第03章光纤的传输特性优秀课件

图3.6 阶跃型光纤的模式色散
2.
在渐变型光纤中合理地设计光纤折 射率分布，使光线在光纤中传播时速度 得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲 展宽将很小。
3.2.3
一般情况下，材料色散往往是用色 散系数这个物理量来衡量，色散系数定义 为单位波长间隔内各频率成份通过单位长 度光纤所产生的色散，用D(λ)表示，单位 是ps/（nm·km）。
(2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导
散射损耗)
在光纤制造过程中，由于工艺、技术 问题以及一些随机因素，可能造成光纤结 构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面 不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中 残留气泡和裂痕等等。
2.
光纤中存在两种非线性散射，它们都 与石英光纤的振动激发态有关，分别为受 激喇曼散射和受激布里渊散射。
当光纤中存在着双折射现象时，两个
极化正交的LP01x和LP01y模传播常数βx和βy 不相等。对于弱导光纤，βy和βx之差可以 近似地表示为：
y x C n y n x
式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射 率。
3.2.6 总色散
光纤的 w
第03章光纤的传输特性
3.1 光纤的损耗特性
3.1.1
吸收损耗是由制造光纤材料本身以及 其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH－) 等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是 由光纤材料本身的特性所决定的，称为本 征吸收损耗。
1.
本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。
(1)
紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到高 能级时，光子流中的能量将被电子吸收， 从而引起的损耗。
3.1.2
1.
任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等 等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光 纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗 所引起的损耗功率与传播模式的功率成线 性关系，所以称为线性散射损耗。
(1)
瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。
对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞 利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损 耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗 一起构成光纤损耗的理论极限值。
D w () n C 1 V d d 2 V 2V b
3.2.5
极化色散也称为偏振模色散，用τp表 示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给 出粗略的概念。
单模光纤中可能同时存在LP01x和 LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模 式，并且可能由于激励和边界条件的随机 变化而出现这两种模式的交替。
值得说明的是，单模光纤一般只给出 色散系数D，其中包含了材料色散和波导 色散的共同影响。
3.2.7 光纤的色散和带宽对通
信容量的影响
光纤的色散和带宽描述的是光纤的同 一特性。其中色散特性是在时域中的表现 形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时 间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在 频域中的表现形式，在频域中对于调制信 号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器， 当调制信号的高频分量通过光纤时，就会 受到严重衰减，如图3.12所示。
(2)
红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损 耗。
2.
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离 子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH－。
3.
通常在光纤的制造过程中，光纤材料 受到某种热激励或光辐射时将会发生某个 共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很 容易在光场的作用下产生振动，从而吸收 光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为 630nm左右。
3.1.4
为了衡量一根光纤损耗特性的好坏， 在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概 念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光 功率减小的分贝数，一般用α表示损耗系数， 单位是dB/km。用数学表达式表示为：
＝ 1l0 g P 1d/K Bm LP 2
式中：L为光纤长度，以km为单位； P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率， 以mW或μW为单位。
3.1.3
光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率 半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习 惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产 生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为 微弯。
在光缆的生产、接续和施工过程中， 不可避免地出现弯曲。
微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光 纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和 套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损 耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起 的。
1 l0 P g P 电 电 f 0 c 2 l0 I g I 电 电 f 0 c 2 l0 P g P 光 光 f 0 c ＝ 6 d－ B
2.
在已知材料色散系数的前提下，材料 色散的表达式可根据色散系数的定义导出， 材料色散用τm表示。
τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L
式(3-25)中：Δλ为光源的谱线宽度， 即光功率下降到峰值光功率一半时所对应 的波长范围；L是光纤的传播长度。
3.2.4
式(3-23)中的第二项与波导的归一化 传播常数b和波导的归一化频率V有关，而 b和V又都是光纤折射率剖面结构参数的函 数，所以式(3-23)中的第二项称之为波导色 散系数，用Dw(λ)表示。
3.2 光纤的色散特性
3.2.1 色散的概念 3.2.2 模式色散
所谓模式色散，用光的射线理论来说， 就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均 速度不同所造成的时延差。
1.
在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢 的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线 ①和以临界角θc入射的光线②，如图3.6所 示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光 线①和光线②到达终端的时延差。
图3.12 光纤的带宽(f为调制信号频率)
通常把调制信号经过光纤传播后，光 功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小， 定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下 降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。 可用式(3-33)表示。
1 0 lP g P 光 光 f 0 c ＝ 3 d－ B
光功率总是要用光电子器件来检测， 而光检测器输出的电流正比于被检测的光 功率，于是：