chapter光纤光学课件

(1) 紫外吸收
光纤材料的电子吸收入
射光能量跃迁到高的能级，
晶格
同时引起入射光的能量损
耗，一般发生在短波长范
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
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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.
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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
第二章 光纤的特性
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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
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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。
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
P P
( (
0 z
) )
]
= 1 1 0 lo g [ 1 0 3 ]
0 .4
10 10 9
=125km
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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
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
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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。
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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
[
色散导致光脉冲的展宽，限制光通信系统的传输容量。 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。
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2.2 Fra Baidu bibliotek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：
P(dB)m 10 lo1g0 [P1(m mW W )] 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
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P1(dBm)=10log10[PA(mW)/1mW] P2(dBm)=10log10[PB(mW)/1mW] P1(dBm)-P2(dBm)= 10log10[PA(mW)/1mW]- 10log10[PB(mW)/1mW]
➢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.
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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。
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瑞利散射引起的本征损耗可表 示为：
аR=c/λ4 在0.8um处，аR已达2dB/km,瑞 利散射是限制短波长通信的主 要因素。在1.55um处аR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。
=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
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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。
▪为了计算方便，用的更多是损耗系数单位：dB/km
(dB /km )1 z0log10[P P ((0 z))]4.343p
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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。
1. 吸收损耗 2. 散射损耗 3. 弯曲损耗
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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)ex ppz()
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
1ln[P(0)] z P(z)
称为损耗系数，单位是km-1