第2章光纤的特性1

光纤内的群延时
β = k0n =
2π n
ω = 2π f =
λ0 2π c
λ0
dβ dβ dλ0 τg = = dω dλ0 dω 2π n λ02 2 π dn = − + • − 2 λ 0 d λ 0 2π c λ0 d n 1 = n − λ0 c d λ0 ps/nm
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波长色散
（4）偏振色散 ）
脉冲与脉冲线宽
∆λ=σ 为光源的线宽，δτ为脉冲的脉宽 ∆λ σλ为光源的线宽，δτ为脉冲的脉宽
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群延时t
1 dβ dβ d β t= = = + (ω − ω0 ) 2 vg dω dω ω=ω dω ω=ω
2
0
0
k 0 = ω / c , dk 0 / d ω = 1 / c
SI
n1 [1 − 2∆(r / a)α ] 1/ 2 n(r ) = n2
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0≤ r ≤ a r ≥a
求 α 最佳
单模光纤的色散 DW DM
λ
图2.4.1石英玻璃的材料色散 石英玻璃的材料色散 图2.4.2单模光纤的波导色散 单模光纤的波导色散
D
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t
=
D
M
+
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λ
= −Mσ
λ
= DMσ
λ
材料色散参量 (ps/nm/km)
波导色散
∆τ L W
d 2 n eff λ0 ≈－ c dλ 0 2
σ λ
0
λ
= − M 'σ
λ
= DW σ
λ
短波长λ 短波长λ=0.82µm处 µ 处 材料色散M=110： 材料色散 ： 波导色散M’=2 ps/nm/km 波导色散 材料色散： 材料色散：难调整 波导色散： 波导色散： 比较容易调整
D
W
常规SI单模光纤 常规 单模光纤(SMF-Single Mode Fiber) 单模光纤
ZMD：零色散点 ：
ZMD＝ µ ZMD＝1.3µm λ0=1.55µm µ D＝17ps/nm/km ＝ α＝0.2dB/km
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零色散位移光纤(DSF-Zero Dispersion Shifted 零色散位移光纤 Fiber)
λ = 2π c / ω , d λ / d ω = − λ / 2π c
2
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色散对光纤传输系统的影响， 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的 对光纤传输系统的影响 表示方法不同。 表示方法不同。 如果信号是模拟调制 模拟调制的 色散限制带宽(Bandwith)； 如果信号是模拟调制的，色散限制带宽 ； 如 果 信 号 是 数 字 脉 冲 ， 色 散 产 生 脉 冲 展 宽 (Pulse 通常用3 光带宽f broadening)。 所以， 色散通常用3 dB光带宽f3dB或脉冲 。 所以， 色散通常用 dB光带宽 展宽∆τ表示。 展宽 表示。 表示 用脉冲展宽表示时， 光纤色散 色散可以写成 用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成 ∆τ=(∆τ2n+∆τ2m+∆τ2w)1/2 ∆τn ——模式色散； 模式色散； 模式色散 材料色散； ∆τm——材料色散； 材料色散 ∆τw ——波导色散 波导色散
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在光缆的生产、接续和施工过程中， 不可避免地出现弯曲。 微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光 纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层 和套塑的热膨胀系数不一致而引起的， 其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变 换引起的。
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光纤损耗系数
为了衡量一根光纤损耗特性的好坏， 在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概 (1 ) 念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的 光功率减小的分贝数，一般用α表示损耗 系数，单位是 dB/km。用数学表达式表 示为：
2 1
λ c = π a (n − n
2 1
[
f c = 1.202c0
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]/ 1 .202 / [πa (n − n )
2 2
[(
)
1/ 2
≤ 2.4048
2 1/ 2 2
)
]
]
2 1
2 1/ 2 2
2.4.3色散特性 色散特性
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2.5偏振保持光纤简介 偏振保持光纤简介
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偏振模弥散 水平偏振基模与垂直偏振基 模的群速不同造成的脉冲 即βx≠βy
∆τTotal =
2 (∆τ )色散
2 + (∆τ )弥散
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多模光纤色散
SI光纤的模式色散 光纤的模式色散
n1 ∆τ ∆ = L c SI
n1 − n 2 ∆ = n1
2. 杂质吸收损耗
光纤中的有害杂质主要有过渡金属离 子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH －。
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3. 原子缺陷吸收损耗Fra bibliotek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。
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2.3.1引言
光纤色散：在光纤中传输的光脉冲， 光纤色散 在光纤中传输的光脉冲，受到由光
纤的折射率分布、光纤材料的色散特性 的色散特性、 纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中 模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的 以及光源的光谱宽度 的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的 延迟畸变” “延迟畸变”，使该脉冲波形在通过光纤后发生 展宽。 展宽。 （1）多模色散 ） （2）波导色散 ） （3）材料色散 ）
0 .0047 ∆ τ = × 2 3 ns /km = 54 ps /km L 2 GRIN
∆ τ = 23 ns / km L SI
[∆ τ ]
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GRIN
= 54 × 0 .3 = 16 .2 ps
各种色散导致脉冲展宽的特点 材料色散、 材料色散、波导色散是由于光脉冲由同一模 式运载，因光源有线宽， 式运载，因光源有线宽，而不同波长光的群速 不同导致的脉冲展宽。 不同导致的脉冲展宽。 模式色散是由于光脉冲由同一波长光的不同 模式运载， 模式运载，因不同模式的群速不同导致的脉冲 展宽。 展宽。 偏振模色散是由于光脉冲由同一波长光的同 一模式运载， 一模式运载，因不同偏振态光的群速不同导致 的脉冲展宽。 的脉冲展宽。
2.5.1引言 引言 轴对称单模光纤：两个线偏振正交模式或两个圆 线偏振正交模式或两个 轴对称单模光纤：两个线偏振正交模式或两个圆 偏振正交模式 偏振正交模式 偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷， 偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷， 如纤芯椭圆度和内部残余应力， 如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的 传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振 传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振 模色散或双折射色散。 模色散或双折射色散。 偏振态改变 发生偏振色散 保偏光纤： 保偏光纤：维持光波偏振态的偏振保持光纤
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吸收损耗
损 耗
散射损耗
制作缺陷
与波长四次方成反比
布里渊散射 喇曼散射
•2.2.1光纤的损耗特性
吸收损耗
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，前者是由光 纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸 收损耗。
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各种光纤的综合性能和用途
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2.4单模光纤的设计 单模光纤的设计
2.4.1引言 多模光纤色散
n1 ∆τ = ∆ L c SI
∆τ L GRIN = n1 2c
n1 − n 2 ∆ = n1
2
∆ ＝
∆ ∆τ
2 L
GRIN (α=2)光纤的的模式色散，单位长度脉冲展宽为 α 光纤的的模式色散， 光纤的的模式色散
n 1 2 ∆ ∆τ ∆τ ∆ ＝ = L 2c 2 L SI GRIN
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举例
n1=1.48,，n2=1.473；L＝0.3km ， ； ＝ ∆= 0.0047
ZMD＝1.55µm ＝ µ
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非零色散位移光纤 (Nonzero Dispersion Shifted Fiber)
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单模光纤色散比较
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2.4.2截止条件 截止条件
V = ak0 (n − n
2 1 2 1/ 2 2
)
a c = 1.202λ0 / π n − n
1. 本征吸收损耗
本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。
(1) 紫外吸收损耗
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。
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(2) 红外吸收损耗
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。
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所引起的脉冲展宽的均方根值 均方根值。 所引起的脉冲展宽的均方根值。
群速与群延时
的表示： 群速 的表示：
dω Vg = dβ
群延时：群速 行进单位长度所花费的时间 行进单位长度所花费的时间， 群延时：群速Vg行进单位长度所花费的时间，即
1 dβ τg = = Vg dω