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1、光纤的基本理论1.1.5 5光纤的色散光纤的色散1.1.6 6光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应1.1.7 7单模光纤单模光纤1.1.8 8光纤的制造工艺和光缆的构造光纤的制造工艺和光缆的构造1.1光纤的射线光学分析光纤的射线光学分析 1.1.1光纤的结构和分类光纤的结构和分类光纤通信中所使用的光纤通信中所使用的光纤是截面很小的光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在可绕透明长丝，它在长距离内具有束缚长距离内具有束缚和传输光的作用。和传输光的作用。光纤由纤芯、包层光纤由纤芯、包层和涂覆层构成。和涂覆层构成。光纤的分类方法很多：光纤的分类方法很多：按光纤横截面的折射率分布分类按光纤横截面的折
2、射率分布分类按光纤中的传导模式数量分类按光纤中的传导模式数量分类按光纤构成的原材料分类按光纤构成的原材料分类按光纤的套塑层分类按光纤的套塑层分类3.按光纤构成的原材料分类按光纤构成的原材料分类l石英系光纤石英系光纤l多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤l塑料包层光纤塑料包层光纤l全塑光纤全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤4.按光纤的套塑层分类按光纤的套塑层分类 紧套光纤紧套光纤 松套光纤松套光纤1.1.2多模阶跃折射率光纤的射多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析线光学理论分析图示为阶跃光纤的子午光线。图示为阶跃光纤的子午光线。在多模阶跃光纤的纤芯中，光按直线传输，
3、在多模阶跃光纤的纤芯中，光按直线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于光纤中纤芯的折射率光纤中纤芯的折射率n1大于包层的折射率大于包层的折射率n2，所以在芯包界面存在着临界角，所以在芯包界面存在着临界角c。当光线在芯包界面上的入射角当光线在芯包界面上的入射角大于大于c时，时，将产生全反射。若将产生全反射。若小于小于c，入射光一部分，入射光一部分反射，一部分通过界面进入包层，经过多反射，一部分通过界面进入包层，经过多次反射后，光很快衰减掉。次反射后，光很快衰减掉。可以形象地说阶跃光纤中的传输模式是靠光射可以形象地说阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在芯包界面上
4、的全反射而使能量集中在纤芯线在芯包界面上的全反射而使能量集中在纤芯之中传输。之中传输。首先定义光纤的相对折射率差，这一参数直接首先定义光纤的相对折射率差，这一参数直接影响光纤的性能：影响光纤的性能：光纤通信中所用的光纤的光纤通信中所用的光纤的 一般小于一般小于1%，所以所以 可近似表示为可近似表示为形成导波的子午光线必须能在芯包界面上形成导波的子午光线必须能在芯包界面上产生全反射。由光纤中光线在界面的全反产生全反射。由光纤中光线在界面的全反射条件，可以推出临界角射条件，可以推出临界角c为为那么光在纤芯端面的最大入射角那么光在纤芯端面的最大入射角 max应满应满足足可以定义光纤的数值孔径为可以定
5、义光纤的数值孔径为数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出，出，n1，n2差别越大，即差别越大，即 越大，光纤收越大，光纤收集射线的能力越强。通信用光纤的数值孔集射线的能力越强。通信用光纤的数值孔径是较小的。径是较小的。假若在长为假若在长为L的光纤中，走得最快的模式所的光纤中，走得最快的模式所用的时间为用的时间为 min，走得最慢的模式所用的，走得最慢的模式所用的时间为时间为 max，则最大时延差，则最大时延差 max为为单位长度光纤的最大群时延差为单位长度光纤的最大群时延差为最大时延差与相对折射率差最大时延差与相对折射率差 成正比，使成正比，使用弱导波光纤有
6、助于减少模式色散。时延用弱导波光纤有助于减少模式色散。时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。1.1.3 渐变折射率光纤采采用用渐渐变变折折射射率率光光纤纤的的目目的的是是减减小小多多模模光光纤的模式色散。纤的模式色散。在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为n(0)、n2分别是分别是r=0处的和包层的折射率处的和包层的折射率在渐变折射率光纤中，由于纤芯的折射率不均匀，在渐变折射率光纤中，由于纤芯的折射率不均匀，光射线的轨迹不再是直线而是曲线。光射线的轨迹不再是直线而是曲线。渐变折射率光纤的折射率分布可以表示为
7、渐变折射率光纤的折射率分布可以表示为g是折射率分布指数，是折射率分布指数，a是纤芯半径，是纤芯半径，r是纤芯中是纤芯中任意一点到轴心的距离。当任意一点到轴心的距离。当g=时，为阶跃折射时，为阶跃折射率光纤的折射率分布。使群时延差减至最小的最率光纤的折射率分布。使群时延差减至最小的最佳折射率分布指数佳折射率分布指数g为为2左右。左右。渐变折射率光纤中的子午射线，以不同入渐变折射率光纤中的子午射线，以不同入射角进入纤芯的光射线在光纤中传过同一射角进入纤芯的光射线在光纤中传过同一距离时，靠近光纤轴线的射线所走的路程距离时，靠近光纤轴线的射线所走的路程短，而远离轴线所走的路程长。由于纤芯短，而远离轴线
8、所走的路程长。由于纤芯折射率是渐变的，折射率是渐变的，n(r)随随r的增加而减小，的增加而减小，所以近轴处的光速慢，远轴处的光速快。所以近轴处的光速慢，远轴处的光速快。当折射率分布指数当折射率分布指数g取最佳时，就可以使全取最佳时，就可以使全部子午射线以同样的轴向速度在光纤中传部子午射线以同样的轴向速度在光纤中传输，这对模式色散起了均衡作用，从而消输，这对模式色散起了均衡作用，从而消除模式色散，这种现象称做自聚焦，这种除模式色散，这种现象称做自聚焦，这种光纤称为光纤称为自聚焦光纤自聚焦光纤。渐变折射率光纤中的子午射线渐变折射率光纤中的子午射线从光纤端面入射的子午射线经过适当的距从光纤端面入射的
9、子午射线经过适当的距离会重新汇聚到一点，这些光线具有相同离会重新汇聚到一点，这些光线具有相同的时延。纤芯折射率分布为的时延。纤芯折射率分布为分析渐变折射率光纤中的射线传输轨迹时，分析渐变折射率光纤中的射线传输轨迹时，可采用射线方程可采用射线方程是轨迹上某一点的位置矢量，是轨迹上某一点的位置矢量，s为射线的传为射线的传输轨迹，输轨迹，ds是沿轨迹的距离单元，是沿轨迹的距离单元，为折射为折射率的梯度率的梯度本地数值孔径本地数值孔径：光纤端面上某一点的数值：光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变折射率光纤端面上某一孔径，表征了渐变折射率光纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式为点的集光能力的大小。
10、其表达式为本地数值孔径与该点的折射率有关，该点本地数值孔径与该点的折射率有关，该点的折射率越大，本地数值孔径就越大。的折射率越大，本地数值孔径就越大。1.2 模式概述模式概述模式的阶数与波模式的阶数与波导模方向上场量导模方向上场量的零点个数相同的零点个数相同简谐变换简谐变换包层包层n2TE0TE1TE2纤芯纤芯n1包层包层n2模式阶数：零阶模式阶数：零阶一阶一阶二阶二阶指数衰减指数衰减指数衰减指数衰减模式的阶数越高，模式的阶数越高，光线仰角越高光线仰角越高特点：特点：求解由麦克斯韦方程组推导的满足边界条求解由麦克斯韦方程组推导的满足边界条件的亥姆赫兹方程的结果。件的亥姆赫兹方程的结果。光纤中传
11、导的导波模都可以由一系列简单光纤中传导的导波模都可以由一系列简单的电磁场分布组成。的电磁场分布组成。一个单色光场可表示为一个单色光场可表示为其中其中是波的传播常数是波的传播常数z方向的分量。方向的分量。射线轨迹法射线轨迹法在光纤半径和波长之比很大时，可得到很在光纤半径和波长之比很大时，可得到很好的近似结果，所谓好的近似结果，所谓“短波长极限短波长极限”。光射线与模式的联系光射线与模式的联系沿光纤轴方向传播的导波模可以分解沿光纤轴方向传播的导波模可以分解为一系列平面波的叠加，即在光纤轴的横为一系列平面波的叠加，即在光纤轴的横方向形成驻波分布。方向形成驻波分布。任一平面波都与其相前垂直的射线联任一
12、平面波都与其相前垂直的射线联系。系。根据射线描述，只要入射角大于临界根据射线描述，只要入射角大于临界角的任何射线都可以在光纤中传播，加上角的任何射线都可以在光纤中传播，加上驻波条件后，允许的角度就只有有限个。驻波条件后，允许的角度就只有有限个。射线光学分析法无法解决的问题：射线光学分析法无法解决的问题：1、单模光纤或很少模光纤的分析，必须用、单模光纤或很少模光纤的分析，必须用电磁理论处理；电磁理论处理；2、相干性和干涉现象等问题；、相干性和干涉现象等问题；3、需要了解模式的场分布时；、需要了解模式的场分布时；（单个模式的激励问题或者波导模之间的（单个模式的激励问题或者波导模之间的功率耦合问题）
13、功率耦合问题）4、每个模式在光纤弯曲处存在一定的辐射、每个模式在光纤弯曲处存在一定的辐射损耗，射线光学认为无损耗。损耗，射线光学认为无损耗。1.3 关键的模式概念归纳关键的模式概念归纳l辐射模辐射模入射光线入射角度超过最大允入射光线入射角度超过最大允许值，造成在波导表面折射进入许值，造成在波导表面折射进入包层。包层。l传导模传导模对于对于中中时时l截止模截止模当当时，模式截止。时，模式截止。l泄露模泄露模时出现，仍被约束在纤时出现，仍被约束在纤芯内传播一段距离。芯内传播一段距离。归一化频率归一化频率VlV无纲量，决定光纤可以支持传播多少个模无纲量，决定光纤可以支持传播多少个模l每个模式都有唯一
14、的一个可以达到的极限每个模式都有唯一的一个可以达到的极限V值，使得值，使得，从而使得该模式截止，从而使得该模式截止l当当V2.405时，发生高阶模截止。时，发生高阶模截止。例题例题1:一个阶跃折射率光纤，在波长一个阶跃折射率光纤，在波长1300nm时，时，归一化频率归一化频率V=26.6.如果纤芯半径是如果纤芯半径是25m，请问其数值孔径多大？，请问其数值孔径多大？解：解：当当V值较大时，可以用值较大时，可以用V值表示多模阶跃光值表示多模阶跃光纤中模数纤中模数M，估算多模阶跃光纤可支持的，估算多模阶跃光纤可支持的总模数公式为总模数公式为例题例题2：考虑一个多模阶跃光纤，纤芯直径为考虑一个多模阶
15、跃光纤，纤芯直径为62.5m，包层，包层-纤芯折射率差为纤芯折射率差为1.5%。如。如果纤芯折射率为果纤芯折射率为1.480，估算在工作波长为，估算在工作波长为850nm时，光纤的归一化频率，以及光纤时，光纤的归一化频率，以及光纤支持的总模数。支持的总模数。解：解：1.4 光纤的损耗光纤的损耗 衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数）耗系数），定义为单位长度光纤引起的光，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为功率衰减，其表达式为（）为在波长）为在波长 处的衰减系数，处的衰减系数，Pi为输入为输入光纤的光功率，光纤的光功率，Po光纤输出的光功率，光
16、纤输出的光功率，L为为光纤的长度光纤的长度1.4.1引起光纤损耗的因素引起光纤损耗的因素l吸收损耗（本征吸收）l散射损耗（瑞利散射）l其它损耗（弯曲损耗）又可以归纳为n本征损耗n制造损耗n附加损耗1.4.2光光纤纤的的损损耗耗特特性性曲曲线线损损耗耗谱谱三类损耗相加就可以得到总的损耗，它是一条随波长而变化的曲线，称做光纤的损耗特性曲线损耗谱（或衰减谱）右图为石英光纤损耗谱1.5 光纤的色散1.5.1 光纤色散的概念产生基于两方面的因素：u进入光纤中的光信号不是单色光u光纤对于光信号的色散作用送进光纤的不是单色光是两方面的原因光源发出的并不是单色光调制信号有一定的带宽光功率降低为峰值光功率降低为
17、峰值的一半所对应的波的一半所对应的波长范围即为光源的长范围即为光源的线宽或谱宽。线宽或谱宽。线宽即可用波长范线宽即可用波长范围围表示，也可用表示，也可用频率范围频率范围 f来表示来表示它们的关系为它们的关系为、f分别是光源的分别是光源的中心波长和中心频中心波长和中心频率率1.5.2 光纤色散的种类l模式色散模式色散l材料色散材料色散l波导色散波导色散l偏振模色散偏振模色散1.5.3 光纤色散的表示法特定模式传输群速度特定模式传输群速度单位长度光纤的群时延单位长度光纤的群时延l最大时延差最大时延差描描述述光光纤纤中中速速度度最最快快和和最最慢慢的的光光波波成成分分的的时时延延之之差。时延差越大，
18、色散就越严重。差。时延差越大，色散就越严重。1.5.3 光纤色散的表示法l色散系数色散系数D()单位线宽光源在单位长度光纤上的时延差单位线宽光源在单位长度光纤上的时延差()为为单单位位长长度度光光纤纤上上的的时时延延差差，单单位位是是ps/km；是光源的线宽，单位为是光源的线宽，单位为nml光纤的带宽光纤的带宽B为为光光脉脉冲冲为为高高斯斯形形时时，单单位位长长度度光光纤纤的的基基带带3dB带带宽宽；是是光光脉脉冲冲传传输输1km的的时时延延差差，单单位位是是ns/km1.6 光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应 1.6.1 受激散射效应受受激激散散射射效效应应是是光光通通过过光光纤纤
19、介介质质时时，有有一一部部分分能能量量偏偏离离预预定定的的传传播播方方向向，且且光光波波的的频频率率发发生生改改变变，这种现象称为为受激散射效应。这种现象称为为受激散射效应。受激布里渊散射受激布里渊散射受激拉曼散射受激拉曼散射1受激喇曼散射受激喇曼散射分分子子内内部部粒粒子子间间的的相相对对运运动动导导致致分分子子感感应应电电偶偶极极矩矩随随时时间间的的周周期期性性调调制制，从从而而对对入入射光产生散射作用。射光产生散射作用。设设入入射射光光的的频频率率为为 l，介介质质的的分分子子振振动动频频率率为为 v，则则散散射射光光的的频频率率为为 s=l v和和 as=l+v，这种现象称做受激喇曼散
20、射。，这种现象称做受激喇曼散射。2受激布里渊散射受激布里渊散射入射的频率为入射的频率为 p的泵浦波将一部分能量转的泵浦波将一部分能量转移给频率为移给频率为 s的斯托克斯波，并发出频率的斯托克斯波，并发出频率为为 的声波的声波=p s1.6.2 折射率扰动石英光纤折射率受信号光强所调制的非线石英光纤折射率受信号光强所调制的非线性现象叫克尔效应。性现象叫克尔效应。在较高光功率下，则应考虑光强度引起的在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为光纤折射率的变化，它们的关系为n=n0+n2P/Aeffn0为线性折射率，为线性折射率，n2为非线性折射率系数，为非线性折射率系数，P为
21、入射光功率，为入射光功率，Aeff为光纤有效面积为光纤有效面积折射率扰动主要引起四种非线性效应：折射率扰动主要引起四种非线性效应：自相位调制（自相位调制（SPM）交叉相位调制（交叉相位调制（XPM）四波混频（四波混频（FWM）光孤子形成光孤子形成1.7 单单 模模 光光 纤纤 单模光纤是指在给定的工作波长上只传输单模光纤是指在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。单一基模的光纤。适用于长距离、大容量的光纤通信系统适用于长距离、大容量的光纤通信系统1.7.1 单模光纤的结构特点光纤的芯径较小，一般其芯径为光纤的芯径较小，一般其芯径为4 m10 m单模光纤的折射率分布形式单模光纤的折射率分布形式1
22、.7.2 单模光纤的基本分析等效近似的方法进行分析单模光纤中的折等效近似的方法进行分析单模光纤中的折射率分布射率分布两种等效方法：两种等效方法：l高斯等效近似高斯等效近似l阶跃光纤等效近似阶跃光纤等效近似1.7.3单模光纤的特性参数n折射率分布折射率分布n衰减系数衰减系数n截止波长截止波长n模场直径（或模场半径）模场直径（或模场半径）n色散色散1单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长是指光纤的第一个高单模光纤的截止波长是指光纤的第一个高阶模阶模LP11模（或模（或HE21、TM01和和TE01模）模）截止时的波长。截止时的波长。对于阶跃光纤，截止波长有对于阶跃光纤，截止波长有V
23、C是光纤的第一个高次模是光纤的第一个高次模LP11模的截止频模的截止频率，率，VC=2.405简谐变换简谐变换包层包层n2TE0TE1TE2纤芯纤芯n1包层包层n2模式阶数：零阶模式阶数：零阶一阶一阶二阶二阶指数衰减指数衰减指数衰减指数衰减2单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径是单模光纤所特有的单模光纤的模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。一个重要参数。一般单模光纤的模场直径采用高斯函数来一般单模光纤的模场直径采用高斯函数来描述。模场直径是单模光纤的主要参数，描述。模场直径是单模光纤的主要参数，根据模场直径的波长特性能够估算单模光根据模场直径的波长特性能够估算单模光纤的色
24、散值。纤的色散值。MFD由光功率降为由光功率降为时的宽度决定。时的宽度决定。3单模光纤的色度色散单模光纤的色度色散色度色散是指光通过光纤时由于群速度与波长有色度色散是指光通过光纤时由于群速度与波长有关而造成的脉冲展宽，色度色散的单位为关而造成的脉冲展宽，色度色散的单位为ps/nmkm，下图为单模光纤的色度色散，下图为单模光纤的色度色散4单模光纤的偏振和偏振模色散单模光纤的偏振和偏振模色散所谓偏振，指的是光信号中的电场矢量的所谓偏振，指的是光信号中的电场矢量的取向。取向。单模光纤，实际上传输的是两个相互正交单模光纤，实际上传输的是两个相互正交的基模和。在完善的光纤中，这两个模式的基模和。在完善的
25、光纤中，这两个模式有相同的相位常数，有相同的相位常数，x=y，两个模式是，两个模式是互相兼并的。互相兼并的。由于双折射的存在，将引起光波的偏振态由于双折射的存在，将引起光波的偏振态沿光纤长度发生变化，使得两个正交的偏沿光纤长度发生变化，使得两个正交的偏振模式的群速度不同，从而产生时延差，振模式的群速度不同，从而产生时延差，导致脉冲展宽，这就是偏振色散。导致脉冲展宽，这就是偏振色散。偏振模色散可以简单表示为和模在单位长偏振模色散可以简单表示为和模在单位长度上的时延差：度上的时延差：偏振模色散造成的脉冲展宽表示为偏振模色散造成的脉冲展宽表示为DPMD是光纤的偏振模色散的平均值，单位是光纤的偏振模色
26、散的平均值，单位是是，其典型值为，其典型值为0.11.01.7.4 单模光纤的分类n非色散位移单模光纤非色散位移单模光纤n色散位移单模光纤色散位移单模光纤n截止波长位移单模光纤截止波长位移单模光纤n非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤1.8 光纤的制造工艺和光缆的光纤的制造工艺和光缆的构造构造 1.8.1 光纤的制造工艺n原料的提纯原料的提纯n预制棒的熔炼预制棒的熔炼n拉丝和涂覆拉丝和涂覆光纤预制棒熔炼的常用方法是光纤预制棒熔炼的常用方法是MCVD法法拉丝拉丝1.8.2 光缆的构造n光缆的基本结构光缆的基本结构1加强件；加强件；2缆芯；缆芯；3外护层外护层1室外光缆室外光缆中心管式光缆、层绞式光缆和骨架式光缆中心管式光缆、层绞式光缆和骨架式光缆（1）中心管式光缆）中心管式光缆层绞式光缆结构层绞式光缆结构骨架式光纤骨架式光纤2室内光缆室内光缆多用途室内光缆、分支光缆和互连光缆多用途室内光缆、分支光缆和互连光缆48芯多用途室内光缆结构芯多用途室内光缆结构6芯分支光缆结构芯分支光缆结构单纤互连光缆单纤互连光缆双纤互连光缆双纤互连光缆3特种光缆特种光缆p海底光缆海底光缆p电力系统光缆电力系统光缆p野战军用光缆野战军用光缆作业作业P452、3、8、10