光纤通信第三章

应力，减小光纤中的双折射现象，从而减小极化色散。目前单模光纤
的极化色散与材料色散和波导色散相比很小，可忽略。
光纤的色散特性
总色散
光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散，这几种色散
的大小有下列关系：模式色散>>材料色散>波导色散>极化色散。由于极
料制成的单模光纤，在1.55m波长处测得的损耗仅为0.2dB/km。
光纤的损耗特性
2.杂质吸收损耗 光纤中的氢氧根离子和过渡金属离子造成的损耗，过渡金属离子比较容 易去除，氢氧根离子含量低，但吸收影响较大，不过，随着科技的发展 和工艺的不断提高，OH-的含量将不断降低。当降到0.8~1.0ppb(10-9)时
石英光纤的工作波长不能大于2m 。
光纤的损耗特性
(3)小结 紫外和红外吸收损耗，构成了光纤的本征吸收损耗，它是材料本身所固 有的，只有改变材料成分才能有微小改变。因此，在光纤制造过程中可 以通过合理地选择光纤的掺杂材料来减小本征吸收损耗。实验表明：当 工作波长较长时，掺GeO2杂质的光纤材料是最理想的。用SiO2-GeO2材
n1
n2
实际的模式色散要比理论计算好一些，原因是：(1)传导模间的相互变换 (2)传导模和辐射模间的变换。
光纤的色散特性
2.渐变型光纤中的模式色散
A. 纤芯中折射率服从抛物线分布的光纤的模式色散
纤芯折射率分布公式：
最大模式时延：
n(r) n(0)[1 2( r )2 ]1/2 a
最小模式时延：
光纤的色散特性
模式色散
射线理论解释：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。常用时延差表示色散程度。 1.阶跃型光纤中的模式色散 从射线理论角度，计算模式色散公式为：
M

L
c n1
sin
c

L c n1

Ln1 c
( n1 n2
1)
Ln1 c

在弱导光纤中：
n1 n2 n1 n2
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时
延差，用D()表示，单位是ps/(nm.km)。 色散的具体表达式可以根据群速
度定义导出：D() d 经过一系列的公式推导，得到：
d
D()


c
d 2n1 d2

n1 V c
•
d 2 (Vb) dV 2
其中，b W 2 /V 2为归一化传播常数，第一项为材料色散系数(由于纤芯材料的
光纤的损耗特性
光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，造成光纤损耗的原 因很多，其损耗机理也很复杂。本章以石英光纤为例来讨论引起光纤损 耗的各种机理。
光纤的损耗特性
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，前者为本征吸收损耗，后者为杂质吸收损 耗。 1.本征吸收损耗 短波长区，主要是紫外吸收的影响，长波长区，主要是红外吸收的影响。 (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。 在0.8 ~ 1.7m 范围内引起的损耗小于0.1dB/km。 (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。
对应的波长范围；L是光纤的传播
长度。 ➢ 材料色散要比模式色散小； ➢ 光纤的色散系数可正可负； ➢ 正色散表示波长长传播慢； ➢ 负色散表示波长长传播快； ➢ 正负色散光纤结合改善总色散；
光纤的色散特性
波导色散
波导色散是由于传播常数随波长变化引起
的，是色散系数公式中第二项：
从这个表达D式w(看) 出 ：nc1
➢ 单模光纤中，理论上两种模式是简并的，具有相同的传播常数，但由
于实际光纤的不完善性和外界的应力扰动，会导致光纤内部产生双折
射现象，也就是二者不再简并，沿光纤传输时，会产生差分群时延，
从而引起光脉冲的展宽；
➢
单模光纤中，极化色散计算公式为： p

L
ny
c
nx
；
➢ 单模光纤中，通过减小光纤不完善性，减小其椭圆度，减小内部残余
光纤的色散特性
极化色散
定义：极化色散也称为偏振模色散，用 p表示。从本质上讲属于模式色
散。
➢ 光纤中存在的是线偏振模LPM；
➢ 单模光纤中, LP01按照场强的偏振方向区分为LP01x和LP01y两种；
➢ 单模光纤中，有可能同时存在两种模式，也有可能只存在一种模式， 还有可能存在两种模式的交替；
折射率随波长的变化而变化)，第二项为波导色散系数(因为b,V都是光纤折射
率剖面结构参数的函数，所以称为波导色散系数)。
光纤的色散特性
2.材料色散 定义：材料色散的表达式表示： m () Dm () • • L 其中，为光源的谱线宽度，即光 功率下降到峰值光功率一半时所
在整个0.7~1.6 m 波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如下图所示虚
线所示的曲线，1.31m 波长窗口和1.55m波长窗口不再被OH-吸收峰
隔开，因此，可以得到一个很宽的低损耗波长窗口，有利于波分复用。
光纤的损耗特性
3.原子缺陷吸收损耗 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。 原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量 使之减小到可以忽略不计的程度。
光纤的损耗特性
2.非线性散射损耗 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 别称为受激喇曼散射和受激布里渊散射。在高功率传输时，光纤中的受 激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超 过阈值，散射光强将呈指数增长。系统采用波分复用(WDM)和掺饵光放 大器(EDFA)时，一定要考虑这两种散射损耗的影响。
弯曲损耗
光纤的弯曲有两种形式，分别是宏弯和微弯。宏弯：曲率半径比光纤的 直径大得多的弯曲；微弯：光纤轴线产生微米级的弯曲。 光纤弯曲会造成模式转换，低阶模转 成高阶模，从而造成损耗增大，若导 模转换为辐射模，则造成辐射损耗。
光纤的损耗特性
光纤损耗特性总结
以GeO2-P2O5-SiO2光纤损耗的波谱图为例，介绍光纤的各种损耗特性。
V
•
d 2 (Vb) dV 2
它与归一化频率V 和 dd2(VV2b)的乘积成正比，
而V和b又都是光纤波导结构参数的函数。
根据右图的曲线，可求出波导色散系数。
➢ 波导色散系数和材料色散系数当；
➢ 感兴趣波长内，波导色散均为负值；
➢ 纤芯越小，相对折射率差越大，波导色 散越小；
➢ 一定波长范围内，波导色散与材料色散 的代数和为零。
光纤的损耗特性
散射损耗
散射：光线通过均匀透明介质时，从侧面是难以看到光线的。如果介质 不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧面清晰地看到光束 的轨迹。这是由于介质中的不均匀性使光线朝四面八方散开的结果，这 种现象称之为散射。 散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。散射损耗 可分为线性散射损耗和非线性散射损耗。 1.线性散射损耗 定义：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，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。 线性散射损耗包括瑞利散射和光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射 损耗)。
光纤的损耗特性
(1)瑞利散射 瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。从图3-1中可以看到这 种损耗随着波长的增加而急剧减小。从图3-1还可以看出，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。 (2)光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗) 定义：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。这些结构上不完善处的尺寸远大于光波 波长，引起与波长无关的散射损耗。 随着工艺的改进，损耗可以降低到0.01~0.05dB/km的范围之内。
tmax

1 2
•
Ln(0) c
2

Ln(0) c
tmin

Ln(0) c
模式色散为：
M
tmax
tmin

1 • Ln(0) 2 2c
B. 折射率为其他指数分布的渐变型光纤的模式色散
M
( 2) Ln(0) 2 c
2
其中， 为光纤的折射率分布指数。
光纤的色散特性
集光能力就越强，有利于光源与光纤的耦合，可以增加入纤的光功率。 由此可见，光纤的模式色散和数值孔径之间存在着矛盾，设计时必须综 合考虑。 (3)通过例子，说明渐变型光纤比阶跃型光纤的模式色散小得多。
光纤的色散特性
材料色散
定义：光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而引起脉冲展宽的
现象称为材料色散。
3.比较两种类型光纤的模式色散
(1)折射率按抛物线分布的渐变光纤的模式色散与2 成正比，而阶跃型光
纤的模式色散与成正比；由于小于1，因此一般情况下，抛物线分布
的光纤比阶跃光纤的模式色散小。
(2)从光纤模式色散的公式可看出：光纤的值越大，模式色散就越大，
相应带宽就越窄；而光纤的数值孔径NA与1/2成正比，即越大，光纤的
机理：光纤通信系统中，光源所发光非单一波长的光，而是具有一定的