光纤通信自制(第二章)光纤传输理论及特性

1、1 三峡大学理学院三峡大学理学院2本章内容、重点和难点本章内容l 光纤、光缆的结构和类型。l 光纤的导光原理。l 光纤的传输特性。3l与光纤有关的问题：与光纤有关的问题： 光波如何进入光纤以及光波在光纤中如何传播，内容涉及光波如何进入光纤以及光波在光纤中如何传播，内容涉及光纤模式的激励光纤模式的激励(光的入射光的入射)、模式分布（传播轨迹）、传播速、模式分布（传播轨迹）、传播速度（光线时延）、模场分布、传输损耗、畸变、偏振特性等；度（光线时延）、模场分布、传输损耗、畸变、偏振特性等； l研究方法研究方法 *粒子说：射线光学（几何光学），解释反射、折射，适用粒子说：射线光学（几何光学），解释反射

2、、折射，适用大大 尺寸光学现象尺寸光学现象-多模光纤。多模光纤。 *波动说：波动理论（波动光学），解释干涉、衍射现象，波动说：波动理论（波动光学），解释干涉、衍射现象，适用小尺寸光学现象适用小尺寸光学现象-单模光纤。单模光纤。4 2.1.1 光纤的结构光纤的结构 1. 光纤结构光纤结构5 （1）纤芯：纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。纤芯位于光纤的中心部位。 直径直径d1=4m50m，单模光纤的芯部为，单模光纤的芯部为4m10m，多，多模光纤的纤芯为模光纤的纤芯为50m。 纤芯的成分是高纯度纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是），作

3、用是提高纤芯对光的折射率提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。），以传输光信号。 （2）包层：包层：包层位于纤芯的周围。包层位于纤芯的周围。 直径直径d2=125m，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如而掺杂剂（如B2O3）的作用则是）的作用则是适当降低包层对光的折射率适当降低包层对光的折射率（n2），），使之略低于纤芯的折射率，即使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，它使得光信号封闭在纤芯中它使得光信号封闭在纤芯中传输传输。6 （3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲

4、层和二次涂覆层。冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层缓冲层一般为性能良好的填充油膏；一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用涂覆的作用是是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加，同时又增加了了光纤的机械强度与可弯曲性光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约后的光纤其外径约0.9或或0.25mm。通常所说的光纤为此种光纤。通常所说的光纤为

5、此种光纤。7 紧套光纤与松套光纤紧套光纤与松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在纤可以在套管中自由活动套管中自由活动。图2-2 套塑光纤结构8 2光纤的折射率分布与光线的传播光纤的折射率分布与光线的传播 图图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐

6、变折射率光纤，如一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图图2-3 （a）、（）、（b）所示。）所示。图2-3 光纤的折射率分布9 光在光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别的传播轨迹分别如图如图2-5和图和图2-6所示。所示。图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播10 1单模与多模光纤单模与多模光纤 传播模式传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种

7、乃至几百种传播轨迹轨迹进行传播。如图进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。所示。这些不同的光束称为模式。图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播11 （1）多模光纤）多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。式，这样的光纤称为多模光纤。 （2）单模光纤）单模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1 ）较小，与光波长在同一）较小，与光波长在同一数量级，如芯径数量

8、级，如芯径d1 在在4m10m范围，这时，光纤只允许范围，这时，光纤只允许一一种模式（基模）种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。光纤称为单模光纤。12 2多模光纤的型号多模光纤的型号 ITU-T建议规范了建议规范了G.651多模光纤，国标中多模光纤，国标中A1a 50/125um型型使用较多，具有如下特点：使用较多，具有如下特点：在在1.31m处最小色散，处最小色散，1.55m处有最小损耗。处有最小损耗。芯径粗，衰耗较大，存在模间色散，传输带宽受限芯径粗，衰耗较大，存在模间色散，传输带宽受限数值孔径数值孔径NA大，因而

9、耦合效率高大，因而耦合效率高大芯径可允许较大光功率传输利于用户网光功率分配，不会出大芯径可允许较大光功率传输利于用户网光功率分配，不会出现非线性。现非线性。价格比价格比G.652光纤高光纤高 *在在数据链路、用户接入网数据链路、用户接入网中普遍应用中普遍应用13 3单模光纤的型号单模光纤的型号 ITU-T建议规范了建议规范了G.652、G.653、G.654和和G.655单模光纤单模光纤 （1）G.652光纤光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色），是指色散零点（即色散为零的波长）在散为零的波长）在1 310nm附近的光纤，具有如下特点：附

10、近的光纤，具有如下特点： 1310nm色散（色散（13ps.nm-1.km-1),衰减衰减0.34dB/km; 1550nm色散（色散（17ps.nm-1.km-1),衰减衰减0.20dB/km; 成本低，大多数已安装的光纤均为成本低，大多数已安装的光纤均为G.652，低损耗，低损耗 ; 大有效面积，有利于克服非线性效应大有效面积，有利于克服非线性效应; 色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短; 可用可用G.652+DCF方案升级扩容，但成本高方案升级扩容，但成本高;14图2-8 G.652光纤的折射率 G.652折射率分布如图折射率分布如图2-8所示。图

11、（所示。图（a）表示的阶跃折射率设）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（计称为匹配包层型，图（b）表示的为凹陷包层型设计。）表示的为凹陷包层型设计。15 （2）G.653光纤光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。由于不适用于所以叫色散位移光纤。由于不适用于DWDM系统系统,已经被市场淘汰已经被市场淘汰! （3）G.654光纤光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低光纤是截

12、止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减。的衰减。G.654光纤主要应用于海底光纤通信光纤主要应用于海底光纤通信。 （4）G.655光纤光纤 由于由于G.653光纤的色散零点在光纤的色散零点在1 550nm附近，附近，DWDM系统在零系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从点的位置从1 550nm附近移开一定波长数附近移开一定波长数,即即非零色散位移光纤非零色散位移光纤（NDSF）。16 1光缆的结构光缆的结构 光缆由光缆由缆芯、护层和加强芯缆芯、护层和加强芯组成。组成。 （1）缆芯

13、）缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。 （2）护层）护层 护层主要是对已成缆的护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用光纤芯线起保护作用，避免受外界机械，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为力和环境损坏。护层可分为内护层内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层外护层（多用铝带和聚乙烯组成的（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。外护套加钢丝铠装等）。 （3）加强芯）加强芯 加强芯主要承受加强芯主要承受敷设安装时所加的外力敷设安装时所加的外力。17 2各种典型结构的光缆各种典型结构的光缆 （

14、1）层绞式结构光缆）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆古典光缆。 图图2-20图图2-24所示是目前在所示是目前在市话中继和长途线路市话中继和长途线路上采用的上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。18 图2-21 12芯松套层绞式直埋光缆图2-20 6芯紧套层绞式光缆19 （2）骨架式结构光缆）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围骨架式结构光缆是把紧套光纤或一

15、次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，抗侧压力性能好抗侧压力性能好。 我国采用的我国采用的骨架式结构骨架式结构光缆，都是采用如图光缆，都是采用如图2-24所示的结构。所示的结构。20 （3）束管式结构光缆）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围加强芯配置在套管周围而构成。光纤位于缆芯，受压小，而构成。光纤位于缆芯，受压小，在水下和海底光缆中应用较多在水下和海底光缆中应用较多。 图图2-26所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。 21 （4

16、）带状结构光缆）带状结构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如图如图2-27、2-28所示。所示。图2-27 中心束管式带状光缆图2-28 层绞式带状光缆22 （5）单芯结构光缆）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-29所示。所示。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场

17、所用特种光缆以及制作线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤单芯软光缆的光纤。图2-29 单芯软光缆23 *射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤光纤半径远大于光波长的多模光纤能提能提供良好的近似。供良好的近似。 当光波长可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法当光波长可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何

18、光学。光学。射线光学是忽略波长（射线光学是忽略波长（0）时的波动理论。）时的波动理论。 由波动方程推出光程函数的射线方程，有斯涅尔（由波动方程推出光程函数的射线方程，有斯涅尔（Snell）定律）定律:241阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤251阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 l 全反射全反射 分析入射角分析入射角:imax l l 数值孔径数值孔径NA 定义端面入射临界角的正弦为阶跃折射率光纤的数值孔径定义端面入射临界角的正弦为阶跃折射率光纤的数值孔径NA22220max1max1min11221sinsincos1ioannnnnnnn2212121221122201min12112sincos2

19、annnnnnnnnNAnnnnn 26 *NA表示光纤接收和传输光的能力。表示光纤接收和传输光的能力。 *NA越大，光纤接收光的能力越强，纤芯对能量的束缚越强，光越大，光纤接收光的能力越强，纤芯对能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。纤抗弯曲性能越好。 *NA与与的关系：相长关系，但的关系：相长关系，但太大易导致模间色散。太大易导致模间色散。 l l NA的计算的计算 例：例：=0.01=0.01，n n1 1=1.5=1.5272渐变折射率光纤渐变折射率光纤 l 自聚焦自聚焦 以不同的条件进入光纤的以不同的条件进入光纤的射线有不同的轨迹，近轴处射线有不同的轨迹，近轴处光的速度慢，远轴处光的速

20、光的速度慢，远轴处光的速度快，但度快，但都具有同样的轴向速度，同时到达光纤轴上的某点，都具有同样的轴向速度，同时到达光纤轴上的某点，即所即所有光线都具有相同的空间周期有光线都具有相同的空间周期L，称自聚焦。，称自聚焦。 l l 实现自聚焦的条件：实现自聚焦的条件： 精确自聚焦光纤的折射率为双曲正割分布，实用多为平方率分精确自聚焦光纤的折射率为双曲正割分布，实用多为平方率分布，具有很小的模间色散。布，具有很小的模间色散。 空间周期：空间周期：1/22 /2 /aLAa283自聚焦透镜（补充）自聚焦透镜（补充） l G-Lens工作原理工作原理 l l C-Lens Vs. G-LensC-Len

21、s Vs. G-Lens * *打破日本打破日本NSGNSG自聚焦透镜长达自聚焦透镜长达1010年的专利垄断年的专利垄断 *发明者：大学新秀发明者：大学新秀-罗勇（原长春精密光学机械学院）罗勇（原长春精密光学机械学院） 19981998年，罗勇在福建华科公司提出对普通的透镜基础上加以改年，罗勇在福建华科公司提出对普通的透镜基础上加以改进，从而取代自聚焦透镜的设想进，从而取代自聚焦透镜的设想, , 于于19991999年末通过了国际年末通过了国际BellcoreBellcore标准认证，出口海外。标准认证，出口海外。294光纤中的模式总数光纤中的模式总数 l WKBJ分析渐变光纤中的导模总数为：

22、分析渐变光纤中的导模总数为： l l 平方折射率分布光纤（平方折射率分布光纤（ =2）：）： l l 阶跃折射率分布光纤（阶跃折射率分布光纤（=）：）：22VN24VN 22VN *光纤的芯径光纤的芯径a越大，相对折射率越大，相对折射率越大，工作频率越高，越大，工作频率越高，光纤中传播的模式就越多！光纤中传播的模式就越多！30分析方法分析方法31微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场矢量。对于矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可介质，麦克斯韦方程组可表示如下：表示如下：式中为哈

23、密顿算符，式中为哈密顿算符，“”代表取旋度，代表取旋度，“. ”代表取散度。代表取散度。3233 光波导光波导( (光纤光纤) )结构选择结构选择Z Z轴为纵向轴轴为纵向轴, ,能量沿能量沿+Z+Z方向传播方向传播, ,纵向纵向传播常数传播常数,介电常数介电常数(x,y)(x,y)与与Z Z轴无关轴无关。场方程的形式化简。场方程的形式化简。34 采用波动理论来分析阶跃折射率光纤，得到光纤中传播的各种采用波动理论来分析阶跃折射率光纤，得到光纤中传播的各种模式模式的表示方法。讨论各模式的的表示方法。讨论各模式的截止条件截止条件，引入线性极化模的概念，引入线性极化模的概念 用于分析的阶跃折射率光纤模

24、型如图用于分析的阶跃折射率光纤模型如图2-7所示。假设包层的半径所示。假设包层的半径b 足够大，则包层内电磁场按指数幂衰减，并在包层和空气的界面足够大，则包层内电磁场按指数幂衰减，并在包层和空气的界面处趋于处趋于0，这样就可以把光纤作为两种介质的，这样就可以把光纤作为两种介质的边界问题边界问题进行分析。进行分析。35 矢量分析法，矢量分析法，就是把电磁场作为矢量场来求解。用这种方法来就是把电磁场作为矢量场来求解。用这种方法来分析光纤可以精确的分析分析光纤可以精确的分析光纤中的各种模式，各模式的截止条件等光纤中的各种模式，各模式的截止条件等。（侧重于根据精确矢量模式分析导出符合某种特定要求（满足

25、特定（侧重于根据精确矢量模式分析导出符合某种特定要求（满足特定模式传输模式传输/截止条件）的截止条件）的光纤参数光纤参数） 在光纤的纤芯和包层两个区域内，从柱面坐标的修正波动方程在光纤的纤芯和包层两个区域内，从柱面坐标的修正波动方程中解出中解出Ez、Hz，然后再求场的横向分量，然后再求场的横向分量E、Er、H、Hr表达式。表达式。用分离变量法求解，可得电、磁场的用分离变量法求解，可得电、磁场的贝塞尔方程贝塞尔方程：36 1、特征方程、特征方程 考虑到场在纤芯和包层中的考虑到场在纤芯和包层中的传输以及边界条件传输以及边界条件，可得特征方程：，可得特征方程：37 对于确定的光源和光纤，对于确定的光

26、源和光纤，波长、波长、a、折射率是已知的、折射率是已知的，故场特征，故场特征参量参量u、W和和可通过特征方程确定，并可通过特征方程讨论模式截可通过特征方程确定，并可通过特征方程讨论模式截止条件和对模式的分类：止条件和对模式的分类：382、模式分类讨论模式分类讨论 模式：模式：mn所对应的一种所对应的一种场的空间分布场的空间分布，在传播过程中只有相，在传播过程中只有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，该位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，该空间分布称为空间分布称为模式模式。光纤的电磁场模式不同于平面波导，一般。光纤的电磁场模式不同于平面波导，一般Ez、Hz都不为零。都不为零。n

27、当当m=0m=0时：时： n当当m0时，时，Z向上既有向上既有Ez分量，又有分量，又有Hz分量，称之为混合模分量，称之为混合模注：注：m是贝塞尔函数的阶数。是贝塞尔函数的阶数。n是贝塞尔函数的根排列的序数。是贝塞尔函数的根排列的序数。393、模式截止条件及分析模式截止条件及分析 对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。所以一个传播

28、模在包所以一个传播模在包层中的衰减常数层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。时，表示导模截止。 由模式分析导出的截止由模式分析导出的截止条件是光纤通信最重要的基条件是光纤通信最重要的基础结论之一础结论之一，也是前述的指，也是前述的指导光纤参数和结构设计的前导光纤参数和结构设计的前提条件。提条件。40W=0,模式截止分析模式截止分析 m=0,有有TE0n和和TM0n两种模式两种模式,且相互且相互简并简并. n=1时时, u=2.40483,TE01模截止模截止; n=2时时, u=5.52008,TE02模截止模截止; m=1,有有HE1n和和EH1n两种模式两种模式. n=1时时, u=0,H

29、E11模截止模截止,其他模式截止时其他模式截止时HE11仍能传输仍能传输,基模基模; n=2时时, u=3.8371, HE12模截止模截止; m1,有有HEmn和和EHmn两种模式两种模式.W,远离截止分析远离截止分析 HE11模远离截止的模远离截止的u值在值在02.40483之间之间. 其它模远离截止的其它模远离截止的u值大于值大于2.40483.411、弱导光纤的特征方程弱导光纤的特征方程 阶跃折射率光纤中场的波动方程和特征方程的阶跃折射率光纤中场的波动方程和特征方程的精确求解精确求解都非常都非常复杂。而在实际的光纤通信中，由于光纤包层的折射率复杂。而在实际的光纤通信中，由于光纤包层的折

30、射率n2仅略低于仅略低于纤芯层的折射率纤芯层的折射率n1 ， 即它们的相对折射率差即它们的相对折射率差 (n1-n2)/n21，这样的光纤称之为，这样的光纤称之为弱导光纤弱导光纤。 在弱导光纤中场的纵向分量和横向分量相比是很小的，电磁场在弱导光纤中场的纵向分量和横向分量相比是很小的，电磁场几乎是横向场，几乎是横向场，电磁场也几乎是线性极化的（电磁场也几乎是线性极化的（Ez、Hz都近似为都近似为0）。故可以用标量近似法来分析阶跃折射率光纤中的模式。在故可以用标量近似法来分析阶跃折射率光纤中的模式。在c ，则为单模光纤，该光纤只能，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果传输基模；如果，M=V2/2

31、 = V=2 V=2*3.14*a*NA/ = a= 2* 1.3/(2*3.14*0.21)= 1.97m (g-） 0.424Ln1/c=0.4241000*1.5*0.21/(3108) 4.5ns f3dB =187/=187/4.5=41.5 MHZ75 色散将导致码间干扰。由于各波长成分到达的时间先后不一致，色散将导致码间干扰。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使得光脉冲加长了（因而使得光脉冲加长了（T+T），这叫作脉冲展宽，如图），这叫作脉冲展宽，如图2-17 。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干扰将引脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干扰

32、将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。码间干扰76 光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波得光波以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面上，会引起上，会引起明显的非线性光学效应，对光纤传输系统的传输特性产生影响。明显的非线性光学效应，对光纤传输系统的传输特性产生影响。 DWDM+EDFA+G.652/655系统在高功率密度下传送信号，系统在高功率密度下传送信号，使光纤的非线性成为最终限制系统性能的因素。使光纤的非线性成为最终限

33、制系统性能的因素。1、非线性形成的机理、非线性形成的机理 介质束缚电子在所加强电磁场作用下产生非简谐运动，导致电偶介质束缚电子在所加强电磁场作用下产生非简谐运动，导致电偶极子的感应极化矢量极子的感应极化矢量P与电场与电场E不成比例：不成比例： P=0（1）E+ （2）EE+ （3）EEE 光纤中最低阶的非线性来自于三阶极化率光纤中最低阶的非线性来自于三阶极化率（3）它导致产生它导致产生三次三次谐波或四波混频以及材料折射率随传输光强扰动谐波或四波混频以及材料折射率随传输光强扰动等非线性现象等非线性现象。 77受激散射非线性折射弹性散射非弹性散射参量过程自相位调制SPM(和色散配合产生光孤子)交叉

34、相位调制XPM(高速光开关)四波混频FWM(参量放大器)三次谐波拉曼散射(光纤放大)布里渊散射(光纤传感)782、SRS受激拉曼散射受激拉曼散射 当当一定强度一定强度的光入射到光纤中时，会引起光纤材料的分子振动，的光入射到光纤中时，会引起光纤材料的分子振动，进而调制光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低为斯托克进而调制光强，产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低为斯托克斯线，高为反斯托克斯线。斯线，高为反斯托克斯线。频移为频移为12THz、增益带宽为、增益带宽为96nm受激拉曼散射：当两个恰好分离的斯托克斯频率光波同时入射受激拉曼散射：当两个恰好分离的斯托克斯频率光波同时入射到光纤时，到光纤

35、时，高频波能量转移到低频波后衰减。高频波能量转移到低频波后衰减。WDM短波长通道信号过大衰减，影响通道路数短波长通道信号过大衰减，影响通道路数12008004004008001200(cm1)散射光强300k反斯托克斯线斯托克斯线0k0反斯托克斯线移动斯托克斯线移动79工程项目：工程项目：“深溪沟工程光纤测温与温控预报研究深溪沟工程光纤测温与温控预报研究” 国内外分布式光纤测温系统监测技术试验成果表明：光纤测温系统可快速、连续地测量光纤传感线路沿程的温度值，为分析坝体内部混凝土水化热过程提供了即时、直观的基础数据。光通信：拉曼光纤放大器，低噪声，宽谱光通信：拉曼光纤放大器，低噪声，宽谱E D

36、FAStage 1R a m a n pump发送接收E D FAStage kR a m a n pump803、FWM四波混频四波混频 当当=2个具有一定强度不同波长的光波在光纤中同时存在时，入个具有一定强度不同波长的光波在光纤中同时存在时，入射光会改变光纤的折射率，从而在不同波长处发生相位调制，导致其射光会改变光纤的折射率，从而在不同波长处发生相位调制，导致其它新的波长产生。它新的波长产生。影响：能量空耗；新生波长有串扰，影响：能量空耗；新生波长有串扰，是是主要的非线性损伤主要的非线性损伤。特点：新波长产生数与信道数紧密相关；产生效率取决于信道特点：新波长产生数与信道数紧密相关；产生效率取决于信道间隔、信道功率、光纤的有效面积、非线性系数及色散大小。间隔、信道功率、光纤的有效面积、非线性系数及色散大小。解决方法：解决方法：G.655；大有效面积光纤；短大有效面积光纤；短段的色散补偿光纤；段的色散补偿光纤；非等间距光信道间