第3章 1-2波动光学基础.ppt

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1、1第第2章章 波动光学基础波动光学基础 在在在在光光光光纤纤纤纤光光光光学学学学中中中中，波波波波的的的的传传传传播播播播问问问问题题题题非非非非常常常常重重重重要要要要。在在在在本本本本章章章章中中中中，将将将将介介介介绍绍绍绍有有有有关关关关波波波波传传传传播播播播中中中中一一一一些些些些重重重重要要要要的的的的基基基基础础础础理理理理论论论论。对对对对一一一一些些些些特特特特殊殊殊殊的的的的概概概概念念念念进进进进行行行行了了了了重重重重点点点点介介介介绍绍绍绍，所所所所有有有有这这这这些些些些概概概概念念念念都与光纤光学直接相关。都与光纤光学直接相关。都与光纤光学直接相关。都与光纤光学

2、直接相关。23.1 3.1 电磁波电磁波3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率 3.3 3.3 偏振偏振3.4 3.4 谐振腔谐振腔3.5 3.5 平面边界上的反射平面边界上的反射3.6 3.6 全反射临界角全反射临界角3.7 3.7 总结和讨论总结和讨论33.1 3.1 电磁波电磁波光光光光波波波波由由由由高高高高速速速速振振振振荡荡荡荡的的的的电电电电场场场场和和和和磁磁磁磁场场场场组组组组成成成成，其其其其振振振振荡荡荡荡频频频频率率率率高高高高达达达达1010101014141414HzHzHzHz量级。量级。量级。量级。概概概概念念念念：波波波波长长长长、波

3、波波波数数数数1/1/1/1/、波波波波的的的的频频频频率率率率f f f f、角角角角频频频频率率率率=2=2=2=2f f f f、传播因子传播因子传播因子传播因子k k k k电磁波的电场可以写为电磁波的电场可以写为电磁波的电场可以写为电磁波的电场可以写为V V V V是是是是波波波波的的的的相相相相速速速速度度度度，t-kzt-kzt-kzt-kz是是是是波波波波的的的的相相相相位位位位，其其其其中中中中kzkzkzkz是是是是波波波波传传传传播播播播z z z z距距距距离后产生的离后产生的离后产生的离后产生的相移相移相移相移。如如如如果果果果在在在在确确确确定定定定的的的的平平平平

4、面面面面上上上上，波波波波的的的的相相相相位位位位是是是是相相相相同同同同的的的的，这这这这样样样样的的的的波波波波是是是是平平平平面波面波面波面波。43.1 3.1 电磁波电磁波图图图图3.1 3.1 3.1 3.1 沿沿沿沿z z z z方向传播的波的电场。图中给出了三个不同方向传播的波的电场。图中给出了三个不同方向传播的波的电场。图中给出了三个不同方向传播的波的电场。图中给出了三个不同时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况引进介质折射率引进介质折射率引进介质折射率引进

5、介质折射率n n，则波的速度可表示为，则波的速度可表示为，则波的速度可表示为，则波的速度可表示为v=c/nv=c/n，所以有，所以有，所以有，所以有自自自自由由由由空空空空间间间间的的的的传传传传播播播播常常常常数数数数用用用用k k0 0表表表表示示示示，因因因因为为为为自自自自由由由由空空空空间间间间的的的的折折折折射射射射率率率率n=1n=1，所以有所以有所以有所以有则在任何介质中的传播常数可表示为则在任何介质中的传播常数可表示为则在任何介质中的传播常数可表示为则在任何介质中的传播常数可表示为根据根据根据根据=v/f=v/f，可以导出，可以导出，可以导出，可以导出这这这这个个个个方方方方

6、程程程程式式式式将将将将介介介介质质质质中中中中的的的的传传传传播播播播常常常常数数数数与与与与介介介介质质质质中中中中的的的的波波波波长长长长联联联联系系系系起起起起来来来来。由由由由于自由空间的波长于自由空间的波长于自由空间的波长于自由空间的波长 0=c/f0=c/f，而介质中的波长，而介质中的波长，而介质中的波长，而介质中的波长=v/f=v/f，所以有，所以有，所以有，所以有6光光光光束束束束的的的的功功功功率率率率与与与与光光光光强强强强（由由由由电电电电场场场场强强强强度度度度的的的的平平平平方方方方）成成成成比比比比例例例例。强强强强度度度度与与与与辐射强度（功率密度）成比例。辐射

7、强度（功率密度）成比例。辐射强度（功率密度）成比例。辐射强度（功率密度）成比例。uu辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特/平方米。平方米。平方米。平方米。uu在在在在波波波波动动动动学学学学中中中中也也也也用用用用光光光光强强强强来来来来描描描描述述述述波波波波的的的的总总总总功功功功率率率率，虽虽虽虽不不不不精精精精确确确确但但但但很很很很普遍。普遍。普遍。普遍。如果在传播过程中波的能量有损耗，描述方程为如果在传播过程中波的能量有损耗，描述方程为如果在传播过程中波的能量有损耗，描述方程为如果在传播过程中波的能量有损耗，描述方程为 是衰减系数。是衰减

8、系数。是衰减系数。是衰减系数。3.1 3.1 电磁波电磁波在在在在损损损损耗耗耗耗介介介介质质质质中中中中，场场场场的的的的传传传传播播播播形形形形态态态态如如如如图图图图3.23.2所所所所示示示示。图图图图中中中中的的的的虚虚虚虚线线线线是是是是因因因因子子子子exp(-exp(-z)z)的曲线的曲线的曲线的曲线。uu光光光光束束束束的的的的强强强强度度度度与与与与其其其其电电电电场场场场强强强强度度度度的的的的平平平平方方方方成成成成正正正正比比比比，所所所所以以以以光光光光束束束束的的的的功功功功率率率率按按按按exp(-2exp(-2 z)z)衰减衰减衰减衰减。uu对于传播长度对于传

9、播长度对于传播长度对于传播长度L L，输出功率与入射功率的比例是输出功率与入射功率的比例是输出功率与入射功率的比例是输出功率与入射功率的比例是exp(-2exp(-2 L)L)。uu用用用用dBdB表示的功率衰减为表示的功率衰减为表示的功率衰减为表示的功率衰减为图图图图3.2 3.2 3.2 3.2 行波的衰减行波的衰减行波的衰减行波的衰减8由由由由上上上上式式式式可可可可以以以以得得得得到到到到衰衰衰衰减减减减系系系系数数数数 与与与与用用用用dB/kmdB/km表表表表示示示示的的的的功功功功率率率率衰衰衰衰减减减减之之之之间间间间的关系，即的关系，即的关系，即的关系，即 式式式式中中中中

10、的的的的单单单单位位位位是是是是kmkmkmkm-1-1-1-1，是是是是用用用用dB/kmdB/kmdB/kmdB/km表表表表示示示示的的的的功功功功率率率率衰衰衰衰减减减减，L L L L是是是是传传传传输输输输距离距离距离距离。一一一一个个个个非非非非常常常常有有有有用用用用的的的的关关关关于于于于输输输输入入入入功功功功率率率率、输输输输出出出出功功功功率率率率及及及及传传传传输输输输损损损损耗耗耗耗之之之之间间间间的的的的关关关关系式，即系式，即系式，即系式，即比尔定律比尔定律比尔定律比尔定律3.1 3.1 电磁波电磁波9实实实实际际际际的的的的光光光光源源源源在在在在一一一一个个

11、个个特特特特定定定定的的的的波波波波长长长长范范范范围围围围内内内内发发发发光光光光。这这这这个个个个范范范范围围围围称称称称为为为为光光光光源源源源的的的的线宽线宽线宽线宽，或者，或者，或者，或者谱宽谱宽谱宽谱宽。uu光源的线宽越窄，其相干性就越好光源的线宽越窄，其相干性就越好光源的线宽越窄，其相干性就越好光源的线宽越窄，其相干性就越好。uu理理理理想想想想的的的的相相相相干干干干光光光光源源源源发发发发射射射射单单单单波波波波长长长长的的的的光光光光，其其其其线线线线宽宽宽宽为为为为0 0，是是是是理理理理想想想想单单单单色色色色的。表的。表的。表的。表3.13.1给出了常用光源的典型线宽

12、值。给出了常用光源的典型线宽值。给出了常用光源的典型线宽值。给出了常用光源的典型线宽值。uu用用用用波波波波长长长长表表表表示示示示的的的的谱谱谱谱宽宽宽宽与与与与由由由由频频频频率率率率 f f表表表表示示示示的的的的带带带带宽宽宽宽之之之之间间间间满满满满足足足足以以以以下下下下关系关系关系关系 式式式式中中中中f f是是是是中中中中心心心心频频频频率率率率，是是是是中中中中心心心心波波波波长长长长，f f是是是是发发发发光光光光的的的的频频频频率率率率范范范范围围围围。无无无无论论论论是以波长还是频率为基础，对光源辐射谱宽的相对值都相同。是以波长还是频率为基础，对光源辐射谱宽的相对值都相

13、同。是以波长还是频率为基础，对光源辐射谱宽的相对值都相同。是以波长还是频率为基础，对光源辐射谱宽的相对值都相同。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率10图图图图3.33.33.33.3给给给给出出出出了了了了典典典典型型型型LEDLEDLEDLED的的的的波波波波长长长长分分分分布布布布与与与与发发发发射射射射功功功功率率率率的的的的关关关关系系系系。一一一一个个个个信信信信号号号号的的的的波波波波长长长长或或或或频频频频率构成，称为其频谱。率构成，称为其频谱。率构成，称为其频谱。率构成，称为其频谱。uu对对对对于于于于图图图图中中中中的的的的LEDLED，其其其其

14、发发发发散散散散中中中中心心心心波波波波长长长长是是是是820nm820nm（0.820.82 mm），线线线线宽宽宽宽通通通通常常常常定定定定义义义义为为为为 半半半半 功功功功 率率率率 点点点点 的的的的 宽宽宽宽 度度度度。图图图图 中中中中 线线线线 宽宽宽宽=30nm=30nm（805nm835nm805nm835nm），带带带带宽宽宽宽比比比比为为为为30/820=0.03730/820=0.037，即，即，即，即3.7%3.7%。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率图图图图3.3 LED3.3 LED3.3 LED3.3 LED的光谱的光谱的光谱的光

15、谱11根根根根据据据据表表表表3.13.13.13.1，半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器（LDLDLDLD）比比比比LEDLEDLEDLED具具具具有有有有更更更更好好好好的的的的相相相相干干干干性性性性。固固固固态的态的态的态的NdNdNdNd：YAGYAGYAGYAG激光器和氦氖气体激光器（激光器和氦氖气体激光器（激光器和氦氖气体激光器（激光器和氦氖气体激光器（HeNeHeNeHeNeHeNe）要更好一些。）要更好一些。）要更好一些。）要更好一些。由由由由于于于于具具具具有有有有尺尺尺尺寸寸寸寸小小小小和和和和功功功功率率率率要要要要求求求求低低低低的的的的优优优优点点点点

16、，使使使使得得得得LEDLEDLEDLED和和和和LDLDLDLD成成成成为为为为光光光光纤纤纤纤通信系统中使用最多的光源，虽然其线宽远远大于其他激光器。通信系统中使用最多的光源，虽然其线宽远远大于其他激光器。通信系统中使用最多的光源，虽然其线宽远远大于其他激光器。通信系统中使用最多的光源，虽然其线宽远远大于其他激光器。考考考考察察察察一一一一个个个个光光光光源源源源的的的的时时时时候候候候是是是是不不不不是是是是不不不不用用用用考考考考虑虑虑虑其其其其带带带带宽宽宽宽呢呢呢呢？即即即即，是是是是否否否否可可可可以以以以将将将将其其其其当当当当作作作作理理理理想想想想的的的的相相相相干干干干光

17、光光光源源源源？或或或或者者者者，是是是是否否否否真真真真的的的的需需需需要要要要考考考考虑虑虑虑其其其其相相相相干干干干性性性性不好所带来的问题。不好所带来的问题。不好所带来的问题。不好所带来的问题。我我我我们们们们将将将将探探探探究究究究光光光光源源源源的的的的谱谱谱谱宽宽宽宽对对对对光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统的的的的信信信信息息息息容容容容量量量量有有有有什什什什么么么么限限限限制制制制，如如如如果果果果因因因因此此此此而而而而受受受受限限限限制制制制的的的的信信信信息息息息容容容容量量量量大大大大于于于于系系系系统统统统要要要要求求求求，则则则则可可可可以以以以不

18、不不不考考考考虑虑虑虑光光光光源的非相干性。源的非相干性。源的非相干性。源的非相干性。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率12色色色色散散散散：介介介介质质质质的的的的折折折折射射射射率率率率是是是是随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化的的的的，于于于于是是是是波波波波的的的的速速速速度度度度也也也也随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化，我我我我们们们们将将将将速速速速度度度度随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化的的的的这这这这种特性称为色散。种特性称为色散。种特性称为色散。种特性称为色散。uu材材材材料料料料色色色色散散散散：如如如如果果果果速速速速度

19、度度度的的的的变变变变化化化化是是是是由由由由材材材材料料料料的的的的某某某某些些些些性性性性质引起的，则称之为材料色散。质引起的，则称之为材料色散。质引起的，则称之为材料色散。质引起的，则称之为材料色散。uu波波波波导导导导色色色色散散散散：对对对对于于于于光光光光纤纤纤纤和和和和其其其其他他他他波波波波导导导导，色色色色散散散散也也也也可可可可能能能能由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2

20、.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变133.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.4 3.4 3.4 3.4 在色散材料中传播时产在色散材料中传播时产在色散材料中传播时产在色散材料中传播时产生的脉冲展宽。全脉冲由波长生的脉冲展宽。全脉冲由波长生的脉冲展宽。全脉冲由波长生的脉冲展宽。全脉冲由波长1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3的三个子脉冲构的三个子脉冲构的三个子脉冲构的三个子脉冲构成，波长不同的脉冲以不同的成，波长不同的脉冲以不同的成，波长不同的脉冲以不同的成，波长不同的脉冲以不同的

21、速度传播速度传播速度传播速度传播脉脉脉脉冲冲冲冲传传传传输输输输得得得得越越越越远远远远，其其其其展宽就越严重。展宽就越严重。展宽就越严重。展宽就越严重。14色色色色散散散散同同同同样样样样会会会会使使使使模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号产产产产生生生生失失失失真真真真。如如如如图图图图3.53.53.53.5，在在在在输输输输入入入入端端端端，三三三三个个个个波波波波长长长长在在在在相相相相位位位位上上上上变变变变化化化化相相相相同同同同，叠叠叠叠加加加加在在在在一一一一起起起起产产产产生生生生一一一一个个个个更更更更大大大大的的的的信号变化。信号变化。信号变化。信号变化。在在在在色色色色散

22、散散散介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播一一一一段段段段距距距距离离离离后后后后，这这这这些些些些不不不不同同同同波波波波长长长长的的的的信信信信号号号号相相相相位位位位不不不不再再再再相相相相同同同同。当当当当叠叠叠叠加加加加在在在在一一一一起起起起时时时时，所所所所形形形形成成成成信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度变变变变得得得得低于输入信号的幅度低于输入信号的幅度低于输入信号的幅度低于输入信号的幅度。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.5 3.5 3.5 3.5 色散导致模拟信

23、号色散导致模拟信号色散导致模拟信号色散导致模拟信号的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减15色色色色散散散散没没没没有有有有改改改改变变变变平平平平均均均均功功功功率率率率或或或或调调调调制制制制频频频频率率率率，但但但但减减减减小小小小了了了了信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度变变变变化化化化。传传传传输输输输的的的的信信信信息息息息就就就就包包包包含含含含在在在在信信信信号号号号的的的的变变变变化化化化之之之之中中中中，这这这这种种种种幅幅幅幅度衰减很烦忧。度衰减很烦忧。度衰减很烦忧。度衰减很烦忧。可可可可以以以以将将将将这这这这种种种种结结结结果果果果看看看看做做做做是是是是信信

24、信信号号号号峰峰峰峰值值值值的的的的扩扩扩扩展展展展（降降降降低低低低其其其其幅幅幅幅度度度度）和和和和波波波波谷谷谷谷的的的的填填填填充充充充（抬抬抬抬高高高高其其其其幅幅幅幅度度度度）。过过过过度度度度的的的的展展展展宽宽宽宽将将将将造造造造成成成成信信信信号号号号变变变变化化化化的损耗的损耗的损耗的损耗。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.5 3.5 3.5 3.5 色散导致模拟信号色散导致模拟信号色散导致模拟信号色散导致模拟信号的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减16由由由由材材材材

25、料料料料色色色色散散散散（或或或或波波波波导导导导色色色色散散散散）引引引引起起起起的的的的信信信信号号号号畸畸畸畸变变变变可可可可通通通通过过过过使使使使用用用用窄线宽光源来降低，即使用窄线宽光源来降低，即使用窄线宽光源来降低，即使用窄线宽光源来降低，即使用相干性相干性相干性相干性更好的发光器件。更好的发光器件。更好的发光器件。更好的发光器件。原原原原则则则则上上上上，可可可可以以以以通通通通过过过过在在在在发发发发射射射射机机机机或或或或接接接接收收收收机机机机端端端端对对对对光光光光束束束束进进进进行行行行滤滤滤滤波波波波来减小色散畸变。但这种技术有两个缺点：来减小色散畸变。但这种技术有

26、两个缺点：来减小色散畸变。但这种技术有两个缺点：来减小色散畸变。但这种技术有两个缺点：uu一、很难制造出一、很难制造出一、很难制造出一、很难制造出通带足够窄通带足够窄通带足够窄通带足够窄的滤波器；的滤波器；的滤波器；的滤波器；uu二二二二、窄窄窄窄带带带带滤滤滤滤波波波波器器器器去去去去除除除除了了了了带带带带外外外外波波波波长长长长的的的的光光光光，因因因因此此此此大大大大大大大大降降降降低了光功率低了光功率低了光功率低了光功率。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变石石石石英英英英(SiO(SiO2 2)

27、玻玻玻玻璃璃璃璃的的的的折折折折射射射射率率率率与与与与波波波波长长长长的的的的关关关关系系系系如如如如图图图图3.63.6所所所所示示示示。有有有有几几几几个个个个值值值值得得得得注注注注意意意意的的的的特性：特性：特性：特性：uu折折折折射射射射率率率率随随随随波波波波长长长长的的的的增增增增加加加加而而而而降降降降低低低低，图图图图3.6(a)3.6(a)中中中中曲曲曲曲线线线线的的的的斜斜斜斜率率率率是是是是负负负负值值值值。斜斜斜斜率率率率的的的的大大大大小小小小随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化；在在在在某某某某个个个个特特特特定定定定波波波波长长长长(0 0)，折折折折射射

28、射射率率率率曲曲曲曲线线线线存存存存在在在在一一一一个个个个拐拐拐拐点点点点，曲线的斜率最小。曲线的斜率最小。曲线的斜率最小。曲线的斜率最小。uu如如如如图图图图3.6(b)3.6(b)，图图图图中中中中曲曲曲曲线线线线的的的的斜斜斜斜率率率率在在在在 0 0 处为处为处为处为0 0。uu图图图图3.6(c)3.6(c)是是是是折折折折射射射射率率率率对对对对波波波波长长长长的的的的二二二二阶阶阶阶导导导导函函函函数数数数曲曲曲曲线线线线。对对对对纯纯纯纯SiOSiO2 2，拐拐拐拐点点点点在在在在1.31.3 mm附近附近附近附近。图图图图3.6 3.6 3.6 3.6 石英玻璃的折射石英玻

29、璃的折射石英玻璃的折射石英玻璃的折射率与波长的关系曲线率与波长的关系曲线率与波长的关系曲线率与波长的关系曲线18定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。假假假假设设设设是是是是脉脉脉脉冲冲冲冲传传传传输输输输距距距距离离离离L L L L所所所所需需需需时时时时间间间间，图图图图3.73.73.73.7给给给给出出出出了了了了单单单单位位位位距距距距离离离离的传输时间的传输时间的传输时间的传输时间(L)L)L)L)与波长之间的关系。与波长之间的关系。与波长之间的关系。与波长之间的关系

30、。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.7 3.7 3.7 3.7 单位长度的传输时间。单位长度的传输时间。单位长度的传输时间。单位长度的传输时间。（a a a a）非色散介质；（）非色散介质；（）非色散介质；（）非色散介质；（b b b b）色散介质）色散介质）色散介质）色散介质非非非非色色色色散散散散介介介介质质质质中中中中，传传传传输输输输时时时时间间间间与与与与波波波波长长长长不不不不相相相相关。关。关。关。色色色色散散散散介介介介质质质质中中中中，传传传传输输输输时间取决于波长。时间取决

31、于波长。时间取决于波长。时间取决于波长。19假假假假设设设设一一一一个个个个脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的最最最最短短短短波波波波长长长长和和和和最最最最长长长长波波波波长长长长分分分分别别别别为为为为 1 1和和和和 2 2，求求求求解解解解脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的展宽。展宽。展宽。展宽。假假假假设设设设这这这这两两两两个个个个波波波波长长长长是是是是光光光光源源源源所所所所发发发发光光光光的的的的通通通通带带带带边边边边缘缘缘缘，即即即即可可可可令令令令 2 2-1 1=，两两两两个极端波长信号单位长度传输时间的差值为个极端波长信号单位长度传输时间的差值为个极端波长信号单位长度传输时间的差值为个

32、极端波长信号单位长度传输时间的差值为(L)L)表表表表示示示示单单单单位位位位长长长长度度度度上上上上的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽，通通通通常常常常简简简简单单单单（不不不不够够够够严严严严密密密密）称称称称为脉冲展宽。为脉冲展宽。为脉冲展宽。为脉冲展宽。=2 2-1 1是实际的脉冲展宽，显然，是实际的脉冲展宽，显然，是实际的脉冲展宽，显然，是实际的脉冲展宽，显然，=L=L(L)L)。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变20光光光光脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的波波波波长长长长范范范范围围围围并并并并

33、没没没没有有有有严严严严格格格格的的的的起起起起始始始始点点点点和和和和结结结结束束束束点点点点。脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的宽宽宽宽度度度度由由由由其其其其起起起起始始始始点点点点和和和和结结结结束束束束点点点点的的的的定定定定义义义义决决决决定定定定，有有有有很很很很多多多多种种种种不不不不同同同同的的的的定定定定义义义义方方方方法，但都是基于脉冲到达某个相对于其峰值高度的时间。法，但都是基于脉冲到达某个相对于其峰值高度的时间。法，但都是基于脉冲到达某个相对于其峰值高度的时间。法，但都是基于脉冲到达某个相对于其峰值高度的时间。本书使用的定义：本书使用的定义：本书使用的定义：本书使用的定义：全宽

34、半高全宽半高全宽半高全宽半高（FDHMFDHMFDHMFDHM）uu脉脉脉脉冲冲冲冲宽宽宽宽度度度度是是是是光光光光功功功功率率率率升升升升到到到到峰峰峰峰值值值值的的的的一一一一半半半半到到到到降降降降低低低低到到到到峰峰峰峰值值值值的的的的一一一一半半半半的时间间隔，称为全宽半高，如图的时间间隔，称为全宽半高，如图的时间间隔，称为全宽半高，如图的时间间隔，称为全宽半高，如图3.43.43.43.4所示。所示。所示。所示。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变21如图如图如图如图3.7(b)3.7(b)3.

35、7(b)3.7(b)所示，用所示，用所示，用所示，用(L)L)L)L)表示表示表示表示 L L曲线的斜率，则有曲线的斜率，则有曲线的斜率，则有曲线的斜率，则有 或或或或分析表明分析表明分析表明分析表明3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.7 3.7 3.7 3.7 单位长度的传输单位长度的传输单位长度的传输单位长度的传输时间。（时间。（时间。（时间。（b b b b）色散介质）色散介质）色散介质）色散介质22对对对对于于于于上上上上式式式式，可可可可以以以以从从从从图图图图3.6(c)3.6(c)

36、3.6(c)3.6(c)得得得得到到到到更更更更为为为为形形形形象象象象的的的的理理理理解解解解。结结结结合合合合方方方方程式程式程式程式 可得到可得到可得到可得到定义材料色散为定义材料色散为定义材料色散为定义材料色散为3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.63.63.63.6（c c c c）图图图图3.83.83.83.8画画画画出出出出了了了了纯纯纯纯SiOSiOSiOSiO2 2 2 2的的的的材材材材料料料料色色色色散散散散与与与与自自自自由空间波长之间的关系曲线。由空间波长之间的关系曲

37、线。由空间波长之间的关系曲线。由空间波长之间的关系曲线。材材材材料料料料色色色色散散散散的的的的单单单单位位位位是是是是ps/(nmps/(nmps/(nmps/(nmkm)km)km)km)，其其其其物物物物理理理理含含含含义义义义是是是是光光光光源源源源谱谱谱谱宽宽宽宽每每每每纳纳纳纳米米米米在在在在传传传传播播播播路路路路径径径径上上上上传传传传输输输输每每每每千千千千米米米米的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽皮皮皮皮秒秒秒秒数。数。数。数。当当当当M M M M为正时，脉冲展宽将是负值为正时，脉冲展宽将是负值为正时，脉冲展宽将是负值为正时，脉冲展宽将是负值，即即即即 即即即即波波

38、波波长长长长越越越越短短短短传传传传输输输输时时时时间间间间越越越越长长长长，或或或或长长长长波波波波长信号要传输的快一些。长信号要传输的快一些。长信号要传输的快一些。长信号要传输的快一些。图图图图3.8 3.8 3.8 3.8 纯纯纯纯siOsiOsiOsiO2 2 2 2的材料色散，的材料色散，的材料色散，的材料色散，与图与图与图与图3.6(c)3.6(c)3.6(c)3.6(c)非常相似非常相似非常相似非常相似图图图图3.63.63.63.6（c c c c）根根根根据据据据图图图图3.83.8，对对对对于于于于纯纯纯纯SiOSiO2 2，波波波波长长长长小小小小于于于于1.31.3 m

39、m时时时时MM大于零大于零大于零大于零。当当当当MM小小小小于于于于零零零零，脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽是是是是正正正正值值值值，短短短短波波波波长长长长脉脉脉脉冲冲冲冲传传传传输输输输得得得得传传传传输输输输得得得得快快快快些些些些（其其其其传传传传输输输输时时时时间间间间要要要要短短短短些些些些）。对对对对于于于于纯纯纯纯SiOSiO2 2，当当当当波波波波长长长长大大大大于于于于1.31.3 mm时时时时，就就就就属属属属于于于于这这这这种种种种情情情情形形形形。计计计计算算算算总总总总的的的的色色色色散散散散时时时时，必必必必须须须须将将将将脉冲展宽的符号计算在内。脉冲展宽的符号

40、计算在内。脉冲展宽的符号计算在内。脉冲展宽的符号计算在内。图图图图3.8 3.8 3.8 3.8 纯纯纯纯siOsiOsiOsiO2 2 2 2的材料色散，的材料色散，的材料色散，的材料色散，与图与图与图与图3.6(c)3.6(c)3.6(c)3.6(c)非常相似非常相似非常相似非常相似图图图图3.63.63.63.6（c c c c）对对对对于于于于纯纯纯纯SiOSiO2 2，在在在在1.31.3 mm处处处处材材材材料料料料色色色色散散散散为为为为零零零零，在在在在这这这这个个个个波波波波长长长长上上上上，由由由由于于于于材材材材料料料料色散引起的脉冲展宽也为零。色散引起的脉冲展宽也为零。

41、色散引起的脉冲展宽也为零。色散引起的脉冲展宽也为零。用用用用于于于于制制制制造造造造光光光光纤纤纤纤的的的的石石石石英英英英玻玻玻玻璃璃璃璃的的的的零零零零材材材材料料料料色色色色散散散散波波波波长长长长也也也也在在在在1.31.3 mm附附附附近近近近。通通通通过过过过掺掺掺掺杂杂杂杂，可可可可以以以以在在在在大大大大约约约约0.10.1 mm的的的的范范范范围围围围内内内内改改改改变零色散波长。变零色散波长。变零色散波长。变零色散波长。图图图图3.8 3.8 3.8 3.8 纯纯纯纯siOsiOsiOsiO2 2 2 2的材料色散，的材料色散，的材料色散，的材料色散，与图与图与图与图3.6

42、(c)3.6(c)3.6(c)3.6(c)非常相似非常相似非常相似非常相似图图图图3.63.63.63.6（c c c c）26实实实实际际际际上上上上，即即即即使使使使系系系系统统统统工工工工作作作作在在在在零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长附附附附近近近近，完完完完全全全全忽忽忽忽略略略略材材材材料料料料色色色色散散散散也也也也是是是是不不不不对对对对的的的的，因因因因为为为为光光光光源源源源不不不不可可可可能能能能精精精精确确确确地地地地在在在在零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长处处处处发发发发光光光光，波波波波长将随温度和驱动电流的变化在零色散波长附近变化。长将随温度和驱动

43、电流的变化在零色散波长附近变化。长将随温度和驱动电流的变化在零色散波长附近变化。长将随温度和驱动电流的变化在零色散波长附近变化。而而而而且且且且，现现现现实实实实中中中中的的的的光光光光源源源源不不不不可可可可能能能能在在在在某某某某个个个个单单单单一一一一波波波波长长长长上上上上发发发发光光光光，而而而而是是是是在在在在一一一一个波长范围内发光个波长范围内发光个波长范围内发光个波长范围内发光。因因因因此此此此，在在在在设设设设计计计计1300nm1300nm附附附附近近近近系系系系统统统统时时时时，通通通通常常常常会会会会规规规规定定定定允允允允许许许许的的的的最最最最大大大大脉脉脉脉冲展宽

44、值。冲展宽值。冲展宽值。冲展宽值。uu例例例例如如如如：若若若若使使使使用用用用线线线线宽宽宽宽小小小小于于于于或或或或等等等等于于于于2nm2nm的的的的半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器时时时时，允允允允许的最大脉冲展宽为许的最大脉冲展宽为许的最大脉冲展宽为许的最大脉冲展宽为3ps/km3ps/km。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变在在在在1200nm1600nm1200nm1600nm范范范范围围围围内内内内，色色色色散散散散曲曲曲曲线线线线几几几几乎乎乎乎是是是是一一一一条条条条直

45、直直直线线线线。在在在在这这这这个个个个范范范范围围围围内内内内，对对对对于于于于石石石石英英英英光光光光纤纤纤纤色色色色散散散散系系系系数数数数计计计计算算算算，有有有有一一一一个个个个非非非非常有用的近似表达式常有用的近似表达式常有用的近似表达式常有用的近似表达式 式式式式中中中中，斜斜斜斜率率率率MM0 0-0.095ps/(nm-0.095ps/(nm2 2km)km)，0 0是是是是零零零零色色色色散散散散波波波波长长长长，式式式式中中中中所所所所有有有有波波波波长长长长的的的的单单单单位位位位都都都都是是是是nmnm。通通通通常常常常，光光光光纤纤纤纤制制制制造造造造商商商商都都都

46、都会会会会给给给给出出出出MM0 0、0 0的的的的值值值值。前前前前面面面面带带带带负负负负号号号号是是是是因因因因为为为为色色色色散散散散曲线的斜率是负的。曲线的斜率是负的。曲线的斜率是负的。曲线的斜率是负的。国国国国内内内内绝绝绝绝大大大大多多多多少少少少数数数数作作作作者者者者采采采采用用用用与与与与本本本本书书书书相相相相反反反反的的的的符符符符号号号号规规规规则则则则，色色色色散散散散曲曲曲曲线线线线的的的的斜斜斜斜率率率率大大大大于于于于零零零零，式（式（式（式（3.143.14）中的负号也就没有了。）中的负号也就没有了。）中的负号也就没有了。）中的负号也就没有了。图图图图3.8

47、3.83.83.828脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽会会会会降降降降低低低低光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统的的的的带带带带宽宽宽宽和和和和数数数数据据据据容容容容量量量量。正正正正因因因因为为为为如如如如此此此此，各各各各种种种种减减减减小小小小脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽的的的的技技技技术术术术应应应应运运运运而而而而生生生生。在在在在诸诸诸诸多多多多项项项项技技技技术术术术中中中中，已已已已经经经经介介介介绍过的包括：绍过的包括：绍过的包括：绍过的包括：uu（1 1 1 1）工作在零色散波长上；）工作在零色散波长上；）工作在零色散波长上；）工作在零色散波长上；uu（

48、2 2 2 2）选用具有强相干性（小的谱宽）的光源。）选用具有强相干性（小的谱宽）的光源。）选用具有强相干性（小的谱宽）的光源。）选用具有强相干性（小的谱宽）的光源。从从从从20202020世世世世纪纪纪纪80808080年年年年代代代代中中中中期期期期，这这这这些些些些解解解解决决决决方方方方法法法法就就就就得得得得到到到到普普普普遍遍遍遍采采采采用用用用（通通通通常常常常共共共共同使用）。同使用）。同使用）。同使用）。现现现现阶阶阶阶段段段段，采采采采用用用用将将将将光光光光纤纤纤纤的的的的零零零零色色色色散散散散点点点点移移移移位位位位到到到到低低低低损损损损耗耗耗耗波波波波长长长长的的

49、的的解解解解决决决决方方方方案案案案，同时生产相干性更好的激光光源。同时生产相干性更好的激光光源。同时生产相干性更好的激光光源。同时生产相干性更好的激光光源。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.2 3.2.2 光孤子光孤子29另外一种减小脉冲展宽的措施是采用另外一种减小脉冲展宽的措施是采用另外一种减小脉冲展宽的措施是采用另外一种减小脉冲展宽的措施是采用光孤子光孤子光孤子光孤子传输技术。传输技术。传输技术。传输技术。光光光光孤孤孤孤子子子子在在在在光光光光纤纤纤纤中中中中传传传传输输输输时时时时不不不不改改改改变变变变其其其其形形形形状状状状，而而而而且且且且

50、脉脉脉脉冲冲冲冲不不不不展展展展宽宽宽宽。这一点是怎么做到的呢？这一点是怎么做到的呢？这一点是怎么做到的呢？这一点是怎么做到的呢？3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.2 3.2.2 光孤子光孤子 图图图图 光纤中基态孤子光纤中基态孤子光纤中基态孤子光纤中基态孤子随传播距离的演化随传播距离的演化随传播距离的演化随传播距离的演化30色色色色散散散散导导导导致致致致光光光光源源源源的的的的某某某某些些些些波波波波长长长长比比比比其其其其他他他他波波波波长长长长传传传传输输输输的的的的快快快快，脉脉脉脉冲冲冲冲被被被被展展展展宽宽宽宽。光纤是否具有抗拒这种趋势的性质