非线性光纤光学参考书 经典

光纤的传输特性：光纤色散
色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同 频率）组成， 在传输过程中，各种频率成分或各种模 式成分的传播速度不同，引起信号脉冲展宽、波形失真 的物理现象。
****小知识点 光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与 脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误， 造成差错。 为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从 而减少了通信容量。 另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越 严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。
吸收损耗
红外吸收和紫外吸收 产生吸收的原因是？
杂质吸收
光纤中含有过渡金属离子：铁、镍、铜、锰、 铬、钒、铂等和水的氢氧根离子。
散射损耗
散射损耗是光纤中由于某种远小于波长的不均匀性（折射率 不均匀性、掺杂粒子浓度不均匀性等）引起的对光的散射所 造成的光功率损耗。
由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光 纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。
绪论
光纤通信概念 光纤结构与原理：TIR/PBGF 光纤制作方法：MCVD/PCVD 光纤传输特性：损耗、色散、偏振 光纤非线性效应：
一.光纤通信
光纤通信（optical fiber communication） 是以激光作为信息的载波信号，并以光 导纤维来传递信息的通信系统。 是人类通信史上的一大突破，已成为信 息社会的神经系统。 直接造就了信息社会！直接改变了生活！
设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率Po为
P P exp( L) 0 i
习惯上的单位用dB/km，损耗系数
dB
Pi 10 lg (dB / k m) L P0
1. 损耗的机理
紫外吸收 本征吸收 红外吸收 吸收损耗 氢氧根吸收 杂质吸收 过渡金属离子外吸收 光纤损耗 原子缺陷吸收 瑞利散射损耗 散射损耗 结构不完善引起的散射损耗 光纤弯曲损耗 弯曲损耗 光纤微弯损耗
脉冲展宽（Pulse Spreading）
T Pulse from zero-order mode T
T
Pulses from other modes
T Pulse from highest-order mode T
Resulting pulse
time
色散产生的根源是： 光子与介质的束缚电子的特征谐振频率有 关。 共振处：强烈吸收； 远离共振处：也受影响。
作业2：详细调查这些光纤的参数， 打印出来，上交
G.652光纤：常规单模光纤
G.653光纤：色散位移光纤（光纤零色散点从1.31μm处移到1.55μm 附近，使得1.55μm处最低衰减和零色散一致，用于通信干线网）
G.654光纤：截止波长光纤（截止波长大于1.31μm ，损耗进一步 降低到0.185dB/km@1.55μm） G.653和G.654的弊端：易于产生四波混频，造成信号串扰。 FWM是一种非线性光学效应，与光纤的色散有关，零色散时混 频效率最高，有微量色散，FWM干扰反而会减小。
色散的种类
模式色散又称模间色散 材料色散 波导色散
光纤线路 传播快
极化色散
传播慢
*模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间 先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。单模光纤中 只传输基模（ HE 11模），单模光纤中不存在模式色散。 *材料色散：不同材料对不同波长的折射率不同，故而速度不同。 *波导色散：同一光子在不同口径的管道中爬行！ *极化色散：光子的偏振态，快*pi; v0=30; w1=2*pi*(v0+0.1); w2=2*pi*(v0-0.1); z1=cos(w1*t)+cos(w2*t); plot(t,z1,'r')
习题：
非线性光纤光学
闫培光 2010.3
上课思想和参考教材
上课欢迎讨论，相互进步！ 涉猎！多学科交叉型人才。
光纤通信（第二版）：原荣编著 非线性光纤光学：
讲解内容：
光纤通信课程：简单回顾，深入剖析 涉及：光纤，半导体激光器、光电检测器、 光无源器件、波分复用技术等。 非线性光纤光学：重点学习，深入了解。 涉及：脉冲在光纤内传输、群速度色散、 自相位调制、光孤子等。
G.655光纤：非零色散位移光纤（零色散波长在1.525μm或1.585μm 处，削减了色散效应和四波混频效应，在10Gbit/s以上波分复用 或密集波分复用的高速率、大容量、远距离光纤传输系统中得到 极为广泛地应用。）
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
三.制作方法
MCVD法 PCVD法
四.光纤的传输特性
产生信号畸变的主要原因是光纤 中存在色散，影响信号在光纤内 传输距离的是损耗，因此损耗和 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和传 输距离
光纤的传输特性：光纤损耗
损耗的存在 光信号幅度减小 限制系统的传输 距离 。 光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示
光纤材料色散方程——Sellmeier方程 Sellmeier方程：
n2 - 1 = C1λ2/(λ2-C2) + C3λ2/(λ2-C4) + C5λ2/(λ2-C6) %%SF6 glass C1 = 1.72448482; C2 = 0.0134871947; C3 = 0.390104889; C4 = 0.0569318095; C5 = 1.04572858; C6 = 118.557185 %%Si C1 = 10.6684293; C2 = 0.301516485; C3 = 0.003043475; C4 = 1.13475115; C5 = 1.54133408; C6 = 1104.0
材料色散
总色散
波导色散
1.31m
阶跃单模光纤的色散特性
基于色散形成的光纤分类
从通信上考虑，要求尽可能损耗小、色散小！ ITU-T是国际电信联盟，电信标准化部门， 成立于1993年，它的前身是国际电报和电话咨询委员 会（CCITT）。ITU-T研究和制订除无线电以外的所有 电信领域标准，已通过的建议书有2600多项。 由ITU-T提供的业界分类有以下几种， G.652光纤， G.653光纤， G.654光纤， G.655光纤，G656光纤
DWDM 波长范围
色散 0 ps/nmkm
1310nm 1550nm
波长
色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
*一个概念
光纤的正常色散和反常色散
双折射光纤 *概念
模式双折射 拍长
实现双折射的方法
形状双折射：如椭圆芯 应力双折射：如熊猫光纤

d 2n Dw ( ) 2 c d
作业：Matlab编程序计算色散
色散展开与高阶色散系数求解
波导色散的再介绍
d neff Dw ( ) c d2
2
特点：改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可 以改变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现 材料色散和波导色散的代数和为零。
超高速、超大容量、超长距离
二.光纤结构与导光原理
光纤（Optical Fiber）是“光导纤维”的 简称，是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率n1比包 层n2稍高，光能量主要在纤芯内传输。
单、双包层结构
导光原理
全内反射：
光子带隙：指某一频率范围的波不能在此周期性 结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这 一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究 范围已扩展到微波与声波波段。 周期结构可以通过缩放尺寸关系扩展至很宽的频 率范围，甚至到毫米波和微波波段