光纤光学基础知识
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光纤材料色散不会在空间展开，表现为不同波长的光 程不同，到达光纤另一端的时间也不相同。 光纤波导色散 对于同一阶次的模式，不同波长的传播常数β不同，光 程不同，称为波导色散。 光纤模间色散 对于同一波长的光，不同模式的传播常数β不同，光程 不同，称为模间色散。 模间色散只存在于多模光纤中，渐变折射率多模光 纤的模间色散参数优于阶跃折射率多模光纤。 单模光纤中不存在模间色散，为了工艺简单，不需设 计成渐变折射率。
第二窗口
0.1 0.6
0.8
1.0
1.2 波长(um)
1.52Βιβλιοθήκη 0图4.石英光纤损耗谱典型曲线
光纤的传输特性
目前光通信的三个窗口： 0.85um－第一窗口，短距离多模光通信； 1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信； 1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。 我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有 一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常 称之为水峰。 Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司相 继推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三 窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm 的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。
光纤中的传播模式
单模与多模 我们已经知道，光纤中传输的光必须同时满足全反 射条件和驻波条件。前者与纤芯和包层折射率差有关 (折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关 (纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用 一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。
V a
2
0
n n
2 1
光纤的传输特性
色散对光纤通信系统的影响 光源总是有一定的谱线宽度，当一个光脉冲通过光 纤，由于材料色散和波导色散，其中不同波长成分到 达的时间将不同，即脉冲被展宽了。如果脉冲展宽达 到脉冲间隔宽度，将会造成码间串扰，如图9所示。 材料色散在1.3um附近为零，且零色散波长与光纤 掺杂种类和浓度无关；而波导色散随折射率分布(即光 纤掺杂情况)而变，因此可设计在某一特定波长色散为 零的光纤，在此波长上材料色散和波导色散相互抵消。 t t 图9.材料色散造成的码间串扰
2 NA子 (r ) n0 sin 0 n 2 (r ) n2
光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光 纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数 值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。 数值孔径反映光纤接收光的能力，Corning SMF-28单 模光纤、InfiniCor 50/125um多模光纤、InfiniCor 62.5 /125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。
2 2
V越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的 模式数量越少。当V<2.405时，光纤中只有一个模式 可以传播，成为单模光纤。
光纤中的传播模式
为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和 纤芯直径均比多模光纤小。 在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取髙值，以 提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。 根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一 个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这 也是单模光纤的微弯曲损耗较多模光纤小的原因。
光纤结构及导光原理
n2 n1 2a
8～12um
n2 n1 2a
(a)单模阶 跃折射率光 纤 (b)多模阶 跃折射率光 纤 (c)多模渐变 折射率光纤
125um 125～400um
50～200um 50/62.5um
n2 n1 2a
图2.单模和多模光纤结构示意图
125um
光纤结构及导光原理
光纤导光原理
光纤中的传播模式
光纤的模式 我们已经知道，小于孔径角入射的光线可以在光纤 中传播，这只是从光线理论得到的结论。 如图3所示，根据波动理论，光在两个反射点A、B的 位相必须相同，即A、B间的光程差必须是传输波长的 整数倍，此称为横向驻波条件。 因此在所有入射角小于孔径角的光线中，只有满足 驻波条件的一系列光能够传输，对应一系列分立的入 射角θ1、 θ2、θ3…，我们称之为光纤的模式。 也可以用纵向传播常数β1、 β2、β3…来描述光纤的模 式，表示光线相位变化的速度。 模式越高，θ角越大， β越小，光程越大，损耗越大。
1.619 2.879 (0.65 3 / 2 6 )a V V
我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能 量被约束得越集中，即导光能力越强。 模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等 有重要作用。
光纤的传输特性
光纤的损耗 材料吸收损耗
5.0 损耗(dB/km) 2.0 1.0 0.5 0.2 第三窗口 第一窗口
光纤的传输特性
光纤的色散 棱镜的色散 图7所示为棱镜的色散，由于棱镜材料对不同波长光的 折射率不同，产生的偏折角度不同，表现为不同波长 的光在空间展开。
图7.棱镜的色散 光纤材料色散 与棱镜色散类似，由于光纤材料对不同波长光的折射 率不同，也会产生色散，只是表现形式不同。
光纤的传输特性
光纤的传输特性
弯曲损耗实例 1.多模光纤扰模：属于宏弯曲，高阶模的弯曲损耗较 大，经过多个扰模圈之后被损耗掉，剩余低阶模。 在实际光纤链路中，高阶模的传输不稳定，很容易损 耗掉，因此多模器件在扰模后的测试值，更符合实际 应用情况。 2.单模跳线BR测试中的Bending：属于微弯曲，单模 纤芯较小，通过Bending可将光路完全隔断。 多模纤芯大得多，从弯曲损耗产生机制(图5)来看，光 纤弯曲半径再小也不能将通过的低阶模完全损耗掉。 3.光纤Bending判定：在跳线组装和Coupler构装时， 我们经常依据1310nm光损耗远小于1550nm来判定光 纤Bending。
光纤中的传播模式
截止波长
当光纤参数(a、n1、n2)已经确定，单模光纤的截止波 长和截止频率分别为：
c
2 a n12 n2
1.202
fc
1.202c
2 a n12 n2
λ越大则V越小，当λ<λc时则不再满足单模条件，产生 高阶模，因而传输损耗增加。
光纤中的传播模式
单模光纤的模场半径 单模光纤中传输的是类高斯光束，即光束能量在横截 面近似高斯分布，其模场半径的经验公式如下：
θ
(C)纤芯倾斜
图10.光纤的连接失配
光纤的连接损耗
阶跃折射率多模光纤
2 1/ 2 2 d d d I d 10 log arccos 1 2a a 2a 端面间隙损耗
阶跃折射率多模光纤 Z n1 I Z 10 log 1 4 a n 0 纤芯倾斜损耗 渐变折射率多模光纤
I 10 log 1 1.68
光纤的连接损耗
阶跃折射率多模光纤
I 10 log 1 2
由于多模光纤的芯径很大，因此三种连接失配损耗均 很小。
单模光纤连接损耗 纤芯错位损耗
I d 10 log e
( d / )2
光纤的连接损耗
光纤的连接损耗
光纤的连接失配 两根光纤连接时，可能因纤 芯错位、端面间隙和纤芯倾 斜三种失配情况，而引入额 外的插入损耗，如图10所示。 多模光纤连接损耗 纤芯错位损耗 渐变折射率多模光纤 2a
(a)纤芯错位
d
(b)端面间隙
Z
I d 10 log 1 2.35(d / a) 2
光纤光学基础知识
万助军 2003.11.10
目
录
光纤结构及导光原理 光纤中的传播模式 光纤的传输特性 光纤的连接损耗
光纤结构及导光原理
光纤结构
纤芯 包层 涂覆层
图1.光纤结构简图
如图1所示，光纤由三部分组成： 纤 芯－光能量主要在纤芯中传输； 包 层－折射率小于纤芯，与纤芯一起组成波导，限 制光能量泄漏； 涂覆层－对光纤起缓冲保护作用。 光纤按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤， 按折射率分布可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光 纤，如图2所示。
光纤的传输特性
单模光纤微弯曲损耗：
A 2 k 0 n1 s ( p ) Rc (k0 n1s0 ) 8 2
2
2p
单模光纤微弯曲损耗与模场半径和波长有关，模场半 径越小则损耗越小；但由于模场半径与波长有关，损 耗与波长的关系不能明显看出来。 实际情况是，波长越小则微弯曲损耗越小。 通过改变光纤结构参数(a、n1、n2)可以减小模场半径， 以提升弯曲损耗特性。
光纤的传输特性
弯曲损耗(Bending Loss) 如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入 射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射， 不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光 纤弯曲损耗。 A
α1
α2
B
图5.光纤的弯曲损耗
光纤的传输特性
宏弯曲损耗 光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很 小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规 律迅速增加。 多模光纤的临界曲率半径： 2 2 2 Rc 1.5 3 (0.347 2Wa ) 其中：W 2 n2 k0 W Rc与β有关，因此在同一弯曲半径下，不同模式的损 耗不同，低阶模的损耗小，高阶模的损耗大。 单模光纤的临界曲率半径：
3 Rc 20 (2.748 0.996 ) 3/ 2 (n) c
光纤的传输特性
单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关， λc越大 则Rc越小，也就是说，截止波长越大则弯曲特性越好。
微弯曲损耗 多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复 杂，仅作定性描述。 多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤 进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频 率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比， 与弯曲总长度L成正比。 图6.多模光纤的周期性微弯曲
端面间隙损耗
I Z 10 log
纤芯倾斜损耗
1 Z /2n
2 2 2
1
2
I 10 log e
(n2 / )2
由于单模光纤的芯径和模场半径均很小，纤芯错位损 耗很大，其次为端面间隙损耗，再次为纤芯倾斜损耗。
光纤的传输特性
G652光纤是常规光纤，其零色散波长在1.3um附近； G655光纤是色散位移光纤(DSF)，其零色散波长在 1.55um附近。 类似的，光纤模间色散亦会造成码间串扰，特别是 多模光纤中的模间色散非常大，因此多模光纤不能用 于长距离、高速通信系统。 在更高速的通信系统中，偏振模色散亦会导致码间 串扰，可用色散系数相反的色散补偿光纤(DCF)进行 补偿。
光纤的传输特性
光纤波导色散与模间色散的比较如图8所示，前者为 同阶模式不同波长的色散，后者为同一波长不同模式 间的色散。
(a)光纤波导色散
(b)光纤模间色散
图8.光纤波导色散与模间色散
偏振模色散(PMD) 由于光纤的双折射效应，同一波长、同阶模式、不同 偏振态的光，传播常数β亦不相同，称为偏振模色散。
A B
θ
α
图3.光在光纤中的传播
因为纤芯折射率大于包层折射率，当光线从纤芯入射 到界面上时，如果入射角α大于临界角α 0，将发生全 反射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤 导光原理。
光纤中的传播模式
数值孔径 光线在纤芯与包层界面上的入射角α 大于全反射临 界角α0 ，才能在光纤中传播；受此条件约束，光线在 光纤端面的入射角θ必须小于孔径角θ 0，才能传播。 定义光纤子午光线数值孔径为：
第二窗口
0.1 0.6
0.8
1.0
1.2 波长(um)
1.52Βιβλιοθήκη 0图4.石英光纤损耗谱典型曲线
光纤的传输特性
目前光通信的三个窗口： 0.85um－第一窗口，短距离多模光通信； 1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信； 1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。 我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有 一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常 称之为水峰。 Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司相 继推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三 窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm 的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。
光纤中的传播模式
单模与多模 我们已经知道，光纤中传输的光必须同时满足全反 射条件和驻波条件。前者与纤芯和包层折射率差有关 (折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关 (纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用 一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。
V a
2
0
n n
2 1
光纤的传输特性
色散对光纤通信系统的影响 光源总是有一定的谱线宽度，当一个光脉冲通过光 纤，由于材料色散和波导色散，其中不同波长成分到 达的时间将不同，即脉冲被展宽了。如果脉冲展宽达 到脉冲间隔宽度，将会造成码间串扰，如图9所示。 材料色散在1.3um附近为零，且零色散波长与光纤 掺杂种类和浓度无关；而波导色散随折射率分布(即光 纤掺杂情况)而变，因此可设计在某一特定波长色散为 零的光纤，在此波长上材料色散和波导色散相互抵消。 t t 图9.材料色散造成的码间串扰
2 NA子 (r ) n0 sin 0 n 2 (r ) n2
光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光 纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数 值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。 数值孔径反映光纤接收光的能力，Corning SMF-28单 模光纤、InfiniCor 50/125um多模光纤、InfiniCor 62.5 /125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。
2 2
V越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的 模式数量越少。当V<2.405时，光纤中只有一个模式 可以传播，成为单模光纤。
光纤中的传播模式
为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和 纤芯直径均比多模光纤小。 在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取髙值，以 提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。 根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一 个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这 也是单模光纤的微弯曲损耗较多模光纤小的原因。
光纤结构及导光原理
n2 n1 2a
8～12um
n2 n1 2a
(a)单模阶 跃折射率光 纤 (b)多模阶 跃折射率光 纤 (c)多模渐变 折射率光纤
125um 125～400um
50～200um 50/62.5um
n2 n1 2a
图2.单模和多模光纤结构示意图
125um
光纤结构及导光原理
光纤导光原理
光纤中的传播模式
光纤的模式 我们已经知道，小于孔径角入射的光线可以在光纤 中传播，这只是从光线理论得到的结论。 如图3所示，根据波动理论，光在两个反射点A、B的 位相必须相同，即A、B间的光程差必须是传输波长的 整数倍，此称为横向驻波条件。 因此在所有入射角小于孔径角的光线中，只有满足 驻波条件的一系列光能够传输，对应一系列分立的入 射角θ1、 θ2、θ3…，我们称之为光纤的模式。 也可以用纵向传播常数β1、 β2、β3…来描述光纤的模 式，表示光线相位变化的速度。 模式越高，θ角越大， β越小，光程越大，损耗越大。
1.619 2.879 (0.65 3 / 2 6 )a V V
我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能 量被约束得越集中，即导光能力越强。 模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等 有重要作用。
光纤的传输特性
光纤的损耗 材料吸收损耗
5.0 损耗(dB/km) 2.0 1.0 0.5 0.2 第三窗口 第一窗口
光纤的传输特性
光纤的色散 棱镜的色散 图7所示为棱镜的色散，由于棱镜材料对不同波长光的 折射率不同，产生的偏折角度不同，表现为不同波长 的光在空间展开。
图7.棱镜的色散 光纤材料色散 与棱镜色散类似，由于光纤材料对不同波长光的折射 率不同，也会产生色散，只是表现形式不同。
光纤的传输特性
光纤的传输特性
弯曲损耗实例 1.多模光纤扰模：属于宏弯曲，高阶模的弯曲损耗较 大，经过多个扰模圈之后被损耗掉，剩余低阶模。 在实际光纤链路中，高阶模的传输不稳定，很容易损 耗掉，因此多模器件在扰模后的测试值，更符合实际 应用情况。 2.单模跳线BR测试中的Bending：属于微弯曲，单模 纤芯较小，通过Bending可将光路完全隔断。 多模纤芯大得多，从弯曲损耗产生机制(图5)来看，光 纤弯曲半径再小也不能将通过的低阶模完全损耗掉。 3.光纤Bending判定：在跳线组装和Coupler构装时， 我们经常依据1310nm光损耗远小于1550nm来判定光 纤Bending。
光纤中的传播模式
截止波长
当光纤参数(a、n1、n2)已经确定，单模光纤的截止波 长和截止频率分别为：
c
2 a n12 n2
1.202
fc
1.202c
2 a n12 n2
λ越大则V越小，当λ<λc时则不再满足单模条件，产生 高阶模，因而传输损耗增加。
光纤中的传播模式
单模光纤的模场半径 单模光纤中传输的是类高斯光束，即光束能量在横截 面近似高斯分布，其模场半径的经验公式如下：
θ
(C)纤芯倾斜
图10.光纤的连接失配
光纤的连接损耗
阶跃折射率多模光纤
2 1/ 2 2 d d d I d 10 log arccos 1 2a a 2a 端面间隙损耗
阶跃折射率多模光纤 Z n1 I Z 10 log 1 4 a n 0 纤芯倾斜损耗 渐变折射率多模光纤
I 10 log 1 1.68
光纤的连接损耗
阶跃折射率多模光纤
I 10 log 1 2
由于多模光纤的芯径很大，因此三种连接失配损耗均 很小。
单模光纤连接损耗 纤芯错位损耗
I d 10 log e
( d / )2
光纤的连接损耗
光纤的连接损耗
光纤的连接失配 两根光纤连接时，可能因纤 芯错位、端面间隙和纤芯倾 斜三种失配情况，而引入额 外的插入损耗，如图10所示。 多模光纤连接损耗 纤芯错位损耗 渐变折射率多模光纤 2a
(a)纤芯错位
d
(b)端面间隙
Z
I d 10 log 1 2.35(d / a) 2
光纤光学基础知识
万助军 2003.11.10
目
录
光纤结构及导光原理 光纤中的传播模式 光纤的传输特性 光纤的连接损耗
光纤结构及导光原理
光纤结构
纤芯 包层 涂覆层
图1.光纤结构简图
如图1所示，光纤由三部分组成： 纤 芯－光能量主要在纤芯中传输； 包 层－折射率小于纤芯，与纤芯一起组成波导，限 制光能量泄漏； 涂覆层－对光纤起缓冲保护作用。 光纤按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤， 按折射率分布可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光 纤，如图2所示。
光纤的传输特性
单模光纤微弯曲损耗：
A 2 k 0 n1 s ( p ) Rc (k0 n1s0 ) 8 2
2
2p
单模光纤微弯曲损耗与模场半径和波长有关，模场半 径越小则损耗越小；但由于模场半径与波长有关，损 耗与波长的关系不能明显看出来。 实际情况是，波长越小则微弯曲损耗越小。 通过改变光纤结构参数(a、n1、n2)可以减小模场半径， 以提升弯曲损耗特性。
光纤的传输特性
弯曲损耗(Bending Loss) 如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入 射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射， 不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光 纤弯曲损耗。 A
α1
α2
B
图5.光纤的弯曲损耗
光纤的传输特性
宏弯曲损耗 光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很 小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规 律迅速增加。 多模光纤的临界曲率半径： 2 2 2 Rc 1.5 3 (0.347 2Wa ) 其中：W 2 n2 k0 W Rc与β有关，因此在同一弯曲半径下，不同模式的损 耗不同，低阶模的损耗小，高阶模的损耗大。 单模光纤的临界曲率半径：
3 Rc 20 (2.748 0.996 ) 3/ 2 (n) c
光纤的传输特性
单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关， λc越大 则Rc越小，也就是说，截止波长越大则弯曲特性越好。
微弯曲损耗 多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复 杂，仅作定性描述。 多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤 进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频 率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比， 与弯曲总长度L成正比。 图6.多模光纤的周期性微弯曲
端面间隙损耗
I Z 10 log
纤芯倾斜损耗
1 Z /2n
2 2 2
1
2
I 10 log e
(n2 / )2
由于单模光纤的芯径和模场半径均很小，纤芯错位损 耗很大，其次为端面间隙损耗，再次为纤芯倾斜损耗。
光纤的传输特性
G652光纤是常规光纤，其零色散波长在1.3um附近； G655光纤是色散位移光纤(DSF)，其零色散波长在 1.55um附近。 类似的，光纤模间色散亦会造成码间串扰，特别是 多模光纤中的模间色散非常大，因此多模光纤不能用 于长距离、高速通信系统。 在更高速的通信系统中，偏振模色散亦会导致码间 串扰，可用色散系数相反的色散补偿光纤(DCF)进行 补偿。
光纤的传输特性
光纤波导色散与模间色散的比较如图8所示，前者为 同阶模式不同波长的色散，后者为同一波长不同模式 间的色散。
(a)光纤波导色散
(b)光纤模间色散
图8.光纤波导色散与模间色散
偏振模色散(PMD) 由于光纤的双折射效应，同一波长、同阶模式、不同 偏振态的光，传播常数β亦不相同，称为偏振模色散。
A B
θ
α
图3.光在光纤中的传播
因为纤芯折射率大于包层折射率，当光线从纤芯入射 到界面上时，如果入射角α大于临界角α 0，将发生全 反射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤 导光原理。
光纤中的传播模式
数值孔径 光线在纤芯与包层界面上的入射角α 大于全反射临 界角α0 ，才能在光纤中传播；受此条件约束，光线在 光纤端面的入射角θ必须小于孔径角θ 0，才能传播。 定义光纤子午光线数值孔径为：