光电子学教程 Chapter4-7

第四章 光辐射 在介质波导中的传播
§4-1光在介质分界面上的反射与折射 §4-2介质平板光波导的射线分析方法 §4-5光纤中的射线分析
§4-7光纤的损耗与色散
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主要内容
• 光纤的损耗 • 光纤的色散
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制约光纤传输信号的因素 ⎧损耗 ⇒ 限制长距离传输 ⎨ ⎩色散 ⇒ 脉冲展宽、传输速率下降
一、光纤的损耗 1、弯曲损耗 （1）宏弯损耗 导模 → 辐射模 预防措施： 减小弯曲
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（2）微弯损耗 由于光纤局部的凸起或凹陷造成的
⎧制造工艺 ⎪ 起因 ⎨机械压力 ⎪热量分布不均匀 ⎩
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2、散射损耗 a、线性散射——瑞利散射 由于折射率的不均匀性引起的，与λ -4 成正比
b、非线性散射——受激喇曼散射 受激布里渊散射
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3、吸收损耗 材料固有吸收： 本征吸收 紫外吸收：光子激发电子产生跃迁 红外吸收：光子与晶格的非弹性碰撞 ⎛ 铁、铜 ⎞ 要求 过渡金属离子 ⎜ ⎟ -9 ⎝ 镍、锰、铬 ⎠ 含量<10 OH − (氢氧根离子) 1.38 0.95 吸收峰： µ m， µ m, 0.72 µ m 损耗 < 1dB / km ⇒ OH −浓度<10-6
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远离通信的传输窗口，对光纤通讯影响不大。
杂质吸收

4、损耗的表示 单位距离光纤的损耗（衰减系数） 10 ⋅ lg pi
z pi 表示从光纤端口输入功率，po 表示传输 距离z后光纤的输出功率。 1967年之前，α > 100dB / km; 现在0.5～0.2dB / km。
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α=
po
（dB / km)

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例1、一通信系统光纤损耗0.5dB/km，输入 功率为1mW，传播距离长15km，求输出功率。 10 pi α = lg z p0 ∴ ⇒ 10 1 0.5 = lg mw 15 p0 p0 = 10
−0.75
= 0.178mw
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例2、发射功率1mw，接收器的敏感度为50µ w 求衰减为0.5dB / km的光纤的最大传输距离。 10 pi α = lg z p0 z max pi = lg α p0 10 10 1mw = lg 0.5 0.05mw = 26km
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⎧⎨⎩材料色散模内色散色度色散

波导色散

模间色散

二、 光纤的色散

光纤损耗得到较大改进后，光纤色散成为制约光纤通信能力的主要因素。

光纤的色散是由于不同模式或不同频率成分的光，在光纤中传输的时延不同（群速度），随传输距离增加引起的脉冲展宽的物理效应。

色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。

（1） 模间色散（模式色散）

多模光纤中，由于光束在光纤内部的模式不同所造成的脉冲

变宽称为模间色散。

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（2）材料色散

材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使单一模式内不同波长的光具有不同的传播速度，产生的色散。

不同频率的光在光纤中的速度不同。而所有光源发射的光都具有一定的带宽，因此一个被传输的短脉冲会扩展开来。

材料色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度(),()

c n n n λυλ==材料的折射率为波长的函数：

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波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散(同一模式的光，其传播常数β随λ变化而引起的色散)。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。（3）波导色散

1.300

1.30

1.30w m m D D m m λµµλµ=+==当时，色度色散为零

色度色散在波长处为所以光纤通信选用光波作为工作波长。

波导色散和材料色散都是模式的本身色散。

对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。

而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。材料色散：不同波长的光，折射率不同。

波导色散：不同波长的光，传播常数不同。

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