单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Chapter 2,#,Chapter 2,1,1.,光纤的损耗,光纤的一个重要的参量是光信号在光纤内传输时的功率损耗，若,P,0,为入纤功率，传输功率,：,P,T,=P,0,e,-L,光纤损耗：,用,dB,表示,Chapter 2,2,光纤损耗的起源,吸收损耗,物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原 因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。,由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。,原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。,Chapter 2,3,光纤损耗的起源,散射损耗,由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部。,物质在强大的电场作用下，会呈现非线性，即出现新的频率或输入的频率得到改变。这种由非线性激发的散射有两种即受激喇曼,(Raman),和受激布里渊,(Brillouin),散射。,Chapter 2,4,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5,衰减（,dB/km,）,第一窗口,第二窗口,波长,（,m,）,6 5 4 3 2 1,0,。,4,0,。,2,第三窗口,C,波段,15251565nm,1.57 1.62,L,波段,纯石英中由瑞利散射和吸收引起的本征损耗。纯石英的高吸收区在紫外线和超过,2m,的远红外线。但是,OH,（杂质）的吸收峰在,2.37m,，,1.37 m,和,1.23 m,是其谐波。,结论：石英光纤在,1.55m,损耗最小，少量,OH,导致显著吸收峰,1.37m,、,1.23m,。,Chapter 2,5,Chapter 2,6,色散,(,Dispersion,),是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的,时间延迟,不同而产生的一种物理效应。,劣化的程度随数据速率的平方增大,决定了电中继器之间的距离,2.,光纤的色散,模间色散,(,多模色散,)(Mode Dispersion),色度色散,(Chromatic Dispersion),偏振色散,(Polarization Mode Dispersion),色散的种类：,Chapter 2,7,色散对光传输系统的影响,如果信号是,数字脉冲,，,色散产生脉冲展宽,(Pulse broadening),。所以，,色散,通常用,3 dB,光带宽,f,3dB,或脉冲展宽,表示。,用脉冲展宽表示时，光纤,色散,可以写成,=(,2,n,+,2,m,+,2,w,),1/2,n,模式色散,；,m,材料色散,；,w,波导色散,所引起的脉冲展宽的,均方根值,。,Chapter 2,8,以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。,模间色散,对于阶跃光纤：,所有,大于临界角,C,的光线都被限制在纤芯内。,High-order Mode(Longer path),Low-order Mode(shorter path),Axial Mode(shortest path),core,cladding,Chapter 2,9,c,i,n,1,n,2,n,0,经历最短和最长路径的两束光线间的时差,:,-,传输容量限制,:,B-,信号比特率,Chapter 2,10,This is caused by the fact that the refractive index of the glass we are using varies(slightly)with the wavelength.Some wavelengths therefore have higher group velocities and so travel faster than others.Since every pulse consists of a range of wavelengths it will spread out to some degree during its travel.,色度色散,材料色散,和,波导色散,总称为,色度色散,(,Chromatic Dispersion,),，,常简称为色散，它是,时间延迟,随,波长,变化产生的结果。,Chapter 2,11,材料色散,材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。,Chapter 2,12,波导色散是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。波导色散是光纤波导结构参数的函数，在一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径a、相对折射率差,及剖面形状决定。,波导色散,Chapter 2,13,波导色散,Chapter 2,14,通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散和负色散的目的。正是这种方法才研制出色散位移光纤、非零色散位移光纤。,Chapter 2,15,Chapter 2,16,3.,偏振保持光纤,实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布,各向异性,，使两个偏振模具有不同的传输常数,(,x,y,),。,在传输过程要引起,偏振态,的变化，我们把两个偏振模传输常数的差,(,x,-,y,),定义为,双折射,，通常用归一化双折射,B,来表示，,式中，,=(,x,+,y,)/2,为两个传输常数的平均值。,两个正交偏振模的相位差达到,2,的光纤长度定义为拍长,L,b,双折射 偏振色散 限制系统的传输容量,。,Chapter 2,17,偏振模色散,如果单模光纤结构是理想的圆柱形而且材料是各向同性的，则二个正交方向偏振态的模式不会发生相互耦合，单模光纤可以保证单模传输。,但实际上在制造光纤过程中，由于工艺方面原因会使光纤的实际结构偏离理想的圆柱形，光纤的芯径与包层的几何尺寸也存在着差异；而且光纤的折射率分布也难以保证理想化（沿径向分布完全对称），从而使光纤存在着各向异性。此外，在实际应用中，光缆中的光纤也不可避免地要受侧压力、扭曲力、弯曲力等外部应力的作用，它的随机性非常大。,所有这一切都破坏了模式的简并，导致了两偏振态模的耦合；也导致两个偏振方向光的传播常数不相同，这就是所谓双折射现象。,双折射使不同偏振态的光信号不能同时到达接收端，即出现延时。,Chapter 2,18,合理的解决办法是通过光纤设计，引入,强双折射,，把,B,值增加到足以使,偏振态,保持不变，或只保存一个偏振模式，实现,单模单偏振传输,。,强双折射光纤,和,单模单偏振光纤,为,偏振保持光纤,。,Chapter 2,19,4.,偏振光在光纤中传输,1.,矩阵表示法,Jones,矩阵,对于平面波：,用矩阵表示,Chapter 2,20,各种偏振态的,Jones,矢量表示,水平线偏振,垂直线偏振,线偏振,线偏振,右旋圆偏振,左旋圆偏振,相位角差 决定合成后的偏振态的特性。,Chapter 2,21,偏振光通过光学元件的表达：,例：光通过双折射光纤的矩阵表示法,双折射光纤矩阵：,通过两段双折射光纤的表达：,Chapter 2,22,2.,邦加莱球（,Poincare,）图示法,Chapter 2,23,2.,对于芯径为,8um,的阶跃折射率单模光纤，纤芯折射率为,1.5,，包层折射率为,1.495,，截止波长为多少？,3.,衰减为,0.3dB/km,，长为,100km,的光纤，在输出端得到的光占输入光能的百分比为多少？,4.,简述光纤损耗的机制。,5.,简述色度色散，模间色散和偏振模色散的概念。,作业,1.,一光纤的纤芯折射率为,1.52,，包层折射率为,1.45,，则其数值孔径为多少？,Chapter 2,24,作业,1.,说明利用材料色散与波导色散制作色散位移光纤的原理。,2.,简述偏振光在光纤中传输一个拍长时在邦加莱球上的描述。,3.,光波,(Ex,Ey),T,依次,分别通过起偏器、四分一波片、和二分一波片时的矩阵描述。请分析光波每经过一个元器件时的偏振态的变化。,4.,构建色散补偿的方法。,