chapter2光纤光学课件
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《光纤光学教学课件》第三讲
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。
缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
14.11.2020
.
2
© HUST 2012
14.11.2020
波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发，通过求解电磁波所遵 从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
2 (x ,y ,z) k2 (x ,y ,z) 0
ke /V p2/n0k
14.11.2020
.
© HUST 2012
12 14.11.2020
2.2 程函方程与射线方程
一、程函方程：光程函数方程
设上述的标量场方程的解有如下形式： 0 ( x, y, z)eik0Q( x, y,z)
Q(x,y,z) 是光程函数，代入亥姆赫兹方程得：
由 Q2 n2
.
n
14 14.11.2020
单位矢量相等：
u ndr Q
n ds
又有：
d dxi dr•
ds i dsxi ds
对式 Q2 n2 ，求导数得：
2 Q Q 2 n n
nddrsQnn
14.11.2020
.
© HUST 2012
15 14.11.2020
nd Qnn
ds ddsnddrsn
光线方程
14.11.2020
.
© HUST 2012
16 14.11.2020
光线方程的物理意义：
当光线与z 轴夹角很小时，有：
物理意义：
ddznddrznr
• 将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;
缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
14.11.2020
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2
© HUST 2012
14.11.2020
波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发，通过求解电磁波所遵 从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
2 (x ,y ,z) k2 (x ,y ,z) 0
ke /V p2/n0k
14.11.2020
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12 14.11.2020
2.2 程函方程与射线方程
一、程函方程：光程函数方程
设上述的标量场方程的解有如下形式： 0 ( x, y, z)eik0Q( x, y,z)
Q(x,y,z) 是光程函数，代入亥姆赫兹方程得：
由 Q2 n2
.
n
14 14.11.2020
单位矢量相等：
u ndr Q
n ds
又有：
d dxi dr•
ds i dsxi ds
对式 Q2 n2 ，求导数得：
2 Q Q 2 n n
nddrsQnn
14.11.2020
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15 14.11.2020
nd Qnn
ds ddsnddrsn
光线方程
14.11.2020
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16 14.11.2020
光线方程的物理意义：
当光线与z 轴夹角很小时，有：
物理意义：
ddznddrznr
• 将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;
光纤光学PPT课件02
按材料分：
石英 纯度高, 通信 塑料 成本低,损耗大 红外光纤 极低理论损耗,用于跨洋通信等
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
1-2 光纤光学的基本方程
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez Hx Hy Hz Er Ef Ez Hr Hf Hz
场的横向分量可由纵向分量来表示： 纵横关系式（1.2.25-1.2.28)—直角坐标系 （1.2.29-1.2.32)—直角坐标系
Ez 和 Hz 总是独立满足波导场方程。
模式命名
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗
光纤的分类(1)按用途分
通信光纤 传感光纤 传光光纤 传像光纤
光纤的分类(2)按折射率分布
光纤的分类(3)按光纤传输模式分
模式: 光场在光纤横截面上的分布, 横模 单模光纤: 针对给定的光波长,只允许一个模式传输
光纤的分类(4)按材料分
刘海荣 (Dr. Liu Hairong)
第一章 光纤光学的基本理论
光纤光学所涉及的基本问题
(1)模式的激励 (光的入射) (2) 模式的分布 (光线传播轨迹) (3)传输损耗 (损耗) (4)光信号的畸变 (色散) (5) 模式耦合
光纤技术所涉及的基本问题
(1)参数的测试技术 (2)自聚焦,准直技术 (3)光纤间连接技术,光纤与光源间的耦合技术 (4)光隔离滤波技术 (5)光的放大技术
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命 名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
石英 纯度高, 通信 塑料 成本低,损耗大 红外光纤 极低理论损耗,用于跨洋通信等
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
1-2 光纤光学的基本方程
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez Hx Hy Hz Er Ef Ez Hr Hf Hz
场的横向分量可由纵向分量来表示： 纵横关系式（1.2.25-1.2.28)—直角坐标系 （1.2.29-1.2.32)—直角坐标系
Ez 和 Hz 总是独立满足波导场方程。
模式命名
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗
光纤的分类(1)按用途分
通信光纤 传感光纤 传光光纤 传像光纤
光纤的分类(2)按折射率分布
光纤的分类(3)按光纤传输模式分
模式: 光场在光纤横截面上的分布, 横模 单模光纤: 针对给定的光波长,只允许一个模式传输
光纤的分类(4)按材料分
刘海荣 (Dr. Liu Hairong)
第一章 光纤光学的基本理论
光纤光学所涉及的基本问题
(1)模式的激励 (光的入射) (2) 模式的分布 (光线传播轨迹) (3)传输损耗 (损耗) (4)光信号的畸变 (色散) (5) 模式耦合
光纤技术所涉及的基本问题
(1)参数的测试技术 (2)自聚焦,准直技术 (3)光纤间连接技术,光纤与光源间的耦合技术 (4)光隔离滤波技术 (5)光的放大技术
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命 名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
《光纤通信技术》 (2)幻灯片
• 常见的光通信器件的基 本原理、特性和使用
• 光纤通信系统中复用技 术的原理、方法和实际 应用
学 熟等习悉基要光本求纤知的识参数、分类
熟悉几何光学分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
熟悉波动理论分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
掌握光纤的损耗及色散 的分析、计算、测量、 补偿以及其他相关应用。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是 一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理 传输光能的工具。
1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤的优点
➢ 频带宽，传输容量大。 ➢ 损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时
在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。 ➢ 重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远
远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
《光纤通信技术》 (2)幻灯 片
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学 • 掌习握目光标纤通信的原理
• 掌握光纤的相关参数， 光纤中损耗和色散的相 关知识
最后光纤应用时还 要做成光缆 。
5.1.5 光纤通信5系.1统光纤基本知识
• 光纤通信系统中复用技 术的原理、方法和实际 应用
学 熟等习悉基要光本求纤知的识参数、分类
熟悉几何光学分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
熟悉波动理论分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
掌握光纤的损耗及色散 的分析、计算、测量、 补偿以及其他相关应用。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤是光导纤维（optical fiber）的简写，是 一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理 传输光能的工具。
1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤的优点
➢ 频带宽，传输容量大。 ➢ 损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时
在部分频段内损耗和频率无关，无须引入均衡器。 ➢ 重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低，生产光纤的原料石英来源广泛，储量远
远大于铜和铝等金属材料，价格上要便宜得多。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
《光纤通信技术》 (2)幻灯 片
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学 • 掌习握目光标纤通信的原理
• 掌握光纤的相关参数， 光纤中损耗和色散的相 关知识
最后光纤应用时还 要做成光缆 。
5.1.5 光纤通信5系.1统光纤基本知识
物理光纤光学课件
理论——耦合模理论
基本思想：相耦合的两波导中的场, 各自保持了该波导独立 存在时的场分布和传输系数, 耦合的影响表现在场的复数振 幅的沿途变化。设两波导中的复数振幅为A1和A2。由于耦合作 用, 它们沿长度方向变化。
dA1 (z) dz
i(1
C11 ) A1
iC12 A2
dA2
(
Z
)
dz
i(2
•Light of the specified wavelength traveling along the fiber is
reflected from the grating back in the direction from which it came.
•Wavelengths which are not selected are passed through with little
制作工艺：熔锥型、磨抛型
熔锥型器件（强耦合模激励理论），使两光纤芯靠近，使 传播场向外扩展，以便在相当短的锥体颈部区域出现有效 的功率耦合。在耦合器中功率耦合最有效区域（颈部区域） 内的模式基本上是包层模，传播场脱离纤芯，这时场是在 包层和外部媒体（空气或其他适合的填料）所形成的新波 导中传播。
磨抛型器件（弱耦合理论），利用光学冷加工（机械抛磨） 除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成瞬 逝场相互渗透。利用微调装置改变两光纤的相对位置可以 改变耦合器的耦合率。
•the most important aspect is that the effect is asymmetric.
•materials : YIG (YttriumIron-Garnet)
2. Polarisation Independent Isolator
光纤光学-第二章
T － Transverse
第10页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
导电介质中的平面波
Ex
E(r, t ) E0 ( x, y)ei (t kz z ) E0 ( x, y)e
z i (t z )
e
z
衰减因子
Hy
第11页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
§1-2 波导方程
纵横关系式
式中： 2 k 2 2 2 2
第18页 推导
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
返回框图
类似地，对于圆柱坐标，可得：
ez 1 hz er i r r hz 1 ez 2 e i r r
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
第24页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
1-3 模式及其基本性质 （以平板波导为例）
从物理量随着指标变化来看，平板波导只与X、Z两 个指标有关。又可称平板波导为二维波导。
x
电磁场沿z方向传输，z 方向波导的几何形状不 变。在 y 方向波导是无 限延伸的，同时由于对 称性，场分量在 y 方向 没有变化，即：
z y film n1 n3 cover n2 substrate d
平板波导结构图
If n2= n3, 对称波导（Symmetrical waveguide） n2>n3, 非对称波导（Asymmetrical waveguide）
第21页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
1-3 模式及其基本性质
第17页
i A x Ax
第10页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
导电介质中的平面波
Ex
E(r, t ) E0 ( x, y)ei (t kz z ) E0 ( x, y)e
z i (t z )
e
z
衰减因子
Hy
第11页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
§1-2 波导方程
纵横关系式
式中： 2 k 2 2 2 2
第18页 推导
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
返回框图
类似地，对于圆柱坐标，可得：
ez 1 hz er i r r hz 1 ez 2 e i r r
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
第24页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
1-3 模式及其基本性质 （以平板波导为例）
从物理量随着指标变化来看，平板波导只与X、Z两 个指标有关。又可称平板波导为二维波导。
x
电磁场沿z方向传输，z 方向波导的几何形状不 变。在 y 方向波导是无 限延伸的，同时由于对 称性，场分量在 y 方向 没有变化，即：
z y film n1 n3 cover n2 substrate d
平板波导结构图
If n2= n3, 对称波导（Symmetrical waveguide） n2>n3, 非对称波导（Asymmetrical waveguide）
第21页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
1-3 模式及其基本性质
第17页
i A x Ax
光纤光学基础知识29页PPT
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底知识
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
教学课件PPT光纤和光缆
图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播
05.11.2020
（教材1h 4页）
10
2.1.2 光纤的分类
光纤通信
（1）多模光纤
当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约
1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模 式，这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。
（2）单模光纤
（4）G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零
色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零 点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移 光纤（NDSF）。
05.11.2020
其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离 开纤芯中心的径向距离，Δ为相对折射率差，Δ=(n1 − n2 )/ n1 。
多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤 的折射率分布，决定工作波长的选择。
05.11.2020
（教材1h 7页）
15
2.1.2 光纤的分类
光纤通信
4．单模光纤的分类
（3）G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1
550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm 窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。
光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别 如图2-5和图2-6所示。
图2-4 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
图2-4 光在渐变折射率多模光纤中的传播
05.11.2020
（教材1h 3页）
《光纤通信》课件第2章 光纤
图 2.5 光纤的折射率分布 (a) 阶跃分布； (b) 三角分布； (c) 高斯分布
根据光纤横截面上折射率分布的情况来分类， 光 纤可分为阶跃折射率型和渐变折射率型（也称为梯度 折射率型）， 即阶跃光纤和渐变光纤。
阶跃光纤： 在纤芯中折射率的分布是均匀的， 常 用n1表示， 在纤芯和包层的界面上折射率发生突变。
光缆的最主要的技术要求是保证在制造成缆、 敷 设以及在各种使用环境下光纤的传输性能不受影响并 具有长期稳定性。 其主要性能有：
(1) 机械性能： 包括抗拉强度、 抗压、 抗冲击和 弯曲性能。
(2) 温度特性： 包括高温和低温温度特性。 (3) 重量和尺寸： 每千米重量(kg/km)及外径尺寸。
其中最关键的是机械性能， 它是保持光缆在各种 敷设条件下都能为缆芯提供足够的抗拉、 抗压、 抗弯 曲等机械强度的关键指标。 必须采用加强芯和光缆防 护层（简称护层）， 根据敷设方式的不同， 护层要求 也不一样：
图 2.3 光纤制造的拉丝工艺
2.1.4 光缆的技术要求 为了构成实用的传输线路， 同时便于工程上安装
和敷设， 常常将若干根光纤组合成光缆。虽然在拉丝 过程中经过涂覆的光纤已具有一定的抗拉强度， 但仍 经不起弯折、 扭曲等侧压力， 所以必须把光纤和其他 保护元件组合起来构成光缆， 使光纤能在各种敷设条 件下和各种工程环境中使用， 达到实际应用的目的。
状式和束管式四大类。 图2.4为各类光缆的典型结构示 意图。 我国和欧亚各国多采用前两种结构。
层绞式光缆结构(图2.4(a))与一般的电缆结构相似， 能用普通的电缆制造设备和加工工艺来制造， 工艺比 较简单， 也较成熟。 这种结构由中心加强件承受张力， 而光纤环绕在中心加强件周围， 以一定的节距绞合成 缆， 光纤与光纤之间排列紧密。
chapter光纤光学课件
例如：光纤暴露在强粒子辐射下，这种吸收会变得十分显著。 辐射会改变材料的内部结构而使其遭到破坏，受破坏的程度取 决于射线的能量。
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
chapter光纤光学
2.散射损耗 ▪光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方 向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象称为光的散射。 由光的散射所造成的损耗就是散射损耗。 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。 光纤材料内部因在制备过程中的熔融及冷却过程： 密度的不均匀 折射率不均匀 光波散射 光能量损耗 这种远小于光波波长尺度的不均匀性对光波的散射称为瑞 利散射。
➢OH-1占据主要影响：在1.38um、0.92um、1.26um
处产生很强的吸收，技术突破，可消除。 在1.2-1.6um范围内，最大损耗不超过0.5dB/km.
chapter光纤光学
③ 原子缺陷吸收损耗
光纤制造过程中，受到热激励或强辐射将会 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，吸 收光能。峰值吸收约为630nm。
chapter光纤光学
例3：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测 器要求的最小光功率是10nW，在1.3um波段工作，光纤衰减 系数是0.4dB/km,请问无须中继器的最大光纤长度是多少？
解：从式 (dB/km)1L0log10[P P((0z))] 得到：
L
10
dB
lo
g
10
[
chapter光纤光学
② 光纤结构不均匀引起的散射损耗 纤芯-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。 ③ 非线性效应散射损耗：受激拉曼散射和受激布里渊散射
光纤光学教学课件-第二讲
(limited by CD and PMD - see next slides)
n
1.465 1.460
2019/10/31 © HUST 2012
r
2019/10/31
光纤的设计与制作
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
1、光纤的设计
如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗； 改变芯经和结构参数，色散位移； 改变折射率分布，降低非线性。
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
forbidden range of angles
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
forbidden range of angles
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31 © HUST 2012
2019/10/31
波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发， 通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于 各种折射率分布的单模和多模光纤。 缺点：分析过程较为复杂。
光纤芯径远大于光波波长λ0时, 可以近似认为λ0→0，从而将 光波近似看成由一根一根光线所构成, 因此可采用几何光学方法来分 析光线的入射、传播(轨迹) 以及时延(色散) 和光强分布等特性，这 种分析方法即为光线理论。
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
光纤光学第二章
第22页，本讲稿共39页
d ds
n
r
dr ds
n
r
1. 在均匀折射率介质中，光线轨迹为直线传播。
2. 设R是光线弯曲的曲率半径，N为光线法向单位
矢量，则：
1 R
1
nr
N
n r
3. 球面对称媒质中的光线都是平面曲线，位于通过原
点的某一平面上
第23页，本讲稿共39页
5. 波导场方程与模式
亥姆霍兹方程： 2 x, y, z k 2 x, y, z 0
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此 适用于各种折射率分布的单模及多模光纤
缺点：分析过程较为复杂
第4页，本讲稿共39页
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
几何光学方法
d 光线 射线方程 折射/反射定理 光线轨迹
波动光学方法
d 模式 波导场方程 边值问题 模式分布
n2k0 n1k0
•β实际上是等相位面沿z轴的变化率；
•β数值分立，对应一组导模；
•不同的导模对应于同一个β数值，则称这些导模简并
2
r
n12n22为实数 包层 : 为纯虚数
第28页，本讲稿共39页
3. 归一化频率（V）
对于给定的光纤，其传输的导模由其结构参数限定。 光纤的结构参数可由其归一化频率V表征：
E0, H0是振幅, k0Q是相位,Q是光程
E E0 ik0Q E0 expik0Q
当0 0或k0 时
k0Q很大, 上式右方的第一项可略去(几何近似),可得:
第14页，本讲稿共39页
E ik0Q E0 expik0Q
同理：
H ik0Q H0 expik0Q
d ds
n
r
dr ds
n
r
1. 在均匀折射率介质中，光线轨迹为直线传播。
2. 设R是光线弯曲的曲率半径，N为光线法向单位
矢量，则：
1 R
1
nr
N
n r
3. 球面对称媒质中的光线都是平面曲线，位于通过原
点的某一平面上
第23页，本讲稿共39页
5. 波导场方程与模式
亥姆霍兹方程： 2 x, y, z k 2 x, y, z 0
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此 适用于各种折射率分布的单模及多模光纤
缺点：分析过程较为复杂
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光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
几何光学方法
d 光线 射线方程 折射/反射定理 光线轨迹
波动光学方法
d 模式 波导场方程 边值问题 模式分布
n2k0 n1k0
•β实际上是等相位面沿z轴的变化率；
•β数值分立，对应一组导模；
•不同的导模对应于同一个β数值，则称这些导模简并
2
r
n12n22为实数 包层 : 为纯虚数
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3. 归一化频率（V）
对于给定的光纤，其传输的导模由其结构参数限定。 光纤的结构参数可由其归一化频率V表征：
E0, H0是振幅, k0Q是相位,Q是光程
E E0 ik0Q E0 expik0Q
当0 0或k0 时
k0Q很大, 上式右方的第一项可略去(几何近似),可得:
第14页，本讲稿共39页
E ik0Q E0 expik0Q
同理：
H ik0Q H0 expik0Q
光纤通信课件第二章
由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散
波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位
置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的
DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。
18
2.1.2 光纤的分类
光纤通信
而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率
（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭
在纤芯中传输。
5
2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲 层和二次涂覆层。
一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加 了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆 后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如 图2-3 （a）、（b）所示。
图2-3 光纤的折射率分布
8
2.1 光纤的结构和类型
光纤通信
光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别 如图2-5和图2-6所示。
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
19
2.2 光纤的导光原理
光纤通信
1．折射和折射率
光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的 参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：
1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式， 这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。
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一、损耗单位
光信号在光纤中传播，其功率随距离增加以指数形式衰减。 即：
P(z) P(0) exp( p z)
其中，P(0)起始处（z=0）信号光功率 P(z)光传输距离z的光功率
p
1 ln[ P(0) ] z P(z)
称为损耗系数，单位是km-1
为了计算方便，用的更多是损耗系数单位：dB/km
=10log10[PA(mW)/PB(mW)] 例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大 6dB。
46dBm-40dBm=6dB
10log10[PA/PB]=6 PA/PB=100.6=3.98≈4
例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求 其输出功率Pout。 解：首先将输入功率的单位转换成dBm。
主要因素。在1.55um处а R在 0.12-0.15dB/km,当然波长更
长会进一步减小，但红外吸收
损耗会迅速增加。瑞利散射和
红外吸收共同决定了1.55um附
近石英光纤最低的损耗系数。
② 光纤结构不均匀引起的散射损耗 纤芯-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。 ③ 非线性效应散射损耗：受激拉曼散射和受激布里渊散射
例3：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测 器要求的最小光功率是10nW，在1.3um波段工作，光纤衰减 系数是0.4dB/km,请问无须中继器的最大光纤长度是多少？
解：从式
(dB /
km)
10 L
P(0) log10[ P(z)]
得到：
10
P(0)
L dB log10[ P( z) ]
解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比
如达到 99.9999999%的 纯度
(2) 制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热 ( 汽 相轴向沉积法)
③ 原子缺陷吸收损耗
光纤制造过程中，受到热激励或强辐射将会 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，吸 收光能。峰值吸收约为630nm。
P(mW) P(dBm) 10log10[ 1mW ]
当P=1mW，P=0dBm; 当P=50mW，P=17dBm 当P=1000mW,P=30dBm; 当P=1uW， P=-30dBm
注意：dBm减dBm实际上是两个功率相除为dB
P1(dBm)=10log10[PA(mW)/1mW] P2(dBm)=10log10[PB(mW)/1mW] P1(dBm)-P2(dBm)= 10log10[PA(mW)/1mW]- 10log10[PB(mW)/1mW]
1
10 3
=
10 0.4
g[ 10
10 9
]
=125km
二、损耗产生的原因
1.吸收损耗
① 本征吸收损耗
（纯石英固有的因 吸收引起的损耗）
紫外吸收：1.3-1.5um处可引起0.05dB/km损耗
红外吸收：在1.7um，可达0.3dB/km,在1.55um， 损耗0.01dB/km
(1) 紫外吸收
单根光纤中光功率的增加，光纤的非线性成为难以回避的问题。
光纤的偏振特性、保偏、消偏和偏振控制对于光纤通信和 光纤传感的研究极为重要。
2.2 光纤的损耗
损耗
即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：
1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
例如：光纤暴露在强粒子辐射下，这种吸收会变得十分显著。 辐射会改变材料的内部结构而使其遭到破坏，受破坏的程度取 决于射线的能量。
1 rad(Si) = 0.01 J/kg
2.散射损耗
光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方 向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象称为光的散射。 由光的散射所造成的损耗就是散射损耗。
多模光纤的典型损耗谱
光纤材料的电子吸收
入射光能量跃迁到高的能
级，同时引起入射光的能
量损耗，一般发生在短波
晶格
长范围
(2) 红外吸收 光波与光纤晶格相互
作用，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 杂质吸收损耗 （非本征吸收）
过渡金属离子：如铁、钴、镍、铜、锰等离子在 在0.6um-1.6um范围内有很强的吸收，获得低于 1dB/km的损耗，含量低于10-9. OH-1占据主要影响：在1.38um、0.92um、1.26um 处产生很强的吸收，技术突破，可消除。 在1.2-1.6um范围内，最大损耗不超过0.5dB/km.
第二章 光纤的特性
Outline
2.1 引言 2.2 光纤的损耗 2.3 光纤的色散 2.4 单模光纤的设计
2.1 引言
光纤的损耗、色散、非线性效应、偏振对于光纤通信和光纤传感 的研究都是十分重要的特性参量。
损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。
色散导致光脉冲的展宽，限制光通信系统的传输容量。
(dB
/
km)
10 z
log10[
P(0) P(z)
]
4.343
p
dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。 例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么
10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB
为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率 的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。
Pin(dBm)=10log10[Pin(mW)/1mW] =10log10[200×10-3mW/1mW]=-7dBm
在z=30km时的输出功率（用dBm表示）
Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz =-7dBm-0.8dB/km×30km
=-31dBm Pout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW
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。 光纤材料内部因在制备过程中的熔融及冷却过程： 密度的不均匀 折射率不均匀 光波散射 光能量损耗 这种远小于光波波长尺度的不均匀性对光波的散射称为瑞 利散射。
瑞利散射引起的本征损耗可表
示为： а R=c/λ 4
在0.8um处，а R已达2dB/km, 瑞利散射是限制短波长通信的