光纤光学第四章

1、第四章第四章 光纤的传输特性光纤的传输特性和新型光纤和新型光纤p 光纤的衰减机理及其决定因素光纤的衰减机理及其决定因素p 光纤的色散机理及其决定因素光纤的色散机理及其决定因素p 光纤的非线性及其对传输的影响光纤的非线性及其对传输的影响p 新型石英光纤的特性及其应用场合新型石英光纤的特性及其应用场合4.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光纤中传输光信号时，光信号的强度、频率、相光纤中传输光信号时，光信号的强度、频率、相位、偏振态等光参量会随传输距离的增加而改变，位、偏振态等光参量会随传输距离的增加而改变，这种特性称为光纤的传输特性。这种特性称为光纤的传输特性。u 光信号的强度变化光信号的强度变化

2、光纤的衰减光纤的衰减u 光信号的相位变化光信号的相位变化光纤的色散光纤的色散u 光信号的频率、相位变化等光信号的频率、相位变化等光纤的非线性光纤的非线性4.3.1 光纤的衰减特性光纤的衰减特性p 光纤通信中，光纤的衰减限制了信号所能传输的最光纤通信中，光纤的衰减限制了信号所能传输的最大距离，光纤的衰减越小，光传输距离就会越长。大距离，光纤的衰减越小，光传输距离就会越长。p 光能量的衰减（损耗）主要包括光能量的衰减（损耗）主要包括光纤耦合损耗光纤耦合损耗、光光纤的吸收和散射损耗纤的吸收和散射损耗以及以及光纤的弯曲辐射损耗。光纤的弯曲辐射损耗。p 在不同的应用场合，对于光纤损耗有所偏重：在不同的应

3、用场合，对于光纤损耗有所偏重：n 短距离传输：端面耦合损耗；短距离传输：端面耦合损耗；n 长距离传输：光纤的吸收和散射损耗。长距离传输：光纤的吸收和散射损耗。一、光纤损耗的计算一、光纤损耗的计算 DsppDp)(1)(0P(D)为输入功率为输入功率p0的光信号传输的光信号传输D后，剩余光功率。后，剩余光功率。 为单位距离上的吸收损耗；为单位距离上的吸收损耗；s为单位距离上的散射损耗；为单位距离上的散射损耗；(1) 以以W为单位计算为单位计算:(2) 以以dB为单位计算衰减为单位计算衰减光纤传输总衰减（损耗）定义光纤传输总衰减（损耗）定义为为)lg(10)lg(10)(outininoutPPP

4、PA总损耗与光纤长度总损耗与光纤长度L的比值的比值定义为光纤的损耗系数定义为光纤的损耗系数 ：)()(lg10)()(outinfPPLLA二、光纤的损耗特性二、光纤的损耗特性 光纤的损耗大小与波长有密切的关系。损耗与波长光纤的损耗大小与波长有密切的关系。损耗与波长的关系曲线称为的关系曲线称为光纤的损耗谱光纤的损耗谱，在谱线上，损耗值，在谱线上，损耗值比较大的地方，称为光纤的比较大的地方，称为光纤的吸收峰吸收峰，较低损耗的地方，较低损耗的地方称为光纤的工作波长（称为光纤的工作波长（工作窗口工作窗口）。）。1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散

5、射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰三、光纤的损耗机理三、光纤的损耗机理（1） 光纤的吸收损耗光纤的吸收损耗 紫外吸收损耗和红外吸收损耗：紫外吸收损耗和红外吸收损耗：在任一波长处，在任一波长处，任何材料的吸收与特定分子的电子振动和共振有关。在任何材料的吸收与特定分子的电子振动和共振有关。在石英系光纤中，电子共振发生在紫外区（石英系光纤中，电子共振发生在紫外区（9m）处，由于石英玻璃的非结晶特性，）处，由于石英玻璃的非结晶特性，使得共振吸收形成边带，吸收带延伸到可见光。使得共振吸收形成边带，吸收带延伸到可见光。

6、 杂质吸收损耗：杂质吸收损耗：光纤材料中含有光纤材料中含有OH-离子和金属离离子和金属离子以及掺杂杂质，也会引起损耗。子以及掺杂杂质，也会引起损耗。OH-键的基本谐振波键的基本谐振波长为长为2.73m，与，与Si-O键的谐振波长互相影响，形成一键的谐振波长互相影响，形成一系列吸收峰，其中影响较大的波长有系列吸收峰，其中影响较大的波长有1.39m、1.24m、0.95m。由于制造工艺的改变，金属离子和杂质的吸。由于制造工艺的改变，金属离子和杂质的吸收损耗，目前可忽略不计。收损耗，目前可忽略不计。（2） 光纤的散射损耗光纤的散射损耗n 瑞利散射损耗：瑞利散射损耗：光纤材料在加热过程中，由于热骚光纤

7、材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，动，使原子得到的压缩性不均匀，使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。传输方向，产生散射，引起损耗。n 波导散射损耗：波导散射损耗：由表面畸变或粗糙所引起的模式转由表面畸变或粗糙所引起的模式转换或模式耦合，而导致总功率额外的损

8、耗。（一种模式换或模式耦合，而导致总功率额外的损耗。（一种模式会产生其他传输模式和辐射模式。由于在光纤中传输的会产生其他传输模式和辐射模式。由于在光纤中传输的各种模式衰减不同，在长距离的模式变换过程中，衰减各种模式衰减不同，在长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，总体产生额外的损耗），目前，该项损耗可忽略。总体产生额外的损耗），目前，该项损耗可忽略。 瑞利瑞利散射损耗系数散射损耗系数4/CRC0.70.9（dB/km）m4 在在1.55m处，为处，为0.120.16dB/km。光纤在该波长。光纤在该波长处的损

9、耗主要由瑞利散射引起。处的损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射损耗与光波长瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比。的四次方成反比。（3） 光纤的弯曲辐射损耗光纤的弯曲辐射损耗 弯曲辐射损耗：弯曲辐射损耗：当理想的圆柱形光纤受到某些力当理想的圆柱形光纤受到某些力的作用下，会产生一定曲率半径的弯曲，原在纤芯中以的作用下，会产生一定曲率半径的弯曲，原在纤芯中以导模形式传输的功率将部分转化为辐射模功率，并逃逸导模形式传输的功率将部分转化为辐射模功率，并逃逸出纤芯，造成能量的损失。出纤芯，造成能量的损失。光线理论解释弯曲损耗：在弯曲处不再满足全反射定理。光线理论解释弯曲损耗：在弯曲处不再满足全反射定理。 宏弯损

10、耗：宏弯损耗：当弯曲曲率半径当弯曲曲率半径RRc，弯曲引起的损耗。弯曲引起的损耗。一般由盘绕等引起的宏弯。一般由盘绕等引起的宏弯。 微弯损耗：微弯损耗：当弯曲曲率半径当弯曲曲率半径R Rc，弯曲引起的损耗。弯曲引起的损耗。由光纤制备过程中或在应用过程中由由光纤制备过程中或在应用过程中由于应变等原因引起的形变。于应变等原因引起的形变。 R1cm时，附加损耗忽略不计。时，附加损耗忽略不计。单模光纤的弯曲损耗单模光纤的弯曲损耗)exp(21URRAcc21213)()(21WWkUaWAc22334naVWUnc323)996. 0748. 2(20cncR临界曲率半径临界曲率半径Rc： A、B、C

11、分别对应于分别对应于3种截种截止波长（止波长（0.7m、1.18m、1.4m）的光纤弯曲临界半）的光纤弯曲临界半径随波长的变化。径随波长的变化。（4） 光纤的耦合损耗光纤的耦合损耗 光纤与光源的耦合损耗光纤与光源的耦合损耗为获得最佳的耦合效率，主要考虑光纤与光源的特征为获得最佳的耦合效率，主要考虑光纤与光源的特征参量的相互匹配。参量的相互匹配。光纤：纤芯直径光纤：纤芯直径 数值孔径角数值孔径角 截止波长截止波长 偏振特性偏振特性光源：发光面积光源：发光面积 发光的角分布发光的角分布 光谱特性光谱特性 偏振特性偏振特性a) 半导体激光器和光纤的耦合损耗半导体激光器和光纤的耦合损耗b) 半导体发光

12、二极管和光纤的耦合损耗半导体发光二极管和光纤的耦合损耗 光纤与光纤的耦合损耗光纤与光纤的耦合损耗LD发光的角分布特点：在发光的角分布特点：在x方向（平行于方向（平行于PN结方向）光结方向）光束较集中，发散角束较集中，发散角2|约为约为5o6o，在，在y方向上，光束发方向上，光束发散角散角2 约为约为40o60o，LD的远场图为的远场图为细长椭圆细长椭圆。LD尺寸及光斑特点：发光面为窄长条，长为几十尺寸及光斑特点：发光面为窄长条，长为几十m。宽约几宽约几m。当激励电流超过阈值不多，基横模输出，。当激励电流超过阈值不多，基横模输出，在垂直于光轴的平面内呈在垂直于光轴的平面内呈高斯分布高斯分布。 2

13、exp)(),(22yxWyWxzAzyxIoxzxWoyzyWa) 半导体激光器和光纤的耦合损耗半导体激光器和光纤的耦合损耗n 直接耦合的损耗直接耦合的损耗%95)()tan2(%950maxerfwerfPPcoydttAerfA02)2exp(22)(W Woyoy=0.05m=0.05m，=0.85m=0.85m的的LDLD，NA=0.14NA=0.14的光纤直接耦合效率约的光纤直接耦合效率约为为20%20%。n 透镜耦合的损耗透镜耦合的损耗端面球透镜耦合的光路简化端面球透镜耦合的光路简化圆锥透镜耦合的光路简化圆锥透镜耦合的光路简化凸透镜耦合的光路简化凸透镜耦合的光路简化LD与光纤耦合

14、的典型光路示意图与光纤耦合的典型光路示意图b) 半导体发光二极管和光纤的耦合损耗半导体发光二极管和光纤的耦合损耗半导体发光管半导体发光管LED看成均匀的面发光体（朗伯型光源）看成均匀的面发光体（朗伯型光源）220max)(sinNAPPcLED和和MMF直接耦合时的最大耦合效率为：直接耦合时的最大耦合效率为：常见多模光纤常见多模光纤NA=0.14，其最大耦合效率仅为，其最大耦合效率仅为2%。 光纤与光纤的耦合损耗光纤与光纤的耦合损耗a) 多模光纤多模光纤MMF和和MMF的耦合损耗的耦合损耗)(1 )1 (162142FNNT光纤的透过率：光纤的透过率：01nnN u 轴偏离对耦合损耗的影响轴偏

15、离对耦合损耗的影响u 两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响u 两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响u 光纤端面的不完整（端面倾斜和端面弯曲）对耦合损耗光纤端面的不完整（端面倾斜和端面弯曲）对耦合损耗的影响的影响u 光纤种类（光纤芯径和折射率）不同对耦合损耗的影响光纤种类（光纤芯径和折射率）不同对耦合损耗的影响端面光功率端面光功率均匀分布均匀分布u耦合损耗和轴偏离耦合损耗和轴偏离x的关系的关系u耦合损耗和间隙耦合损耗和间隙z的关系的关系21 )2arccos(21)1 (16212421axaxaxNN)2(41 )1 (162

16、1422NazNNu耦合损耗和轴倾斜耦合损耗和轴倾斜的关系的关系u耦合损耗和端面倾斜的关系耦合损耗和端面倾斜的关系)2(1 )1 (1621423NNN)()2(11 )1 (162121424NNNNu耦合损耗和端面弯曲的关系耦合损耗和端面弯曲的关系u耦合损耗和芯径差的关系耦合损耗和芯径差的关系1)2(211 )1 (162121424addNNNN0)1 (1601 )1 (164221424PNNPPNNb) 单模光纤单模光纤SMF和和SMF的耦合损耗的耦合损耗u 两光纤的离轴和轴倾斜引起的耦合损耗两光纤的离轴和轴倾斜引起的耦合损耗u 两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗两光纤端面间的间隙引

17、起的耦合损耗u 不同种类光纤引起的耦合损耗不同种类光纤引起的耦合损耗端面光功率端面光功率高斯分布高斯分布34. 4202201snsd202022222214110snkSzzzze22212132lg20ssssS1，s2为两光纤模斑半径为两光纤模斑半径4.3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性主要内容：主要内容：u 光纤色散的定义光纤色散的定义u 光纤色散的计算分析光纤色散的计算分析u 光纤色散的种类及其产生原因光纤色散的种类及其产生原因u 单模光纤的色散波谱特性单模光纤的色散波谱特性 教学重点：教学重点：n 理解光纤色散的概念及形成机制。理解光纤色散的概念及形成机制。 不同频率的电磁波以不

18、同的相速度和群速度在不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播介质中传播。 不同模式之间具有不同的传输常数，所以具有不同模式之间具有不同的传输常数，所以具有不同的相速度和群速度不同的相速度和群速度。 波长色散波长色散模式色散模式色散 色散与媒质和波导结构都有关系，一般把有媒质色散与媒质和波导结构都有关系，一般把有媒质贡献的项称为贡献的项称为材料色散材料色散，而把波导结构贡献的项称为，而把波导结构贡献的项称为波导色散波导色散。 色散导致光脉冲在传播过程中展宽，致使前后色散导致光脉冲在传播过程中展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰。脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰。 光纤

19、的色散越小，越有利于高速传输。光纤的色散越小，越有利于高速传输。一一、波长色散、波长色散（色度色散）色度色散） 光信号在光纤中以群速度传播，群速度的定义为光信号在光纤中以群速度传播，群速度的定义为ddgv光信号在光纤中传播单位距离的时间称为群时延，用光信号在光纤中传播单位距离的时间称为群时延，用 表示。表示。dd1gv0001dkdcddkdkd0000ckddc2220k)2(21222ddddcddfdkcdcdd202222时延差：时延差： 二二、模式模式色散色散（模间色散、（模间色散、多径色散）多径色散） 几何理论的时延定义：沿传输方向走单位距离所用的时间。几何理论的时延定义：沿传输方

20、向走单位距离所用的时间。波动理论的群时延定义：某一模式波动理论的群时延定义：某一模式光信号在光纤中传播单位光信号在光纤中传播单位距离的时间距离的时间，即群速度的倒数。，即群速度的倒数。21时延差时延差ddddmn11时延差时延差 在多模光纤中，光信号耦合进光纤以后，会激励起在多模光纤中，光信号耦合进光纤以后，会激励起多个模式。这些模式有不同的相位常数和不同的传播速多个模式。这些模式有不同的相位常数和不同的传播速度，从而导致光脉冲的展宽。与光信号谱宽无关，仅由度，从而导致光脉冲的展宽。与光信号谱宽无关，仅由传播模式间相位常数的差异导致的色散效应，称为模式传播模式间相位常数的差异导致的色散效应，称

21、为模式色散或模间色散。色散或模间色散。 LTmincLTcosmax22101minmax1cos1nnncLnLTTTc2211212122212nnnnnnnnn012012)(cnNALcLnT最低模式：最低模式：最高模式：最高模式：相对折射率相对折射率脉冲展宽脉冲展宽渐变型多模光纤模式色散较小！渐变型多模光纤模式色散较小！阶跃阶跃MMF的模式色散的计算的模式色散的计算群时延：光信号在光纤中传播单位距离的时间，即群时延：光信号在光纤中传播单位距离的时间，即群速度的倒数群速度的倒数dd群折射率：群折射率：ggncddvncvpddnnngddnnddnndnddndkcddcng11110

22、模式色散时延差：模式色散时延差：ddddmn波长色散时延差：波长色散时延差：ddddLH结论：传输常数结论：传输常数随频率或者模式随频率或者模式的变化关系决定的变化关系决定了色散的性质了色散的性质群折射率gn1 1、色散系数、色散系数 D ddddddD定义：定义：意义：意义：单位波长间隔（单位波长间隔（1 1nmnm）的两个频率成分在光纤中的两个频率成分在光纤中传播传播1 1kmkm时所产生的群时延差。时所产生的群时延差。 kmnmps/描述光波导色散特性的两个重要参数描述光波导色散特性的两个重要参数202022201)2(21)(lim)(dkdkcddddcddddddD 单模光纤的色散

23、系数单模光纤的色散系数D D（）由光纤中光波传）由光纤中光波传播的相位常数播的相位常数对对k k0 0 的二阶导数决定。的二阶导数决定。 2)(2221012220210010WmDDdVbdVcNNdkdNcdVbdkVNNckdkdNckDddNcdkdNcDm101212)(2221)()(dVbVdVcNNDW材料色散材料色散波导色散波导色散)1 ()21 (22)(102110212122211210212221220bnkbnknbnnnnnkbnnnk22212022202nnknkb22120nkaU22202nkaW22221VUVWb002121101001011000)(

24、)()1 ()1 (dkdbknnbNNNdkdbnkdkdbnkbNbnkdkddkd)(),(20021001nkdkdNnkdkdN分别是纤芯和包层的群折射率分别是纤芯和包层的群折射率 dVdbkVnnadVdbnnakdkddVdbdkdb0212221212221000dVbVdNNNdVdbVnnbNNNdkd)()()(2112121102202121001202)()(dVbdkVNNdVbVdNNdkddkdNdkd2202101202)(dVbdkVNNdkdNdkd波导色散波导色散 2221)()(dVbVdVcNNDW波导色散项是由于导波模的相位常数随工作波长的波导色散

25、项是由于导波模的相位常数随工作波长的变化而引起的，它与归一化工作频率变化而引起的，它与归一化工作频率V和和 的乘的乘积成比例。而积成比例。而V和和b又都是光纤结构参数的函数。又都是光纤结构参数的函数。22)(dVVbd由于由于 ，近红外波段内波长范围内，总，近红外波段内波长范围内，总有有 ，所以必有波导色散项，所以必有波导色散项 。0)(21 NN0)(22dVVbdV0)(mD 构成介质材料的分子、原子可以看成一个个谐振子，他们有构成介质材料的分子、原子可以看成一个个谐振子，他们有一系列固有的谐振频率或谐振波长。在外加高频电磁场作用下，一系列固有的谐振频率或谐振波长。在外加高频电磁场作用下，

26、这些谐振子作受迫振动。这些谐振子作受迫振动。由于折射率随外加电磁场的频率变由于折射率随外加电磁场的频率变化，所以介质呈色散特性，这就是材料色散。化，所以介质呈色散特性，这就是材料色散。 n jnn在在 1ps)222),(EnnEn光场幅度光场幅度的有效值的有效值或均方根或均方根线性折线性折射率射率非线性折射率非线性折射率或或KerrKerr系数系数折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。部分非线性效应都起源于非线性折射率。1）自相位调制）自相位调制SPMl折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变折射率非线性分量的出现

27、将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项：化，使传播常数增加了一附加项：effAn22光纤有效光纤有效截面积截面积由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为自相位调制，信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。P线性传输时线性传输时的传播常数的传播常数非线性非线性系数系数光纤中传光纤中传输的功率输的功率Self -Phase ModulationA A、单色平面波：单色平面波：B B、新的频率成份新的频率成份 似忽略似忽略 reasonreason：其频率在感兴趣的频段以外；其强度弱。其频率在感兴趣的频段以外；其强度弱。03)cos(),(00ztEtzE3341)cos(43)

28、(cos),(00003)3(00033)3(01ttztEztEtrPNLC C、基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改变其色散。基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改变其色散。D D、忽略忽略3 3次谐波次谐波)(cos)43(),(0033)3(01ztEEtrPNL2)3()1(200431Eccnn00)1(21)cos(43)cos()1(002)3(0000)1(ttEEttEPPPNL)cos()431 (0002)3()3(ttEEA A、相位相位B B 、折射率：折射率： (1)(3)20314Ec(1)(3 )2023114nnEcn( 3 )2023(1)8nEcn2(

29、3 )00231()()82nnnIncn Ecnn 非线性相移非线性相移ineffeffeffinLNLPALnLPdZZP)/2()(20p 非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越大，非线性效应越强。p SPM不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现频率啁啾，引起光脉冲的频谱展宽 。2）交叉相位调制）交叉相位调制XPMl在多波长系统中（在多波长系统中（WDM），），光强的变化引起相位的变光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。 XPM是不同波长的光

30、脉冲在光纤中共同传输时引起的是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。一种光场的非线性相移。l特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第j信道的相移可写为：信道的相移可写为：MjmmjeffNLjP2PLM：信道总数；Pj：信道功率（j1M）；因子2表明在同样功率下XPM的影响是SPM的两倍，这样总相移就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图形而变化。n交叉相位调制在多信道系统中是主要的功率限制因素交叉相位调制在多信道系统中

31、是主要的功率限制因素3） 四波混频四波混频FWMlFWM： 光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。对于等间隔的对于等间隔的WDMWDM系统，这些频率分量将与信号频率重系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。4.1 不同波导结构的石英光纤不同波导结构的石英光纤研究内容：光纤是如何满足不同时期的不同应用需求的。研究内容：光纤是如何满足不同时期的不同应用需求的。不同波导结构的不同波导结构的光纤

32、特性不一样光纤特性不一样研究思路：研究思路：不同的应用场合对不同的应用场合对光纤性能的要求光纤性能的要求几何特性几何特性光学特性光学特性传输特性传输特性环境特性环境特性距离（远、近）距离（远、近）容量（大、小）容量（大、小）易操作性（方便、不方便）易操作性（方便、不方便）u 光纤的几何特性光纤的几何特性纤芯直径、包层直径、纤芯纤芯直径、包层直径、纤芯/ /包层同心度、不圆度和光纤包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。翘曲度等。u 光纤的光学特性光纤的光学特性折射率分布、数值孔径、模场直径及截止波长等。折射率分布、数值孔径、模场直径及截止波长等。u 光纤的传输特性光纤的传输特性光纤的光纤的损耗特性和

33、色散特性损耗特性和色散特性损耗导致脉冲幅度减小，限制系统的传输距离；色散导致损耗导致脉冲幅度减小，限制系统的传输距离；色散导致脉冲展宽、畸变，限制系统的传输容量。脉冲展宽、畸变，限制系统的传输容量。回顾：光纤特性回顾：光纤特性u 光纤的机械特性和温度特性光纤的机械特性和温度特性回顾：光纤应用回顾：光纤应用u 光纤在光纤在通信系统通信系统中的应用（重要应用场合）中的应用（重要应用场合）光纤在光纤在干线网、城域网和接入网干线网、城域网和接入网（含本地网）（含本地网）不同场合已有很多的应用，并应用前景巨大。不同场合已有很多的应用，并应用前景巨大。u 光纤在传感中的应用光纤在传感中的应用光纤在传感中不

34、仅起到光纤在传感中不仅起到“传传”的作用，同时可的作用，同时可起到起到“感感”的作用。的作用。u 光纤在照明、成像等场合中的应用光纤在照明、成像等场合中的应用光纤在照明、成像场合主要起到（可见）光的光纤在照明、成像场合主要起到（可见）光的传输和散射等作用。传输和散射等作用。SI-MMF模式色散大模式色散大，限制大容量传输，一般工，限制大容量传输，一般工作在作在850nm，损耗大。但数值孔径较大，耦合，损耗大。但数值孔径较大，耦合效率较高，弯曲产生的损耗相对较小。效率较高，弯曲产生的损耗相对较小。GI-MMF改善模式色散，适合光局域网等场合应用。改善模式色散，适合光局域网等场合应用。 光纤的色散

35、进一步降低，同时工作波长从短波长向光纤的色散进一步降低，同时工作波长从短波长向长波长转移，光纤的损耗降低，适合大容量长距离传输。长波长转移，光纤的损耗降低，适合大容量长距离传输。 SiO2+GeO2 SiO2+GeO2SiO2 SiO2 SiO2+F简单阶跃匹配包层型简单阶跃匹配包层型 简单阶跃下凹内包层型简单阶跃下凹内包层型高的能大高的能大大改变光纤大改变光纤的抗弯性的抗弯性相对折射率差相对折射率差偏低光纤抗偏低光纤抗弯性稍差弯性稍差u在在1310nm波段的损耗较大（约波段的损耗较大（约0.35dB/km）；在）；在1550nm波段的损耗较小（约波段的损耗较小（约0.25dB/km）。）。u

36、 在在1310nm波段的色散较小（约为波段的色散较小（约为3.5ps/nmkm），系），系统传输距离只受光纤衰减所限制。在统传输距离只受光纤衰减所限制。在1550nm波段的色散波段的色散较大（约为较大（约为20ps/nmkm），若传输），若传输10Gb/s的信号，不加的信号，不加处理，不能实用。处理，不能实用。 存在的问题：存在的问题： 损耗与色散最小值不损耗与色散最小值不在同一个波段（在同一个波段（在在1310nm区色散值小，但区色散值小，但损耗大；在损耗大；在1550nm区损区损耗小，但色散大耗小，但色散大），不利），不利于长距离大容量传输。于长距离大容量传输。是否可以将两者最小值是否可以

37、将两者最小值在同一波段实现统一？在同一波段实现统一？改变波导结构改变波导结构光纤的色度色散为材料色散和波导色散的代数和。光纤的色度色散为材料色散和波导色散的代数和。改变波导结构，改变波导结构，可有效实现零色可有效实现零色散点的位移。散点的位移。为何不改变材料色散，使色度色散为零呢？为何不改变材料色散，使色度色散为零呢？ 通过改变光纤的材料（掺杂），无形中通过改变光纤的材料（掺杂），无形中会增加光纤的损耗，此解决办法不理想。会增加光纤的损耗，此解决办法不理想。DSF的损耗和色的损耗和色散在散在1550nm同同时达到最小值。时达到最小值。 因此，因此， DSF）是单波长）是单波长信号传输的最佳选择

38、。信号传输的最佳选择。存在的问题：存在的问题： 多信道传输时，多信道传输时，容容易产生四波混频易产生四波混频FWM现现象，不利于多信道的象，不利于多信道的WDM传输传输，FWM导致导致信道间发生串扰。信道间发生串扰。是否可以降低是否可以降低FWM对对多信道传输的影响？多信道传输的影响？适量的微量色散，适量的微量色散，FWM的影响会减小的影响会减小。 NZ-DSF的损耗小，的损耗小，色散适量，有效克色散适量，有效克服服FWM对多信道传对多信道传输的影响，适合应输的影响，适合应用于用于WDM系统。系统。 G.655光纤特别适合于光纤特别适合于高密度高密度WDM系统系统的传输，的传输，是新一代光纤通

39、信系统的是新一代光纤通信系统的最佳传输介质最佳传输介质。 WDM WDM传输系统由传输系统由于于色散的积累及色散的积累及色散色散斜率斜率的作用，各通路的作用，各通路的色散积累量是不同的色散积累量是不同的，其中位于两侧的的，其中位于两侧的边缘通路间的色散积边缘通路间的色散积累量差别最大。当传累量差别最大。当传输距离超过一定值后，输距离超过一定值后，具有较大色散积累量具有较大色散积累量通路的色散值超标，通路的色散值超标，从而限制了整个从而限制了整个WDMWDM系统的传输距离。系统的传输距离。 低色散斜率光纤低色散斜率光纤可使工作波长区可使工作波长区顺利地从顺利地从C波段波段（15301565nm）

40、扩展至）扩展至L波段（波段（15651625nm），），而而不至引起过大的色散补偿负担，只需一个不至引起过大的色散补偿负担，只需一个色散补偿模块色散补偿模块即可补偿整个即可补偿整个C波段和波段和L波段波段。1.1色散平坦色散移位常规1.21.31.41.51.61.7201001020波长 / m色散 / (ps(nmkm)1) 我国在建设期我国在建设期（2002年前后）铺设年前后）铺设的光纤的光纤99%为为G.652光纤，色散问题严重光纤，色散问题严重阻碍阻碍1310nm单模光单模光纤到纤到1550nm得升级得升级扩容。扩容。如何解决呢？如何解决呢？ G.652光纤的色散值光纤的色散值在在1

41、550nm波长是波长是正的（正的（1720）ps/（nmkm），），且且具有正的色散斜率具有正的色散斜率，可加接具有，可加接具有负负色散的色散补偿光纤色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。距离的通信。 DCF是具有是具有大的负色散光纤大的负色散光纤。 常规光纤无法常规光纤无法避免在避免在1385nm处处很强的很强的OH-离子的离子的吸收损耗。就会限吸收损耗。就会限制制E波段的利用，波段的利用，很难工作在全波段。很难工作在全波段。措施：降低措施：降低

42、OH-离子的浓度。离子的浓度。 All-wave Fiber消除了常规消除了常规光纤在光纤在1385nm附附近的损耗峰，近的损耗峰，损耗损耗从原来的从原来的2dB/km降到降到0.3dB/km，使光纤损耗在使光纤损耗在1310nm1600nm都趋于平坦。都趋于平坦。 全波光纤可使用全波光纤可使用1310nm、1400nm和和1550nm三三个窗口，所以全波光纤将有可能实现在单根光纤上传输个窗口，所以全波光纤将有可能实现在单根光纤上传输语音、数据和图象信号，实现三网合一。语音、数据和图象信号，实现三网合一。 线性色散可用色散补偿的方法来消除，而非线性的线性色散可用色散补偿的方法来消除，而非线性的

43、影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除，一旦产生影响却不能用简单的线性补偿的方法来消除，一旦产生很难处理，所以采用大有效面积光纤可解决非线性问题。很难处理，所以采用大有效面积光纤可解决非线性问题。 NZ-DSF NZ-DSF光纤模场直径变小，其光纤模场直径变小，其有效面积也减小有效面积也减小 ，更容易产生较大的插入损耗和更容易产生较大的插入损耗和非线性效应非线性效应。理论研究。理论研究表明，增加光纤有效面积，减低所有的非线性。表明，增加光纤有效面积，减低所有的非线性。 有效面积变大有效面积变大后导致后导致色散斜率偏大色散斜率偏大（约为约为0.1ps/(nm2km)），在），在L波段的高端色散系数高（波段的高端色散系数高（达达11.2ps/(nmkm)），使高波段通道的色散受限距离缩短；，使高波段通道的色散受限距离缩短；当应用范围从当应用范围从C波段扩展到波段扩展到L波段时