chapter2光纤光学课件
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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(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]
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
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。
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.
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
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
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)
来自百度文库
L dB log10[ P( z) ]
1
10 3
=
10 0.4
log[ 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
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。
多模光纤的典型损耗谱
=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。
(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。
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。
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
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(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]
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
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。
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.
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
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
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)
来自百度文库
L dB log10[ P( z) ]
1
10 3
=
10 0.4
log[ 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
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。
多模光纤的典型损耗谱
=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。
(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。
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。
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