光纤光学第四章

第四章光纤的传输特性和新型光纤光纤的衰减机理及其决定因素光纤的色散机理及其决定因素光纤的非线性及其对传输的影响新型石英光纤的特性及其应用场合主要问题：4.3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。光信号的强度变化——光纤的衰减光信号的相位变化——光纤的色散光信号的频率、相位变化等——光纤的非线性4.3.1光纤的衰减特性光纤通信中，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。光能量的衰减（损耗）主要包括光纤耦合损耗、光纤的吸收和散射损耗以及光纤的弯曲辐射损耗。在不同的应用场合，对于光纤损耗有所偏重：短距离传输：端面耦合损耗；长距离传输：光纤的吸收和散射损耗。一、光纤损耗的计算P(D)为输入功率p0的光信号传输D后，剩余光功率。为单位距离上的吸收损耗；s为单位距离上的散射损耗；(1)以W为单位计算:(2)以dB为单位计算衰减光纤传输总衰减（损耗）定义为总损耗与光纤长度L的比值定义为光纤的损耗系数

：二、光纤的损耗特性光纤的损耗大小与波长有密切的关系。损耗与波长的关系曲线称为光纤的损耗谱，在谱线上，损耗值比较大的地方，称为光纤的吸收峰，较低损耗的地方称为光纤的工作波长（工作窗口）外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰三、光纤的损耗机理（1）光纤的吸收损耗紫外吸收损耗和红外吸收损耗：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。在石英系光纤中，电子共振发生在紫外区（<0.4µm），共振发生在（>9µm）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。杂质吸收损耗：光纤材料中含有OH-离子和金属离子以及掺杂杂质，也会引起损耗。OH-键的基本谐振波长为2.73µm，与Si-O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1.39µm、1.24µm、0.95µm。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。（2）光纤的散射损耗瑞利散射损耗：光纤材料在加热过程中，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，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。波导散射损耗：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，总体产生额外的损耗），目前，该项损耗可忽略。瑞利散射损耗系数C~~0.7~0.9（dB/km）µm4在1.55µm处，为0.12~0.16dB/km。光纤在该波长处的损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比。（3）光纤的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。宏弯损耗：当弯曲曲率半径R>Rc，弯曲引起的损耗。一般由盘绕等引起的宏弯。微弯损耗：当弯曲曲率半径R<Rc，弯曲引起的损耗。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。R<Rc；当弯曲程度加大，曲率半径减少，损耗将随弯曲半径成指数比例增大。多模光纤的弯曲损耗临界曲率半径Rc：实际多模光纤，弯曲半径R>1cm时，附加损耗忽略不计。单模光纤的弯曲损耗临界曲率半径Rc：

A、B、C分别对应于3种截止波长（0.7µm、1.18µm、1.4µm）的光纤弯曲临界半径随波长的变化。（4）光纤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参量的相互匹配。光纤：纤芯直径数值孔径角截止波长偏振特性光源：发光面积发光的角分布光谱特性偏振特性半导体激光器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LD发光的角分布特点：在x方向（平行于PN结方向）光束较集中，发散角2θ||约为5o~6o，在y方向上，光束发散角2θ约为40o~60o，LD的远场图为细长椭圆。LD尺寸及光斑特点：发光面为窄长条，长为几十µm。宽约几µm。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高斯分布。半导体激光器和光纤的耦合损耗直接耦合的损耗Woy=0.05µm，λ=0.85µm的LD，NA=0.14的光纤直接耦合效率约为20%。透镜耦合的损耗端面球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LD与光纤耦合的典型光路示意图半导体发光二极管和光纤的耦合损耗半导体发光管LED看成均匀的面发光体（朗伯型光源）LED和MMF直接耦合时的最大耦合效率为：常见多模光纤NA=0.14，其最大耦合效率仅为2%。光纤与光纤的耦合损耗多模光纤MMF和MMF的耦合损耗光纤的透过率：轴偏离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两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响光纤端面的不完整（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均匀分布耦合损耗和轴偏离x的关系耦合损耗和间隙z的关系耦合损耗和轴倾斜θ的关系耦合损耗和端面倾斜的关系耦合损耗和端面弯曲的关系耦合损耗和芯径差的关系单模光纤SMF和SMF的耦合损耗两光纤的离轴和轴倾斜引起的耦合损耗两光纤端面间的间隙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高斯分布S1，s2为两光纤模斑半径4.3.2光纤的色散特性主要内容：光纤色散的定义光纤色散的计算分析光纤色散的种类及其产生原因单模光纤的色散波谱特性

教学重点：理解光纤色散的概念及形成机制。什么是色散？

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。

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。

波长色散模式色散色散与媒质和波导结构都有关系，一般把有媒质贡献的项称为材料色散，而把波导结构贡献的项称为波导色散。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。光纤的色散越小，越有利于高速传输。研究色散的意义？一、波长色散（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传播单位距离的时间称为群时延，用τ

表示。时延差：二、模式色散（模间色散、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。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距离的时间，即群速度的倒数。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，仅由传播模式间相位常数的差异导致的色散效应，称为模式色散或模间色散。最低模式：最高模式：相对折射率脉冲展宽渐变型多模光纤模式色散较小！阶跃MMF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，即群速度的倒数群折射率：模式色散时延差：波长色散时延差：结论：传输常数随频率或者模式的变化关系决定了色散的性质1、色散系数定义：意义：单位波长间隔（1nm）的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差。描述光波导色散特性的两个重要参数单模光纤的色散系数D（λ）由光纤中光波传播的相位常数β对k0

的二阶导数决定。材料色散波导色散分别是纤芯和包层的群折射率

波导色散波导色散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V和的乘积成比例。而V和b又都是光纤结构参数的函数。由于，近红外波段内波长范围内，总有，所以必有波导色散项。

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，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化，所以介质呈色散特性，这就是材料色散。在ω<ωo时，n随ω的升高而上升，波的相速度随ω的升高而下降，这种色散现象称为相速度的正常色散。当外加电磁场频率ω接近其固有谐振频率ωo时，n随ω的升高反而下降，即相速度呈反常色散。材料色散材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长）而变，可使信号的各频率（波长）群速度不同引起色散。波导色散：指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。小结：材料色散与波导色散的形成原因常规石英光纤的色度色散的数值图形表示群速度色散与色散系数之间的关系: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传播时间差。

2、群速度色散（Group-VelocityDispersions）定义：描述光波导色散特性的两个重要参数3、偏振（模）色散：单模光纤实际上传输的是两个正交的基模，它们的电场各沿x,y方向偏振。理想的光纤中，这两模式有着相同的相位常数，它们是互相简并的。PMD是指光纤中相互正交的两个偏振模的传输速度不同所引起的色散.但实际上光纤总有某种程度的不完善，如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，将使得两个模式之间的简并被破坏，两个模式的相位常数不相等。

理论经验偏振模色散具有随机性，这与具有确定性的波长色散不同，其值与光纤制作工艺、材料、传输线路长度和应用环境等因素密切相关。PMD的值与光纤长度的平方根成反比例的变化

对于10Gb/s系统，只要传输距离小于3600km就可以不考虑PMD。对于超高速长远距离光纤系统，PMD影响较大。4.3.3光纤的非线性特性一、非线性效应线性介质：非线性介质（强场）：

d：二阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型值为

三阶非线性系数，对半导体、介质晶体等中的典型值为A.非线性折射：折射率佼核与光强（弹性效应）总折射率：弹性：自相位调制（SPM:selfphasemodulation）

交叉相位调制（XPM:CrossphaseModulation）B、受激非弹性散射：非线性介质有能量交换

受激拉曼散射SRS:StimulatedRamanScattering

受激布里渊散射SBS:Stimulated

BrillouinScatteringC、参量过程：

四波混频FWM：FourWaveMixing二、光纤非线性的类型SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。三、光纤非线性效应的影响尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。非线性效应与传输距离和纤芯内场强有着密切的关系，为此引入两个基本参量：有效长度和有效面积。4.3.3光纤的非线性特性1)有效长度Leff：当L很大时，Leff

1/

对于损耗为0.2dB/km的光纤,Leff约20km非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。实际上，可以采用一个简单而足够精确的模型来假定功率在一段光纤长度内为常数。

：光纤衰减系数；L：实际传输距离LLeffP(0)P(z)两个基本参量2)有效面积Aeff:模场分布为高斯分布时,Aeff=W2普通单模光纤的Aeff80m2色散位移光纤的Aeff55m2色散补偿光纤的Aeff20m2Aeff非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积。由于光功率在光纤纤芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积Aeff表示。受激光散射概述受激光散射：一个高能量光子（泵浦）被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子(声子)。散射光频率降低，光场把部分能量传递给介质。受激布里渊散射（SBS）：参与的能量子为声学声子，只有后向散射；受激拉曼散射（SRS）：参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射。受激光散射机理拉曼散射中频率减少的称为斯托克斯散射，频率增加的散射称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多。SBS：泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。SRS：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。SRS和SBS的区别SRS是和介质光学性质有关，频率较高的“光学支”声子参与散射，频移有几十THz；而SBS是和介质宏观弹性性质有关，频率较低的“声学支”声子参与散射，频移只有十几GHz；SBS只发生在反向，而SRS在两种方向均能发生，主要是正向；增益系数不同，在单模光纤中SBS的峰值增益系数比SRS的峰值增益系数大两个数量级，并且近似与波长无关；SRS的阈值功率大于SBS的阈值功率。受激光散射机理受激光散射对两通信信道的影响（串扰）受激散射光一方面将引起信道间的串扰；另一方面它又可以把泵浦光的能量转换为光信号的能量，实现光放大作用.FRA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。受激光散射机理

非线性折射率在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：(光场线偏振，光脉冲宽度>1ps)光场幅度的有效值或均方根线性折射率非线性折射率或Kerr系数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。1）自相位调制SPM折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项：光纤有效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。线性传输时的传播常数非线性系数光纤中传输的功率Self-PhaseModulationA、单色平面波：B、新的频率成份似忽略

reason：其频率在感兴趣的频段以外；其强度弱。C、基波另外的分量会引起频率的啁啾，并且改变其色散。D、忽略3次谐波A、相位B、折射率：

非线性相移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。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XPM在多波长系统中（WDM），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。XPM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。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j信道的相移可写为：M：信道总数；Pj：信道功率（j＝1～M）；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。交叉相位调制在多信道系统中是主要的功率限制因素3）四波混频FWMFWM：

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。对于等间隔的WDM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。4.1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。不同波导结构的光纤特性不一样研究思路：不同的应用场合对光纤性能的要求几何特性光学特性传输特性环境特性距离（远、近）容量（大、小）易操作性（方便、不方便）光纤的几何特性纤芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。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。光纤的传输特性光纤的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；色散导致脉冲展宽、畸变，限制系统的传输容量。回顾：光纤特性光纤的机械特性和温度特性回顾：光纤应用光纤在通信系统中的应用（重要应用场合） 光纤在干线网、城域网和接入网（含本地网）不同场合已有很多的应用，并应用前景巨大。光纤在传感中的应用 光纤在传感中不仅起到“传”的作用，同时可起到“感”的作用。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）光的传输和散射等作用。G.651渐变式多模光纤的提出及特性SI-MMF模式色散大，限制大容量传输，一般工作在850nm，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。GI-MMF改善模式色散，适合光局域网等场合应用。单模光纤的提出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。

SiO2+GeO2SiO2+GeO2SiO2SiO2

SiO2+F简单阶跃匹配包层型简单阶跃下凹内包层型标准单模光纤（G.652光纤）的光学特性高的△能大大改变光纤的抗弯性相对折射率差△偏低光纤抗弯性稍差在1310nm波段的损耗较大（约0.35dB/km）；在1550nm波段的损耗较小（约0.25dB/km）。在1310nm波段的色散较小（约为3.5ps/nm·km），系统传输距离只受光纤衰减所限制。在1550nm波段的色散较大（约为20ps/nm·km），若传输10Gb/s的信号，不加处理，不能实用。标准单模光纤（G.652光纤）的传输特性存在的问题：损耗与色散最小值不在同一个波段（在1310nm区色散值小，但损耗大；在1550nm区损耗小，但色散大），不利于长距离大容量传输。色散位移单模光纤（G.653光纤）的提出是否可以将两者最小值在同一波段实现统一？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。回顾：改变波导结构，可有效实现零色散点的位移。为何不改变材料色散，使色度色散为零呢？问题：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。色散位移单模光纤（G.653光纤）的特性DSF的损耗和色散在1550nm同时达到最小值。因此，G.653光纤（DSF）是单波长信号传输的最佳选择。非零色散位移单模光纤（G.655光纤）的提出存在的问题：多信道传输时，容易产生四波混频FWM现象，不利于多信道的WDM传输，FWM导致信道间发生串扰。是否可以降低FWM对多信道传输的影响？适量的微量色散，FWM的影响会减小。非零色散位移单模光纤（G.655光纤）的特性NZ-DSF的损耗小，色散适量，有效克服FWM对多信道传输的影响，适合应用于WDM系统。G.655光纤特别适合于高密度WDM系统的传输，是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。低色散斜率光纤（色散平坦光纤）的提出WDM传输系统由于色散的积累及色散斜率的作用，各通路的色散积累量是不同的，其中位于两侧的边缘通路间的色散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，具有较大色散积累量通路的色散值超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。低色散斜率光纤（色散平坦光纤）的特点低色散斜率光纤可使工作波长区顺利地从C波段（1530~1565nm）扩展至L波段（1565~1625nm），而不至引起过大的色散补偿负担，只需一个色散补偿模块即可补偿整个C波段和L波段。色散补偿光纤DCF的提出我国在建设期（2002年前后）铺设的光纤99%为G.652光纤，色散问题严重阻碍1310nm单模光纤到1550nm得升级扩容。如何解决呢？G.652光纤的色散值在1550nm波长是正的（17~20）ps/（nm·km），且具有正的色散斜率，可加接具有负色散的色散补偿光纤，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、长距离的通信。DCF是具有大的负色散光纤。色散补偿光纤DCF的特性全波光纤的提出常规光纤无法避免在1385nm处很强的OH-离子的吸收损耗。就会限制E波段的利用，很难工作在全波段。措施：降低OH-离子的浓度。全波光纤的特性All-waveFiber消除了常规光纤在1385nm附近的损耗峰，损耗从原来的2dB/km降到0.3dB/km，使光纤损耗在1310nm~1600nm都趋于平坦。全波光纤可使用1310nm、1400nm和1550nm三个窗口，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。大有效面积光纤的提出线性色散可用色散补偿的方法来消除，而非线性的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。NZ-DSF光纤模场直径变小，其有效面积也减小，更容易产生较大的插入损耗和非线性效应。理论研究表明，增加光纤有效面积，减低所有的非线性。有效面积变大后导致色散斜率偏大（约为0.1ps/(nm2·km)），在L波段的高端色