第910学时光纤传输理论及基本特性学习教案

1、会计学1第第910学时学时(xush)光纤传输理论及基本光纤传输理论及基本特性特性第一页，共32页。 由前面讨论中知道：光纤中只传输一个由前面讨论中知道：光纤中只传输一个(y )基模基模LP01(HE11)模的模的条件是条件是v vc = 2.4048。由。由v的定义，若光纤结构参数的定义，若光纤结构参数(a,n1和和)已知，必已知，必存在一个存在一个(y )波长波长c，使光纤的归一化频率，使光纤的归一化频率v = vc 。当当c时，时，v vc ，满足单模传输条件，满足单模传输条件，当当 vc ，必然出现，必然出现LP11等高阶模，称为多模光纤。等高阶模，称为多模光纤。(31)精密仪器与光电

2、子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长第1页/共32页第二页，共32页。例例 已知一阶跃光纤，已知一阶跃光纤，n1 = 1.487， = 0.37, 2a = 8.3m， 在在 = 1.55m，1.31m，0.85m时，时， (1)考察光纤中传输那些矢量导模？考察光纤中传输那些矢量导模？ (2)若在上述任意若在上述任意(rny)波长下保证单模传输，问光纤芯径波长下保证单模传输，问光纤芯径2a的值？的值？解解精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长第2页/共32页第三页，共32页。 将式将式(31)改写，得到截止波长的表

3、达式改写，得到截止波长的表达式c称为单模光纤的截止波长。当波长大于称为单模光纤的截止波长。当波长大于c ，给定，给定 的光纤变为单模光纤，光波传输成为的光纤变为单模光纤，光波传输成为(chngwi)单模传输。它是单模传输。它是 表征单模光纤特性的重要参数之一，可与表征单模光纤特性的重要参数之一，可与 v 值互相替值互相替 换使用。换使用。在光纤出厂时，截止波长、芯径和相对折射率差是作为光纤参数给出的。在光纤出厂时，截止波长、芯径和相对折射率差是作为光纤参数给出的。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长(32)122ccanv第3页/共32页第四页，

4、共32页。由前面的讨论，光纤中的由前面的讨论，光纤中的LP01模电场沿径向模电场沿径向(jn xin)的分布规律：的分布规律：在光纤芯中为在光纤芯中为0阶贝塞尔函数，在包层中为阶贝塞尔函数，在包层中为0阶变质贝塞尔函数阶变质贝塞尔函数精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径(zhjng)00()( )()uJrraaR rwKrraa第4页/共32页第五页，共32页。实际问题中，往往把实际问题中，往往把LP01模的光功率分布近似为高斯分布模的光功率分布近似为高斯分布模场直径模场直径(zhjng)(MFD)：把光功率分布下降到：把光功率分布下降到 处所

5、对应处所对应 的直径的直径(zhjng) 定义为模场直径定义为模场直径(zhjng)。模场直径模场直径(zhjng)直接描述了单模光纤中光功率被束缚的情况，反映了单直接描述了单模光纤中光功率被束缚的情况，反映了单模的工作状态模的工作状态(远离或靠近截止远离或靠近截止)。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径(zhjng)第5页/共32页第六页，共32页。l模场直径和归一化频率模场直径和归一化频率v的关系的关系(gun x)l例例一单模光纤，芯径一单模光纤，芯径7m，折射率，折射率1.458，包层折射率，包层折射率1.452。当。当l 光源工作波长为

6、光源工作波长为1.3m，1.5m时，计算光纤单模工作时的截时，计算光纤单模工作时的截l 止波长，止波长，v 数和模场直径数和模场直径MFD。l答案：答案：1.208m；2.236/1.938；8.57/8.8 m。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径(zhjng)第6页/共32页第七页，共32页。单模光纤中传输的单模光纤中传输的LP01(HE11)模实际上是由两个正交的偏振模式模实际上是由两个正交的偏振模式 和和 简并的，理想情况下，它们的传播常数相等，即简并的，理想情况下，它们的传播常数相等，即 xy。由于由于(yuy)实际光纤的不完善，如椭圆

7、横截面，内部残余应力等，实际光纤的不完善，如椭圆横截面，内部残余应力等，引引 起折射率各向异性，使得起折射率各向异性，使得 和和 的简并受到破坏，即：的简并受到破坏，即： xy，从而产生附加相位差，从而产生附加相位差 ，这种现象称为双折射。，这种现象称为双折射。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的极化单模光纤的极化(j hu)和双折射和双折射11HEx11HEy11HEx11HEy(33)()xyz第7页/共32页第八页，共32页。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院单模光纤的极化单模光纤的极化(j hu)和双折射和双折射l拍长拍长Lp：表征单模光纤双折射的常

8、数，其定义为：表征单模光纤双折射的常数，其定义为l物理意义：物理意义：相位差变化相位差变化2，在光纤轴向传播的距离。，在光纤轴向传播的距离。(单位：单位：m)(34)2pxyL第8页/共32页第九页，共32页。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院习习 题题1.单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径(zhjng)是否等于光纤芯径？试定性说明模是否等于光纤芯径？试定性说明模场直径场直径(zhjng)与光纤结构参数的关系。与光纤结构参数的关系。2.单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径(zhjng)与入射光波长是否有关系？为什么？与入射光波长是否有关系？为什么？3.什么是单模光纤的双折射？什

9、么是单模光纤的双折射？4.什么是单模光纤的拍长？物理意义？什么是单模光纤的拍长？物理意义？第9页/共32页第十页，共32页。12.5.1 光纤的传光纤的传输损耗特输损耗特性性22.5.2 光纤的色光纤的色散特性散特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第10页/共32页第十一页，共32页。光纤的传输损耗光纤的传输损耗(snho)特性特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第11页/共32页第十二页，共32页。 光纤的传输(chun sh)损耗特性1. 损耗的几种表示方法损耗的几种表示方法2. A. 功率功率(gngl)损耗系数损耗系数(1/Km)(35)精密仪器与光电子

10、工程学院精密仪器与光电子工程学院第12页/共32页第十三页，共32页。 光纤的传输损耗(snho)特性1. 损耗的几种损耗的几种(j zhn)表示方法表示方法2. B. 功率损耗分贝数功率损耗分贝数(dB/Km)(36)精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第13页/共32页第十四页，共32页。 光纤的传输(chun sh)损耗特性1. 损耗损耗(snho)的几种表示方法的几种表示方法2. C. 以以1mW为参考值的光功率分贝数为参考值的光功率分贝数(dBm)(37)精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第14页/共32页第十五页，共32页。2. 光纤损耗的测量方法光纤损耗

11、的测量方法CCITT (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone)建议建议(jiny)规定的基准测试规定的基准测试法：截断法法：截断法其他的：插入损耗法，背向散射法。其他的：插入损耗法，背向散射法。2m 光纤的传输损耗(snho)特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第15页/共32页第十六页，共32页。3. 引起引起(ynq)光纤传输损耗的原因光纤传输损耗的原因光纤损耗有三个主要原因：吸收损耗、散射损耗、弯曲光纤损耗有三个主要原因：吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗损耗(1)吸收损耗吸收损耗本征吸

12、收、原子缺陷损耗和杂质离子吸收本征吸收、原子缺陷损耗和杂质离子吸收 材料对光的本征吸收材料对光的本征吸收这是光纤固有的这是光纤固有的 a. 分子振动态的改变对光子的吸收分子振动态的改变对光子的吸收(红外吸收红外吸收) b. 电子跃迁对光子的吸收电子跃迁对光子的吸收(紫外吸收紫外吸收)杂质离子的吸收杂质离子的吸收 a. 过渡金属离子过渡金属离子 b. 氢氧根离子氢氧根离子原子缺陷损耗原子缺陷损耗由于加热或强烈的辐射，使某些离子由于加热或强烈的辐射，使某些离子态态 发生变化，导致原子缺陷。发生变化，导致原子缺陷。 光纤的传输损耗(snho)特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第16

13、页/共32页第十七页，共32页。(2)散射损耗散射损耗由于介质中有折射率不同的悬浮微粒存在，即使不正对由于介质中有折射率不同的悬浮微粒存在，即使不正对着入射光的方向也能清楚地看到光线，这种现象着入射光的方向也能清楚地看到光线，这种现象(xinxing)称为光的散射，由于散射引起的光损耗称为光的散射，由于散射引起的光损耗称为散射损耗。称为散射损耗。 密度不均匀密度不均匀内部应力不均匀内部应力不均匀折射率不均匀折射率不均匀悬浮颗粒悬浮颗粒瑞利散射瑞利散射本征散射本征散射非线性散射损耗非线性散射损耗 在强电场作用下，出现新的频率或输入光波在强电场作用下，出现新的频率或输入光波(gungb)(gung

14、b)频率频率发生变化，称为非线性散射。由非线性散射引起的损耗称为非线性发生变化，称为非线性散射。由非线性散射引起的损耗称为非线性散射损耗。散射损耗。光纤的传输光纤的传输(chun sh)损耗特性损耗特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第17页/共32页第十八页，共32页。(3)弯曲弯曲(wnq)损耗损耗(4)模式损耗模式损耗(5)微弯损耗微弯损耗光纤的传输光纤的传输(chun sh)损耗特性损耗特性342263()cmfaEaNhEb(38)精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第18页/共32页第十九页，共32页。2光纤的传输损耗光纤的传输损耗(snho)特性特性精

15、密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第19页/共32页第二十页，共32页。1.光纤主要的传输特性包括光纤主要的传输特性包括 和和 。2.什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的主要原因有哪些？什么叫光纤损耗？造成光纤损耗的主要原因有哪些？3.光纤传输损耗的几种常用表示方法，之间的对应关系？光纤传输损耗的几种常用表示方法，之间的对应关系？4.简单叙述截断法光纤损耗测量的过程。简单叙述截断法光纤损耗测量的过程。5.当工作波长当工作波长 = 1.31m，某光纤的损耗为，某光纤的损耗为0.5dB/km，如果，如果(rgu)最初射最初射入光纤的光功率是入光纤的光功率是0.5mW，试问经过，试问经过4km

16、以后，以以后，以dBm为单位的光功率为单位的光功率是多少？是多少？6.试从本征的和技术的两方面分析减小损耗的方法。试从本征的和技术的两方面分析减小损耗的方法。7.为什么光纤工作波长选择为什么光纤工作波长选择1.55m、1.31m、0.85m三个窗口？三个窗口？习习 题题精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院-5dBm第20页/共32页第二十一页，共32页。 光脉冲信号通过光纤时，随着传输距离的增加光脉冲信号通过光纤时，随着传输距离的增加(zngji)(zngji)，光脉冲响，光脉冲响应应 被拉长，即脉冲被展宽；或者出现明显的波形失真，这种物被拉长，即脉冲被展宽；或者出现明显的波形失真

17、，这种物 理现象称为光纤的色散。是不同频率成分和不同模式成分的理现象称为光纤的色散。是不同频率成分和不同模式成分的 群速不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。群速不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第21页/共32页第二十二页，共32页。1.群速度群速度(sd)和相速度和相速度(sd)光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第22页/共32页第二十三页，共32页。光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性2. 模式色散模式色散 不同入射角的光线代表不同的模式，阶跃光

18、纤中不不同入射角的光线代表不同的模式，阶跃光纤中不同光线的传播速度相同同光线的传播速度相同(xin tn)，但几何程长不同，但几何程长不同，这将使不同路径的光线到达输出端所用的时间不同，产这将使不同路径的光线到达输出端所用的时间不同，产生脉冲展宽，形成模式色散。生脉冲展宽，形成模式色散。精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第23页/共32页第二十四页，共32页。光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性2. 模式模式(msh)色散色散精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第24页/共32页第二十五页，共32页。光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性2. 模式色散模式色散综合考

19、虑子午光线和斜光线，对于阶跃折射率分布剖面综合考虑子午光线和斜光线，对于阶跃折射率分布剖面(pumin)的多模光纤，其模式色散的脉冲展宽的多模光纤，其模式色散的脉冲展宽对于渐变折射率分布剖面对于渐变折射率分布剖面(pumin)的多模光纤，其模式色的多模光纤，其模式色散的脉冲展宽散的脉冲展宽 单位：单位：ns/Km123Mnc(39)21210 3Mnc(40)精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第25页/共32页第二十六页，共32页。3. 材料色散材料色散(Material Dispersion) 光纤材料的折射率随波长而变化，导致同一模式光纤材料的折射率随波长而变化，导致同一模式

20、(msh)内内不同波长的光波的群速度不同，从而产生脉冲展宽。不同波长的光波的群速度不同，从而产生脉冲展宽。光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第26页/共32页第二十七页，共32页。3. 材料色散材料色散(ssn)(Material Dispersion)对于光源，光功率降为峰值一半时的谱宽叫做光源的半功对于光源，光功率降为峰值一半时的谱宽叫做光源的半功率线宽。率线宽。单位长度光纤由材料色散单位长度光纤由材料色散(ssn)产生的脉冲展宽产生的脉冲展宽单位：单位：ns/Km光纤的色散光纤的色散(ssn)特性特性(37)精密仪器与光电子工程学院精密仪器与光电子工程学院第27页/共32页第二十八页，共32页。4. 波导色散波导色散光波在光纤中的传播常数光波在光纤中的传播常数随光波长随光波长的变化而变化，由此造的变化而变化，