光纤光学第二章

-传输容量限制:
B--信号比特率
T
1 B
BL
n2 n12
c
10
色度色散
This is caused by the fact that the refractive index of the glass we are using varies (slightly) with the wavelength. Some wavelengths therefore have higher group velocities and so travel faster than others. Since every pulse consists of a range of wavelengths it will spread out to some degree during its travel.
4
纯石英中由瑞利散射和吸收引起的本征损耗。
纯石英的高吸收区在紫外线和超过2µm的远
红外线。但是OH（杂质）的吸收峰在2.37µm，
1.37 µm和1.23 µm是其谐波。
6
结论：石英光纤在1.55µm损耗最小，少量OH
导致显著吸收峰1.37µm、1.23µm。
5
第一窗口
4
3
2
C 波段
1525~1565nm
所有大于临 界角C的光 线都被限制在 纤芯内。
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途 径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传 播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了 时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
9
c
i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
T
n1 c
s
L
in
c
L
L c
n12 n2
材料色散和波导色散总称为色度色散(Chromatic Dispersion)，常 简称为色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。
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材料色散
材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折 射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传 输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并 不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。
1
第二窗口 第三窗口
0。4
0。2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
L波段
普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
5
6
§2.光纤的色散
色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的 光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。
用脉冲展宽表示时， 光 纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)/2 Δτn ——模式色散； Δτm ——材料色散； Δτw ——波导色散 所引起的脉冲展宽的均方根值。
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模间色散
对于阶跃光纤：
High-order Mode (Longer path)
core cladding
Axial Mode (shortest path) Low-order Mode (shorter path)
2
光纤的损耗
• 吸收损耗 ---- 物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造
成光功率的损失。吸收损耗有三个原 因，一是本征 吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材 料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐 振有关。 --- 由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、 铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的 附加吸收损耗称为杂质吸收。 ---- 原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐 射造成， 玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起 吸收光能，造成损耗。
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95%
1 vg
dk dw
d dw
w c
n(w)
1 vg
1 c
n(0 )
0
dn
d0
k(w) w n(w) c
0
L vg
L c
n0 0
dn
d
0
d d0
0
源自文库
L c
2
0
d 2n
d20
0 0
Dm
1
0c
20
d 2n
d20
109
12
波导色散
波导色散是模式本身的色散。即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。
波导色散是光纤波导结构参数的函数，在一定的波长范围内，波
导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径a 、相对折射率
差Δ 及剖面形状决定。
w c
n2
n1
n2 b(v)
v wa c
n12 n22
1 vg
d
dw
n2 c
n1
c
n2
d dv
bv
w
L vg
L c
n2 1 1
d dv
bv
w
d d
0
3
光纤的损耗
• 散射损耗 ---- 由于光纤材料密度的微观变化以及各成分
浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布 不均匀的局部区域，从而引起光的散射， 将一部分光功率散射到光纤外部。 ---- 物质在强大的电场作用下，会呈现非线性， 即出现新的频率或输入的频率得到改变。 这种由非线性激发的散射有两种即受激喇 曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射。
模间色散(多模色散)(Mode Dispersion) 色散的种类：色度色散(Chromatic Dispersion)
偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了电中继器之间的距离
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色散对光传输系统的影响
如果信号是数字脉冲， 色散产生脉冲展宽(Pulse broadening)。 所以，色散通 常用3 dB光带宽f3dB或脉冲 展宽Δτ表示。
L c
n2
1
0 0
v
d 2 bv
dv 2
1
n12 n22 2n12
n1 n2 n2
Dw
n2 1
c0
v
d 2 bv
dv2
1012
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波导色散
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通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的 方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到 移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实 现总零色散和负色散的目的。正是这种方法才研制出色散位移光 纤、非零色散位移光纤。
光纤光学
损耗和色散是光纤最重要的传输特性！ 损耗限制系统的传输距离!色散则限制系统的传 输容量!
第二章
光纤的特性
W-C Chen Foshan Univ.
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§1.光纤的损耗
• 光纤的一个重要的参量是光信号在光纤 内传输时的功率损耗，若P0为入纤功率， 传输功率：
PT=P0e-αL
光纤损耗：
用dBm表示