2为常数。ab轴向 距离折射率n1n2n0光纤中光线的分类子午光线：传播路径为光纤纵剖面内的平面折线，与光纤轴相交，在横截面投影为一条直径斜光线：传播路径为空间折线，不与光纤轴相交，在横截面内的投影为非封闭多边形由于光纤的结构为圆柱体，可将光线分成两类子午光线与斜光线PQn1n2PQn2n1PQ(a)子午光线(b)斜光线PQ子午光线的传播条件必须要在纤芯与包层的界面处形成全反射n2n1数值孔径定义光纤端面上入射光线形成导波光线的最大入射角的正弦记作 NA n2n1式中，接收锥接收锥纤芯纤芯包层包层NA的物理意义光纤捕捉光线能力的大小，光纤的NA越大，越能将更多的光线保持在其中

4、传播。决定了光纤与光源的耦合效率（(NA)2），NA越大，就可能有更多来自通信光源的光进入光纤例 题设有一均匀多模光纤n1=1.5，0.01，光纤芯径 2a100 m，光线由空气入射 n0=1，求光纤的数值孔径 NA是多少？NAn1(2)1/2=0.212从与光源的耦合效率考虑，希望NA（）越大越好！取较大的数值孔径取较大的数值孔径有无坏处？有无坏处？多径传输不同路径光在光纤中传播时所用的时间不同 多径传输多径传输结果：导致光脉冲的展宽，对大容量是不利的 c c i in n1 1n n2 2n n0 0tP如何定量分析？如何定量分析？传播时延差最小的传播时延：Ln 最大的传播时延：最大的传播

5、时延：n 最大时延差：最大时延差：c时延差对传输容量的影响已知经历最短和最长路径的两束光线间的时延差为:距离带宽积距离带宽积越大越好，因此希望相对折射率差越大越好，因此希望相对折射率差越小越好！与数值孔径之间存在矛盾！越小越好！与数值孔径之间存在矛盾！传输容量限制传输容量限制:距离带宽积距离带宽积传输容量限制传输容量限制:例：阶跃光纤的传输容量限制当当n n1 1=1.5,=1.5,=0.2%=0.2%时时 BLBL100(Mb/s)100(Mb/s)kmkm10Mb/s10Mb/s的速率传输的速率传输10km10km，只能用于一些较低速，只能用于一些较低速率的局域网率的局域网能算得上大容量、

6、长距离吗？能算得上大容量、长距离吗？相对折射率差与光源的耦合效率单位距离的时延差为提高，应使 较大，但越大则引入的光线传播时延差越大加大多径展宽加大多径展宽限制大容量的实现限制大容量的实现应选择合适的数值孔径！多模光纤：0.2左右(0.9%)单模光纤：0.1左右(0.2%)的选取有没可能有没可能既保证既保证一定的一定的耦合效率耦合效率同时同时又又减小多径时延差，减小多径时延差，保证保证光纤的光纤的传输容量传输容量？2.2.2 梯度光纤中光线的传播阶跃光纤存在的问题群时延差较大群时延差直接影响光纤的传输带宽 减小 可降低群时延差，但 NA 随之减小受此影响阶跃多模光纤的传输带宽在 100MHzk

7、m 左右群时延差的根源多径问题：能否找到一种方法，使多径光线沿光纤轴向问题：能否找到一种方法，使多径光线沿光纤轴向问题：能否找到一种方法，使多径光线沿光纤轴向问题：能否找到一种方法，使多径光线沿光纤轴向传播时没有时延差？传播时没有时延差？传播时没有时延差？传播时没有时延差？分析Ln2n1可资利用的现象光在媒质中的传播速度与媒质的折射率有关媒质折射率越小，光的传播速度越大有无可能让光在较长的路径中走得快一些？有无可能让光在较长的路径中走得快一些？解决办法使用折射率渐变光纤纤芯中心折射率最高、沿半径方向折射率递减新问题折射率如何递减才能达到目标？折射率如何递减才能达到目标？分析思路在光纤中求解光线

8、路径方程、追踪光线传播路径求得不同路径的传播时延，分析折射率分布对时延差的影响获得传播时延差小的折射率分布 a 是纤芯半径，是相对折射率差。n11-=n2 ra 0ran(r)=)(1)(211211arnarn-例：纤芯折射率的分布找 n(r)试！时延差与的关系例：例：2时的结果单位距离的最大时延差nGI光纤与SI（）光纤相比，多径展宽问题得到较大的减轻。例：对于折射率成抛物线分布的渐变光纤，n1=1.5，=0.2%，求其BL自聚焦光纤折射率双曲正割分布折射率双曲正割分布自聚焦：自聚焦：不同入射角对应的光线，虽然不同入射角对应的光线，虽然路径不同，但是半个周期后都路径不同，但是半个周期后都会

9、聚在同一点上会聚在同一点上解决问题的过程回顾问题：SI光纤的严重多径色散思考：能否使多径光线沿光纤轴向传播时没有时延差？定性分析：让光在较长的路径中走得快一些以减少甚至消除多径引入的传播时延差？折射率与速度的关系？可能性！定量分析：数学建模，解给定 n(r)的路径方程！找满足自聚焦特性的 n(r)！还有没有尚未完成的工作？还有没有尚未完成的工作？还有没有尚未完成的工作？还有没有尚未完成的工作？能否完全消除多径色散？不能不能存在问题存在问题折射率双曲正割分布只能实现子午光线的自折射率双曲正割分布只能实现子午光线的自折射率双曲正割分布只能实现子午光线的自折射率双曲正割分布只能实现子午光线的自聚焦聚

10、焦聚焦聚焦斜光线之间、斜光线与子午光线之间斜光线之间、斜光线与子午光线之间斜光线之间、斜光线与子午光线之间斜光线之间、斜光线与子午光线之间仍然存仍然存仍然存仍然存在传播时延差在传播时延差在传播时延差在传播时延差利用几何光学方法，解决了如下问题光纤是如何导光的光纤存在多径展宽阶跃光纤子午光线最大时延差：利用折射率梯度分布可减小多径展宽平方律分布时子午光线最大时延差：双曲正割分布时子午光线可实现自聚焦，没有时延差尚未解决的问题斜光线的行为要复杂得多，不能做到自聚焦本节小结有无办法真正消除有无办法真正消除多径时延差？多径时延差？2.3 阶跃光纤的模式理论目标利用麦克斯韦方程组和光波导的边界条件获得波

11、导内的光波特定的场解建立模式的概念建立模式色散、模式截止的概念2.3.1 电磁场理论回顾麦克斯韦方程组光波是频率极高的电磁波，光波的场解满足麦光波是频率极高的电磁波，光波的场解满足麦光波是频率极高的电磁波，光波的场解满足麦光波是频率极高的电磁波，光波的场解满足麦克斯韦方程组克斯韦方程组克斯韦方程组克斯韦方程组绝缘介质边界条件良好的绝缘介质中有J=0，=0在两种绝缘介质的界面上，满足以下边界条件介质波导中光波的场解除满足麦克斯韦方程组介质波导中光波的场解除满足麦克斯韦方程组介质波导中光波的场解除满足麦克斯韦方程组介质波导中光波的场解除满足麦克斯韦方程组外，还应满足上述边界条件外，还应满足上述边界

12、条件外，还应满足上述边界条件外，还应满足上述边界条件亥姆霍兹方程在各向同性的媒质中，利用麦克斯韦方程组推导，可得亥姆霍兹（Helmholtz）方程n n上述方程即为正弦电磁场的矢量波动方程上述方程即为正弦电磁场的矢量波动方程上述方程即为正弦电磁场的矢量波动方程上述方程即为正弦电磁场的矢量波动方程n n该方程是求解波导问题的出发点该方程是求解波导问题的出发点该方程是求解波导问题的出发点该方程是求解波导问题的出发点标量亥姆霍兹方程矢量波动方程中，每一方程都可分解为以坐标分量表示的、有相同形式的三个方程例如，电磁场的z分量所满足的方程为2.3.2 阶跃光纤的波动理论 阶跃型光纤的波动理论分析就是以麦

13、克斯韦方程组为基础，根据光纤的边界条件，从亥姆霍兹方程解出阶跃型光纤中导波的场方程，在此基础上推导出其特特征征方方程程，研究其导导波波模模式式，分析其传输特性传输特性。阶跃光纤阶跃光纤：纤芯折射率均阶跃光纤：纤芯折射率均阶跃光纤：纤芯折射率均阶跃光纤：纤芯折射率均匀分布的光纤匀分布的光纤匀分布的光纤匀分布的光纤 a ab br rn1n2n00 0n n纤芯折射率：n1纤芯半径：a包层折射率：n2，且 n2 n1相对折射率差：Hz和Ez的表达式注意：与此同时还存在一组对偶的解，即注意：与此同时还存在一组对偶的解，即注意：与此同时还存在一组对偶的解，即注意：与此同时还存在一组对偶的解，即电场电场

14、电场电场E Ez z取取取取coscosmm 。而磁场。而磁场。而磁场。而磁场HHz z取取取取sinsinmm 。定义归一化频率V定义归一化频率V，令 nV 是一个无量纲量，它由光纤的结构参数（纤芯半径 a,纤芯折射率n1和包层折射率n2）以及波导的工作波长（=2/k0）唯一地确定，不含任何待求的量n令U=kca，W=c a，V 2=U 2+W 2，则有用U和W表示Ez和Hz应用边界条件r=a处为纤芯与包层的边界，在边界上磁场和电场的切向分量应连续，即Hz、Ez、H、E 连续。其中，Hz、Ez连续和条件已在前面应用过，因此利用后两个分量连续可有：作近似近似前提：通信用光纤均为弱导光纤：在特征

15、方程中近似有n1=n2，因此光纤的特征方程特征方程近似为传播模式分类4种情况m=0有两种情形（不作弱导近似）取正号，n12J+n22K=0，TM模的特征方程，弱导近似(n1 n2)时为：J+K=0取负号，J+K=0，TE模的特征方程m0有两种情形（混合模），在弱导近似下有n n取正号时为EH模的特征方程n取负号时为HE模的特征方程 TE模和TM模的特征方程m=0时，Ez和Hz必有其一为0，因此要么是TE模，要么是TM模弱导近似(n1 n2)时，TE模和TM模的特征方程相同，均为递推公式递推公式EH模的特征方程m0 并取“+”号时，所有场分量均不为零，为混合模的特例EH模弱导近似(n1 n2)时

16、，其特征方程为递推公式递推公式HE模的特征方程m0并取“-”号时，所有场分量均不为零，为混合模的特例HE模弱导近似(n1 n2)时，其特征方程为递推公式递推公式EH模和HE模的命名占主导地位的场：HE模纵向磁场占主导地位，EH模纵向电场占主导地位旋向：HE模右旋，EH模左旋特征方程 m0 的极限HE模 TE模(H模)的严格解EH模 TM模(E模)的严格解模式的截止参数截止条件与平面波导类似，当包层中出现振荡模式时，光能量出现辐射，该模式截止模式截止条件：W 2 1，W0有：HEmn模渐近式渐近式模式的特点导波模的场形图对每一个确定的，都有一个解系。每一个解都对应着一个或几个（简并时）确定的电磁

17、场结构。根据这些电磁场分量的表达式就可以作出该模式的场型图几个低几个低阶阶模在横截面内的模在横截面内的场场分布分布色散曲线给定 V 值，对给定光纤意味着给定工作波长或频率。根据特征方程可求得每一个模式的 值，作V曲线，称为色散曲线模式传播特性相速度：群速度：对不同的模式，即使 V 相同也有不同的相速度和群速度，这就是多模光纤的模式色散模式色散对同一模式，当 V 不同时相速度和群速度都不同，这种现象称为波导色散波导色散模式的简并一些模式拥有相同的或非常接近的归一化截止频率Vc截止参数相同意味着这些模式具有非常接近的纵向传播速度称归一化频率相同或非常接近但场结构不同的模式为简并模HE11Vc=0H

18、E2n、TE0n、TM0nVc=u0nEH1n、HE3n、HE1,n+1Vc=u1nEHmn、HEm+2,nVc=umn (m2)单模传播条件由于 HE11 模的Vc=0，所以显然 HE11 模为阶跃光纤中的主模Bessel函数的最小非 0 根为 u012.405，为次最低阶模（HE21、TE01、TM01）模截止归一化频率单模传播条件为 0V2.405HE11Vc=0HE2n、TE0n、TM0nVc=u0nEH1n、HE3n、HE1,n+1Vc=u1nEHmn、HEm+2,nVc=umn (m2)n 单模截止波长：BesselBessel函数函数模式概念小结每一个确定的模式都有确定的场结构，

19、它是波动方程的一个满足边界条件的特解每一个确定模式都有确定的传播特性不同模式有不同的传播速度，导致模式色散满足单模传播条件的光纤即为单模光纤，只有主模HE11模传播，因而没有模式色散同一模式，如果工作波长不同，相速和群速也不同，导致波导色散，单模光纤也存在波导色散传播特性相同(相近)但场结构不同的模称简并模模式序号决定场函数的零点和极大点分布。m表征圆周方向特征、n表征半径方向特征2.3.3 阶跃光纤的LP模线偏振模（LP模）解法思路实际使用的光纤，此条件称为弱导条件此时对光纤中的传输模可作如下近似：准TEM近似。纵向场量远远小于横向场量，横向场量之间近似满足 Et=HtZ0/n（Z0为自由空

20、间波阻抗）光波在传播过程中保持偏振状态不变，由此可引出线偏振模（LP模）的概念，此为英国学者DGloge提出的解决弱导光纤问题的一个重要概念由于场矢量偏振方向不变，故所有场分量都可用直角坐标表示，因而横分量满足标量波动方程：可以是任意一个横向场分量解标量波动方程则 Ey和 Hx的一般解为：假设电场沿 y 方向偏振，则特征方程应用边界条件可获得特征方程LP模的截止参数截止条件：截止条件：当 k0n2 时 W 20 成为辐射模，所以W 即为模式的截止条件。截止条件下的特征方程就是 W 时特征方程的渐近式：m m=0=0时时m m 1 1时时单模传播条件由于 LP01 模的Vc=0，所以显然 LP0

21、1 模为阶跃光纤中的主模Bessel函数的最小非 0 根为 u012.405，为次最低阶模LP11模截止归一化频率单模传播条件为 0V2.405 时较大时应用该公式n公式：阶跃光纤平方律光纤LP模的横截面功率分布光功率流密度：LPmn模式的横截面光斑图nm1234012功率因子纤芯内功率：包层内功率：功率因子定义：纤芯内功率与总功率之比功率因子随V 的变化V 越大，模式越远离截止，mn越接近当VVc时,功率集中于纤芯；当V Vc时，功率向包层转移0123456700.20.40.60.81m m=0=0 n n=1=11,11,12,12,10,20,23,13,11,21,22.4 单模光纤

22、波动光学方法所得结论当归一化频率当归一化频率 V小于某一模式的归一化小于某一模式的归一化截止频率截止频率 Vc时，该时，该模式截止模式截止阶跃光纤中阶跃光纤中主模是主模是LP01模，其模，其Vc=0，即该模式不截止，即该模式不截止次低阶模为次低阶模为LP11模，其模，其Vc=2.405，其余模，其余模式的式的Vc 2.405单模传播条件单模传播条件：单模传播条件：0V2.405其中其中,设计单模光纤主要考虑的问题工作波长选择工作波长选择芯径、相对折射率差选择芯径、相对折射率差选择损耗、色散特性损耗、色散特性单模光纤的优化单模光纤的优化工作波长选择应选择在光纤的应选择在光纤的低损耗窗口低损耗窗口

23、1310nm或或1550nm通常要求在这两个窗口都应能实现单模传输通常要求在这两个窗口都应能实现单模传输其中，其中，1310nm是更严格的单模传播波长是更严格的单模传播波长设计单模光纤主要考虑的问题工作波长选择工作波长选择芯径、相对折射率差选择芯径、相对折射率差选择损耗、色散特性损耗、色散特性单模光纤的优化单模光纤的优化多种组合n工作波长选在工作波长选在1310nm时，时，a 和和 的的选择选择nn1=1.48，=1%，a2.40 m，可实现单模传输，可实现单模传输nn1=1.48，a=5 m，0.23%，可实现单模传输，可实现单模传输选择结果矛盾：矛盾：考虑降低光纤的接续损耗，希望考虑降低光

24、纤的接续损耗，希望a a 大一些大一些考虑提高光纤与光源的耦合效率，希望考虑提高光纤与光源的耦合效率，希望 大一些大一些妥协妥协结合考虑生产工艺，将结合考虑生产工艺，将纤芯直径纤芯直径选在选在10 m左右左右要保证工作于要保证工作于1310nm波长时能够实现单模传输，波长时能够实现单模传输，应选在应选在0.2%0.3%之间之间设计单模光纤主要考虑的问题工作波长选择工作波长选择芯径、相对折射率差选择芯径、相对折射率差选择损耗、色散特性损耗、色散特性单模光纤的优化单模光纤的优化单模光纤的色散材料色散材料色散波导色散波导色散偏振模色散偏振模色散波长色散波长色散模场直径LP01模的场分布变化规律接近于

25、高斯函数n x方向偏振的电场分布可表示为n Wg按经验公式有：n2Wg为高斯场分布的 1/e 宽度，称为单模光纤的模场直径n单模光纤的模场直径在910 mn单模光纤参数中一般用模场直径替代芯径n 优化设计后的单模光纤很难直接指出纤芯范围n 在接续和耦合问题上，芯径与模场直径的影响是一致的设计单模光纤主要考虑的问题工作波长选择工作波长选择芯径、相对折射率差选择芯径、相对折射率差选择损耗、色散特性损耗、色散特性单模光纤的优化单模光纤的优化常规单模光纤的损耗和色散0.10.10.50.51 15 510105050100100损耗损耗dBdB/kmkm单模光纤的优化优化目标优化目标1550nm处更低

26、的色散处更低的色散1550nm处更小的损耗处更小的损耗优化途径优化途径色散位移色散位移截止波长位移截止波长位移截止波长考虑出发点考虑出发点保证单模传播，保证单模传播，V2.405尽量大的功率因子以保证低损耗尽量大的功率因子以保证低损耗常规单模光纤的截止波长常规单模光纤的截止波长1.31 m处处V 取值接近取值接近2.405，并并留一定富余量留一定富余量反映成光纤的反映成光纤的截止波长截止波长 c，ITU-T规定规定1.10 m c1.28 m截止波长位移 c c/mm c c=1.28=1.28 mm：1.31/1.55 m 均满足单模条件V=1.99，功率因子约0.781.311.311.5

27、51.55 c c=1.5=1.5 mm：只有1.55 m 窗口满足单模条件 1.55 m 处V=2.33，功率因子约0.83截止波长向长波长方向位移可增大截止波长向长波长方向位移可增大截止波长向长波长方向位移可增大截止波长向长波长方向位移可增大1.55 1.55 1.55 1.55 m m m m 处的功率因子，进而可处的功率因子，进而可处的功率因子，进而可处的功率因子，进而可降低该处的损耗降低该处的损耗降低该处的损耗降低该处的损耗ITU-T 规定的单模光纤G.652常规单模光纤常规单模光纤G.653色散位移单模光纤，色散位移单模光纤，DSF(Dispersion-ShiftedFiber)

28、G.654截止波长位移单模光纤截止波长位移单模光纤(Cut-offShiftedFiber)，又称又称1550nm损耗最低光纤损耗最低光纤G.655非零色散位移单模光纤，非零色散位移单模光纤，NZ-DSF(Non-ZeroDispersion-ShiftedFiber)小结单模光纤单模光纤工作波长：工作波长：1310nm和和1550nm纤芯半径：约纤芯半径：约5 m相对折射率差：约相对折射率差：约23零色散波长：零色散波长：1310nm优化方法：优化方法：色散位移色散位移截止波长位移截止波长位移ITU-T系列标准：系列标准：G.652、G.653、G.654、G.655单模光纤的双折射LP01

29、模有两种正交的偏振状态。其横向电场分别沿 x 轴方向和 y 轴方向，分别记为LPx 01模和LPy 01模理想情况下，LPx 01模和LPy 01模拥有相同的传播常数，但由于几何不对称、残余应力、外场效应等因素，导致这两个偏振模式在传输过程中产生附加的相位差，这就是单模光纤中的双折射现象 单模光纤的双折射参量双折射参量 B，定义为拍长 LB，定义为 单模光纤中偏振状态的演化受双折射影响，线偏振模在光纤中传播时，其偏振状态将发生演化线偏振左/右旋椭圆偏振线偏振右/左旋椭圆偏振线偏振演化输入偏振角i=/4 时的演化图示光纤双折射的对策单模单偏振光纤，又称保偏光纤（PMF）以非圆截面、非轴对称折射率

30、分布设计等方法加大光纤的双折射，从而抑制某一偏振方向的模式，实现绝对单模传播 低双折射光纤通过尽可能保证光纤截面接近理想圆形、消除纤芯内应力的影响、旋转拉丝等方法降低双折射 目前生产的单模光纤，双折射较早期水平下降了23个数量级2.5 光纤的损耗光纤损耗的表示方法光信号在光纤中传输时，信号的光功率将逐渐变小，总的变小量就是这段光纤的损耗一段光纤的损耗用dB表示一般用衰减系数 表示光纤的损耗特性光纤损耗的种类吸收损耗本征吸收杂质吸收过渡金属离子氢氧根离子散射损耗瑞利散射损耗，与波长的四次方成反比米氏散射损耗弯曲损耗宏弯和微弯光纤的损耗谱0.80.81.01.01.21.21.41.41.61.6

31、1.81.8波长波长(um)(um)0.010.010.050.050.10.10.50.51 15 510105050100100 损损耗耗d dB B/k km m波导缺陷波导缺陷紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射实验值实验值OHOH-吸收吸收降低光纤损耗的方法工作波长选择选择在低损耗窗口超纯原料降低过渡金属离子浓度生产工艺减小不均匀性减小OH-离子的引入光纤保护全波光纤微弯损耗和宏弯损耗机理宏弯损耗宏弯引起包层功率损失微弯损耗微弯产生模式耦合，一些能量转移到了不能传输的高阶模上，造成损耗光纤的典型损耗特性890nm3dB/km1310nm0.5dB/km(典型值：0.35d

32、B/km)1550nm0.25dB/km以下（典型值：0.2dB/km)0.154dB/km（最低报道值）使用过程中光纤的损耗变化变化趋势损耗增大原因热胀冷缩油膏特性变差光纤受水分侵蚀OH-吸收损耗增大光纤分子缺陷增多超低损耗光纤瑞利损耗与波长的关系为什么工作波长不能选择得更长一些？n卤化物光纤n氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些n最低损耗窗口在2550nm附近n最低损耗低达 0.010.001dB/kmn难度n超纯原料n微晶体化光纤损耗的测量测量方法：截断法、插入损耗法、背向散射法截断法截断的目的：保证注入的一致性误差来源高阶模功率、近端和远端出射率的不同、光源的稳定性和光功率计的

33、线性光时域反射法误差来源：除上述误差这外，还引入了活动连接器误差菲涅尔反射典型的OTDR回波曲线纯衰减事件点（一般为熔接点）反射+衰减事件点（一般为活动接头）噪声区光纤断点（结束点）2.6 光纤的色散色散的含义色散的原义：Separation of visible light into colors by refraction or diffraction；可见光通过折射或衍射而分散成多种颜色美国传统辞典（双解）折射时色散的本质：不同频率的光波其速度不同色散对光信号包络传播的影响包络展宽光纤通信中色散的含义一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为色散光纤色散对通信的影响影响链：色散导致

34、传输的光脉冲展宽光脉冲展宽导致码间串扰码间串扰导致系统误码率增大通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降低码间串扰的程度，可以减小信息速率，增大光脉冲间隔减少传输距离，降低脉冲展宽程度归纳：光纤的色散直接影响其传输带宽距离积色散越大，带宽距离积越小光纤色散的种类模式色散多模色散偏振模色散波长色散（GVD）材料色散波导色散单模光纤单模光纤中依然存在中依然存在多模色散不同的模式，即使光波频率相同，其传播速度也存在差异模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散模式色散影响机理信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多）多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各不相同时延差导

35、致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就越严重，其带宽距离积就越小消除方法：单模传输偏振模色散（PMD）光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传播速率不完全相同，即 xy，这将导致偏振模色散偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重，通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散消除方法：减小光纤的双折射尽可能增强光纤的双折射，使一个方向的偏振模占主导地位绝对单模光纤单模光纤的波长色散材料色散和波导色散都与频率(波长)有关，统称为波长色散或GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)群速度是表征光信号包络传

36、播速度的量群速度：相速度：色散系数单位长度光纤上光信号的群时延：色散系数（单位波长间隔的群时延差）：波长色散的组成光纤的波长色散组成材料色散波导色散折射率剖面色散材料色散 光波与材料分子谐振子互作用，材料的极化过程的滞后效应导致其电极化率与频率有关。也就是说其折射率与频率有关，一般可表示为：式中i分子谐振的第i个谐振频率 Bi与第i个谐振频率对应的强度石英材料：石英材料：B1=0.6961 B2=0.4079 B3=0.8974 1=0.0684 m 2=0.1162 m 3=9.8962 m10-810-710-610-510-40246石英折射率随波长的变化1.21.31.41.51.61

37、.7x 10-6-20-100102030光纤的材料色散系数波导色散波导色散项00.511.522.53-0.500.511.52单模光纤的色散系数1.21.31.551.65-100102030DmDwDDSF和NZ-DSF1550D(nm)1310G.652（常规SM）G.653(DSF)G.655(NZ-DSF)色散对带宽限制的估算光源谱宽限制其中，s为色散斜率n非零色散点：BL|D|1 n零色散点附近：n信号谱宽限制n非零色散点：n零色散点附近：其中，2.7 SMF的非线性光纤非线性的产生机理光纤的非线性极化光与声子的相互作用几种典型的非线性效应自相位调制（SPM）交叉相位调制（XPM

38、）四波混频（FWM）受激拉曼散射（SRS）受激布里渊散射（SBS）SPM由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM(Self-Phase Modulation)对光纤通信的负面影响光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度有益应用如果工作在光纤的反常色散区，SPM对光信号脉冲有相反的效果，即减轻了脉冲展宽，极端情况下甚至能够压缩光脉冲宽度取得平衡时，可获得光孤子传输光孤子通信孤子(soliton)：非线性波动方程的不弥散解

39、。1834年英国物理学家Scott Russell在发现孤立波；1965年正式命名为孤子(soliton)；1973年在理论上孤子被证明可以在光纤中传播；1980年光纤孤子为实验证实机理如前所述系统框图光孤子源调制器信息数据光检测数据恢复EDFAEDFA信息数据XPM机理同SPM，施加影响者为在同一光纤中传输的其它光波，称交叉相位调制XPM(Cross-Phase Modulation)负面影响XPM对通信的影响主要存在于多波长（WDM）传输系统中在非相干检测时，XPM将造成信号脉冲出现畸变在相干检测时，XPM引入相位噪声，将降低系统的灵敏度有益应用非线性光纤光开关非线性光纤环路镜（NOLM）

40、NOLM：Non-linear Optical Loop Mirror 控制光信号极化控制基本结构单元OTDM的解复用器波长变换FWMFWM(Four Wave Mixing)，由光纤介质的三阶非线性极化引起，存在于DWDM系统中，影响较大DWDM中，由于纤芯细，光载波数量多，纤芯内总的功率密度高，容易引起明显的非线性效应DWDM中，光载波频率规则分布，三阶非线性产生的新频率f1+f2-f3、f2+f3-f1、f1-f2+f3很可能会落在第四个光载波上，从而对其产生串扰克服办法FWM对相位匹配要求很严格，光纤中存在的色散很容易破坏载波间的相位匹配条件应用DWDM时，工作波长不选在光纤的 0 色

41、散波长附近，或在工作波长范围内将光纤故意设计成非0的色散，如G.655光纤有益应用波长变换SRS和SBSSRS：Stimulated Raman Scatter，SBS：Stimulated Brullouin ScatterSPM、XPM和FWM都是三阶非线性极化引起的参量过程，能量和动量仅在光子之间转换；SRS和SBS则为非弹性散射这种非参量过程，转换中部分能量将转化为声子的能量SRS和SBS均表现为单一频率的光入射到光纤中时可生产新频率的散射光（可对多波长通信造成干扰），不同的是，SRS是光子与分子谐振子的相互作用过程；而SBS则是光子与光纤材料晶格的相互作用过程，与前者相比，其频移小、

42、波长范围窄，阈值低（mW量级，前者要到W量级）有益应用放大传感基于SBS的分布式传感系统光源光源光源光源脉冲调制脉冲调制脉冲调制脉冲调制频移检测频移检测频移检测频移检测信号处理信号处理信号处理信号处理应用案例SBS分布式光纤传感的性能和特点SBS光纤传感的性能：空间分辨率：厘米级 监测距离：几十公里温度：1摄氏度 应力：几个微应力石英的拉曼增益谱 距离距离SRS的应用：分布式拉曼放大特点：光纤本身就是增益介质DFRA光发送机光发送机光接收机光接收机光放光放大器大器传输光纤传输光纤光功率光功率加入分布式拉曼放大加入分布式拉曼放大仅有光仅有光放大器放大器光放大器门限光放大器门限泵浦泵浦激光器激光器

43、3.2Tb/s DWDM传输系统2.8 光纤的制造和光缆纯度问题1970年以前用最好的光学玻璃制作的光纤损耗也达到了700dB/km普通方法制造的玻璃杂质浓度较大杂质对光纤的损耗影响非常大例：过渡金属离子（如Fe3+、Cu2+等）浓度达到1ppb时，将引入1dB/km以上的吸收损耗制作损耗小于0.5dB/km的光纤，原料的纯度要达到9个9结论：不能使用生产普通玻璃的方法来制造光纤所需要的玻璃预制棒光纤光缆的制造用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒（典型预制棒长1m，直径2cm）使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉中加热拉丝-光纤光缆集束、封装、加固、成缆光纤预制棒的制造工艺光纤预制

44、棒的制造方法OVD，外部汽相沉积法VAD，汽相轴向沉积法MCVD，改进的化学汽相沉积法PCVD，等离子体化学汽相沉积法光纤拉丝装置示意图光纤拉丝装置示意图光纤拉丝装置示意图光纤拉丝装置示意图制造光纤预制棒制造光纤预制棒制造光纤预制棒制造光纤预制棒的的的的MCVDMCVDMCVDMCVD流程示意图流程示意图流程示意图流程示意图光纤拉丝塔光纤拉丝塔光纤成缆成缆目的增强机械强度增加空间密度防止侵蚀光缆种类紧结构和松结构光缆结构由纤芯、加强芯、骨架、油膏、缓冲层、铠装、外护套等构成紧结构光缆：光纤间隙小松结构光缆抗应力作用强抗应力作用强带状形光缆埋地式光缆和浅水光缆防水、抗应力、鼠咬防水、抗应力、鼠咬光缆种类与应用关系本章小结光纤的分析方法：几何光学、波动光学几何光学方法：研究了阶跃光纤、梯度光纤的时延差问题波动光学理论平面光波导解决思路特征方程模式的概念模式的截止单模传输阶跃光纤Bessel函数特征方程模式截止和单模传输条件单模光纤截止归一化频率截止波长模场直径光纤的传输特性损耗特性，色散（双折射）特性，非线性光纤和光缆的制造