新型光纤和光纤的基本特性

纤芯n ( 1) 包层n ( 2) 输入 光脉冲
全反 射路径
max
min
中心 轴线
图 模间时延差
输出 光脉冲
• 设有一光脉冲注入长为 L的阶跃型光纤中， 可以用几
何光学求出其最大的时延差δτ。
• 设一单色光波注入光纤中，其能量将由不同的模式携
带，速度最快的模（路径最短）与中心轴线光线相对
应，速度最慢的模（路径最长）与沿全反射路径的光 线相对应， 可求出最大的时延差：
•如果注入光纤的功率为 p(z=0), 光纤的长度为 L，经 长度L的光纤传输后光功率为p(z=L)， 则α(λ)为
10 p( z 0) ( ) lg L p ( z L) • 影响光纤的损耗系数较多,
(dB / km)
• 包括：1、瑞利散射； 2、光纤缺陷；3、 杂质吸收 （如OH-根离子、 红外）等 损耗是波长的函数:
L L / sin Ln1 max min L c / n1 c / n1 c
上式利用了全反射定理： sinθ=n2/n1 ，其中 τ 为单位 长度的时延。
模间色散的减少
模式色散：
由于不同的光线在光纤中传输的时间不同， 因而输入
一个光脉冲时， 其能量在时间上相对集中， 经光纤
• 则光脉冲的电场可以描述为 • E(z,t)=E ［ cos((ω0+Δω)t-β(ω0+Δω)z)+cos((ω0-Δω)t Δω)z)］ • ≈Ecos(Δωt-β1Δωz)cos(ω0t-β0z)
•一个粗略的判据是, 只要光脉冲在时间上的展宽不超 过系统比特周期 1/B 的 1/2 ，即 1/(2B) （ B为系统的比 特率也就是信息传输速率），就可接受。因此模式色 散有如下的限制:
n1 1 T L L c 2B
• 因而光纤通信系统由于受模式色散的影响， 其比特距离积为：
主要内容
• 一、光纤的传输特性 • 二、特种光纤 • 三、 单模光纤色散补偿、减小色散的影响
一、光纤的传输特性
• 1、光 纤 的 损 耗 • 损耗系数 • 光纤的损耗限制了光纤最大无中继传输距 离。 • 损 耗 大 小 用 损 耗 系 数 α(λ) 表 示 ， 单 位 为 dB/km, 即单位长度光纤的光功率损耗 dB （分贝）值。
第4章 新型光纤和光纤的基本特性
2018Βιβλιοθήκη Baidu04.16 星期一
复习：弱导光纤的模式
当光纤的芯层和包层的相对折射率差△<<1时，称这种光 纤为弱导光纤。只能支持少数模式。 弱导光纤,n1 n2, k0n1 k0n2;即k0n1 k0n2 ；实际的光纤就是 弱导光纤
Et max H t max 1 Ez max H z max 2
OH
红外 吸收
0 .8
1 .0
1 .2
1 .4
1 .6
波长 / m
光纤损耗与波长的关系
• 光纤可用频谱 窗口
• 单模光纤的第一低损耗窗口位于0.85 μm附近; • 第二低损耗窗口位于1.30μm附近; • 第三低损耗窗口位于1.55 μm附近。
三个波段:
S波段：1475-1510nm；
C波段：位于1528～1565 nm：
( )

c1
4
c2 A( )
• 式中，c1为瑞利散射常数，c2为与缺陷有关的常数， A(λ)为杂质引起的波吸收。
•α(λ)与波长的关系如下图所示。 从图中可看 出， 有三个低损耗窗口， 其中心波长分别位 于0.85 μm、 1.30 μm、 1.55 μm处。
损 耗 / (dB / k m ) 瑞利 散射 OH
（2）单模光纤的波长色散(色度色散)
• 相速 • • 单色光波可以描述为 E(z, t)=A cos(ω0t-β(ω0)z)
• 式中： A为光场的振幅， β(ω=ω0) 为传播常数， ω0=2πf0。
• 相速 vφ 定义为与行波光场保持固定相位 的观察者前进的速度或等相位面（ωt-βz= 常数）前进的速度:
传输后到达输出端， 输出一个光脉冲， 其能量在时
间上相对弥散(脉冲展宽)， 这种现象称为模式色散。
模式色散的影响。
措施：通过合理设计光纤， 模式色散可以减小（如渐变光 纤）， 甚至没有（如单模光纤）。
• 多模光纤的最大比特率 • 由于模式色散的存在，展宽的光脉冲会达 到某种程度，使得前后光脉冲相互重叠， 可能造成误码。 • 一根光纤信号传输的速率？？
L波段 ：1565～1620 nm。
2、光纤的色散
• 色散种类
（1）模式色散
（2）单模光纤的波长色散
a、材料色散
b、波导色散 C、偏振模色散
（1） 光纤的模式色散
• 模间时延差 • 模间时延主要存在于多模光纤中。
• 由于不同的模的传播路径不同，因此到达目的地时 不同的模之间存在时延差。
•对 于 多 模 光 纤 ， 其 纤 芯 为 50μm ， 远 大 于 光 的 波 长 1.3μm，因而波动理论与几何光学分析的结论是一致的。 •可以将一个模式看成是光线在光纤中一种可能的行进 路径。 由于不同的路径其长度不同，因而对应的不同 的模式其传播时延也不同。
LPlm模特点：1、场的横向分量远大于纵向分量； 2、场的横向分量是线偏振的，（Hx,Ey;Ex,Hy） 3、满足标量场方程，在边界处连续 4、LP模只有四个不为零的场分量Ex,0,Ez,0, Hy, Hz ; 0,Ey,Ez,Hx,0,Hz
LP模与传统模的标记方法的关系
精确模
单模光纤实际存在两个正交的偏振模， LP01X和LP01y ；
c BL 2n1
如Δ=0.01， n1=1.5（≈n2）， 可得BL<10（Mb/s）·km。
阶跃多模光纤
• 对于折射率成抛物线分布的渐变光纤， 在光纤L处， 最快光线和最慢光线的时延 差为：
L n12 T L c 8
1 如假设 T 2B
, 则系统的带宽距离积为
4c BL n12
ω0t-β(ω0)z=c
dz 0 dt (0 )
• 群速 • 实际光纤通信系统中的光波不是单色波， 为简化分析 , 假设光波只包含两个分量： ω0+Δω和ω0-Δω， 且Δω<<ω0， 则有 β(ω0±Δω)≈β0±β1Δω
式中
d 0 (0 ), 1 | 0 d