光纤光学.ppt

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1、第二章第二章光纤的特性光纤的特性光纤光学光纤光学W-CChenFoshanUniv.损损损损耗耗耗耗和和和和色色色色散散散散是是光光纤纤最最重重要要的的传传输输特特性性！损损损损耗耗耗耗限限限限制制制制系系系系统统统统的的的的传传传传输输输输距距距距离离离离!色色色色散散散散则则则则限限限限制制制制系系系系统统统统的的的的传输容量传输容量传输容量传输容量!1Chapter 21.1.光纤的损耗光纤的损耗光纤的一个重要的参量是光信号在光纤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，若内传输时的功率损耗，若P0为入纤功率，为入纤功率，传输功率传输功率：PT=P0e-L光纤损耗：光纤损耗：

2、用用dB表示表示2Chapter 2光纤损耗的起源光纤损耗的起源吸收损耗吸收损耗物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造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。吸收损耗有三个原成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材吸收，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料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。振有关。由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、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，这些杂质造钒、铂等过渡金属和水的氢氧根

3、离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。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原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起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。吸收光能，造成损耗。3Chapter 2光纤损耗的起源光纤损耗的起源散射损耗散射损耗由于光纤材料密度的微观变化以及各成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，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。将

4、一部分光功率散射到光纤外部。物质在强大的电场作用下，会呈现非线物质在强大的电场作用下，会呈现非线性，性，即出现新的频率或输入的频率得到改即出现新的频率或输入的频率得到改变。变。这种由非线性激发的散射有两种即受这种由非线性激发的散射有两种即受激喇曼激喇曼(Raman)和受激布里渊和受激布里渊(Brillouin)散射。散射。4Chapter 2普通单模光纤的衰减随波长变化示意图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（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗

5、口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段纯石英中由瑞利散射和吸收引起的本征损耗。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纯石英的高吸收区在紫外线和超过2m的远的远红外线。但是红外线。但是OH（杂质）的吸收峰在（杂质）的吸收峰在2.37m，1.37m和和1.23m是其谐波。是其谐波。结论：石英光纤在结论：石英光纤在1.55m损耗最小，少量损耗最小，少量OH导致显著吸收峰导致显著吸收峰1.37m、1.23m。5Chapter 26Chapter 2色色色色散散散散(Dispersion)是是在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号，由由于于

6、不不同同成成分分的光的的光的时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的一种物理效应。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劣化的程度随数据速率的平方增大劣化的程度随数据速率的平方增大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决定了电中继器之间的距离决定了电中继器之间的距离决定了电中继器之间的距离2.2.光纤的色散光纤的色散模间色散模间色散模间色散模间色散(多模色散多模色散多模色散多模色散)(Mode Dispersion)(Mode Dispersion)(Mode Dispersion)(Mode Dispersion)色度色散色度色散色度色散色度色散(Ch

7、romatic Dispersion)(Chromatic Dispersion)(Chromatic Dispersion)(Chromatic Dispersion)偏振色散偏振色散偏振色散偏振色散(Polarization Mode Dispersion)(Polarization Mode Dispersion)(Polarization Mode Dispersion)(Polarization Mode Dispersion)色散的种类：色散的种类：7Chapter 2色散对光传输系统的影响色散对光传输系统的影响 如果信号是如果信号是数字脉冲数字脉冲数字脉冲数字脉冲，色散产生脉冲展

8、宽色散产生脉冲展宽色散产生脉冲展宽色散产生脉冲展宽(Pulse(Pulse broadening)broadening)。所以，所以，色色色色散散散散通常用通常用3 dB3 dB3 dB3 dB光带宽光带宽光带宽光带宽f f f f3dB3dB3dB3dB或或脉冲展宽脉冲展宽表示。表示。用脉冲展宽表示时，用脉冲展宽表示时，光纤光纤色散色散色散色散可以写成可以写成 =(=(2 2n n+2 2m m+2 2w w)1/21/2 n n 模式色散模式色散模式色散模式色散；m m 材料色散材料色散材料色散材料色散；w w 波导色散波导色散波导色散波导色散所引起的脉冲展宽的所引起的脉冲展宽的均方根值均

9、方根值均方根值均方根值。8Chapter 2以以以以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途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径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传径，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，出现了播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了播，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。时间上的分散，导致脉冲严重展宽。时间上的分散

10、，导致脉冲严重展宽。时间上的分散，导致脉冲严重展宽。模间色散模间色散模间色散模间色散对于阶跃光纤：对于阶跃光纤：所有所有 大于临大于临界角界角 C的光线的光线都被限制在纤都被限制在纤芯内。芯内。High-order Mode(Longer path)High-order Mode(Longer path)Low-order Mode(shorter path)Low-order Mode(shorter path)Axial Mode(shortest path)Axial Mode(shortest path)corecorecladdingcladding9Chapter 2 c c i

11、in n1 1n n2 2n n0 0经历最短和最长路径的两束光线间的时差经历最短和最长路径的两束光线间的时差经历最短和最长路径的两束光线间的时差经历最短和最长路径的两束光线间的时差:-传输容量限制传输容量限制传输容量限制传输容量限制:B-B-信号比特率信号比特率信号比特率信号比特率10Chapter 2 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

12、 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.色度色散色度色散色度色散色度色散材料色散材料色散材料色散材料色散和和波导色散波导色散波导色散波导色散总称为总称为色度色散色度色散色度色散色度色散(Chromatic Dispersion)，常简称为色散，它是常简称为色散，它是时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟随随波长波长波长

13、波长变化产生的结果。变化产生的结果。11Chapter 2材料色散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。一定的波谱宽度。12Chapter 2 波导色散是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模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

14、频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。散。波导色散是光纤波导结构参数的函数，在一定的波长范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 a、相对折射率差、相对折射率差 及剖面形状决定。及剖面形状决定。波导色散波导色散波导色散波导色散13Chapter 2波导色散波导色散波导色散波导色散14Chapter 2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

15、导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到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。纤、非零色散位移光纤。15Chapter 216Chapter 23.3.3.3.偏振保持光纤偏振保持光纤偏振保持光纤偏振保持光纤 实实际际光光纤纤难难以以避避免免的的形形状状不不完完善善或或应应力力不不均均匀匀，必必定定造造成成折折射率分布射率分布各向异性各

16、向异性各向异性各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数，使两个偏振模具有不同的传输常数(xy)。在在传传输输过过程程要要引引起起偏偏偏偏振振振振态态态态的的变变化化，我我们们把把两两个个偏偏振振模模传传输输常常数的差数的差(x-y)定义为定义为双折射双折射双折射双折射 ，通常用归一化双折射通常用归一化双折射B来表示，来表示，式中，式中，=(x+y)/2为两个传输常数的平均值。为两个传输常数的平均值。两个正交偏振模的相位差达到两个正交偏振模的相位差达到2的光纤长度定义为拍长的光纤长度定义为拍长Lb双折射双折射 偏振色散偏振色散 限制系统的传输容量限制系统的传输容量。17Chapter 2偏振模色

17、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，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。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

18、各向异性。此外，在实向分布完全对称），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、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。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，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，这个偏振方向光的传播常数不相同，这就是所谓双折射现象。就是所谓双折射现象。双折射使不同偏振态的光信号不能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。同时到达接收端，即

19、出现延时。18Chapter 2 合理的解决办法是通过光纤设计，引入合理的解决办法是通过光纤设计，引入强双折射强双折射强双折射强双折射，把，把B B值值增加到足以使增加到足以使偏振态偏振态偏振态偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输单模单偏振传输单模单偏振传输单模单偏振传输。强双折射光纤强双折射光纤强双折射光纤强双折射光纤和和单模单偏振光纤单模单偏振光纤单模单偏振光纤单模单偏振光纤为为偏振保持光纤偏振保持光纤偏振保持光纤偏振保持光纤。19Chapter 24.4.偏振光在光纤中传输偏振光在光纤中传输1.矩阵表示法矩阵表示法Jones矩阵矩阵

20、对于平面波：对于平面波：用矩阵表示用矩阵表示20Chapter 2各种偏振态的各种偏振态的Jones矢量表示矢量表示水平线偏振水平线偏振 垂直线偏振垂直线偏振 线偏振线偏振 线偏振线偏振 右旋圆偏振右旋圆偏振 左旋圆偏振左旋圆偏振 相位角差相位角差决定合成后的偏振态的特性。决定合成后的偏振态的特性。21Chapter 2偏振光通过光学元件的表达：偏振光通过光学元件的表达：例：例：光通过双折射光纤的矩阵表示法光通过双折射光纤的矩阵表示法双折射光纤矩阵：双折射光纤矩阵：通过两段双折射光纤的表达：通过两段双折射光纤的表达：22Chapter 22.邦加莱球邦加莱球（Poincare）图示法）图示法2

21、3Chapter 22.对于芯径为对于芯径为8um的阶跃折射率单模光纤，纤芯的阶跃折射率单模光纤，纤芯折射率为折射率为1.5，包层折射率为，包层折射率为1.495，截止波长为，截止波长为多少？多少？3.衰减为衰减为0.3dB/km，长为，长为100km的光纤，在输出的光纤，在输出端得到的光占输入光能的百分比为多少？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。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简述色度色散，模间色散和偏振模色散的概念。作业作业1.一光纤的纤芯折射率为一光纤的纤芯折射率为1.52，包层，包层折射率为折射率为1.45，则其数值孔径为多少？，则其数值孔径为多少？24Chapter 2作业作业1.说明利用材料色散与波导色散制作说明利用材料色散与波导色散制作色散位移光纤的原理。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。上的描述。3.光波光波(Ex,Ey)T依次依次分别通过起偏器、四分一波片、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。个元器件时的偏振态的变化。4.构建色散补偿的方法。构建色散补偿的方法。25Chapter 2