光纖傳感原理與應(yīng)用 尚盈 電子課件 第一章：光纖技術(shù)基礎(chǔ)

第一章

光纖技術(shù)基礎(chǔ)光纖傳感原理與應(yīng)用光纖傳感原理與應(yīng)用目錄/C

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S光纖的導(dǎo)光原理1.21.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類光纖的色散特性1.41.3光纖的損耗特性光纖的非線性1.61.5光纖的偏振與雙折射1.7光纜1.1

光纖的結(jié)構(gòu)與分類光纖的典型結(jié)構(gòu)為多層同軸圓柱體，一般由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層以及涂敷層和護(hù)套構(gòu)成。纖芯和包層作為光纖結(jié)構(gòu)的主體，對(duì)光波的傳播起著決定性作用；涂敷層與護(hù)套的作用則是用于隔離雜散光，提高光纖強(qiáng)度﹐保護(hù)光纖等。在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合不加涂敷層和護(hù)套的光纖稱為裸光纖。1.1.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖是一種由高度透明的石英(或其他材料)經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫傻?，其剖面結(jié)構(gòu)如圖1.1

光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.1.1光纖的結(jié)構(gòu)1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類光纖的分類按構(gòu)成光纖的材料成分按光纖制造方法按工作波長(zhǎng)1.1.2光纖的分類光纖的分類、、、以及進(jìn)行分類。按光纖橫截面上的折射率分布按光纖的傳輸總模數(shù)1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.1.2.1按照光纖橫截面上的折射率分布分類根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布，光纖可以分為均勻光纖(也稱階躍型光纖或突變型光纖)和非均勻光纖(也稱漸變型光纖或梯度型光纖)兩種。（a）階躍型光纖（b）漸變型光纖1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.1.2.1按照光纖橫截面上的折射率分布分類1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類其大小決定了光纖對(duì)光場(chǎng)的約束能力和光纖端面的受光能力。1.1.2.1按照光纖橫截面上的折射率分布分類式中，函數(shù)

滿足

。無(wú)論是階躍型光纖，還是漸變型光纖，都定義Δ為光纖纖芯和包層的相對(duì)折射率差1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.1.2.2按光纖的傳輸總模數(shù)分類1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.1.2.3按制造光纖所使用的材料分類1.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類1.1.2.4按光纖制造方法分類光纖的制造方法包括改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)、等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)、管外化學(xué)氣相沉積法、多組分玻璃制造法等。1.1.2.5按工作波長(zhǎng)分類按波長(zhǎng)的不同，光纖可分為短波長(zhǎng)光纖和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。1.2光纖的導(dǎo)光原理1.2光纖的導(dǎo)光原理分析光纖的導(dǎo)光原理主要有兩種方法：射線法和波動(dòng)理論法。射線法是將光波視為一條幾何射線，用光射線理論分析光纖的傳輸特性[6]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀。波動(dòng)理論法是將光波按電磁場(chǎng)理論用麥克斯韋方程去求解，根據(jù)解析式分析其傳輸特性。1.2聲光效應(yīng)1.2.1光在介質(zhì)分界面上的全反射1.2聲光效應(yīng)1.2.1光在介質(zhì)分界面上的全反射1.2聲光效應(yīng)圖1.2.1光纖中從子午線與子午面1.2.2光線在光纖中的傳播1.2.2.1光線在均勻光纖中的傳播所謂均勻光纖，是指纖芯中的折射率分布是均勻的、不隨半徑變化的常數(shù)的光纖。在光纖中存在兩種不同形式的光射線，即子午光線和斜射光線。1.子午光線如圖1.2.1所示，通過(guò)纖芯的軸線可以作很多平面，這些平面稱為子午面。子午面上與軸線相交的光射線，就稱為子午光線，簡(jiǎn)稱子午線。從圖中可以看出，子午線在纖芯與包層的交界面上來(lái)回全反射而形成鋸齒形波，被限制在光纖纖芯中，它是一條與光纖軸線相交的平面折線，在端面上的投影為一條直線。1.2聲光效應(yīng)圖1.2.2子午光線在階躍光纖中的傳輸1.2.2.1光線在均勻光纖中的傳播子午光線在光纖中的傳輸如圖1.2.2所示。當(dāng)光線射入纖芯后，在纖芯與包層界面處滿足全反射條件的光線，就能在纖芯內(nèi)來(lái)回反射并向前傳播。設(shè)空氣折射率為

，纖芯折射率為

，包層折射率為

，入射角為

。在纖芯端面上光線產(chǎn)生折射，其折射角

可從斯涅耳定律求得由于

，因此

。設(shè)該折射光線到達(dá)纖芯和包層界面時(shí)恰好發(fā)生全反射，即它在包層內(nèi)的折射角

，相應(yīng)的入射角

。其中

為纖芯與包層界面的全反射臨界角，相應(yīng)的入射角

為入射臨界角。1.2聲光效應(yīng)，它產(chǎn)生的界面入射角小于，則光線在包層中的，它產(chǎn)生的界面入射角大于，則該光線將在界面如果射入纖芯端面的光線入射角大于臨界角折射角小于90°，該光線將射入包層。如果射入纖芯端面的光線入射角小于臨界角產(chǎn)生全反射。當(dāng)光線從空氣射入纖芯端面的入射角小于臨界角時(shí)，進(jìn)入纖芯的光線將會(huì)在芯包界面間產(chǎn)生全時(shí)，光線將進(jìn)入包層散失掉。因此，入射臨界角

是一個(gè)很重要反射而向前傳播；而當(dāng)入射角大于的參量，它與光纖折射率的關(guān)系為式中，為纖芯和包層的相對(duì)折射率差，定義為1.2.2.1光線在均勻光纖中的傳播1.2聲光效應(yīng)1.2.2.1光線在均勻光纖中的傳播凡是入射角在

以內(nèi)的入射光線均可在光纖內(nèi)傳播。定義入射臨界角

的正弦為光纖的數(shù)值孔徑，即數(shù)值孔徑是光纖接收入射光能力的重要參數(shù)，它表示入射到光纖端面上的光線。只有與纖芯軸夾角為

的圓錐體內(nèi)的入射光線，才能在纖芯內(nèi)傳播。從上式可見(jiàn)，NA只取決于芯包折射率差

，與芯包直徑

無(wú)關(guān)。

越大，NA越大，光纖的聚光能力越強(qiáng)。從光纖與光源耦合角度考慮，NA越大，可

得到愈高的耦合效率。但從光纖帶寬要求看，

增大使帶寬下降；而從光纖損耗考慮，也希望

小，以使纖芯中摻雜造成的損耗最小。通常

，則NA的取值范圍為0.1～0.3。可見(jiàn)，在階躍型光纖中，入射角不同的光線傳輸路徑是不同的，因而使不同的光線所攜帶的能量到達(dá)輸出端的時(shí)間不同，從而產(chǎn)生了脈沖展寬，限制了光纖的傳輸容量。1.2聲光效應(yīng)圖1.2.3斜射光線在階躍光纖中的傳輸1.2.2.1光線在非均勻光纖中的傳播2．斜射光線斜射光線在光纖中的傳播情況比較復(fù)雜，如圖1.2.3所示。設(shè)有一光線在光纖端面Р點(diǎn)進(jìn)入纖芯，沿

PQ直線傳輸，并在芯包界面Q點(diǎn)產(chǎn)生全反射，再沿QR直線傳輸形成一條空間折線。從它在光纖端面的投影圖可見(jiàn)，傳輸軌跡限定在一定的范圍內(nèi)，并與一半徑為

的圓柱面相切。該圓柱面稱為焦散面，斜射光線在芯包界面與焦散面間傳輸。以不同角度入射的斜射光線，有不同的焦散面。當(dāng)

(纖芯半徑)時(shí)，焦散面與芯包界面重合，折線變?yōu)槁菪€；當(dāng)

，斜射光線變?yōu)樽游绻饩€。斜射光線的數(shù)值孔徑與子午光線不同，比子午光線稍大。1.2聲光效應(yīng)式中，為纖芯半徑；r為光纖中任意一點(diǎn)到中心的距離；為隨折射率變化的參數(shù)，且。當(dāng)

時(shí)，即為常見(jiàn)的平方律分布。階躍型光纖也可認(rèn)為是

的特殊情況。下面用射線光學(xué)理論分析漸變型光纖中子午光線和斜射光線的傳輸性質(zhì)。近軸子午光線光線在各向異性介質(zhì)中的傳輸軌跡用射線方程表示式中，r為軌跡上某一點(diǎn)的位置矢量；ds是沿軌跡的距離單元；表示折射率的梯度。1.2.2.2光線在非均勻光纖中的傳播光纖的光學(xué)特性決定于它的折射率分布。漸變型光纖的折射率分布可以表示為1.2聲光效應(yīng)式中，r為射線離開(kāi)軸線的徑向距離。對(duì)于平方律分布，有代入得1.2.2.2光線在非均勻光纖中的傳播將射線方程應(yīng)用到光纖的圓柱坐標(biāo)中，討論平方律分布的光纖中近軸子午光線，即與光纖軸線夾角很小的且可近似認(rèn)為平行于光纖軸線(z軸)的子午光線。由于光纖中的折射率僅以徑向變化，沿圓周方向和z軸方向是不變的，因此，對(duì)于近軸子午光線，射線方程可簡(jiǎn)化為1.2聲光效應(yīng)設(shè)時(shí)，

，，則上式的解為上式即為平方律分布的光纖中近軸子午光線的傳輸軌跡。圖1.3.4顯示出當(dāng)和時(shí)光線的軌跡。從圖中可以看出，從光纖端面上同一點(diǎn)發(fā)出的近軸子午光線經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)木嚯x后又重新匯集到點(diǎn)。也就是說(shuō)，它們有相同的傳輸時(shí)延，有自聚焦性質(zhì)。如果不作近軸光線的近似，分析過(guò)程就會(huì)變得比較復(fù)雜，但從射線方程同樣可以證明，當(dāng)折射率分布取雙曲正割函數(shù)時(shí)，所有的子午光線具有完善的自聚焦性質(zhì)。1.2.2.2光線在非均勻光纖中的傳播對(duì)近軸光線，

，因此上式可近似為1.2聲光效應(yīng)式中，r為纖芯端面上任一點(diǎn)的徑向坐標(biāo)；顯然，當(dāng)r=0時(shí)，為最大理論數(shù)值孔徑圖1.2.4平方律分布光纖中的近軸子午光線的傳輸軌跡1.2.2.2光線在非均勻光纖中的傳播對(duì)于漸變型光纖，由于纖芯折射率分布隨徑向坐標(biāo)r的增大而減小，因此光源射線照射到纖芯端面時(shí)，各點(diǎn)的NA也是不同的。為了定量描述光纖端面各點(diǎn)接受入射光的能力，定義局部數(shù)值孔徑LNA(r)為1.2聲光效應(yīng)圖1.2.5漸變型光纖中的斜射光線傳輸軌跡在漸變型光纖中，如果兩個(gè)焦散面重合，則斜射光線成為螺旋線。螺旋線不能產(chǎn)生自聚焦，不同角度入射的螺旋線不會(huì)聚在一點(diǎn)，它們?nèi)匀挥腥簳r(shí)延差存在。1.2.2.2光線在非均勻光纖中的傳播1.斜射光線漸變型光纖中的斜射光線是不在一個(gè)平面內(nèi)的空間曲線，它不與光纖軸線相交。圖1.2.5給出了漸變型光纖中的斜射光線。從圖中可以看出，斜射光線被約束在兩個(gè)焦散面之間振蕩，并且與焦散面相切，在焦散面之內(nèi)是駐波，在焦散面之外是衰減波。1.2聲光效應(yīng)為光波的橫向傳播常數(shù)，即波矢k的橫向分量，定義為，為光波在真空中的式中，

為光波的圓頻率；

分別為光介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率；波數(shù)

；

為縱向傳播常數(shù)，簡(jiǎn)稱傳播常數(shù)，即波矢k的縱向分量，定義為式中，為波矢與的夾角。1.2.3光波在光纖中的傳播1.2.3.1光波在光纖中的傳播模式根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，光是一種電磁波，光纖是一種具有特定邊界條件的光波導(dǎo)。在光纖中傳播的光波遵從麥克斯韋方程組，由此可推導(dǎo)出描述光波傳輸特性的波導(dǎo)場(chǎng)方程為式中，為光波的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H的各分量，在直角坐標(biāo)系中可寫成1.2聲光效應(yīng)1.2.3.1光波在光纖中的傳播模式據(jù)光纖的折射率分布規(guī)律和給定的邊界條件即可求出E和H的全部分量表達(dá)式，并確定光波的場(chǎng)分布。理論計(jì)算結(jié)果表明，光波場(chǎng)方程有許多分立的解，每個(gè)特解就代表一個(gè)能在光纖波導(dǎo)中獨(dú)立傳播的電磁場(chǎng)分布，即所謂波場(chǎng)或模式，簡(jiǎn)稱模。光波在光纖中的傳播是所有模式線性疊加的結(jié)果。光波在光纖中傳播有3種模式：傳輸模(導(dǎo)模)、泄漏模(漏模)和輻射模。導(dǎo)模是光功率限制在纖芯內(nèi)傳播的光波場(chǎng)，又稱芯模，其存在的條件是在纖芯內(nèi)電磁場(chǎng)按振蕩形式分布，為駐波場(chǎng)或傳播場(chǎng)；在包層內(nèi)場(chǎng)的分布按指數(shù)衰減，為衰減場(chǎng)或漸逝場(chǎng)。模場(chǎng)的能量被閉鎖在纖芯內(nèi)沿軸線z方向傳播。漏模是在纖芯內(nèi)及距纖壁一定距離的包層中傳播的光波場(chǎng)，又稱包層模，其存在的條件是1.2聲光效應(yīng)1.2.3.1光波在光纖中的傳播模式在纖芯中的模場(chǎng)能量可通過(guò)一定厚度的“隧道”泄漏到包層中形成振蕩形式，但其振幅很小，傳輸損耗也很小。漏模的特征類似于損耗極大的導(dǎo)模，其特性對(duì)于光纖傳感的應(yīng)用十分重要。輻射模在纖芯和包層中均為傳輸場(chǎng)，其存在的條件是在此條件下，波導(dǎo)完全處于截止?fàn)顟B(tài)，光波在纖芯與包層的界面上因不滿足全反射條件而產(chǎn)生折射，模場(chǎng)能量向包層外逸出，光纖失去對(duì)光波場(chǎng)功率的限制作用。1.2聲光效應(yīng)例如，，其中是一種對(duì)稱模，它可能是

或。1.2.3.2導(dǎo)模的分類及標(biāo)識(shí)用矢量法求解光波動(dòng)方程得到的解稱為精確模式，用標(biāo)量法求解光波動(dòng)方程得到的近似解稱為標(biāo)量模式或簡(jiǎn)并模式。根據(jù)電場(chǎng)縱向分量

和磁場(chǎng)縱向分量

的存在情況，可將精確模式分為橫電模﹑橫磁模和混合模3類。當(dāng)

、

為橫電模，標(biāo)記為

；當(dāng)

、

時(shí)，稱為橫磁模，標(biāo)記為

；當(dāng)、

時(shí)，稱為混合模，其中

占優(yōu)勢(shì)的標(biāo)記為

，

占優(yōu)勢(shì)的標(biāo)記為

。下標(biāo)分別表示貝塞爾函數(shù)的階及相應(yīng)的根數(shù)(n=根數(shù)＋1)。不同的m、n代表不同的解，標(biāo)識(shí)不同的模式。

當(dāng)光纖滿足弱導(dǎo)條件（

）時(shí)，光纖對(duì)光波的約束和導(dǎo)引作用大大減弱，使得導(dǎo)模的某些場(chǎng)分量相消為零場(chǎng)分布得以簡(jiǎn)并，形成一種線偏模，即簡(jiǎn)并模，標(biāo)記為

。一般簡(jiǎn)并模與精確模之間存在線性疊加關(guān)系，即1.2聲光效應(yīng)決定。纖芯中的橫向傳播常數(shù)為由于導(dǎo)?？v向傳播常數(shù)

，因此為實(shí)數(shù)。在包層中，導(dǎo)模橫向傳播常數(shù)為，因此

為虛數(shù)。由于導(dǎo)模的縱向傳播常數(shù)定義歸一化橫向傳播常數(shù)U和W為U值反映導(dǎo)模在纖芯中駐波場(chǎng)的橫向振蕩頻率；W值反映導(dǎo)模在包層中漸逝場(chǎng)的衰減速度，其取值范圍為

。當(dāng)W→0

時(shí)，模場(chǎng)在包層中不衰減，導(dǎo)模轉(zhuǎn)化為輻射模，稱之為導(dǎo)模截止；當(dāng)W→

時(shí)，模場(chǎng)在包層中的衰減最大，光纖對(duì)導(dǎo)模場(chǎng)的約束最強(qiáng)，稱之為導(dǎo)模遠(yuǎn)離截止。U與W之間的關(guān)系由光纖的歸一化頻率V限定。1.2.3.3模式傳播特性光纖中傳播模式的特性由其橫向傳播常數(shù)1.2聲光效應(yīng)式中，V為表征光纖中模式傳播特性的重要參數(shù)，它與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(芯徑)、數(shù)值孔徑(NA)及工作波長(zhǎng)有關(guān)。在一個(gè)給定結(jié)構(gòu)參數(shù)的光纖中，允許存在的導(dǎo)模數(shù)目取決于光纖的歸一化頻率V。V值越大，允許存在的導(dǎo)模越多，即光纖能傳播的模式越多；反之，V值越小，允許存在的導(dǎo)模越少。當(dāng)V≤1.4048(階躍型光纖)或V≤3.401(平方律漸變折射率分布梯度光纖

)時(shí)，只允許一種模式，即

存在，這種光纖稱為單模光纖。而其他情況下都存在多種模式，稱為多模光纖。允許存在的導(dǎo)?？倲?shù)M可由下式估算范圍內(nèi)的實(shí)數(shù)。式中，

為決定光纖纖芯內(nèi)徑向折射率分布的參數(shù)，它是對(duì)于階躍型光纖，若

，則1.2.3.3模式傳播特性1.2聲光效應(yīng)式中，m為模的階數(shù)。對(duì)于階躍型光纖，若，則1.2.3.3模式傳播特性對(duì)于梯度型光纖，若

，則即平方律漸變折射率分布梯度光纖的導(dǎo)模數(shù)比階躍型光纖的導(dǎo)模數(shù)少一半，因此采用這種光纖有利于減少多模光纖的模間色散。光纖中的相鄰模式的傳播常數(shù)差為1.2聲光效應(yīng)與模的階數(shù)有關(guān)，階數(shù)越高(高階模)，模間隔越大。上式說(shuō)明梯度型光纖的模式傳播常數(shù)差與模的階數(shù)無(wú)關(guān)，即所有模的間隔均相等。1.2.3.3模式傳播特性上式說(shuō)明，階躍型光纖的模式傳播常數(shù)差對(duì)于梯度型光纖，若g=2，則1.2聲光效應(yīng)圖1.2.6

簡(jiǎn)并模的光譜1.2.3.4倒模的輸出斑譜不同的模式電磁場(chǎng)分布不同，而不同的電磁場(chǎng)分布導(dǎo)致光纖輸出端的光斑強(qiáng)度分布不同，即不同的傳輸模對(duì)應(yīng)不同的斑譜。設(shè)入射到光纖截面的光強(qiáng)是均勻分布的圓形光斑，若光纖中僅傳輸

模，由于這種模式的電磁場(chǎng)強(qiáng)度在纖芯中最強(qiáng)，因而在光纖輸出端呈現(xiàn)出基本上均勻分布的圓光斑，僅在靠近包層處略暗，如圖1.3.6(a)所示。若光纖中傳輸多種模式，一些傳播常數(shù)很接近的模式往往在傳播過(guò)程中合并為簡(jiǎn)并模，在光纖出射端呈現(xiàn)特有的光斑圖形，如圖1.2.6(b)、(c)、(d)所示。1.3光纖的損耗特性式中，

為輸入進(jìn)光纖的光功率；

為經(jīng)過(guò)光纖傳輸后輸出的光功率；L為光纖的長(zhǎng)度。1.3.1光纖的損耗系數(shù)光纖損耗的大小可用光波在光纖中傳輸1km產(chǎn)生的功率衰減分貝數(shù)，即損耗系數(shù)α(單位為dB/km)來(lái)表示1.3光纖的損耗特性式中，

和

為電子能級(jí)或分子振動(dòng)能級(jí)的上下能級(jí)狀態(tài)；h為普朗克常數(shù)；c

為真空中的光速。光纖的吸收損耗，是由于光纖材料的量子躍遷致使一部分光功率轉(zhuǎn)換為熱量造成的傳輸損耗。光纖的吸收損耗包括本征吸收損耗、雜質(zhì)吸收損耗和原子缺陷吸收損耗3種。本征吸收是物質(zhì)所固有的，主要是由紫外和紅外波段電子躍遷與振動(dòng)躍遷引起的吸收。對(duì)于石英材料，固有吸收區(qū)在紅外和紫外區(qū)域，其中，紅外區(qū)的中心波長(zhǎng)在8～12

范圍內(nèi)，紫外區(qū)中心波長(zhǎng)在0.16

附近，當(dāng)吸收很強(qiáng)時(shí)，尾端可延伸到0.7～1.1

的光纖通信波段。本征吸收引起的損耗一般很小，為0.01～0.05dB/km。1.3.2吸收損耗當(dāng)光波通過(guò)任何透明物質(zhì)時(shí)，都要使組成這種物質(zhì)的分子中不同振動(dòng)狀態(tài)之間和電子的能級(jí)之間發(fā)生躍遷。在發(fā)生這種能級(jí)躍遷時(shí)，物質(zhì)吸收入射光波的能量(其中一部分轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存在物質(zhì)內(nèi))引起光的損耗，這種損耗稱為吸收損耗。當(dāng)光波的波長(zhǎng)滿足下式時(shí)，吸收損耗尤為嚴(yán)重，即1.3光纖的損耗特性1.3.2吸收損耗雜質(zhì)吸收主要是由于光纖材料所含有的正過(guò)渡金屬離子（

、

、

、

、

等）的電子躍

遷和氫氧根負(fù)離子（

）的分子振動(dòng)躍遷引起的吸收。光纖材料的雜質(zhì)可以通過(guò)精良的光纖制備工

藝來(lái)消除。金屬離子含量越多，造成的損耗就越大。若使過(guò)渡金屬的含量降到

量級(jí)以下，就可基本上消除金屬離子引起的雜質(zhì)吸收。目前，這種高純度的石英材料生成技術(shù)已經(jīng)具備。但光纖中含有的氫氧根雜質(zhì)則很難根除，其分子振動(dòng)躍遷在一些波段(0.72

、0.95

、1.24

、1.39

等）形成吸收峰，而在另一些波段（0.85

、1.31

、1.55

等）吸收很少，尤其在1.55

波段吸收最小，形成良好的通信窗口。圖1-4-1給出了某一多模光纖的損耗譜曲線，其上的3個(gè)吸收峰就是由氫氧根離子造成的。為了使1.39

處的損耗降低到1dB/km

以下，則氫氧根離子的含量應(yīng)減小到

以下。1.3光纖的損耗特性圖1.3.1某光纖的損耗譜原子缺陷吸收損耗主要是由于強(qiáng)烈的熱、光或射線輻射使光纖材料受激出現(xiàn)原子缺陷產(chǎn)生的損耗。對(duì)于普通玻璃，在3000rad

的γ射線的照射下，可能引起的損耗可高達(dá)20000dB/km。但有些材料受到的影響比較小，例如摻鍺的石英玻璃，對(duì)于4300rad

的輻射，在波長(zhǎng)0.82

時(shí)引起的損耗僅為16dB/km。適當(dāng)選擇光纖的材料可以降低原子缺陷吸收，例如以石英為纖芯材料的光纖，原子缺陷吸收可以忽略不計(jì)。1.3.2吸收損耗1.3光纖的損耗特性1.3.3散射損耗光纖的散射損耗主要有兩類：一類是瑞利(Rayleigh)散射，包括斯托克斯(Stokes)散射和反斯托克斯(Anti-Stokes)散射，這類散射發(fā)生于小功率信號(hào)傳輸；另一類是非線性散射，如受激拉曼(Raman)散射和受激布里淵(Brillouin)散射﹐這類散射發(fā)生于大功率信號(hào)傳輸。當(dāng)光纖傳輸小功率信號(hào)時(shí)，由于光纖中遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的物質(zhì)密度不均勻性(導(dǎo)致折射率不均勻)和摻雜粒子濃度不均勻等引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部，由此引起的損耗稱為本征散射損耗。本征散射可以認(rèn)為是光纖損耗的基本限度，又稱瑞利散射，其特征是散射損耗正比于

，與傳輸光波長(zhǎng)相同的即為瑞利散射，相對(duì)傳輸光頻移的為斯托克斯散射(向長(zhǎng)波方向偏移)和反斯托克斯散射(向短波方向偏移)。由圖1.3.1可見(jiàn)，瑞利散射損耗隨波長(zhǎng)的增大而急劇減小，所以在短波長(zhǎng)工作時(shí)，瑞利散射的影響比較大；當(dāng)光波長(zhǎng)增大時(shí)，散射損耗迅速減小。因此，選擇波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光作為信號(hào)光源是抑制這類散射損耗的重要措施。1.3光纖的損耗特性其中，0.85

、1.31

和1.55圖1.3.2石英光纖的總損耗波長(zhǎng)附近是光纖通信中常用的3個(gè)低損耗窗口。典型的損耗值在0.85時(shí)約為1.5dB/km；1.31時(shí)約為0.5dB/km；而在1.55

時(shí)最小，約為0.2dB/km，接近理論極限。1.3.3散射損耗物質(zhì)在強(qiáng)大的電場(chǎng)作用下，會(huì)呈現(xiàn)非線性，即出現(xiàn)新的頻率或輸入的頻率得到改變。這種由非線性激發(fā)的散射包括受激拉曼散射和受激布里淵散射。1.3光纖的損耗特性圖1.3.3彎曲光纖與基模的消失場(chǎng)分布1.3.4輻射損耗當(dāng)理想的圓柱形光纖受到某種外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲，引起能量泄漏到包層，這種由能量泄漏導(dǎo)致的損耗稱為輻射損耗。彎曲損耗源于延伸到包層中的消失場(chǎng)尾部的輻射，如圖1.3.3所示。1.3光纖的損耗特性式中，

和

分別為護(hù)套和光纖的楊氏模量。通常，護(hù)套材料的楊氏模量在20～500MPa之間，熔融石英玻璃的楊氏模量約為65GPa。1.3.4輻射損耗為減小彎曲損耗，通常在光纖表面上模壓一種壓縮護(hù)套，當(dāng)受外力作用時(shí)，護(hù)套發(fā)生變形，而光纖仍可以保持準(zhǔn)直狀態(tài)。對(duì)于纖芯內(nèi)半徑為a，外半徑為b(不包括護(hù)套)，折射率差為Δ的漸變折射率光纖，有護(hù)套光纖的彎曲損耗比沒(méi)有護(hù)套的彎曲損耗低F倍，F(xiàn)由下式給出1.4光纖的色散特性光纖色散是指輸入光脈沖在光纖中傳輸時(shí)由于各不同頻率成分或不同模式的群速度不同而引起光脈沖展寬的現(xiàn)象。光纖的色散特性是光纖最主要的傳輸特性之一。它的存在將直接導(dǎo)致光信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中的畸變[13]。在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，光纖色散將使光脈沖在傳輸過(guò)程中隨著傳輸距離的增加而逐漸展寬。因此，光纖色散對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)有著非常不利的影響﹐限制了系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸距離的增加。光纖色散包括4種：材料色散、波導(dǎo)色散﹑模間色散。1.4光纖的色散特性；

為信號(hào)的傳播常數(shù)；

為角頻式中，

為群速度，即光能在光線中的傳輸速度，率；

。所謂時(shí)延差，是指不同速度的信號(hào)傳輸同樣的距離需要不同的時(shí)間，即各信號(hào)的時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別，稱為時(shí)延差，用

表示。時(shí)延差可由信號(hào)中的不同頻率成分引起，也可由不同的模式成分引起。下面給出由不同頻率成分引起的時(shí)延差。1.4.1時(shí)延差和色散系數(shù)在光纖中，不同速率的信號(hào)傳過(guò)同樣的距離所需的時(shí)間不同，從而產(chǎn)生時(shí)延差，時(shí)延差越大，色散越嚴(yán)重，因而可用時(shí)延差表示色散程度。所謂時(shí)延是指信號(hào)傳輸單位長(zhǎng)度所需的時(shí)間，用

表示。對(duì)于一個(gè)載頻為

的脈沖信號(hào)，單位長(zhǎng)度的脈沖時(shí)延或群時(shí)延表示為1.4光纖的色散特性式中，

是時(shí)延

對(duì)

的變化率，即單位帶寬上的時(shí)延差。對(duì)于激光光源，由于光譜線的帶寬很窄，可以近似認(rèn)為在

內(nèi)

不變，等于

處的

值。代入可得時(shí)延差為1.4.1時(shí)延差和色散系數(shù)除理想的單色光源外，任何實(shí)際的光源都有一定的譜線寬度，用頻率寬度，用頻率寬度

表示，則引起的時(shí)延差為1.4光纖的色散特性在光源譜寬內(nèi)，D一般為常數(shù)。由于

正比于

，因此采用窄譜線光源可減小色散的影響。1.4.1時(shí)延差和色散系數(shù)從上式可以看出，信號(hào)的時(shí)延差與信號(hào)源的相對(duì)帶寬

成正比，光源的相對(duì)帶寬越窄，信號(hào)的時(shí)延差就越小，則色散就越小。時(shí)延差使得沿光纖傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)隨時(shí)間的增加而加寬。時(shí)延差越大，光脈沖展寬越嚴(yán)重，因此常用時(shí)延差來(lái)表示光纖色散的嚴(yán)重程度。定義色散系數(shù)D[單位

]1.4光纖的色散特性代入得材料色散產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度群時(shí)延為將上式對(duì)微分得到材料色散系數(shù)[單位]為1.4.1材料色散和波導(dǎo)色散1.4.2.1材料色散材料色散是指材料本身的折射率隨頻率而變化，造成信號(hào)的各頻率群速度不同而引起的色散。對(duì)于折射率

等于纖芯折射率的無(wú)限電介質(zhì)中傳播的平面波，傳播常數(shù)β為1.4光纖的色散特性1.4.2.1材料色散1.4光纖的色散特性，，并設(shè)不隨

而變。通常Δ值很小，，因此這里利用了關(guān)系式上式中

可用

來(lái)代替，則上式變?yōu)槭街校谝豁?xiàng)為常數(shù)；第二項(xiàng)表示波導(dǎo)色散引起的群時(shí)延。對(duì)于一定的V值，每個(gè)導(dǎo)模有不同的群時(shí)延。當(dāng)把光脈沖注入光纖中時(shí)，光能量就分布在多個(gè)導(dǎo)模中，由于它們到終端的時(shí)間是不同的，因此脈沖就發(fā)生展寬。對(duì)于多模光纖，波導(dǎo)色散比材料色散小得多，可忽略不計(jì)。1.4.2.2波導(dǎo)色散為了研究波導(dǎo)色散對(duì)脈沖展寬的影響，假定材料的折射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。為使結(jié)果與光纖結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，利用歸一化傳播常數(shù)b來(lái)計(jì)算群時(shí)延，則波導(dǎo)色散引起的單位長(zhǎng)度群時(shí)延為1.4光纖的色散特性或波導(dǎo)色散系數(shù)[單位]為與V的關(guān)系。對(duì)于單模傳輸，，的值為0.1~0.2范圍圖1.4.2給出了內(nèi)。若Δ=0.01，，則有1.4.2.2波導(dǎo)色散對(duì)于單模光纖，波導(dǎo)色散的作用不能忽略，它與材料色散有同樣的數(shù)量級(jí)。波導(dǎo)色散引起的單位長(zhǎng)度脈沖展寬為1.4光纖的色散特性圖1.4.2

Vb的一階及二階微分與V的關(guān)系相比之下，材料色散在處引起的脈沖展寬為1.4.2.2波導(dǎo)色散1.4光纖的色散特性對(duì)于梯度折射率分布多模光纖，光線在纖芯中以類似于正弦形的軌跡前進(jìn)。理論分析表明，當(dāng)折射率分布沿徑向呈平方律分布時(shí)，具有自聚焦特性，不同模式的光線在光纖中傳輸?shù)妮S向速度近似為常數(shù)。由于難以得到梯度多模光纖中脈沖展寬的精確表達(dá)式，通常用下式近似估算單位長(zhǎng)度的脈沖展寬1.4.3模間色散在多模光纖中，除材料色散和波導(dǎo)色散外，還存在模間色散。光纖的V值越大，模式越多，而各模式在同一頻率下的傳播常數(shù)β不同，群速不同，由此會(huì)引起色散。在階躍折射率分布型光纖中，模間色散引起的脈沖展寬取決于光線束的最長(zhǎng)路徑(最高次模)與最短路徑(基模)之間的時(shí)延差。單位長(zhǎng)度的脈沖展寬可表示為1.4光纖的色散特性時(shí)，，脈設(shè)

，

，當(dāng)

及1.2時(shí)，從上式可得，1km梯度型光纖中的脈沖展寬分別為0.25nm和1.4nm，顯然要比階躍型光纖小得多，這說(shuō)明梯度型光纖有較好的脈寬特性。設(shè)注入光纖的光脈沖寬度為

，經(jīng)光纖傳輸后因色散而展寬，則輸出光脈沖的單位長(zhǎng)度總寬度可近似表示為1.4.3模間色散式中，

，為材料的群指數(shù)?？梢?jiàn)，

是

的函數(shù)，且沖展寬最小。精確分析表明，模間色散最小的最佳折射率分布為1.4光纖的色散特性圖1.4.3光纖沿線相鄰脈沖的展寬及衰減為研究光纖的帶寬特性，可將光纖視為一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如下圖所示。1.4.4光纖的傳輸帶寬色散使沿光纖傳輸?shù)墓饷}沖展寬，最終可能使兩個(gè)相鄰脈沖發(fā)生重疊，重疊嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成誤碼，如下圖所示。定義相鄰兩脈沖雖重疊但仍能區(qū)別開(kāi)時(shí)的最高脈沖速率為該光纖線路的最大可用帶寬。1.4光纖的色散特性圖1.4.4光纖的脈沖響應(yīng)沿光纖傳輸時(shí)因色散而展寬，輸出光脈沖為

，而h(t)則分別為

和

的傅里葉變換，則光纖的頻率傳遞函在時(shí)域內(nèi)，無(wú)限窄的輸入光脈沖為光纖的脈沖響應(yīng)函數(shù)。設(shè)

和數(shù)為1.4.4光纖的傳輸帶寬1.4光纖的色散特性因此在3dB帶寬為1.4.4光纖的傳輸帶寬該函數(shù)具有低通濾波器的特性。

與

的關(guān)系通常，光纖線路輸出端的光脈沖具有高斯分布，即式中，σ為脈沖的均方根寬度。可得

脈沖頻譜為光纖的帶寬是指光功率下降到直流功率一半時(shí)的頻率，即1.5光纖的偏振特性與雙折射效應(yīng)式中，

為單模光纖的平均傳播常數(shù)；為單模光纖的平均折射率。通常拍長(zhǎng)在10cm～2m之間。1.5.1單模光纖的理想偏振特性與雙折射效應(yīng)單模光纖只傳播

一種模式。在理想情況下(即假設(shè)光纖為圓截面，筆直無(wú)彎曲，材料純凈無(wú)雜質(zhì))，

模為垂直于光纖軸線的線偏振光。實(shí)際上這種線偏振光是二重簡(jiǎn)并的，可以分解為彼此獨(dú)立、互不影響的兩個(gè)正交偏振分量

和

。它們的傳播常數(shù)相等，即

，在傳播過(guò)程中始終保持相位相同，簡(jiǎn)并后線偏方向不變。實(shí)際上，上述理想條件是很難達(dá)到的。實(shí)際的光纖總含有一些非對(duì)稱因素，使兩個(gè)本來(lái)簡(jiǎn)并的模式模式和

的傳播常數(shù)出現(xiàn)差異，即

，線偏振態(tài)沿光纖不再保持不變而發(fā)生連續(xù)變化，這種現(xiàn)象稱為光纖的雙折射效應(yīng)。這種雙折射效應(yīng)可用歸一化雙折射系數(shù)B或拍長(zhǎng)

來(lái)表示1.5光纖的偏振特性與雙折射效應(yīng)1.5.1單模光纖的理想偏振特性與雙折射效應(yīng)單模光纖產(chǎn)生雙折射的原因很復(fù)雜，主要有兩方面一是光纖內(nèi)部固有的，如因制造工藝不完善等原因造成光纖截面產(chǎn)生橢圓度，材料分布不均勻等導(dǎo)致光纖介質(zhì)光學(xué)各向異性；二是在光纖使用過(guò)程中外部施加的，如光纖彎曲、扭轉(zhuǎn)使光纖產(chǎn)生形變和內(nèi)應(yīng)力，或者外加電、磁場(chǎng)產(chǎn)生電光.磁光效應(yīng)導(dǎo)致光纖介質(zhì)的光學(xué)各向異性。單模光纖的雙折射效應(yīng)是光纖的一個(gè)重要特性，在使用中經(jīng)常要加以抑制或利用。歸一化雙折射系數(shù)B降低到

量級(jí)以下，相應(yīng)的拍長(zhǎng)

達(dá)到100m以上的單模光纖，稱為低雙折射率光纖。目前常見(jiàn)的低雙折射率光纖有理想圓對(duì)稱光纖和自旋光纖兩種。1.5光纖的偏振特性與雙折射效應(yīng)（a）橢圓形（d）領(lǐng)結(jié)型（b）橢圓包層

（c）熊貓型圖1.5.1

保偏光纖橫截面結(jié)構(gòu)1.5.2保偏光纖保偏光纖為保持偏振態(tài)光纖的簡(jiǎn)稱，又稱高雙折射光纖。與低雙折射光纖相反，要求保持光纖的雙折射盡可能高，使B值達(dá)到

量級(jí)，相當(dāng)于光纖拍長(zhǎng)

在毫米量級(jí)。幾種典型的保偏光纖的結(jié)構(gòu)如圖1.5.1所示。一般采用加大纖芯橢圓度或加大內(nèi)應(yīng)力的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雙折射。1.5光纖的偏振特性與雙折射效應(yīng)圖1.5.2純單模光纖折射率分布曲線1.5.3純單模光纖普通的單模光纖實(shí)際上都存在著兩個(gè)彼此獨(dú)立的正交模態(tài)，為雙模態(tài)工作。如果在制造光纖時(shí)，有意地使單模光纖的兩個(gè)模態(tài)具有不同的衰減率，即一個(gè)為高損耗模態(tài)，另一個(gè)為低損耗模態(tài)，二者的消光比達(dá)到50dB以上，則其中的高損耗模態(tài)實(shí)際上已經(jīng)截止，光纖中只剩一個(gè)偏振模在傳輸。這種光纖

才是真正的單模光纖。純單模光纖的一個(gè)重要特征是輸入任何偏振態(tài)的光都只有線偏振光輸出，因此也稱為起偏光纖。如果使光纖的折射率分布呈W形，如圖1.5.2所示，則可實(shí)現(xiàn)單模光纖的兩個(gè)偏振模具有不同的截止頻率。1.6光纖的非線性，它是引起三次諧波、四波混頻、非線性折射率等現(xiàn)象的原因。光纖中的許多非線性效應(yīng)都來(lái)源于非線性折射率。非線性折射率是

與光場(chǎng)相互作用的結(jié)果，可表示為式中，

為光場(chǎng)幅度的有效值或均方根；

為線性折射率，與

相關(guān)；為光場(chǎng)角頻率；

是與

有關(guān)的非線性折射率。假設(shè)電場(chǎng)是線偏振的，則四階張量

中只有一個(gè)分量

對(duì)折射率有貢獻(xiàn)。此時(shí)，

的表達(dá)式可寫成對(duì)于石英光纖，

，因此折射率的非線性影響一般很小(

）。折射率對(duì)光強(qiáng)度的依賴特性引起大量的非線性效應(yīng)，其中兩個(gè)應(yīng)用最廣泛的是自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(CPM，Cross

Phase

Modulation)效應(yīng)。1.6.1非線性折射光纖中的最低階非線性效應(yīng)起源于三階極化系數(shù)1.6光纖的非線性1.6.1非線性折射1.自相位調(diào)制自相位調(diào)制是指?jìng)鬏斶^(guò)程中光脈沖由于自身引起相位變化，導(dǎo)致光脈沖頻譜擴(kuò)展的現(xiàn)象自相位調(diào)制與自聚焦現(xiàn)象有密切關(guān)系。光脈沖在光纖中的傳播過(guò)程中相位改變?yōu)槭街校?/p>

；L為光纖長(zhǎng)度。

是是相位變化的線性部分；而

與光場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，它是在非線性的作用下由光場(chǎng)自身引起的相位變化，因此稱為自相位調(diào)制。從原理上說(shuō)，自相位調(diào)制可用來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)相。但實(shí)現(xiàn)調(diào)相需要很強(qiáng)的光強(qiáng)，且需選擇

大的材料。自相位調(diào)制的真正應(yīng)用是在光纖中產(chǎn)生光弧子，實(shí)現(xiàn)光弧子通信，這是光纖非線性特性的一個(gè)重要應(yīng)用。1.6光纖的非線性其中第一項(xiàng)由自相位調(diào)制引起，第二項(xiàng)即為交叉相位調(diào)制項(xiàng)。交叉相位調(diào)制使共同傳輸?shù)墓饷}沖的頻譜不對(duì)稱地展寬。1.6.1非線性折射2.交叉相位調(diào)制當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同波長(zhǎng)的光波在光纖中同時(shí)傳輸時(shí)，它們將通過(guò)光纖的非線性而相互作用。此時(shí)有效折射率不僅與該波長(zhǎng)光波的強(qiáng)度有關(guān)，也與其他波的強(qiáng)度有關(guān)。交叉相位調(diào)制就是指光纖中某一波長(zhǎng)的光場(chǎng)由同時(shí)傳輸?shù)牧硪徊煌ㄩL(zhǎng)的光場(chǎng)所引起的非線性相移。光場(chǎng)的相移由下式給出，即1.6光纖的非線性設(shè)入射光的頻率為

，介質(zhì)的分子振動(dòng)頻率為

，則散射光的頻率為

和，這的散射光叫斯托克斯(Stokes)波，頻率為

的散射光叫種現(xiàn)象稱為受激喇曼散射。所產(chǎn)生的頻率為反斯托克斯(anti-Stokes)波。喇曼散射過(guò)程數(shù)學(xué)描述為式中，是斯托克斯的光強(qiáng)；是傳輸距離；是喇曼增益系數(shù)；是泵浦光強(qiáng)。1.6.2受激非彈性折射第二類的非線性效應(yīng)來(lái)源于受激非彈性散射，在此過(guò)程中光場(chǎng)把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)，散射光頻率下移。光纖中有兩種非線性效應(yīng)，分別為受激喇曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)1.受激喇曼散射受激喇曼散射是光纖中很重要的非線性過(guò)程。它可看作是介質(zhì)中分子振動(dòng)對(duì)入射光(泵浦光)的調(diào)制，即分子內(nèi)部粒子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致分子感應(yīng)電偶極矩隨時(shí)間的周期性調(diào)制，從而對(duì)入射光產(chǎn)生散射作用。1.6光纖的非線性設(shè)入射光的頻率為

，介質(zhì)的分子振動(dòng)頻率為

，則散射光的頻率為

和，這的散射光叫斯托克斯(Stokes)波，頻率為

的散射光叫種現(xiàn)象稱為受激喇曼散射。所產(chǎn)生的頻率為反斯托克斯(anti-Stokes)波。喇曼散射過(guò)程數(shù)學(xué)描述為式中，是斯托克斯的光強(qiáng)；是傳輸距離；是喇曼增益系數(shù)；是泵浦光強(qiáng)。1.6.2受激非彈性折射第二類的非線性效應(yīng)來(lái)源于受激非彈性散射，在此過(guò)程中光場(chǎng)把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)，散射光頻率下移。光纖中有兩種非線性效應(yīng)，分別為受激喇曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)1.受激喇曼散射受激喇曼散射是光纖中很重要的非線性過(guò)程。它可看作是介質(zhì)中分子振動(dòng)對(duì)入射光(泵浦光)的調(diào)制，即分子內(nèi)部粒子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致分子感應(yīng)電偶極矩隨時(shí)間的周期性調(diào)制，從而對(duì)入射光產(chǎn)生散射作用。1.6光纖的非線性式中，

為纖芯的有效面積（或有效截面積），且有式中，為光纖長(zhǎng)度；為光纖的衰減系數(shù)。當(dāng)光纖較長(zhǎng)時(shí)，也長(zhǎng)?？梢?jiàn)，閾值泵浦功率與光纖的有效纖芯面積成正比，與喇曼增益系數(shù)成反比，且隨光纖的有效長(zhǎng)度的增大而下降。尤其對(duì)于超低損耗的單模光纖，喇曼閾值會(huì)很低。此外，從泵浦波到斯托克斯波的轉(zhuǎn)換效率很高。頻率為的波為一階斯托克斯波。當(dāng)一階斯托克斯波足夠強(qiáng)時(shí)，它會(huì)充當(dāng)泵浦波再產(chǎn)生二階的斯托克斯波，以此類推，可以產(chǎn)生多階的斯托克斯波輸出。1.6.2受激非彈性折射要獲得明顯的非線性作用，輸入的泵浦功率必須足夠強(qiáng)，即必須達(dá)到某一閾值。喇曼散射的閾值泵浦功率

(單位：W)可近似表示為1.6光纖的非線性的泵浦光將一部分能量轉(zhuǎn)光纖中受激布里淵散射過(guò)程發(fā)生的閾值功率可表示為它與纖芯有效面積成正比，與光纖的有效長(zhǎng)度成反比。為布里淵增益系數(shù)，它與光譜寬度成反比，所以閾值泵浦功率與成正比。對(duì)于很窄的脈沖，因其頻譜較寬，故布里淵泵浦閾值功率很高，因而布里淵散射的影響較弱，可以忽略。1.6.2受激非彈性折射2.受激布里淵散射受激布里淵散射與受激喇曼散射在物理過(guò)程上十分相似，入射頻率為移給頻率為

的斯托克斯波，并發(fā)出頻率為

的聲波1.6光纖的非線性四波混頻(FWM)是三階電極化率種響應(yīng)現(xiàn)象。如果有3個(gè)頻率分別為參與的三階參量過(guò)程，是非線性介質(zhì)對(duì)多個(gè)波同時(shí)傳輸時(shí)的一的光場(chǎng)同時(shí)在光纖中傳輸，三階電極化率將會(huì)引起頻率為

的新光場(chǎng)的出現(xiàn)。它的頻率為3個(gè)入射光頻率的各種可能組合，即從形式上看，式中的正負(fù)號(hào)決定的幾個(gè)不同頻率的光場(chǎng)都可能存在。但是要有顯著的四波混頻現(xiàn)象發(fā)生，必須要求頻率及波矢匹配，即滿足相位的匹配條件的形式，其相位匹配條件相對(duì)容式中，

、

、

、

為各光場(chǎng)的波矢量。組合為易滿足，四波混頻過(guò)程較易發(fā)生，而其他組合都不能有效地產(chǎn)生。1.6.3參量過(guò)程與四波混頻1.6光纖的非線性光弧子光弧子的基本概念光弧子是在光纖的色散與非線性自相位調(diào)制兩種效應(yīng)的共同作用下，在一定的條件下產(chǎn)生的一種物理現(xiàn)象。兩種作用互相補(bǔ)償而使光脈沖形狀在傳輸過(guò)程中保持不變。當(dāng)光脈沖在線性色散介質(zhì)中傳播時(shí)，由于各頻率分量以不同的群速度傳播，因而有不同的時(shí)延，導(dǎo)致脈沖逐漸展寬，形狀不斷地改變。如果介質(zhì)是非線性的，自相位調(diào)制效應(yīng)將使脈沖相位發(fā)生變化，相應(yīng)地改變了其頻率。由于脈沖中不同部分的光強(qiáng)不同，因而頻率改變大小不同。在色散、非線性共存的介質(zhì)中，兩種不同效應(yīng)的共同作用使脈沖形狀產(chǎn)生總體的變化。至于脈沖是展寬還是壓縮，取決于這兩種效應(yīng)的強(qiáng)弱和符號(hào)。在一定的條件下，具有特定形狀和強(qiáng)度的光脈沖可以在非線性介質(zhì)中傳播而不改變形狀，就像在理想的線性非色散介質(zhì)中傳播一樣。這種情況只有當(dāng)色散效應(yīng)完全補(bǔ)償了自相位調(diào)制效應(yīng)時(shí)才可能發(fā)生，這就是光弧子脈沖產(chǎn)生的條件。1.6光纖的非線性1.6.4光弧子1.6.4.2光弧子應(yīng)用光弧子可用于長(zhǎng)距離光通信、壓縮光脈沖及構(gòu)成光弧子激光器等。光弧子在光纖中傳輸時(shí)形狀、幅度和速度都不變，利用光弧子這種穩(wěn)定傳輸?shù)奶匦?，可大大提高光通信系統(tǒng)的容量和中繼距離。理論分析表明，以相同的中繼距離，弧子系統(tǒng)的容量是目前最好的線性系統(tǒng)的10～100倍。對(duì)相同的傳輸速率，弧子系統(tǒng)的通信距離比目前最好的線性系統(tǒng)長(zhǎng)幾倍至幾十倍。利用光弧子傳播時(shí)脈沖變窄效應(yīng)可以壓縮皮秒脈沖，實(shí)驗(yàn)中已做到把具有高弧子數(shù)的皮秒脈沖的寬度壓縮到原來(lái)的1/3。此外，利用光纖形成光弧子的能力可以構(gòu)成弧子激光器。，其基本思想是用光纖同步反饋--部分脈沖功率進(jìn)入鎖模激光腔內(nèi)，通過(guò)幾次往返后達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，這時(shí)脈沖具有弧子形狀，脈寬由光纖長(zhǎng)度控制，并且可以比沒(méi)有光纖的激光器的輸出脈沖窄得多。利用這種方法已產(chǎn)生50

fs(飛秒)的窄脈沖。1.7光纜1.7.1光纜的結(jié)構(gòu)光纜是以一根或多根光纖或光纖束制成符合化學(xué)、機(jī)械和環(huán)境特性的結(jié)構(gòu)。不論何種結(jié)構(gòu)形式的光纜，基本上都是由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。1.纜芯纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足一下基本要求①使光纖在纜內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定。在光纜受到一定打拉、側(cè)壓等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響。②纜芯中的加強(qiáng)元件應(yīng)能經(jīng)受允許拉力。③纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本。纜芯內(nèi)有光纖、套管或骨