第2章 光纤与光缆精选文档.ppt

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1、第第2 2章章 光纤与光缆光纤与光缆本讲稿第一页，共八十页第第2 2章章 光纤与光缆光纤与光缆v光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波，并通过光纤来传光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波，并通过光纤来传递信息的通信系统。递信息的通信系统。v从从2020世纪世纪7070年代开始，光纤通信快速发展，目前在世界范围年代开始，光纤通信快速发展，目前在世界范围内成为最重要的通信手段。内成为最重要的通信手段。v利用光纤作为传输介质的光纤通信，有如下优点：利用光纤作为传输介质的光纤通信，有如下优点：(1)(1)载波频率高有极大的通信容量；载波频率高有极大的通信容量；(2)(2)直径细，质量轻；直径细，质量

2、轻；(3)(3)基质材料是石英，来源丰富，可以节约大量金属；基质材料是石英，来源丰富，可以节约大量金属；(4)(4)不受电磁干扰，同时也不产生电磁干扰。不受电磁干扰，同时也不产生电磁干扰。本讲稿第二页，共八十页第第2 2章章 光纤与光缆光纤与光缆 2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式1 2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆2 2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性3 2.4 2.4 光纤的种类光纤的种类4本讲稿第三页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式1 2.1.1 2.1.1 光纤的结构光纤的结构2 2.1.2 2.1.2 阶跃

3、折射率阶跃折射率 光纤分析的光纤分析的 基本概念基本概念3 2.1.3 2.1.3 阶跃折射阶跃折射 率光纤的率光纤的 模式分析模式分析本讲稿第四页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 2.1.1 光纤的结构光纤的结构v光纤的全称是光导纤维光纤的全称是光导纤维(Optical Fiber)(Optical Fiber)，是一种传输光能量的介，是一种传输光能量的介质结构，所传光的波长在可见光和红外光区域。其基本结构如图质结构，所传光的波长在可见光和红外光区域。其基本结构如图1.11.1所示。所示。v光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是

4、纤心的折射率（至纤心的折射率（至少在截面的某些区域）大于包层的折射率。护套在光学上几乎与少在截面的某些区域）大于包层的折射率。护套在光学上几乎与纤心隔绝，可以忽略其影响。纤心内，折射率分布可以是均匀的纤心隔绝，可以忽略其影响。纤心内，折射率分布可以是均匀的或是渐变的，也可能是更复杂的分布。或是渐变的，也可能是更复杂的分布。本讲稿第五页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v图图2.12.1给出了一些常见光纤的折射率分布。给出了一些常见光纤的折射率分布。图图2.1 2.1 光纤的折射率分布光纤的折射率分布本讲稿第六页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v

5、根据光纤中光场的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光根据光纤中光场的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。纤。v折射率折射率 由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义相对由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义相对折射率差折射率差 ，通常单模光纤的相对折射率差，通常单模光纤的相对折射率差 满足满足 ，多模光纤的相对折射率差，多模光纤的相对折射率差 满足满足 。v可见，可见，是弱导光波导。制作光纤的，是弱导光波导。制作光纤的材料通常有高纯石英材料通常有高纯石英()()、多组分玻璃和有机聚合物等材、多组分玻璃和有机聚合物等材料，详细情况参见料，详细情况参见2.2节。节。本讲稿第七页，共八十页

6、2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 2.1.2 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念阶跃折射率光纤分析的基本概念 1.子午线的数值孔径子午线的数值孔径v在光纤中，光线有两种，一种是始终处在一个平面里，经过波导的中在光纤中，光线有两种，一种是始终处在一个平面里，经过波导的中心轴线，在光纤心与包层界面上作全反射，呈锯齿形，这种射线称为心轴线，在光纤心与包层界面上作全反射，呈锯齿形，这种射线称为子午线，如图子午线，如图2.2(a)2.2(a)所示。所示。v另一种光线不在同一平面里，不经过光纤的中心轴线，但仍在光纤心另一种光线不在同一平面里，不经过光纤的中心轴线，但仍在光纤心与包层的

7、界面上作全反射，这种光线的范围是在边界面和焦散面之间，与包层的界面上作全反射，这种光线的范围是在边界面和焦散面之间，称为偏射线，如图称为偏射线，如图2.2(b)2.2(b)所示。所示。本讲稿第八页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v子午线是平面曲线，偏射线是空间曲线。偏射线的极限子午线是平面曲线，偏射线是空间曲线。偏射线的极限 是焦散面与心包层界面重合，这时偏射线称为螺旋线，是焦散面与心包层界面重合，这时偏射线称为螺旋线，如图如图2.2(c)2.2(c)所示。所示。图图2.2 2.2 子午线和偏射线子午线和偏射线本讲稿第九页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤

8、的结构与模式v 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念阶跃折射率光纤分析的基本概念v光纤端面外侧是另外一种介质，一般是空气，其折射率为光纤端面外侧是另外一种介质，一般是空气，其折射率为 ，入射光线与光纤轴成，入射光线与光纤轴成 角，根据折射率定律，有角，根据折射率定律，有 (2.1)(2.1)v只有当入射角只有当入射角 大于临界角大于临界角 时，光才在波导内作全反时，光才在波导内作全反 射，才可以形成导波，因此，射，才可以形成导波，因此，即，即 。为了得到导波，外面光线的入射角为了得到导波，外面光线的入射角 必须满足下式：必须满足下式：本讲稿第十页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光

9、纤的结构与模式 (2.2)(2.2)v即即 。v可以激发导波的入射光线的最大角度可以激发导波的入射光线的最大角度 的正弦值即为数值孔的正弦值即为数值孔径径NA。v一般情况下一般情况下 ，则数值孔径，则数值孔径 。数值孔径越。数值孔径越大，则入射光线越容易进入光纤形成导波。此计算是依据子午线而进大，则入射光线越容易进入光纤形成导波。此计算是依据子午线而进行的，偏射线需要修正。行的，偏射线需要修正。本讲稿第十一页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 2.1.2 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念阶跃折射率光纤分析的基本概念v2 2偏射线偏射线v入射光线入射光线 ，其方

10、向单位矢量，其方向单位矢量 ，,为光线的方向余弦，即与坐标之间的夹角余弦。为光线的方向余弦，即与坐标之间的夹角余弦。入射到波导端面上的某一点入射到波导端面上的某一点 ，。光。光线进入光纤后，在界面上进行全反射，每段射线为线进入光纤后，在界面上进行全反射，每段射线为 ,，其单位矢为，其单位矢为 ,，这些射线不经过轴线。，这些射线不经过轴线。本讲稿第十二页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切，这个平面与光纤有在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切，这个平面与光纤有一条切线，且与光纤轴线平行，每一个交点与轴线之间的距离为一条切线，

11、且与光纤轴线平行，每一个交点与轴线之间的距离为 ,，反射时有如下规律：，反射时有如下规律：v(1)(1)入射光线、反射光线和法线现在一个平面内，法线为入射光线、反射光线和法线现在一个平面内，法线为 ，用，用数学式子表示为数学式子表示为 (2.3)(2.3)v(2)(2)入射角等于反射角，用数学式子表示为入射角等于反射角，用数学式子表示为 (2.4)(2.4)本讲稿第十三页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v(3)(3)若若 大于大于 ，则可以得到全反射，即，则可以得到全反射，即 (2.5)(2.5)v(4)(4)端面偏射线数值孔径端面偏射线数值孔径v在光纤始端，什么样的

12、射线在光纤始端，什么样的射线 能被光纤捕获得以在光纤内作全反能被光纤捕获得以在光纤内作全反射传输呢？应用式射传输呢？应用式(2.5)(2.5)，当，当 时，可得时，可得本讲稿第十四页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v由图由图2.3 2.3 可见，可见，。图图2.3 2.3 端面偏射线数值孔径端面偏射线数值孔径本讲稿第十五页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v若有全反射，则若有全反射，则 ，故，故 ，。从端面入射时，从端面入射时，偏射线的数值孔径为，偏射线的数值孔径为 (2.6)(2.6)v由于式由于式(2.6)(2.6)中中 1 1，故偏射线的

13、数值孔径要比子午光线，故偏射线的数值孔径要比子午光线大。当大。当 时，偏射线成为螺旋光线。时，偏射线成为螺旋光线。本讲稿第十六页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v2.1.3 2.1.3 阶跃折射率光纤的模式分析阶跃折射率光纤的模式分析v在光纤中传输的光可视为经典的电磁波，光纤可看做是由纤心和在光纤中传输的光可视为经典的电磁波，光纤可看做是由纤心和包层组成的无限长圆柱，则光纤中的电磁场形式：包层组成的无限长圆柱，则光纤中的电磁场形式：v式中，式中，为光纤传输常数。不同的为光纤传输常数。不同的 所对应的电磁场在横截面内的所对应的电磁场在横截面内的分布分布 各不相同，称为光

14、纤的模式。各不相同，称为光纤的模式。本讲稿第十七页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 1 1模式本征方程模式本征方程v在直角坐标系下，展开麦克斯韦方程在直角坐标系下，展开麦克斯韦方程 得到得到(2.7)(2.7)本讲稿第十八页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v经过变换后，得到经过变换后，得到 (2.8)(2.8)v式式(2.8)(2.8)说明说明 满足亥姆霍兹方程，这是完全合理的。按上述相满足亥姆霍兹方程，这是完全合理的。按上述相同的方法，令同的方法，令 ，则可以得到与上述类似的关于，则可以得到与上述类似的关于 的方程，的方程，因此实际的模式

15、可以有如下形式：因此实际的模式可以有如下形式：(2.9)(2.9)v式中，式中，a,b 是任意常数；是任意常数；是是 x 方向线偏振模；方向线偏振模；是是 y 方方向线偏振模。向线偏振模。本讲稿第十九页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v从以上两组线偏振模从以上两组线偏振模LP模中取一组，模中取一组，例如例如 。若光纤中折射率变化很小，二阶以上的变化率可以忽略，则若光纤中折射率变化很小，二阶以上的变化率可以忽略，则有有本讲稿第二十页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v因此，可以认为下述三种说法是一致的。因此，可以认为下述三种说法是一致的。(1)(

16、1)模式场中关于横坐标的二阶变化率趋于零。模式场中关于横坐标的二阶变化率趋于零。(2)(2)在边界上连续，在边界上连续，只有分量只有分量 ，这相当于把电磁场看，这相当于把电磁场看成标量，所以又称为标量近似。成标量，所以又称为标量近似。(3)(3)纤心和包层之间的折射率纤心和包层之间的折射率 变化很小，即变化很小，即1 1 为为弱导光波导。所以，标量近似又称为弱导近似。在标量近似下，弱导光波导。所以，标量近似又称为弱导近似。在标量近似下，两组线偏振模为两组线偏振模为 本讲稿第二十一页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 电磁场的横向分量互相垂直，且成比例，类似于矢量法中的电

17、磁场的横向分量互相垂直，且成比例，类似于矢量法中的TE,TM 模。在标量近似下，线偏振模仍然具有圆对称性，即模。在标量近似下，线偏振模仍然具有圆对称性，即 (2.10)(2.10)v下面以一组线偏振模下面以一组线偏振模 为例，求解在圆柱坐标系下为例，求解在圆柱坐标系下 满足亥姆霍兹满足亥姆霍兹 方程：方程：(2.11)(2.11)在圆柱坐标系下，式在圆柱坐标系下，式(2.11)(2.11)是贝塞尔方程，是贝塞尔方程，是贝塞尔方程的解，是贝塞尔方程的解，为贝塞尔函数。为贝塞尔函数。本讲稿第二十二页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v考虑到考虑到 在圆柱内的值必为有限，当在

18、圆柱内的值必为有限，当 ,时，则时，则 (2.12)(2.12)式中，式中，A,BA,B为任意常数；为任意常数；为第一类贝塞尔函数；为第一类贝塞尔函数；为第二类变型（虚宗量）贝塞尔函数。为第二类变型（虚宗量）贝塞尔函数。v因此，可求出其他场分量：因此，可求出其他场分量：(2.13)(2.13)本讲稿第二十三页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 (2.14)(2.14)(2.15)(2.15)本讲稿第二十四页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v由边界条件确定关于由边界条件确定关于 的特征方程：的特征方程：(2.19)(2.19)式式(2.19)(2

19、.19)是关于是关于 的特征方程。的特征方程。v利用贝塞尔函数的递推公式，可得利用贝塞尔函数的递推公式，可得 (2.20)(2.20)或或 (2.21)(2.21)这就是这就是LPLP模式的特征（本征）方程。模式的特征（本征）方程。本讲稿第二十五页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v本征方程是超越方程，只能求数值解，解的步骤如下：本征方程是超越方程，只能求数值解，解的步骤如下：v(1)(1)根据光纤的心径根据光纤的心径 a、相对折射率、相对折射率 以及工作波以及工作波长来确定归一化频率长来确定归一化频率V：(2.22)(2.22)v(2)(2)利用利用 或或 求解特征方

20、程，得求解特征方程，得到到 U 或或 W，再由，再由 或或 得到得到 。v(3)(3)已知已知 U,W，可以确定可以确定A/B，即纤心内、外场之比。，即纤心内、外场之比。本讲稿第二十六页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 2 2截止条件和模式分类截止条件和模式分类v对于某种模式，若对于某种模式，若W0，UV时，模式趋于截止，因此时，模式趋于截止，因此W0为截为截止条件。止条件。是满足截止条件时的特征方程。是满足截止条件时的特征方程。v可知可知 m=0时，截止频率为时，截止频率为0的模式是的模式是 ，是光纤的第一个模，是光纤的第一个模式，称为基模；第二个模式是式，称为基模

21、；第二个模式是m=1时，由时，由 的第一个根的第一个根V=2.4048开始的，即开始的，即 模。因此当模。因此当V2.4048时，光纤内只有一种时，光纤内只有一种模式，即单模传输。模式，即单模传输。v一个一个LPLP模式实际上是由模式实际上是由4 4个矢量模简并而成的。个矢量模简并而成的。本讲稿第二十七页，共八十页2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v当归一化频率当归一化频率V V很大时，即很大时，即V时，可知此时时，可知此时U U趋向于某个恒趋向于某个恒定值，则定值，则W。在这种情况下，在这种情况下，LPmn 模的模的U 在在 和和 的两个根之间变化，其中归一化传输常数的两个根之

22、间变化，其中归一化传输常数定义为定义为 (2.23)(2.23)v标量近似的标量近似的LPLP模的归一化模的归一化 传输常数传输常数b b与与V V之间的关系之间的关系 如图如图2.42.4所示。所示。图图2.4 2.4 线偏振线偏振LPLP模的模的b b=f f(V V)关系图关系图本讲稿第二十八页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。v石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒的制造和预制棒拉制光纤。的制造和预制棒拉制光

23、纤。2.2.2 2.2.2 预制棒拉丝预制棒拉丝2 2.2.1 2.2.1 预制棒的制造方法预制棒的制造方法1本讲稿第二十九页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v 2.2.1 2.2.1 预制棒的制造方法预制棒的制造方法v预制棒的制造方法很多，常见的方法有：预制棒的制造方法很多，常见的方法有：外气相沉积法外气相沉积法(OVPO)(OVPO)、气相轴向沉积法气相轴向沉积法(VPAD)(VPAD)、改进的化学气相沉积法、改进的化学气相沉积法(MCVD)(MCVD)、等离子、等离子体激活化学气相沉积法体激活化学气相沉积法(PCVD)(PCVD)。下面分别加以介绍。

24、下面分别加以介绍。v1 1OVPOOVPO法法vOVPOOVPO法是法是 Corning Class Work 公司用于制造第一根损耗小于公司用于制造第一根损耗小于20 dB/km 的石英光纤的方法。该方法采用以下化学反应：的石英光纤的方法。该方法采用以下化学反应：本讲稿第三十页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v以石英、石墨或陶瓷棒作为中心棒，在中心棒外沉积粉尘，然后以石英、石墨或陶瓷棒作为中心棒，在中心棒外沉积粉尘，然后抽掉中心棒，高温烧结成预制棒，制造示意图如图抽掉中心棒，高温烧结成预制棒，制造示意图如图2.52.5所示。所示。图2.5 OVPO法本讲

25、稿第三十一页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v OVPOOVPO法的基本步骤如下法的基本步骤如下：(1)(1)中心棒在喷嘴下方，匀速旋转并来回平移，以便在中心棒外中心棒在喷嘴下方，匀速旋转并来回平移，以便在中心棒外形成粉尘的均匀沉积。形成粉尘的均匀沉积。(2)(2)控制气体流量成分，可以使预制棒折射率分布是阶跃的，或是渐控制气体流量成分，可以使预制棒折射率分布是阶跃的，或是渐变的。变的。(3)(3)沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，在高温炉中沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，在高温炉中将粉尘状预制棒烧结成透明玻璃预制棒。将粉尘状预制棒烧

26、结成透明玻璃预制棒。本讲稿第三十二页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v2 2VPADVPAD法法v化学反应生成化学反应生成 微粒的过程与微粒的过程与OVPOOVPO法法 完全一样，沉积时由横向变为纵向，完全一样，沉积时由横向变为纵向，这是日本这是日本NTTNTT公司采用的光纤预制公司采用的光纤预制 棒制作方法，制造示意图如图棒制作方法，制造示意图如图2.62.6 所示。所示。vVPADVPAD法的法的优点优点是：沉积速度快，适是：沉积速度快，适 合批量生产，一根棒可拉合批量生产，一根棒可拉100 km100 km以以 上的光纤。上的光纤。图图2.6 VPA

27、D2.6 VPAD法法本讲稿第三十三页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v3 3MCVDMCVD法法v该方法在旋转的石英管的内壁进行沉积，制造示意图如图该方法在旋转的石英管的内壁进行沉积，制造示意图如图2.72.7所示。采用以下化学反应：所示。采用以下化学反应：v停止气相反应，加高温将石英管烧结成实心棒，改变气相组停止气相反应，加高温将石英管烧结成实心棒，改变气相组分可以制成阶跃或梯度折射率预制棒。分可以制成阶跃或梯度折射率预制棒。图图2.7 MCVD2.7 MCVD法法本讲稿第三十四页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v

28、4 4PCVDPCVD法法vPhilips 研究所的科学家们发明了等离子体激活化学气相沉积法，该研究所的科学家们发明了等离子体激活化学气相沉积法，该方法与方法与MCVDMCVD法很类似，高纯石英管置于微波谐振腔内。在石英管法很类似，高纯石英管置于微波谐振腔内。在石英管内通入反应气体，微波谐振腔使管内气体等离子化，产生高温化内通入反应气体，微波谐振腔使管内气体等离子化，产生高温化学反应，将一层纯净学反应，将一层纯净 沉积在管壁上，沉积在管壁上，的沉积率接近的沉积率接近100，通过改变气相的组分产生折射率的变化，制造示意图如图通过改变气相的组分产生折射率的变化，制造示意图如图2.82.8所示。沉积

29、完成后，经烧结形成预制棒。所示。沉积完成后，经烧结形成预制棒。本讲稿第三十五页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆 图图2.8 MCVD2.8 MCVD法法 v这种方法的优点在于采用微波谐振腔加热，高纯石英管不被加热，只这种方法的优点在于采用微波谐振腔加热，高纯石英管不被加热，只是管内的反应物被加热，能耗低，操作易于进行。是管内的反应物被加热，能耗低，操作易于进行。本讲稿第三十六页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v 2.2.2 2.2.2 预制棒拉丝预制棒拉丝v预制棒制作完成，第二阶段是预制棒制作完成，第二阶段是 将预制棒

30、拉丝成为光纤。石英将预制棒拉丝成为光纤。石英 光纤拉丝机的结构示意图光纤拉丝机的结构示意图 如图如图2.92.9所示。在拉丝过程中，所示。在拉丝过程中，可以基本保持原预制棒的可以基本保持原预制棒的 折射率分布不变。折射率分布不变。图图2.9 2.9 石英光纤拉丝机的结构示意图石英光纤拉丝机的结构示意图本讲稿第三十七页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v在拉丝过程中，需要保持光纤直径的均匀性，根据质量守恒，在拉丝过程中，需要保持光纤直径的均匀性，根据质量守恒，有有 (2.24)(2.24)式中，式中，D为预制棒直径；为预制棒直径；d 为光纤直径；为光纤直径；为

31、预制棒下降速度；为预制棒下降速度；为光纤收丝速度。为光纤收丝速度。通过控制通过控制 和和 来控制光纤的直径，来控制光纤的直径，一般为一般为 301000 m/min。本讲稿第三十八页，共八十页2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v实际应用中，为了提高光纤的强度、耐温等性能，光纤必须制实际应用中，为了提高光纤的强度、耐温等性能，光纤必须制成光缆才能使用。成光缆才能使用。v成缆时可以有多种结构，通常由外护套、包带和加强心构成。图成缆时可以有多种结构，通常由外护套、包带和加强心构成。图2.102.10为层绞式和骨架式两种常见的光缆结构。为层绞式和骨架式两种常见的光缆结构。图图

32、2.10 2.10 光缆结构图光缆结构图本讲稿第三十九页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v光纤作为光通信的传输介质，从通信角度来看，主要关心光纤的光纤作为光通信的传输介质，从通信角度来看，主要关心光纤的以下几个传输特性：以下几个传输特性：(1)(1)衰减：衰减：只有衰减小到一定程度才可能做长距离通信使用；只有衰减小到一定程度才可能做长距离通信使用；(2)(2)色散：色散：色散小，脉冲展宽小，从而要求光纤有较小的色散，才色散小，脉冲展宽小，从而要求光纤有较小的色散，才可能以高速率传输信号或者说有较大的通信容量。可能以高速率传输信号或者说有较大的通信容量。另外，随着光纤通信的

33、发展，另外，随着光纤通信的发展，光纤的偏振特性光纤的偏振特性和和非线性效非线性效应应对光信号的传输也有较大的影响。对光信号的传输也有较大的影响。本讲稿第四十页，共八十页 2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性1 2.3.1 2.3.1 衰减衰减2 2.3.2 2.3.2 色散色散3 2.3.3 2.3.3 偏振特性偏振特性4 2.3.4 2.3.4 非线性非线性 效应效应本讲稿第四十一页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v 2.3.1 2.3.1 衰减衰减v一段光纤的损耗由通过这段光纤的光功率损失来衡量，一段光纤的损耗由通过这段光纤的光功率损失来衡量，稳态条件下，稳态

34、条件下，单位长度的光纤损耗称为衰减系数单位长度的光纤损耗称为衰减系数 ，通常定义为通常定义为 （）(2.25)(2.25)式中，式中，为入射光功率；为入射光功率；为传输后的输出光功率。为传输后的输出光功率。v产生光纤损耗的机制很复杂，产生光纤损耗的机制很复杂，主要主要与光纤材料本身的特性有关，与光纤材料本身的特性有关，其其次，次，制造工艺也影响光纤的损耗，影响损耗的制造工艺因素很多。制造工艺也影响光纤的损耗，影响损耗的制造工艺因素很多。本讲稿第四十二页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v 2.3.2 2.3.2 色散色散v光脉冲在光纤中传输时，由于光脉冲在光纤中传输时，由于

35、 传输常数传输常数 是光频率是光频率 的函数，的函数，当当 与更高阶导数不为零时，与更高阶导数不为零时，意味着意味着 光信号中不同频率（或波长）成分具有不同的群延迟或光信号中不同频率（或波长）成分具有不同的群延迟或 群速度，群速度，这种群速度随光频率变化的现象称为群速度色这种群速度随光频率变化的现象称为群速度色 散散(GVD)(GVD)，简称为色散，简称为色散。v色散将导致光脉冲在光纤中传输时的色散将导致光脉冲在光纤中传输时的脉冲展宽脉冲展宽，从而限制了光，从而限制了光纤通信的纤通信的信息传输速率信息传输速率，即，即通信容量通信容量。本讲稿第四十三页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤

36、的传输特性v在多模光纤中，在多模光纤中，由于存在多个模式，因此群速度也必然不同由于存在多个模式，因此群速度也必然不同，这种色散称为模式间色散。这种色散称为模式间色散。v对于单模光纤，对于单模光纤，由于只有基模，光脉冲中的不同频率成分具有不由于只有基模，光脉冲中的不同频率成分具有不同的群延迟或群速度，这种色散要比模式间色散小很多，同的群延迟或群速度，这种色散要比模式间色散小很多，下面讨论下面讨论这种色散。这种色散。v 为时延差，即光信号中群速度最慢与最快频率成分的传输时为时延差，即光信号中群速度最慢与最快频率成分的传输时延差延差：(2.26)(2.26)式中，式中，D 为色散系数，单位为为色散系

37、数，单位为 ps/(nmkm)；L 为光传输长度；为光传输长度；为传输光的波长范围。为传输光的波长范围。本讲稿第四十四页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v传输常数传输常数 之间的关系为之间的关系为 (2.27)(2.27)v根据光纤的模式理论，可以得到根据光纤的模式理论，可以得到v式中，式中，为材料色散；为材料色散；为波导色散；为波导色散；为折射率剖面为折射率剖面色散。色散。本讲稿第四十五页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v石英单模光纤的色散曲线如图石英单模光纤的色散曲线如图2.122.12所示，所示，ZMD ZMD 是材料色散的色散是材料色散的色散

38、零点，零点，是总色散零点波长，是总色散零点波长，常规石英光纤的约为常规石英光纤的约为1310 nm。图图2.12 2.12 石英单模光纤的色散曲线石英单模光纤的色散曲线本讲稿第四十六页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 2.3.3 2.3.3 偏振特性偏振特性v双折射现象，即当一束线偏光（圆偏光也有类似定义）通过光纤时，双折射现象，即当一束线偏光（圆偏光也有类似定义）通过光纤时，其传输常数其传输常数 随偏振方向改变的现象。随偏振方向改变的现象。v双折射现象对光通信的影响主要体现为偏振模色散双折射现象对光通信的影响主要体现为偏振模色散(PMD)(PMD)。单模。单模光纤在其基

39、模工作时有两个正交的极化方向，每一个方向代表一个偏光纤在其基模工作时有两个正交的极化方向，每一个方向代表一个偏振模。传播常数为振模。传播常数为 和和 ，由于双折射，由于双折射，单位距离的时，单位距离的时延分别为延分别为 ,故时延差为故时延差为 本讲稿第四十七页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v因为归一化双折射率为因为归一化双折射率为 故故 v 对于石英光纤，第二项远小于第一项对于石英光纤，第二项远小于第一项,因此因此 (2.28)(2.28)v对于普通光纤，对于普通光纤，B在数量级，在数量级，。本讲稿第四十八页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v 2.

40、3.4 2.3.4 非线性效应非线性效应v当光纤中的光场强较弱时，光纤可视为线性介质；但光场强加大当光纤中的光场强较弱时，光纤可视为线性介质；但光场强加大后，任何电介质都会表现出后，任何电介质都会表现出非线性非线性。v1 1非线性极化理论非线性极化理论v光纤作为电介质在外电场（包括光波电场）作用下，感应电光纤作为电介质在外电场（包括光波电场）作用下，感应电偶极矩，极化所形成的附加电场与外电场叠加形成介质中的偶极矩，极化所形成的附加电场与外电场叠加形成介质中的场。场。本讲稿第四十九页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v电偶极子的极化强度电偶极子的极化强度 对于电场对于电场 是

41、非线性的，通常满足是非线性的，通常满足 (2.29)(2.29)式中，式中，为真空介电常数；为真空介电常数；,分别为一阶、二阶、分别为一阶、二阶、三阶电极化率。三阶电极化率。v当外场较弱时，当外场较弱时，因此由麦克，因此由麦克斯韦方程组推导出光在介质中传播的波动方程斯韦方程组推导出光在介质中传播的波动方程是线性的。是线性的。(2.30)(2.30)本讲稿第五十页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v在线性光学范围内，在线性光学范围内，光的叠加性原理成立。光频率各分量不存在光的叠加性原理成立。光频率各分量不存在相互作用，频率也不会变化，表征介质特性的参数如介电系数、相互作用，频

42、率也不会变化，表征介质特性的参数如介电系数、吸收系数都与外加光场强度无关。吸收系数都与外加光场强度无关。v但在非线性光学范围内，但在非线性光学范围内，情况就不同了，式情况就不同了，式(2.29)(2.29)中的第二项及其中的第二项及其以后的各项之和统称为非线性极化强度矢量：以后的各项之和统称为非线性极化强度矢量：(2.31)(2.31)v由于非线性极化强度的存在，物质方程不再是线性的，因此由麦克斯由于非线性极化强度的存在，物质方程不再是线性的，因此由麦克斯韦方程组推导出的波动方程也是非线性方程：韦方程组推导出的波动方程也是非线性方程：(2.32)(2.32)本讲稿第五十一页，共八十页2.3 2

43、.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v光纤中不显示二阶非线性光学效应，掺杂时才会考虑二阶非线性光学光纤中不显示二阶非线性光学效应，掺杂时才会考虑二阶非线性光学效应。三阶非线性极化强度项导致克尔效应、双光子吸收、光波自作效应。三阶非线性极化强度项导致克尔效应、双光子吸收、光波自作用以及受激辐射受激拉曼散射和受激布里渊散射等现象。这些是影响用以及受激辐射受激拉曼散射和受激布里渊散射等现象。这些是影响光纤通信的重要的非线性光学效应。光纤通信的重要的非线性光学效应。v从物理机制上讲，非线性光学效应大致可以分为两大类：从物理机制上讲，非线性光学效应大致可以分为两大类：一一类称为参量过程（非激活的），另一类

44、称为非参量过程（激活的）。类称为参量过程（非激活的），另一类称为非参量过程（激活的）。v在参量过程中，在参量过程中，参与参量过程的光场之间需要满足一定的相位参与参量过程的光场之间需要满足一定的相位匹配条件。匹配条件。在非参量过程中，在非参量过程中，非参量过程不需要满足相位匹配条非参量过程不需要满足相位匹配条件。件。本讲稿第五十二页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v2 2受激散射及其对光纤通信的影响受激散射及其对光纤通信的影响v受激散射受激散射是是三阶非线性极化强度项三阶非线性极化强度项表现出来的现象，从量子观点容表现出来的现象，从量子观点容易说明其物理机理，并分析其对光通

45、信系统的影响。易说明其物理机理，并分析其对光通信系统的影响。v(1)(1)物理机理物理机理v拉曼散射拉曼散射和和布里渊散射布里渊散射是光纤物质中原子参与的光散射现象是光纤物质中原子参与的光散射现象。在晶。在晶体中，原子在其平衡位置附近不停地振动，由于原子之间的相体中，原子在其平衡位置附近不停地振动，由于原子之间的相互作用，每一个原子的振动要依次传递给其他原子，从而形成互作用，每一个原子的振动要依次传递给其他原子，从而形成晶体中的格波，格波的形式很复杂，可以分解成一些简谐波的晶体中的格波，格波的形式很复杂，可以分解成一些简谐波的叠加。叠加。本讲稿第五十三页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性

46、光纤的传输特性v根据量子力学理论，格波的能量是量子化的，对频率根据量子力学理论，格波的能量是量子化的，对频率 的格的格波，它们的每份能量波，它们的每份能量 称为一个声子。称为一个声子。所谓声子，就是所谓声子，就是晶格振动能量变化的最小单位。晶格振动能量变化的最小单位。v入射光波被晶格振动散射，可以理解为光子与声子相互碰撞的问入射光波被晶格振动散射，可以理解为光子与声子相互碰撞的问题，在散射过程中，常常伴随声子的吸收和发射，但必须满足能题，在散射过程中，常常伴随声子的吸收和发射，但必须满足能量守恒，从而使入射光发生频率转换。量守恒，从而使入射光发生频率转换。v通过薛定谔方程求出的格波解分为两支，

47、通过薛定谔方程求出的格波解分为两支，频率较高的一支与晶体频率较高的一支与晶体的光学性质有关，通常称为光学波，频率较低的一支与宏观弹性的光学性质有关，通常称为光学波，频率较低的一支与宏观弹性波（声波）有密切关系，称为声学波。波（声波）有密切关系，称为声学波。由光学波声子参与的光由光学波声子参与的光散射称为拉曼散射，由声学波声子参与的光散射称为布里渊散射称为拉曼散射，由声学波声子参与的光散射称为布里渊散射。散射。本讲稿第五十四页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v拉曼散射的基本过程可以理解为：拉曼散射的基本过程可以理解为：频率频率 的入射光子与介质相互的入射光子与介质相互作用，

48、可以发射一个频率为作用，可以发射一个频率为 的斯托克斯的斯托克斯(Stokes)(Stokes)光子光子和一个频率为和一个频率为 的光学波声子。在这个过程中，能量守恒，的光学波声子。在这个过程中，能量守恒，即即 （h h是普朗克常量），光波产生下频移。是普朗克常量），光波产生下频移。v入射光子与介质相互作用，也可能吸收频率入射光子与介质相互作用，也可能吸收频率 的声子而产生的声子而产生一个频率为一个频率为 的反斯托克斯光子，能量仍守恒，光的反斯托克斯光子，能量仍守恒，光波产生上频移。波产生上频移。v布里渊散射与拉曼散射过程相似，只是参与的声子是声学声子，频率布里渊散射与拉曼散射过程相似，只是参

49、与的声子是声学声子，频率低，低，因此布里渊散射频移小因此布里渊散射频移小。本讲稿第五十五页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v(2)(2)受激受激Raman 散射对光通信的影响散射对光通信的影响v当光纤中传输功率较小时当光纤中传输功率较小时，主要是，主要是自发拉曼散射与布里渊散射自发拉曼散射与布里渊散射，对光纤通信不会产生明显的影响。对光纤通信不会产生明显的影响。v但随光功率增大，但随光功率增大，就可能产生就可能产生受激拉曼散射受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散和受激布里渊散射射(SBS)。v临界功率大约为临界功率大约为3 W 左右左右，它与光纤的有效面积以及光纤的长度、

50、，它与光纤的有效面积以及光纤的长度、光学性质都有关。光学性质都有关。本讲稿第五十六页，共八十页2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性v受激拉曼散射主要以受激拉曼散射主要以前向散射前向散射为主，对光纤的影响主要表现为主，对光纤的影响主要表现为为限制了限制了光纤中传输的光纤中传输的最大功率最大功率。v受激拉曼散射导致频率转换，使光纤损耗加大，引起波分复受激拉曼散射导致频率转换，使光纤损耗加大，引起波分复用系统中的串扰。用系统中的串扰。v受激拉曼散射对波分复用系统的影响远远超过了单通道光纤系统，受激拉曼散射对波分复用系统的影响远远超过了单通道光纤系统，每每一个信道只要几毫瓦的光子功率就能引起明