光纤传输原理及特性

光纤传输原理及特性第一页，共九十三页，2022年，8月28日2.1光纤和光缆的结构及类型光纤与光缆的结构光纤？光缆？所谓“光纤”就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。所谓“光缆”就是由多根光纤和加强构件以及外护层构成。

第二页，共九十三页，2022年，8月28日．光纤结构及类型

1.光纤结构图2-1光纤结构第三页，共九十三页，2022年，8月28日2.光纤分类

按模式来分

1)多模光纤（Step-IndexFiber/Graded-IndexFiber）

2)单模光纤：①双包层光纤②三角芯光纤

图2-3典型特种单模光纤SiO2+GeO2SiO2+FSiO2第四页，共九十三页，2022年，8月28日③椭圆芯光纤：保偏单模光纤。

④熊猫光纤：保偏状态；⑤蝴蝶光纤：保偏状态

光纤的用途？第五页，共九十三页，2022年，8月28日有：多模光纤G.651（MMF）、单模光纤G.652（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（低损耗光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）和G.656光纤。还有其他相关的单模光纤，如色散平坦光纤（DFF）和色散补偿光纤（DCF）。各种光纤的适用范围及特性见表2.1和表2.23)按ITU-T已提出的规范建议，光纤类别第六页，共九十三页，2022年，8月28日光纤类型适

用

范

围G.651光纤工作在850nm的短波长窗口，对于四次群以下的光纤通信系统较为实用。常用于局域网和数据链路G.652光纤在1310nm波长性能最佳，是目前应用最广泛光纤。主要应用在1310nm波长区开通长距离622Mbit/s及其以下系统，在1550nm波长区开通2.5Gbit/s，10Gbit/s和n×2.5Gbit/s波分复用系统G.653光纤在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均最小。主要用于长距离、高速率，如10Gbit/s以上系统，其缺点是易受非线性影响，并产生较严重的四波混频效应（FWM），它不支持波分复用系统G.654光纤在1550nm波长衰减系数最小，抗弯曲性能好。主要用于长距离海底系统G.655光纤在1550nm处有低色散保证，有抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和DWDM系统，传输速率在10Gbit/s以上G.656光纤进一步扩大可利用的波长范围以增加波道数，在G.655基础上人们想到了利用S+C+L三个波段光纤。2002年由日本NTT公司和CLPAJ公司提出G.656光纤的基本规范。与G.655不同是在1540~1625nm波段，色散系数为2~14ps/（nm.km）DFF光纤优点是在1310~1550nm波段内为低色散。可与G.652光纤配合使用，降低光纤总色散DCF光纤优点是在1550nm内有很大的负色散，主要用于与G.652光纤配合使用由1310nm扩容升级至1550nm时进行色散补偿表2.1各种光纤适用范围第七页，共九十三页，2022年，8月28日3).以纤芯折射率n1(r):

阶跃型光纤;渐变型光纤几种典型的光纤折射率分布图O2O2O2O2O2O2第八页，共九十三页，2022年，8月28日石英光纤的主要原料为：纤芯和包层本体材料：SiCL4纤芯和包层掺杂用剂：GeO2、P2O5、GeCL4

、B2O3、

POCL3和F等纤芯材料：SiO2或SiO2+GeO2包层材料：SiO2+B2O3或SiO2+F。第九页，共九十三页，2022年，8月28日

．光缆结构分类

按缆芯结构不同光缆可分为以下4种

1．层绞式光缆图2-6层绞式光缆第十页，共九十三页，2022年，8月28日2.骨架式光缆

图2-7骨架式光缆第十一页，共九十三页，2022年，8月28日3.中心束管式光缆图2-8中心束管式光缆图第十二页，共九十三页，2022年，8月28日4.带状式光缆

图2-9带状结构光缆图第十三页，共九十三页，2022年，8月28日2.2光纤传输原理分析

光纤属于介质圆波导,分析导光原理很复杂,可用两种理论进行即射线理论和波动理论.首先采用射线理论分析导光原理然后用波动理论讨论导光原理2.2.1用射线理论分析光纤的传输原理1.基本光学定律

光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传播的.

其传播的速度为：v=c/n(2.1)

式中，C=3×108m/s，是光在真空中的传播速度，n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1，玻璃的折射率为1.45左右)第十四页，共九十三页，2022年，8月28日独立传输定律在线性介质中(光纤为线性介质),来自不同方向的光线即使在空中相交也能互不影响,按各自原有方向继续前进.反射定律和折射定律(1)反射定律θ1=θ’1

(2)折射定律θ1θ’1θ2n2=1

n1=1.45θ1=θc

θ2=900

第十五页，共九十三页，2022年，8月28日若n1>n2,则入射角θ1<折射角θ2当θ2=90°时对应的入射角θ1

=临界角θc

只要θ1>θc，入射光出现全反射，光被限制在n1介质里传播。若光从n2向n1入射，光线是否能出现全反射？第十六页，共九十三页，2022年，8月28日2.光纤中光的传播

当一束光线从光纤端面耦合进光纤时，光纤中有两种运行的光线：一种是光线始终在一个包含光纤中心轴的平面内传播，并且一个传播周期与中心轴相交两次，这种光线常称为子午线，含光纤中心轴的固定平面就称为子午面，如图2-11（a）所示。另一种是光线在传播过程中，其传播时的轨迹不在同一个平面内，并不与光纤中心轴相交，这种光线就称为斜射光线，如图2-11（b）所示。第十七页，共九十三页，2022年，8月28日（a）子午射线；（b）斜射线。

图2-11光纤中的射线

第十八页，共九十三页，2022年，8月28日1.子午线在阶跃（均匀）光纤中的传播

_____射线理论分析导光原理什么样的子午线能限制在光纤纤芯中传输?它必须能在纤芯的界面上产生全反射.(1)光纤的接收角(如图2-12所示)端面接收角φα为最大接收角.时,所对应的光纤第十九页，共九十三页，2022年，8月28日φα为什么是最大接收角?(2)数值孔径NA(NumericalAperture)NA的定义?NA=sinφα物理意义:NA大小反映了光纤捕捉线的能力.NA=sinφα=?第二十页，共九十三页，2022年，8月28日图2.12光线在阶跃光纤中传播n0sinφα=n1sin(900-θc)=n1cosθc,NA的表达示因为:第二十一页，共九十三页，2022年，8月28日2.渐变型光纤中子午射线的传播

光纤接收角?数值孔径NA(r)?一个渐变型光纤的子午面上分层如图2-13所示.图2-13渐变折射率光纤中的子午曲线第二十二页，共九十三页，2022年，8月28日各层之间的折射率满足以下关系：n(r0)＞n(r1)＞n(r2)＞n(r3)＞……由于光都是由光密介质向光疏介质传播其入射角将会逐渐增大，即有θ1

＜θ2＜θ3＜θ4＜θ5……第二十三页，共九十三页，2022年，8月28日(1)光纤接收角φ分析N层的渐变型光纤的导光条件即光纤端面的入射角φ必须满足条件是什么？光线最迟也必须在N层与包层界面上发生全反射。根据光线的折射和全反射定律有：n(r0)sinθ1=n(r1)sinθ2=……=n(r)sinθ(4.6)同理得出：n(r0)sin(900-θz0)=n(r1)sin(900-θz1)=……=n(r)sin(900-θz)即n(r0)cosθz0=n(r1)cosθz1=……=n(r)cosθz第二十四页，共九十三页，2022年，8月28日射线上任一点符合下列关系：n(r0)cosθz0=n(r)cosθz

在转析点A处，射线与光纤轴平行，则cosθz=1，n(r)=n2，n2为包层的折射率n(r0)cosθZ0=n2,cosθz0=n2/n(r0)(2)数值孔径NA(r)?设θz0所对应φ为最大入射角sinφ=n(r0)sinθz0=(2.7)第二十五页，共九十三页，2022年，8月28日光纤的本地数值孔径在渐变折射率光纤中，相对折射指数差定义为其中n(0),n2分别是r=0处和芯子界面上的折射率

第二十六页，共九十三页，2022年，8月28日光纤端面所能收集到的光功率将依赖本地数值孔径。设纤芯处和离轴线为r处的功率密度各为P（0）、P（r），则有中心点垂直入射(r0=0）的数值孔径NA（0）为最大数值孔径：第二十七页，共九十三页，2022年，8月28日波动理论又称为模式理论用来严格分析光纤的导光原理.运用波动理论的目的:求出光场的表达示,再用电磁场理论找出哪些模式光可以在光纤里传输.2.2.2用波动理论分析光纤的传输原理第二十八页，共九十三页，2022年，8月28日2.2.2用波动理论分析光纤的导光原理先设法解出光波导中场的纵向分量Ez、Hz,再解出各个横向场分量Er、Eθ、Hr、Hθ。式中，Ez为电场在z轴的分量。选用圆柱坐标系(r、θ、z),使z轴与光纤中心轴线一致，将（4.1）式在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为：1．标量解法

第二十九页，共九十三页，2022年，8月28日（1）将Ey写成三个变量乘积形式，即设试探函数为设试探函数为

导波沿光纤轴向变化规律

导波沿圆周方向的变化规律

为导波沿r方向的变化规律

（2）根据物理概念，写出()和Z(z)的形式第三十页，共九十三页，2022年，8月28日（3）求出R(r)的形式

考虑纤芯和包层中的折射率分别为n1和n2，

在纤芯中应为振荡解，故其解取贝塞尔函数；在包层中部应是衰减解，故其解取第二类修正的贝塞尔函数解。于是R(r)可写为：

式中，Jm为m阶贝塞尔函数；Km为m阶第二类(修正)贝塞尔函数。这两种函数的曲线如图4-9所示。

U/aw/a第三十一页，共九十三页，2022年，8月28日整理变为：利用光纤的边界条件可确定式中的常数。首先根据边界条件找出A1,A2之间的关系。在r=a处，因，可得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代人（2.16）式中，得：得

(2.16)（4）Ey的标量解

第三十二页，共九十三页，2022年，8月28日2．标量解的特征方程标量解的特征方程，可由边界条件得出。在r=a处，令Ez1=Ez2，忽略n1和n2之间的微小差别，即令n1=n2，可得第三十三页，共九十三页，2022年，8月28日3．标量模及其特性

(1)大V值（远离截止）情况下U值光纤中的U和W值与V值有关,光纤的V值越大,传输的模式量越多,越不容易截止.在极限情况下，V→∞表示场完全集中在纤芯中，在包层中的场为零。因V=2πn1(2△)1/2a/λ0,所以有（a/λ0）→∞。此时光波相当于在折射率为n1的无限大空间中传播，其相位常数β→k0n1于是有:

∞第三十四页，共九十三页，2022年，8月28日将其代入(2.20-a)可得相应情况下的特征方程(W→

∝条件下)U

Jm+1(U)/Jm(U)=WKm+1(W)/Km(W)

→

∝

可简化→

Jm(U)=0P.73图3-10(a)从此式即可确定远离截止情况时的U值U=μmn式中,μmn代表m阶贝塞尔函数的第n个根

第三十五页，共九十三页，2022年，8月28日nm01212.4053.8325.13625.5207.0168.41738.65410.17311.619表2.4大V值情况下的导行LPmn模的U值

对于一对m、n值，就有一确定的U值，从而就有确定的W及β值。对应着一确定的场分布和传输特性。这个独立的场分布就叫做光纤中的一个模式。称这种模为标量模，记作LPmn模。LP是线偏振的意思。LP01–

U01=2.405W,β;LP11–

U11=3.832W,β;

LP21–

U21=5.136W,β;第三十六页，共九十三页，2022年，8月28日在模LPmn模表示中，m、n值有明确的物理意义，它们表示对应模式的场在横截面上的分布规律。如其圆周及半径方向的分布规律各为：电场(光场)在圆周方向按余弦规律变化：当m=0时，圆周上电场无变化当m=1时在θ在0--2π沿圆周出现1对最大值。m=2?---依次类推。LP0nLP1n第三十七页，共九十三页，2022年，8月28日电场沿半径方向，按贝塞尔函数规律变化：以m=0的LP0n模为例，其场沿r方向变化为：LP01模，U=μ01=2.405,,在r=0处,R(r)=1而在r=a处,沿变化如图4-12LP02模，U=μ02=5.5201,在r=0处,R(r)=1,而在r=a处,在r=0.4357a处,沿r的变化如图4-10（b）所示。第三十八页，共九十三页，2022年，8月28日图2-15LP0n模的场沿半径的变化第三十九页，共九十三页，2022年，8月28日（2）LPmn模的截止条件Vc和单模传输条件

截止的概念:当光纤中导波变为辐射模时,认为导波截止.当W→∝时,导波的场在纤芯外衰减的.当W→0时,导波截止(相当于射线理论中θ1<θc)导波辐射.截止临界状态:Wc=W=0,由于V2=U2+W2Vc2=Uc2+Wc2→=Uc2

若求得Uc→Vc称为归一化的截止频率.Uc=Vc?第四十页，共九十三页，2022年，8月28日截止条件下的特征方程Wc=0UcJm-1(Uc)/Jm(Uc)=WcKm-1(W)/Km(W)=0Uc=0或Jm-1(Uc)=0在LPmn模的归一化的截止频率Vcmn=Ucmn截止特征方程:Jm-1(Uc=μcmn)=0当m=0时，LP0n模的特征方程:J-1(Uc)=J1(Uc)=0，可解出Uc=μ0n=Vc(0n)=0，3.83171，7.01559，10.17347…

第四十一页，共九十三页，2022年，8月28日图2-16m＝0,1模式的U值变化范围11J1=J-1m=0m=1LP04HE04第四十二页，共九十三页，2022年，8月28日即表示LP01模的uc01=0。意味着该模式无截止波长、无截止情况.当m=1时，LP1n模的特征方程:Jm-1(Uc)=0---J0(Uc)=0当m≠0时，也可求出相应的根表4.3表2.5截止情况下LPmn模的Uc=Vcnm012102.4053.83223.8325.5207.01637.0168.65410.173此值通过Jm-1(μcmn)=0方程,求解而得.如图4.11所示.第四十三页，共九十三页，2022年，8月28日从表2.5截止情况下的LPmn模的Uc值可知:LP01模的Vc=Uc=0，说明这种模式没有截止现象是光纤中的最低模，也称基模。LP11模，称为二阶模，其Vc=Uc=2.405截止波长λc与归一化截止频率Vc关系对某一光纤的每一个模式，都对应有一个截止波长λc(Vc).当工作波长λ0＜λc时,该模式可以传输当工作波长λ0＞λc时，该模式就截止了

第四十四页，共九十三页，2022年，8月28日当光纤的V＜Vc时,该模式就截止了

当光纤的V＞Vc时,该模式可以传输.因为:V=2πn1(2△)1/2a/λ0,则:Vc=2πn1(2△)1/2a/λcλc=2πn1(2△)1/2a/Vc单模传输条件

Vc01=0＜V＜Vc11=2.405λc11=2πn1(2△)1/2a/2.405

＜λ0＜λc01=∝0λC23λC12λC21λC11λLP01LP11LP21LP12LP230VC11VC21VC12

VLP01LP11LP21LP12第四十五页，共九十三页，2022年，8月28日图2-12m=0,1模式的U值变化范围

HE04LP04第四十六页，共九十三页，2022年，8月28日2.3光纤的结构参数光纤的结构参数主要有光纤的①几何参数、②折射率分布、③数值孔径（NA）、④模场直径和⑤截止波长等。这些参数与光纤横截面径向r有关，与光纤的长度及传输状态无关。第四十七页，共九十三页，2022年，8月28日

1．几何参数几何特性有芯径、包层的尺寸和对芯／包层同心度、不圆度等。1）纤芯直径——对多模光纤而言ITU-T规定多模光纤的芯直径为50±3μm

2）外径——多/单模光纤3）芯／包层同心度和不圆度

ITU规定：光纤同心度误差＜6％;（包括单模）芯不圆度＜6％,包层不圆度<2％,单模光纤同心度误差1μm第四十八页，共九十三页，2022年，8月28日2．折射率分布光纤折射率的通式第四十九页，共九十三页，2022年，8月28日数值孔径是多模光纤的重要参数之一，它表征了多模光纤接收光的能力，同时对光源耦合效率、光纤微弯损耗的敏感性和带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。ITU-T对单模光纤没有规定数值孔径作为正式参数。数值孔径的定义为：（2.29）式中，n1为阶跃光纤纤芯的折射率；n2为包层的折射率。而渐变型光纤的本地数值孔径为：数值孔径的定义为：（2.30）3．数值孔径第五十页，共九十三页，2022年，8月28日4．模场直径模场直径的定义，其定义是设LP01模的电场强度分布为E(r)=E0exp(r2/W20)，取其最大值的E0/e处所对应光纤横截面径向r上两点之间的宽度为模场直径，用2W0表示。模场直径估算为：模场直径估算：单模光纤由模场直径代替纤芯直径。ITU-T规定模场直径为[（9～10）±1]μm第五十一页，共九十三页，2022年，8月28日5．截止波长（模光纤的截止波长）截止波长是单模光纤保证单模传输的条件，所以截止波长的定义是大于此波长时二阶LP11模不再传播。1、理论截止波长λct2、成缆光纤的截止波长λcc3、跳线光纤的截止波长λc4、有效截止波长λce在实际中，对这四种截止波长有以下关系：λct>λc>λcc>λce第五十二页，共九十三页，2022年，8月28日2.4光纤的传输特性

2．4．1损耗特性

一、损耗定义

p（0）为输入光纤的光功率，即在Z=0处注入的光功率；p（Z）为传输距离L处的光功率；

二、损耗系数

(当Z=L时)在光纤上两个相距L的截面之间的波长λ上的总衰减：A（λ）＝α（λ）×L（dB）

三、光纤产生损耗的原因光纤产生损耗的原因很多，其类型有吸收损耗，散射损耗和附加损耗。第五十三页，共九十三页，2022年，8月28日光纤的传输性质

(1)损耗（Attenuation）(2)色散（Dispersion）(3)非线性效应（Non-LinearEffectsinFiber）第五十四页，共九十三页，2022年，8月28日产生损耗的因素

材料的吸收损耗(Materialabsorption)

a.

本征吸收:

SiO2

分子振动引起，红外与紫外吸收

b.非固有吸收

(杂质吸收)

Fe,Cu,Ni,Cr.OH离子在

1.39um,1.24um和

0.95um形成吸收峰

散射损耗

(scattering)a.瑞利散射（RayleighSilica）分子热骚动折射率在微观上的随机起伏光散射

~

1/λ4

b.波导散射（WavequideScattering）

微弯损耗第五十五页，共九十三页，2022年，8月28日1.吸收损耗本征吸收:红外吸收,紫外吸收杂质吸收:铁、铜等过渡金属离子和OH离子(非本征)。公式估算红外吸收的损耗系数：其中是工作波长，单位为m，当=1.55m时ir0.02dB/km，其影响较小。但当=1.70m时，ir0.32dB/km。可见红外吸收影响了工作波长向更长波长方向发展。公式估算紫外吸收的损耗系数：其中，B是掺锗的重量百分比，当=1.31m，B=3.5%时，uv1.75×102dB/km。但当=0.60m时，uv1.00dB/km。可见紫外吸收随减少和掺锗浓度增加而增加.

第五十六页，共九十三页，2022年，8月28日2.线性散射

瑞利散射比光波长小得多的粒子引起的散射(本征)

米氏散射与光波同样大小的粒子引起的散射(本征)引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有与短波长的1／λ4成正比的性质，即：αR=A／λ4。对掺锗的光纤而言，A≈0.63dBμm4／km。对于λ=0.85、1.31、1.55μm时,则αR≈1.3、0.3、0.1dB／km。非线性散射(将在第5节介绍)

受激布里渊散射：存在于光能密度超过某一高值(本征)

受激拉曼散射：

(本征)4.附加损耗：张力、侧压、弯曲、挤压造成的宏弯和微弯(非本征)。第五十七页，共九十三页，2022年，8月28日3.附加损耗：

张力、侧压、弯由、挤压造成的宏弯和微弯图2-18光纤的宏弯损耗（a）射线法解释；（b）波动理论解释。第五十八页，共九十三页，2022年，8月28日*弯曲损耗

光纤的弯曲损耗有两类：宏弯损耗和微弯损耗

1．光纤的宏弯损耗理论分析和实验研究均表明：光纤弯曲（宏弯）时，当曲率半径R大于一个临界值RC（R＞RC）时，因弯曲而引起的附加损耗很小，以致可以忽略不计；当R<RC，附加损耗按指数规律迅速增加。因此确定临界值RC，对于光纤的研究、设计和应用都很重要。第五十九页，共九十三页，2022年，8月28日*单模光纤弯曲损耗的估算公式为式中,R为光纤弯曲半径、C1、C2与R无关常数。临界弯曲半径估算RC为：第六十页，共九十三页，2022年，8月28日表2-6光纤的传输损耗

第六十一页，共九十三页，2022年，8月28日2.4.2色散特性和带宽色散产生：由于光纤中的光信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输群速度不同，从而引起色散。随着掺铒光纤放大器EDFA（ErbiumDopedOptical－FiberAmplifier）、波分复用WDM（WaVelengthDivisionMultiPlexing）技术在光纤通信系统中的商用化后，光纤色散便成为最热门的研究课题之一。第六十二页，共九十三页，2022年，8月28日在具体弄清色散的致因、种类及相互作用的前提下，设法设计和制造出优质的、小色散的光纤，以满足光纤通信系统的高速率、大容和远距离传输的需求。光纤色散主要有：模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散等。在光纤数字通信系统中，由于光纤中的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同，从而引起色散。第六十三页，共九十三页，2022年，8月28日多模光纤：模式色散、材料色散、波导色散等。单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散、波导色散和偏振色散组成。这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤的色散单位：ps/km光纤的色散系数单位D（λ）：ps/nm.km第六十四页，共九十三页，2022年，8月28日1.模式色散常用时延差表示色散程度。时延差越大，色散就越严重。第六十五页，共九十三页，2022年，8月28日模式色散

在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线①和以临界角θc入射的光线②，如图4-18所示。因此，在阶跃型多模光纤中最大色散是光线②所用时间τmax和光线①所用时间τmin到达终端的时间差△τmax：△τmax=τmax－τmin根据几何光学，设在长为L的光纤中，光线①和②沿轴方向传播的速度分别为c/n1和c/n1sinθc。因此光纤的模式色散为：

第六十六页，共九十三页，2022年，8月28日

2.材料色散由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。设光源谱宽为Δλ，单位长度光纤的时延差用Δτ表示:则由上式所示，时延差与光源的相对带宽成正比。因此采用窄谱宽激光器做光源有利减少色散。Δτ的单位是ps/km。*Δτ=D×Δλ;Δλ:光源谱宽,D:色散系数第六十七页，共九十三页，2022年，8月28日3.波导色散=Dw×△λ×L

（ps／nm·km）在不同的波长下，其相位常数β不同，从而群速度不同，引起色散。第六十八页，共九十三页，2022年，8月28日4．偏振色散PMD单模光纤中只传输基模LP01，总色散由材料色散、波导色散和偏振模色散组成。这三个色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤中的光传输可描述完全是沿X轴振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，如图2-12所示。每个轴代表一个偏振“模”。两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD（PolanzationModeDispertion）。PMD的度量单位为微微秒(ps)。光纤的PMD系数表示的单位为ps/km。第六十九页，共九十三页，2022年，8月28日5.光纤的带宽

D：光纤色散系数（ps/nm.km）；△λ：光源谱宽（nm）；B0：光纤的带宽（MHz）；常数：ε=0.115（多纵模激光器）,ε=0.306（单纵模激光器）

第七十页，共九十三页，2022年，8月28日单模光纤的双折射及偏振特性

．基本概念1）理想的单模光纤：传输模式是线极化波LP01，即用LP01x和LP01y，两模式有相同的相位常数βx=βy，它们是相互简2）光纤的双折射：光纤的不完善，将使两模式之间的简并被破坏βx≠βy。这种现象叫作模式双折射。

第七十一页，共九十三页，2022年，8月28日3）光纤双折射危害由于双折射，两种模式的群速度不同，因而引起偏振（极化）色散。4）双折射的利用保偏光纤即是利用光纤的双折射特性制成的。第七十二页，共九十三页，2022年，8月28日1．线双折射的参数（1）线双折射率ΔβL：它定义为两正交线偏振模的相位常数之差。ΔβL＝βx-βy*归一化双折射率B：它是线双折射率ΔβL与真空中的波数k0之比。B=ΔβL/k0=（βx-βy）/k0=nx-ny=Δneff式中：nx，ny是LP01x，LP01y模的等效折射指数；Δneff是等效折射指数差。一般单模光纤的B值为10-5~10-6之间:当B<10-6时为低双折射光纤(LB),当B>10-5时为高双折射光纤(HB).第七十三页，共九十三页，2022年，8月28日（2）拍长LB：

拍长LB即偏振态完成一个周期变化的光纤长度，叫作拍长。如图2-22所示。在一个拍长上，两正交偏振光的相位差变化2π，因而有ΔβL×LB＝2π。

LB＝2π/ΔβL＝λ0/B第七十四页，共九十三页，2022年，8月28日图2-22光纤双折射的偏振态在一个拍长上的演化

第七十五页，共九十三页，2022年，8月28日（3）消光比和功率耦合系数

如在光纤输入端激发x方向的线偏振模，其功率为Px，由于耦合，在光纤的输出端出现了y方向的线偏振模，其功率为Py。用消光比η和功率耦合系数h来表示这一对正交线偏振模的耦合作用η=10lgtan（hL）=10lg(Px/Py)η越大说明光纤的保偏能力强。式中：L是光纤长度。这两参数说明光纤的保偏能力，η、h越大保偏能力越强。

第七十六页，共九十三页，2022年，8月28日2．线双折射的成因

线双折射归为两类:几何双折射应力双折射第七十七页，共九十三页，2022年，8月28日（1）几何双折射

其截面如图2-21所示，长轴2a，在x方向；短轴2b在y方向。椭圆度e=1-（b／a）2。当椭圆度e<<1，归一化频率V≈2.4［V值按平均光纤芯径（a＋b）/2计算］的情况下，双折射率为：

第七十八页，共九十三页，2022年，8月28日(2)应力双折射（如图2-14所示）

图2-14(a)光纤弯曲，(b)光纤侧向受应力第七十九页，共九十三页，2022年，8月28日应力双折射产生原因：光纤受应力作用光纤受力时，引起了弹性形变，通过光弹效应,该形变又引起折射指数的变化，使材料变为各向异性，从而呈现出双折射。由机械应力引起的折射率变化称为弹光效应。如沿晶体主轴方向加单向机械应力σ,则沿此力方向折射率n要发生变化，其表达式为:式中a’，b’为常数。改变σ之方向，物体就由受拉变成受压，相应的n值也随之变化。

第八十页，共九十三页，2022年，8月28日3．线双折射的影响单模光纤的偏振色散由于存在双折射，单模光纤中基模LP01x和LP01y的相位常数βx≠βy，从而引进偏振色散。设这两个模式传输单位长度所用的时间各为τx，τy，于是单位长度上产生的时延差为：第八十一页，共九十三页，2022年，8月28日2.5光纤的非线性效应(损耗)

2.5.1非线性效应产生

因大的光功率引起信号与光纤的相互作用而产生各种非线性效应。光纤的非线性可分为两类：非线性受激散射折射率扰动

第八十二页，共九十三页，2022年，8月28日2.5.2受激散射受激散射—指光场把部分能量转移给非线性介质1．受激拉曼散射SRS（StimulatedRamanScattering）SRS是当入射一个强光信号，在光纤中引发了介质中的分子振动对入射光的相互作用,从而使入射光产生散射——拉曼非线性效应发生了。这些分子振动对光信号调制后，产生新的光频，从而对入射光产生散射作用。第八十三页，共九十三页，2022年，8月28日设入射光频率为ωp，介质分子振动频率为ωv则散射光频率为ωS=ωp-ωv和ωaS=ωp+ωv这种现象叫受激拉曼散射。ωS散射光叫斯托克斯波。斯托克斯波：使一个入射光子消失，产生了一个频率下移ωS光子（即Stoker波）和另一个频率上移ωaS光子。SRS散射光是以前后两个方向传播的，但是可采用光隔离器来消除后向传输的光功率。ωaS散射光叫反斯托克斯波。

SRS散射光是以前后两个方向传播的？第八十四页，共九十三页，2022年，8月28日对典型的单模光纤，受激拉曼散射