光纖光學(xué)講義二

傳輸功率法測截止波長HE11模的模場分布Gaussian近似模場直徑MFD對單模光纖，2a與處于同一量級，由于衍射效應(yīng)，模場強(qiáng)度有相當(dāng)一部分處于包層中，不易精確測出2a的精確值，因而只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的意義，在應(yīng)用中并無實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中常用模場直徑2w，即光斑尺寸表示，近似為：2a2w電場強(qiáng)度降到峰值的1/eE0/ee=2.71828光纖內(nèi)的模斑參量隨光纖參量的變化色散（Dispersion）的分類模間色散波導(dǎo)色散材料色散偏振模色散不同模式對應(yīng)不同的模折射率光纖色散由光源發(fā)出的進(jìn)入光纖的光脈沖包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過程中必將出現(xiàn)脈沖展寬，這種現(xiàn)象成為群速度色散，或簡稱為光纖色散。纖芯材料折射率隨波長而變化，導(dǎo)致光信號不同波長承載的光脈沖成分的傳播速度也隨波長而變化，使得光脈沖波形被展寬，稱之為材料色散。材料色散取決于折射率對波長的二階導(dǎo)數(shù)，即折射率隨波長的非線性變化。材料色散減小材料色散：選擇譜寬窄的光源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因?yàn)閷?dǎo)模場分布實(shí)際上是在纖芯和包層中都存在的，因此光波群速度取決于兩者的比例。通常長波長光的場分布在包層中延伸更遠(yuǎn)，因此長波長光“經(jīng)歷”的材料折射率更小，其群速度就會比短波長光更大一些。因此考慮波導(dǎo)色散，長波長光傳播快，短波長光傳播慢。波導(dǎo)色散對光纖色散的理解光纖色散構(gòu)成光信號的電磁波各分量在光纖中具有不同傳輸速度的現(xiàn)象模間色散：不同模式不同傳輸速度材料色散：不同頻率不同折射率波導(dǎo)色散：不同頻率不同模場分布偏振模色散：不同偏振態(tài)不同傳輸速度群速度色散（Group－VelocityDispersion）意義：具有單位頻率間隔的兩個(gè)光波在光纖中傳輸單位距離時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延差。D=DM+DW17ps/nm.km@1550nm零色散波長單模光纖的色散Dispersionof“Standard”Single-ModeFiber<D

正常色散區(qū)2>0,D<0紅快蘭慢光脈沖的較高的頻率分量（蘭移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)寐?gt;D

反常色散區(qū)2<0,D>0蘭快紅慢光脈沖的較高的頻率分量（蘭移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)每炝闵⒉ㄩLD光纖色散(dispersion)正常色散(長波長速度快)反常色散(短波長速度快)1550nm13101550nmG.653色散位移光纖：讓損耗和色散最低點(diǎn)都在1550nm辦法：材料色散不變，通過改變 折射率剖面形狀來增大波 導(dǎo)色散，使零色散點(diǎn)往長 波長方向移動(dòng)三角形芯型匹配包層單模光纖G.656色散平坦光纖在較大的范圍內(nèi)保持相近的色散值，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)普通商用光纖色散平坦光纖相移法測量光纖色散傳輸方程傳輸方程是決定光脈沖在光纖中傳輸演變的基本方程，表明了在光脈沖傳輸過程中，其波形如何受光纖色散的影響。C=0時(shí)，高斯脈沖的波形FWHM：半極大值全寬度或半高全寬T0:

1/e強(qiáng)度點(diǎn)的半寬脈沖的線性啁啾Thispulseincreasesitsfrequencylinearlyintime(fromredtoblue).Inanalogytobirdsounds,thispulseiscalleda"chirped"pulse.入射無啁啾高斯脈沖啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離的變化異號時(shí)2C<0，在傳輸初始階段脈沖寬度變窄，而后迅速展寬無啁啾脈沖，不論色散正負(fù)，脈寬隨[1+(z/LD)2]1/2成比例展寬同號時(shí)2C>0，啁啾高斯脈沖單調(diào)展寬的速度比無啁啾脈沖的快DispersioninducedlimitationsBit1Bit2Bit1Bit2Bit1Bit2Bit1Bit2Bit1Bit2Inter-symbolinterference(ISI)OA10Gb/sDispersionTimeSlotOA2.5Gb/sDispersion速率越高，色散影響越嚴(yán)重！DispersionInducedPowerPenalty

在理想的單模光纖中，基模是由兩個(gè)相互垂直的簡并偏振模組成。如果由于某種因素使這兩個(gè)偏振模有不同的群速度，出纖后兩偏振模的迭加使得信號脈沖展寬，從而形成偏振模色散。

偏振模色散(PMD)單模光纖中的偏振模色散慢軸：模折射率大的軸快軸：模折射率小的軸450線偏振光在雙折射光纖中偏振態(tài)的演變拍長B沿軸隨機(jī)變化，使入射到光纖的線偏振光很快成為任意偏振光。一個(gè)脈沖內(nèi)的不同頻率分量獲得不同的偏振態(tài)，結(jié)果導(dǎo)致脈沖展寬。這種現(xiàn)象稱為偏振模色散，是高速通信系統(tǒng)的主要限制因素。光纖本身固有以及外界因素導(dǎo)致纖芯不均勻，破壞兩正交偏振模的簡并，產(chǎn)生雙折射模傳播常數(shù)對于X,Y方向偏振模稍有不同，光纖的這種性質(zhì)稱為模式雙折射。本征光纖雙折射隨機(jī)的偏振模耦合雙折射的光通信器件

偏振模色散產(chǎn)生的原因？

外界的擠壓

光纖的彎曲、扭轉(zhuǎn)

外界環(huán)境溫度的變化等偏振模色散的影響幾種典型的保偏光纖結(jié)構(gòu)光纖制作過程中的拉絲技術(shù)：（a）傾斜安裝的滑輪（b）兩相對運(yùn)動(dòng)的滑輪不同拉絲技術(shù)的PMD減少量：恒定、正弦曲線、頻率調(diào)制、幅度調(diào)制PMD的測量1PMD的測量2光纖的損耗光纖損耗譜特性第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)OH離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)

20

10

0-10-20Dispersion(ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6ConventionalFiber（1440－1625nm）230ch360chAllWaveFiber（1335－1625nm）5thAllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeakAdditionalchannelsareinOptimumDispersionrangefor10Gb/sDWDMAllWaveoffers>50%moreDWDMchannels!3rd4th5thAllWavevs.ConventionalFiberMoreUsableOpticalSpectrum全波光纖彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲消逝場q￠<qqq>qcq￠RqqCladdingCore場分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數(shù)增加彎曲損耗與模場直徑的關(guān)系P包層1<P包層2Loss模場直徑小<Loss模場直徑大Loss低階模<Loss高階模模式剝離器：將光纖纏繞成環(huán)宏彎帶來的應(yīng)用局限：Verizon的煩惱Verizon鐘愛光纖：花費(fèi)230億美元配置了12.9萬公里長的光纖，直接連到180萬用戶家中，提供高速因特網(wǎng)和電視服務(wù)光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號衰減新技術(shù)：抗宏彎的柔性光纖康寧公司幫助Verison解決了問題：可彎曲、折返、打結(jié)。日本NTT也完成了這種光纖的研制。微彎：微米級的高頻彎曲微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均 成纜時(shí)受到壓力不均

使用過程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果： 造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模與宏彎的情況相同，模場直徑大的模式容易發(fā)生宏彎損耗宏彎和微彎對損耗的附加影響宏彎損耗微彎損耗基本損耗l增加，V減少，W越大長波長處附加損耗顯著光纖損耗的改進(jìn)剪斷法光纖損耗測試系統(tǒng)圖插入法光纖損耗測試系統(tǒng)圖

調(diào)制振蕩器光源信號處理與數(shù)字顯示光檢測器短接光纖(1～2km)

被測光纖

背向散射法光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)光源脈沖發(fā)生器信號處理顯示接收被測光纖光耦合器■