光纤光学讲义二

传输功率法测截止波长HE11模的模场分布Gaussian近似模场直径MFD对单模光纤，2a与处于同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出2a的精确值，因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场直径2w，即光斑尺寸表示，近似为：2a2w电场强度降到峰值的1/eE0/ee=2.71828光纤内的模斑参量随光纤参量的变化色散（Dispersion）的分类模间色散波导色散材料色散偏振模色散不同模式对应不同的模折射率光纤色散由光源发出的进入光纤的光脉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的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象成为群速度色散，或简称为光纤色散。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。材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，即折射率随波长的非线性变化。材料色散减小材料色散：选择谱宽窄的光源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，因此光波群速度取决于两者的比例。通常长波长光的场分布在包层中延伸更远，因此长波长光“经历”的材料折射率更小，其群速度就会比短波长光更大一些。因此考虑波导色散，长波长光传播快，短波长光传播慢。波导色散对光纤色散的理解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群速度色散（Group－VelocityDispersion）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。D=DM+DW17ps/nm.km@1550nm零色散波长单模光纤的色散Dispersionof“Standard”Single-ModeFiber<D

正常色散区2>0,D<0红快兰慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得慢>D

反常色散区2<0,D>0兰快红慢光脉冲的较高的频率分量（兰移）比较低的频率分量（红移）传输得快零色散波长D光纤色散(dispersion)正常色散(长波长速度快)反常色散(短波长速度快)1550nm13101550nmG.653色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550nm办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动三角形芯型匹配包层单模光纤G.656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普通商用光纤色散平坦光纤相移法测量光纤色散传输方程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程中，其波形如何受光纤色散的影响。C=0时，高斯脉冲的波形FWHM：半极大值全宽度或半高全宽T0:

1/e强度点的半宽脉冲的线性啁啾Thispulseincreasesitsfrequencylinearlyintime(fromredtoblue).Inanalogytobirdsounds,thispulseiscalleda"chirped"pulse.入射无啁啾高斯脉冲啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化异号时2C<0，在传输初始阶段脉冲宽度变窄，而后迅速展宽无啁啾脉冲，不论色散正负，脉宽随[1+(z/LD)2]1/2成比例展宽同号时2C>0，啁啾高斯脉冲单调展宽的速度比无啁啾脉冲的快DispersioninducedlimitationsBit1Bit2Bit1Bit2Bit1Bit2Bit1Bit2Bit1Bit2Inter-symbolinterference(ISI)OA10Gb/sDispersionTimeSlotOA2.5Gb/sDispersion速率越高，色散影响越严重！DispersionInducedPowerPenalty

在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。

偏振模色散(PMD)单模光纤中的偏振模色散慢轴：模折射率大的轴快轴：模折射率小的轴450线偏振光在双折射光纤中偏振态的演变拍长B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偏振态，结果导致脉冲展宽。这种现象称为偏振模色散，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，破坏两正交偏振模的简并，产生双折射模传播常数对于X,Y方向偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为模式双折射。本征光纤双折射随机的偏振模耦合双折射的光通信器件

偏振模色散产生的原因？

外界的挤压

光纤的弯曲、扭转

外界环境温度的变化等偏振模色散的影响几种典型的保偏光纤结构光纤制作过程中的拉丝技术：（a）倾斜安装的滑轮（b）两相对运动的滑轮不同拉丝技术的PMD减少量：恒定、正弦曲线、频率调制、幅度调制PMD的测量1PMD的测量2光纤的损耗光纤损耗谱特性第二传输窗口第一传输窗外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)OH离子吸收峰第三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)

20

10

0-10-20Dispersion(ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6ConventionalFiber（1440－1625nm）230ch360chAllWaveFiber（1335－1625nm）5thAllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeakAdditionalchannelsareinOptimumDispersionrangefor10Gb/sDWDMAllWaveoffers>50%moreDWDMchannels!3rd4th5thAllWavevs.ConventionalFiberMoreUsableOpticalSpectrum全波光纤弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q¢<qqq>qcq¢RqqCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加弯曲损耗与模场直径的关系P包层1<P包层2Loss模场直径小<Loss模场直径大Loss低阶模<Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减新技术：抗宏弯的柔性光纤康宁公司帮助Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结。日本NTT也完成了这种光纤的研制。微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均

使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果： 造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯损耗基本损耗l增加，V减少，W越大长波长处附加损耗显著光纤损耗的改进剪断法光纤损耗测试系统图插入法光纤损耗测试系统图

调制振荡器光源信号处理与数字显示光检测器短接光纤(1～2km)

被测光纤

背向散射法光时域反射计(OTDR)光源脉冲发生器信号处理显示接收被测光纤光耦合器■