第2章光导纤维

1、第二章光纤与光缆 概述 光纤的几何光学分析 光纤的波动光学分析 单模光纤中的色散 光纤的损耗 光纤中的非线性光学效应 光缆及连接技术概述 光纤是由SiO2拉制成的细丝，它主要由纤芯和包层构成。 包层的折射率略少于纤芯的折射率。n1涂敷层包层纤芯n2纤芯纤芯包层包层保护套保护套(a)(b)n1包层玻璃 芯玻璃n2 光纤的制造工艺 (a)预制棒；(b)拉丝预 制 棒预 涂 覆装 置线 径控 制电 路牵 引 辊光 纤线 径 测 量 仪电 阻 加 热 炉送 棒机 构 光纤拉丝工艺过程示意图 光纤的种类 按光纤的材料分类可分为 石英光纤：衰减为0.3-6dB/km 多组分玻璃光纤：衰减为4-20dB/k

2、m 全塑光纤：衰减为100-500dB/km 氟化物光纤：理论上的最低损耗，在3pm波长时可 达10-210-3dB/km 液芯光纤：在折射率较低的柔性透明皮层软管里填充折射率较高的透明液，导热性好 液芯光纤光纤的种类 按横截面上折射率的分布可分为： 阶跃光纤和渐变（梯度）光纤阶跃光纤的折射率分布渐变光纤的折射率分布光纤的种类 根据光纤中传输模式的数量可分为： 多模光纤和单模光纤 多模光纤芯径较粗，约50m。容易耦合，接续方便，生产工艺要求低，但传输带宽较窄，一般为几百MHzKm。 单模光纤芯径较细，约410 m。耦合、接续困难，生产工艺要求高。但传输带宽非常宽，可达几十GHzKm以上。传输模

3、式折射率分布光 纤 种 类多模(A)阶跃渐变多模阶跃光纤(A2)多模渐变光纤(A1)单模(B)阶跃单模（阶跃）光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c) 三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 光纤的种类 ITU-T G.651（1993） 50/125m多模渐变型折射率光纤光缆 ITU-T G.652（1997） 单模光纤光缆（ 1.31 m ） ITU-T G.653（1997） 色散位移单模光纤光缆（ 1.55 m ） I

4、TU-T G.654（1997） 截止波长位移型单模光纤光缆 ITU-T G.655（1996） 非零色散位移单模光纤光缆新型光纤 色散位移光纤（DSF） 色散平坦单模光纤 色散补偿单模光纤（DCF） 非零色散位移光纤（NZ-DSF） 大有效面积光纤（LEAF） 全波（低水峰）光纤（AWF） 掺铒放大光纤(EDF) 大有效面积光纤模场分布（Large Effective Area Fiber）小有效面积光纤大有效面积光纤光强光纤半径单模光纤的色散随波长的变化曲线OH吸收峰dB / km瑞利散射红外吸收/m65432100.80.91.01.11.21.31.41.51.61.7 石英光纤的衰减

5、与波长之间的关系曲线 射线理论要点： 在均匀介质中光射线作直线传播 反射定律：反射角1入射角2 折射定律： 全反射：光线由折射率较高的介质进入折射率较低的介质时，如果入射角大于临界角c就会出现全反射。2211sinsinnn2112sinnnnnc光纤的几何光学分析 n1n2 n1n2光在阶跃光纤中的传播阶跃光纤的子午光线 光在阶跃光纤中的传播 找出最大的入射角imax： 因为 所以1n,nnsin012ccnni0max90sinsin0122212121imaxnnnn1nsin数值孔径NA 定义光纤的数值孔径NA(Numerical Aperture)，即它表征了光纤收集光线的能力。 定

6、义光纤的相对折射率差2221imaxsinnnNA221121212221nnnnnn2nnn212122211nnnnn 例1： 在阶跃光纤中，若纤芯折射率n1=1.5，相对折射率差=0.02，试计算数值孔径NA. 3 . 002. 025 . 12nNA1解：光在阶跃光纤中的传播 那么， （或者说NA）到底是大一点好呢？还是小一点好呢？ 增加可以提高光纤收集光的能力 但是，增加也会产生严重的“模式（间）色散” 一般通信用光纤的值小于0.01 模式色散： 不同的角度的入射光线，虽然同时进入光纤的输入端，但它们到达光纤输出端的时间却不相同。1211nncLn1cncLsinL2211nnncL

7、ncLn1光在阶跃光纤中的传播 系统容量： 例： 多模阶跃光纤的模式间色散很大，所以在通信中很少采用，而使用渐变光纤。1ncLB即BcLnBTB111kmsMbBLkmnsnkmsMbBLkmnsn/100/10002. 05 . 1/20/5001. 05 . 111光在渐变光纤中的传播 21)(2211arnar nrngar)(rncv 渐变光纤的模式色散 例： g=2时，光纤的折射率分布近似于双曲正割曲线，此时光纤的模式色散最小，具有自聚焦功能。222gcLn2g2cLn121ggkmnsngkmnsng/6 . 25 . 101. 022. 2/25. 05 . 101. 0211光

8、纤的波动光学分析 波动方程 设介质中没有电荷和电流存在，而且是线性和各向同性的，则麦克斯韦方程组为：DBHE0tDJtB式中：E为电场强度；H为磁场强度；B为磁感应强度；D为电位移。 为自由电荷的体密度 J为体电流密度光纤的波动光学分析 物质方程：对于各向同性的介质，有下列的物质方程。式中：为介质的介电常数；为介质的磁导率 波动方程为： （亥姆霍兹方程）HBED20002222ncnnkkHkHEkE式中HE11HE21TE01TM01电场磁场截止参数405.221222210annnakV单模光纤的单模条件 单模光纤只支持单一的基模HE11，其它所有较高模式在工作波长上都被截止。 单模条件：

9、V与光波频率（或波长）及光纤结构有关，故称之为归一化频率或结构参数。它决定了光在光纤中的传输模式的数量。405. 221222210annnakV 截止波长 满足： 当 时，是多模传输； 当 时，是单模传输。c405. 222221nnaccc 损耗特性：幅度的减小 色散特性：脉冲的展宽 衰减系数：用来表示光纤损耗的大小，定义为单位长度的光纤对传输光功率的衰减值。kmdBPPLoutin/lg10单位为光纤的衰减图光纤的衰减图衰减(dB/km)水峰值0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口6 54321 吸

10、收损耗： 纯石英材料引起的本征吸收损耗 电子谐振出现在紫外区域（0.4m） 分子谐振出现在红外区域（7m） 杂质引起的非本征吸收损耗 主要是由于氢氧根（OH-1）引起的 在1.39 m 、1.24 m 和0.95 m波长处都有较强的吸收。 散射损耗：主要是由瑞利散射引起的。 瑞利散射： 在小于光波长的尺寸上出现折射率的非均匀性而引起的散射，由制造光纤时局部浓度漂移引起； 损耗大小与波长的4次方成反比； 光纤的固有损耗，决定光纤损耗的最低理论极限 波导散射： 由制造光纤时芯径随机漂移引起，其损耗大小与波长无关。 辐射损耗: 光纤弯曲引起入射角小于临界角，从而使光线逸出纤芯外而造成的的损耗。 R5

11、mm，则弯曲损耗0.01dB/km，可忽略。连接损耗耦合损耗接续损耗弯曲损耗辐射损耗非线性散射损耗波导散射光纤结构不完善引起的瑞利散射散射损耗过渡金属离子吸收氢氧根离子吸收杂质吸收红外吸收紫外吸收材料吸收吸收损耗损耗)(石英光纤的损耗曲线 什么是色散：光脉冲在光纤中的脉冲展宽1/21/ e输入脉冲光 纤1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2输出脉冲 模式色散 ：不同的传输模式沿着不同的途径到达光纤的终端，因此各个模的传播时间不同，并造成光脉冲展宽。 模内色散（群速度色散、频率色散或色度色散） 材料色散 波导色

12、散 光纤总色散2/ 1222M)(wmWmM 材料色散：由于光纤材料的折射率随频率而变化，而光源产生的光具有一定的谱宽，因此不同频率分量有不同的传播速度，从而引起光脉冲的展宽。激光器的发射光谱光源的谱宽光源的谱宽P()0dB波长()0-3dB-20dB-2.17dB-20dB宽度 RMS宽度 FWHM宽度 2 波导色散：传输模的个数以及它们的传播常数与光波长有关，它决定于光纤的几何结构。405. 221222210annnakV 群速度色散D：由于光源产生的光并不是单一频率的纯单色光而引起的。 群速度定义： 其中为光纤的传播常数， ng为群折射率，cnkn/0cnddvgg1dndnng/)(

13、n有效折射率为模折射率2221LddLvddLddg)/(,)2(22nmkmpscD单位为光纤的色散参数2c2c2DLLc222 色散=材料色散+波导色散dndnnncDDdnddndvddccDgggWMg/,/22122222222其中 由于材料的折射率n随光频的变化而改变所引起的。图中：n为光纤的折射率；ng为光纤的群折射率。ddncDgM1 波导色散DW：决定于光纤的结构参数V，即V随频率的变化而变化。注：n2g为包层材料的群折射率V为光纤的结构参数b为波导的归一化传播常数dVVbdddndVVbVdnnDggW)()(22222222405. 221222210annnakV单模光

14、纤中DM、DW及D随波长的变化关系各种单模光纤的色散随波长的变化曲线m31. 1波导色散与纤芯半径 的关系改变纤芯半径a 来移动零色散波长 可用 来估算 对于工作波长 为 1.3um的单模光纤，D值可达到1ps/(kmnm)，若取=2-4nm，则系统的BL值可以超过100Gb/s km。1B1DBL)(4413MHzfBdBG()10.5fcfg(t)10.5 例2：已知单模光纤色散系数D=6ps/(kmnm)，光源谱线宽度=2nm，试求光纤带宽B。 )km/ps(1226解：km)(MHz.fB6736124413dB 在强光场作用下，光纤介质会呈现非线性效应。 导致非线性效应加剧的因素：

15、大输出功率的激光器 超低损耗单模光纤 波分复用（）的应用 受激光散射 喇曼散射（SRS） 布里渊散射(SBS) 当某一频率的光输入时，在散射输出光中出现了光频率偏移的现象。 散射光频率变低，剩余能量转为频率较高的分子振动。 SRS的阈值： 单信道系统约为 多波长系统：500f) 1N(NP 散射光频率变低，剩余能量转为频率很低的声子振动。 SBS阈值： 光源的谱线宽度越窄，产生SBS的门限功率越低。f03. 0Pth 克尔效应：光纤的折射率随光强而变化 非线性折射（SPM and XPM) 四波混频 eAPnn20n 自相位调制（SPM） 光纤的折射率随光强变化，对自身相位的调制 对具有较高色散或传输距离长的系统影响严重 交叉相位调制（XPM） 多波长系统中，由于克尔效应导致任一波长的光信号受到其他波长光信号的调制。 XPM造成的代价随光信道间隔的变小和光信道数变大而增加 如果三个频率的光场、的光场同时在光纤中传输，由于非线性将引起新的频率的光场。 其中的组合最为不利3214321电弧固定熔接活动光纤连接光缆的连接 光纤的综述光纤的综述（结构特点、分类）（结