光纤光学讲义二

1、 传输功率法测截止波长传输功率法测截止波长 000001 2200expexpxyxJur aJui zraEEKur aKui zraHnE 22expexpxEArWi zHE11模的模场分布Gaussian近似近似模场直径MFD623879. 21619. 169. 0VVaWE0/e光纤内的模斑参量随光纤参量的变化光纤内的模斑参量随光纤参量的变化色散（色散（DispersionDispersion）的分类）的分类模间色散模间色散波导色散波导色散材料色散材料色散偏振模色散偏振模色散不同模式对应不同的模折射率不同模式对应不同的模折射率光光纤纤色色散散由光源发出的进入光纤的光脉由光源发出的进

2、入光纤的光脉冲包含许多不同的频率分量，冲包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种程中必将出现脉冲展宽，这种现象成为群速度色散，或简称现象成为群速度色散，或简称为光纤色散。为光纤色散。纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长承载的纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长承载的光脉冲成分的传播速度也随波长而变化，使得光脉冲波形被展光脉冲成分的传播速度也随波长而变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。宽，称之为材料色散。材料色散取决于折射率对波长的材料色散取决于折射率对波

3、长的二阶导数，即折射率随波长的非二阶导数，即折射率随波长的非线性变化。线性变化。材料色散材料色散减小材料色散：选择谱宽窄的减小材料色散：选择谱宽窄的光源光源波导结构影响光波群速度，因为导模场分波导结构影响光波群速度，因为导模场分布实际上是在纤芯和包层中都存在的，因此布实际上是在纤芯和包层中都存在的，因此光波群速度取决于两者的比例。光波群速度取决于两者的比例。通常通常长波长长波长光的场分布在包层中延伸更远，光的场分布在包层中延伸更远，因此长波长光因此长波长光“经历经历”的材料折射率更小，其的材料折射率更小，其群速度群速度就会比短波长光更就会比短波长光更大大一些。因此考虑波一些。因此考虑波导色散，

4、长波长光传播快，短波长光传播慢。导色散，长波长光传播快，短波长光传播慢。波导色散波导色散对光纤色散的理解对光纤色散的理解光纤色散光纤色散构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象模间色散：不同模式不同传输速度模间色散：不同模式不同传输速度材料色散：不同频率不同折射率材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度偏振模色散：不同偏振态不同传输速度群速度色散（群速度色散（GroupVelocity Dispersion）意义：具有单位频率间隔的两个光波在光纤

5、中传输单位距离意义：具有单位频率间隔的两个光波在光纤中传输单位距离时产生的时延差。时产生的时延差。单模光纤的色散单模光纤的色散光纤光纤色散色散(dispersion)正常色散正常色散( (长长波波长长速度快速度快) )反反常色散常色散( (短波短波长长速度快速度快) )1550 nm13101550 nmG.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm办法：材料色散不变，通过改变办法：材料色散不变，通过改变折射率剖面形状来增大波折射率剖面形状来增大波导色散，使零色散点往长导色散，使零色散点往长波长方向移动波长方向移动三角形芯型三角形芯型匹配包层

6、单模光纤匹配包层单模光纤G.656 色散平坦光纤色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤普通商用光纤色散平坦光纤色散平坦光纤相移法测量光纤色散相移法测量光纤色散221202AAAiztt传输方程是决定光脉冲在光纤中传输演传输方程是决定光脉冲在光纤中传输演变的基本方程，表明了在光脉冲传输过变的基本方程，表明了在光脉冲传输过程中，其波形如何受光纤色散的影响。程中，其波形如何受光纤色散的影响。2121,0,exp22iA z tAizzi t d 11gvdd222dd200010,expexp2iCtAtAitT1

7、/222200020,exp12 1TTAAiCiC脉冲的线性啁啾脉冲的线性啁啾This pulse increases its frequency linearly in time (from red to blue).In analogy to bird sounds, this pulse is called a chirped pulse.入射无啁啾入射无啁啾高斯脉冲高斯脉冲21001 22202021,exp211iCtzATA z tTiziCTiziCDispersion induced limitationsBit 1Bit 2Bit 1Bit 2Bit 1Bit 2Bit 1

8、Bit 2Bit 1Bit 2Inter-symbol interference(ISI)OA10Gb/sDispersionTime SlotOA2.5Gb/sDispersion速率越高，色散影响越严重速率越高，色散影响越严重！Dispersion Induced Power Penalty 偏振模色散偏振模色散(PMD)单模光纤中的偏振模色散B B沿轴随机变化，使入射到光纤的线偏振光很快成为沿轴随机变化，使入射到光纤的线偏振光很快成为任意偏振光。一个脉冲内的不同频率分量获得不同的任意偏振光。一个脉冲内的不同频率分量获得不同的偏振态，结果导致脉冲展宽。这种现象称为偏振态，结果导致脉冲展宽。

9、这种现象称为偏振模色偏振模色散散，是高速通信系统的主要限制因素。，是高速通信系统的主要限制因素。 光纤本身固有以及外界因素导致纤芯不均匀，破坏两正光纤本身固有以及外界因素导致纤芯不均匀，破坏两正交偏振模的简并，产生双折射模传播常数交偏振模的简并，产生双折射模传播常数 对于对于X,YX,Y方向方向偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为模式双折射模式双折射。 本征光纤双折射本征光纤双折射随机的偏振模耦合随机的偏振模耦合双折射的光通信器件双折射的光通信器件 偏振模色散产生的原因？偏振模色散产生的原因？ 外界的挤压外界的挤压 光纤的弯曲、扭转光纤的弯曲、扭转 外界环境温度

10、的变化外界环境温度的变化等等偏振模色散的影响偏振模色散的影响几种典型的保偏光纤结构几种典型的保偏光纤结构光纤制作过程中的拉丝技术：光纤制作过程中的拉丝技术：（a）倾斜安装的滑轮）倾斜安装的滑轮（b）两相对运动的滑轮）两相对运动的滑轮不同拉丝技术的不同拉丝技术的PMD减少量：减少量：恒定、正弦曲线、频率调制、恒定、正弦曲线、频率调制、幅度调制幅度调制PMD的测量的测量1PMD的测量的测量2光纤的损耗光纤的损耗光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性160017001400130012001500Attenuation (dB/km)Wavelength (nm) 20 10 0-10-20Dispersio

11、n (ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6Conventional Fiber （14401625nm）230 ch360 chAllWave Fiber（13351625nm）5thAllWaveeliminates the 1385 nm water peakAdditional channels arein Optimum Dispersionrange for 10 Gb/s DWDMAllWave offers 50%more DWDM channels!3rd4th5thAllWave vs. Conventional FiberMore Usable Optical Spectrum全波光纤全波光纤弯曲损耗弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场消逝场q qcqRq qCladdingCore