张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章

1、12“导光导光”的古老历史的古老历史3“光纤之父光纤之父”-高锟博士高锟博士4爆炸性发展爆炸性发展 n自一九七年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾自一九七年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。了极其惊人的进展。从光纤的衰耗看：从光纤的衰耗看：七七O年：年：20dB/km七二年：七二年： 4 dB/km七四年：七四年：1.1dB/km七六年：七六年：0.5dB/km七九年：七

2、九年：0.2dB/km九九O年：年：0.14dB/km已经接近石英光纤的已经接近石英光纤的理论衰耗极限值理论衰耗极限值0.1dB/km。 5光纤通信系统基本结构光纤通信系统基本结构光发送 端机光中继 放大光接收 端机电发送 端机电发送 端机6光纤通信：光纤通信：2121世纪的世纪的“信息高速公路信息高速公路”7光纤通信系统的发展光纤通信系统的发展 n76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为信系统。码率为45Mb/s，中继距离为，中继距离为10km。80年，多模年，多模光纤通信系统商用化（光纤通信系统商用化（140Mb/s

3、），并着手单模光纤通信），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。系统的现场试验工作。90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），），并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定同步数字体系（试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。）的技术标准。93年，年，SDH产品开始商用化（产品开始商用化（622Mb/s 以下）。以下）。95年，年，2.5Gb/s 的的SDH产品进入商用化阶段。产品进入商用化阶段。96年，年，10Gb/s 的的SDH产品进入商用化阶段。产品

4、进入商用化阶段。97年，采用波分复用技术（年，采用波分复用技术（WDM）的）的20Gb/s 和和40Gb/s 的的SDH产品试验取得重大突破。产品试验取得重大突破。此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。正在取得巨大进展。8YearInternet backboneT3E1STM1STM4STM16STM64cTransport capacity140Mb/s565Mb/sSTM161.7Gb/sSTM64, 4l lSTM64, 2l lSTM64, 8l lSTM64, 16l lSTM64, 32l lSyst

5、em capacity (Mbps) 101010101010123456198519901995200010 Gb/s EthernetEthernet StandardsEthernetFast EthernetGbit Ethernet910 n4G的启动。的启动。n村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及相关通信用产品。相关通信用产品。 n随着用户对带宽需求的提高随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准技术的突破和新标准的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度下降下降,FTTH 出现迅速发展的势

6、头。出现迅速发展的势头。 n铜价的迅速飙升进一步加速了铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退光进铜退”的步的步伐和伐和F T T x接入的浪潮汹涌。接入的浪潮汹涌。11 2 layerIn house19 layerDist.ONUFiberVDSL modemVDSL modemVDSLPersonal UserGovernmentONUOLTVoIPIP TVVLANAdvance ControllIGMPPON10/100/1000Base-T/SX/LXUNIIn house12householdOnline shoppingNetwork gameOnline libraryTele-

7、educationE-commerceE-governmentVideo telephoneHDTVBrowse/downloadVideo conferenceTele-medicine FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life! 13光纤技术的应用领域光纤技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度可以测量70 多个

8、物理化学量 广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用14n光波导：约束光波传输的媒介n导波光：受到约束的光波n光波导三要素：“芯 / 包”结构凸形折射率分布，n1n2低传输损耗光纤光学光纤光学: 是一门研究光波在光纤中传播特性的科学是一门研究光波在光纤中传播特性的科学光纤光纤: 是一种介质园柱光波导是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波它能够约束并导引光波 在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播1

9、5光纤光纤( (光缆光缆) )纤芯包层涂覆层护套层强度元件内护层光纤缆芯外护层单模：8 10mm多模：50mm125mm16n通信光纤通信光纤n非通信光纤非通信光纤17光纤的进一步分类光纤的进一步分类18光纤的进一步分类光纤的进一步分类19光纤的进一步分类光纤的进一步分类l按材料分：石英、塑料、红外光纤l特种光纤：保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤零/非零色散位移光纤；负色散光纤；特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤2022-3-3预制棒的生产预制棒的生产q主要预制棒生产厂家有康宁、主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯朗讯、阿尔卡特及日本藤仓、古河等阿尔卡特及日本藤仓、古河等q主要有四种工艺：主要

10、有四种工艺：MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition )OVD (Outside Vapor Deposition) VAD (Vapor Axial Deposition)汽相沿轴汽相沿轴沉淀积法沉淀积法 PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)等离子体化学汽相淀积等离子体化学汽相淀积 2022-3-3q工业界大多采用工业界大多采用MCVDMCVD制作多模光纤。在石制作多模光纤。在石英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变成多层折射率不同的玻璃，玻

11、璃再收缩变成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制预制棒的形状及大小。预制棒的形状及大小。q预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉中加热抽丝成为光纤中加热抽丝成为光纤2022-3-3q为保护其强度，为保护其强度，避免受潮及污避免受潮及污染，必须在裸染，必须在裸光纤表面镀上光纤表面镀上保护层，整个保护层，整个生产流程须生产流程须45天（预制天（预制棒棒2天）。天）。纤芯纤芯包层包层一次涂覆一次涂覆二次涂覆二次涂覆2022-3-3该工艺由该工艺由AT&T贝尔实验室于贝尔实验室于1974年开发。年开发。利用利用SiCl4与与G

12、eCl4等气态原料导入旋转石英玻等气态原料导入旋转石英玻璃管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进璃管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进行氧化反应，产生行氧化反应，产生SiO2、GeO2在石英管内壁形在石英管内壁形成成30100层之层积状态而构成光纤之主要成分。层之层积状态而构成光纤之主要成分。若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，可透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。可透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。返回MCVD242022-3-3SiO2、GeO2SiCl4、GeCl4 、O22022-3-32022-3-32022-3-3

13、qAlcatel目前已针对目前已针对MCVD进行制程上的更新进行制程上的更新设计，称为设计，称为Advanced Plasma & Vapor Deposition(APVD法法)。主要不同于。主要不同于MCVD法法之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒，用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒，并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。 2022-3-3q外部气象沉积法是由康宁公司开发，外部气象沉积法是由康宁公司开发，OVD与与MCVD最大不同在于沉积物质形成于最大不同在于沉积

14、物质形成于由石英、由石英、石墨或氧化铝材料制成的石墨或氧化铝材料制成的“母棒母棒”外表面外表面，意即混合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的意即混合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的直接燃烧，使气体材料因热分解以形成直接燃烧，使气体材料因热分解以形成SiO2、GeO2之多孔状物质沉积，经过多层累积后形之多孔状物质沉积，经过多层累积后形成预型体。成预型体。返回OVD30n美国Corning 公司开发的。其后OVD 工艺又有不断改进. 目前已开发出第七代工艺, 使生产效率提高和降低了生产成本大幅度; 2022-3-3qOVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：先按所设计的光纤

15、折射分布要求进行多孔先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向外），是径向由里向外），再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残留水份，以求制得一根透明无水份除去残留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒芯棒，的光纤预制棒芯棒， OVD工艺最新的发展工艺最新的发展经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根棒沉积多根棒2022-3-3Vapors: SiCl4 + GeCl

16、4 + O2Rotate mandrel( (a a) )Deposited sootBurnerFuel: H2Target rodDeposited Ge doped SiO2( (b b) )FurnacePorous sootpreform with holeClear solidglass preformDrying gases( (c c) )FurnaceDrawn fiberPreformSchematic illustration of OVD and the preform preparation for fiber drawing. (a)Reaction of gase

17、s in the burner flame produces glass soot that deposits on to the outsidesurface of the mandrel. (b) The mandrel is removed and the hollow porous soot preformis consolidated; the soot particles are sintered, fused, together to form a clear glass rod.(c) The consolidated glass rod is used as a prefor

18、m in fiber drawing. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)2022-3-3 VAD工艺是工艺是1977年由日本电报电话公司为避年由日本电报电话公司为避免与康宁公司的免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工专利的纠纷所发明的连续工艺。艺。 VAD工艺的化学反应机理与工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，工艺相同，也是火焰水解。与也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，工艺不同的是，VAD工艺工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空向

19、生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。间同时完成的，即预制棒连续制造。VAD34VAD（轴向气相沉积法）是由（轴向气相沉积法）是由日本开发出来的日本开发出来的, 其工作原理其工作原理与与OVD 相同相同, 不同之处预制棒不同之处预制棒的生长方向是由下向上垂直轴的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。向生长的。VAD 的重要特点的重要特点是可以连续生产是可以连续生产, 适合制造大适合制造大型预制棒型预制棒, 从而可以拉制较长从而可以拉制较长的连续光纤。的连续光纤。2022-3-3q VAD工艺的最新发展由工艺的最新发展由70年代的芯、包同年代的芯、包同时沉积烧结，到

20、时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。制成光纤预制棒。qVAD的重要特点是可以连续生产，适合制造的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。2022-3-3qPCVD是由是由Philips研究实验室开发类似于研究实验室开发类似于MCVD的一的一种技术，种技术，但不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波但不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。腔体产生的等离子体加热。 PCVDPCVD工艺的沉积温

21、度低工艺的沉积温度低于于MCVDMCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；由于工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，这样允许在体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，这样允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。宽。PCVD2022-3-3qPCVDPCVD的沉积效率高，沉积速度快，有利于消除的沉积效率高，沉积速度快，

22、有利于消除SiO2SiO2层层沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。子光纤公司占据世界领先水平。 2022-3-3qVAD工艺的化学反应机理与工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也工艺相同，也是火焰水解。与是火焰水解。与OVD工艺不同的是，工艺不同的是，VAD工艺工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直沉积获得的预制棒的生长

23、方向是由下向上垂直轴向生长的。轴向生长的。 q单模光纤以单模光纤以OVD、VAD技术为主；而多模光纤技术为主；而多模光纤则以则以MCVD或或PCVD为主。为主。 几种制作工艺的比较几种制作工艺的比较2022-3-3qPCVD与与MCVD的工艺相似之处是，它们都的工艺相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理，温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理，PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微工艺用的热源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反应

24、气体呈带电离子。带电离子重新结离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。的石英玻璃沉积薄层。 40n预制棒被电加热炉加热到预制棒被电加热炉加热到1850 2000 C n进行拉丝进行拉丝 n同时检测光纤的直径和控制拉同时检测光纤的直径和控制拉丝速度丝速度 n光纤外径光纤外径(125m mm) 进行涂敷进行涂敷 (250m mm)，材料为丙烯酸酯。，材料为丙烯酸酯。 n制成的光纤缠绕在直径为制成的光纤缠绕在直径为20cm左右的转盘上。左右的转盘上。41光纤光学的发展光纤光学的发展 n光纤光学已经愈来愈成为

25、光学与光电子学科领域光纤光学已经愈来愈成为光学与光电子学科领域的一门重要的基础课程。的一门重要的基础课程。n光纤在通信、传感、信息处理以及在工业和医疗光纤在通信、传感、信息处理以及在工业和医疗等领域的获得广泛等领域的获得广泛n新型光纤的不断涌现，例如色散位移光纤、色散新型光纤的不断涌现，例如色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤、全波光纤、双包层光平坦光纤、色散补偿光纤、全波光纤、双包层光纤以及光子晶体光纤等。纤以及光子晶体光纤等。n多种光纤光学器件得以发展，例如自聚焦透镜、多种光纤光学器件得以发展，例如自聚焦透镜、光纤耦合器、光纤光栅、光纤起偏器、光纤退偏光纤耦合器、光纤光栅、光纤起偏器、

26、光纤退偏器、光纤调制器、光纤激光器、光纤放大器、光器、光纤调制器、光纤激光器、光纤放大器、光纤衰减器、光纤隔离器与环行器、光纤色散补偿纤衰减器、光纤隔离器与环行器、光纤色散补偿器以及各种光纤传感器等等。器以及各种光纤传感器等等。 数值孔径: 定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即220012s inN Annnn1n22a-相对折射率差-光纤的归一化频率V-截止条件光纤的光学特性光纤的光学特性光纤的损耗、色散、非线性效应、偏振对于光纤通信和光纤传感光纤的损耗、色散、非线性效应、偏振对于光纤通信和光纤传感的研究都是十分重要的特性参量。的研究都是十分重要的特性参量。损耗决

27、定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。色散导致光脉冲的展宽，限制光通信系统的传输容量。色散导致光脉冲的展宽，限制光通信系统的传输容量。单根光纤中光功率的增加，光纤的非线性成为难以回避的问题。单根光纤中光功率的增加，光纤的非线性成为难以回避的问题。光纤的偏振特性、保偏、消偏和偏振控制对于光纤通信和光纤的偏振特性、保偏、消偏和偏振控制对于光纤通信和光纤传感的研究极为重要。光纤传感的研究极为重要。2.2 光纤的损耗光纤的损耗 即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗。本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。

28、这些损耗主要包括：光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括： 1. 吸收损耗吸收损耗2. 散射损耗散射损耗3. 弯曲损耗弯曲损耗损耗损耗一、损耗单位一、损耗单位光信号在光纤中传播，其功率随距离增加以指数形式衰减。光信号在光纤中传播，其功率随距离增加以指数形式衰减。即即：)exp()0()(zPzPp)()0(ln1zPPzp其中，其中，P(0)P(0)起始处（起始处（z=0z=0）信号光功率）信号光功率 P(z)P(z)光传输距离光传输距离z z的光功率的光功率 称为损耗系数，单位是称为损耗系数，单位是kmkm-1-1为了计算方便，用的更多是损耗系数单位：为了计算方便，用的更多是损耗

29、系数单位：dB/kmdB/km1010(0)(dB/km)log 4.343( )pPzP z为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBmdBm作为光功率作为光功率的运算单位，这个单位的含义是相对于的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW1mW的功率。的功率。mW1)mW(log10)dBm(10PP当当P=1mWP=1mW，P=0dBm; P=0dBm; 当当P=50mWP=50mW，P=17dBmP=17dBm当当P=1000mW,P=30dBm; P=1000mW,P=30dBm; 当当P=1uWP=1uW， P=-30dBmP=-30dBmdB=1

30、0logdB=10log1010(P(PA A/P/PB B) )是功率增益的单位，是一个相对值。是功率增益的单位，是一个相对值。例如：例如：P PA A的功率比的功率比P PB B的功率大一倍，那么的功率大一倍，那么 10log10log1010(P(PA A/P/PB B)=10log)=10log1010(2)=3dB(2)=3dB注意：注意：dBmdBm减减dBmdBm实际上是两个功率相除为实际上是两个功率相除为dBdBP1(dBm)=10logP1(dBm)=10log1010PPA A(mW)/1mW(mW)/1mWP2(dBm)=10logP2(dBm)=10log1010PPB

31、 B(mW)/1mW(mW)/1mWP1(dBm)-P2(dBm)= 10logP1(dBm)-P2(dBm)= 10log1010PPA A(mW)/1mW- 10log(mW)/1mW- 10log1010PPB B(mW)/1mW(mW)/1mW =10log =10log1010PPA A(mW)/P(mW)/PB B(mW)(mW)例例1 1：如果：如果P PA A的功率为的功率为46dBm46dBm，P PB B的功率为的功率为40dBm,40dBm,则则P PA A比比P PB B大大6dB6dB。 46dBm-40dBm=6dB46dBm-40dBm=6dB 10log 10l

32、og1010PPA A/P/PB B=6=6 P PA A/P/PB B=10=100.60.6=3.984=3.984P Pinin(dBm)=10log(dBm)=10log1010PPinin(mW)/1mW(mW)/1mW =10log =10log10102002001010-3-3mW/1mW=-7dBmmW/1mW=-7dBm在在z=30kmz=30km时的输出功率（用时的输出功率（用dBmdBm表示）表示）P Poutout(dBm)=P(dBm)=Pinin(dBm)-(dBm)-z z =-7dBm-0.8dB/km =-7dBm-0.8dB/km30km30km =-31

33、dBm =-31dBmP Poutout=10=10-31/10-31/10(mW)=0.79(mW)=0.791010-3-3mW=0.79uWmW=0.79uW例例2 2：设想一根：设想一根30km30km长的光纤，在波长长的光纤，在波长1300nm1300nm处的衰减为处的衰减为0.8dB/km0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为，如果我们从一端注入功率为200uW200uW的光信号，求的光信号，求其输出功率其输出功率P Poutout。解：首先将输入功率的单位转换成解：首先将输入功率的单位转换成dBmdBm。例例3 3：注入单模光纤的：注入单模光纤的LDLD功率为功率为1mW1m

34、W，在光纤输出端光电探测，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是器要求的最小光功率是10nW10nW，在，在1.3um1.3um波段工作，光纤衰减波段工作，光纤衰减系数是系数是0.4dB/km,0.4dB/km,请问无须中继器的最大光纤长度是多少？请问无须中继器的最大光纤长度是多少？解：从式解：从式 得到：得到：1010(0)(dB/km)log ( )PLP z10dB3910(0)log( )110 =10 log0.41010 =125kmPLP z二、损耗产生的原因二、损耗产生的原因1.1.吸收损耗吸收损耗 本征吸收损耗本征吸收损耗（纯石英固有的因（纯石英固有的因吸收引起的损耗）吸收

35、引起的损耗）紫外吸收：紫外吸收：1.3-1.5um1.3-1.5um处可引起处可引起0.05dB/km0.05dB/km损耗损耗红外吸收：在红外吸收：在1.7um1.7um，可达，可达0.3dB/km,0.3dB/km,在在1.55um1.55um， 损耗损耗0.01dB/km0.01dB/km(1) 紫外吸收紫外吸收 光纤材料的电子吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波量损耗，一般发生在短波长范围长范围晶格(2) 红外吸收红外吸收 光波与光纤晶格相互光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传作用，一部

36、分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗从而引起的损耗过渡金属离子：如铁、钴、镍、铜、锰等离子在过渡金属离子：如铁、钴、镍、铜、锰等离子在 在在0.6um-1.6um0.6um-1.6um范围内有很强的吸收，获得低于范围内有很强的吸收，获得低于 1dB/km1dB/km的损耗，含量低于的损耗，含量低于1010-9-9. .OHOH-1-1占据主要影响：在占据主要影响：在1.38um1.38um、0.92um0.92um、1.26um1.26um处产生很强的吸收，技术突破，可消除。处产生很强的吸收，技术突破，可消除。在在1.2-1.6um1.2-1.6um范围内

37、，最大损耗不超过范围内，最大损耗不超过0.5dB/km.0.5dB/km. 杂质吸收损耗杂质吸收损耗（非本征吸收）（非本征吸收）解决方法：解决方法：(1) 光纤材料化学提纯，比光纤材料化学提纯，比 如达到如达到 99.9999999%的的 纯度纯度(2) 制造工艺上改进，如避制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热免使用氢氧焰加热 ( 汽汽 相轴向沉积法相轴向沉积法)光纤制造过程中，受到热激励或强辐射将会光纤制造过程中，受到热激励或强辐射将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时，发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时，晶格很容易在光场的作用下，产生振动，吸晶格很容易在光场的作用下，产生振动，吸

38、收光能。峰值吸收约为收光能。峰值吸收约为630nm630nm。 原子缺陷吸收损耗原子缺陷吸收损耗1 rad(Si) = 0.01 J/kg例如：光纤暴露在强粒子辐射下，这种吸收会变得十分显著。例如：光纤暴露在强粒子辐射下，这种吸收会变得十分显著。辐射会改变材料的内部结构而使其遭到破坏，受破坏的程度取辐射会改变材料的内部结构而使其遭到破坏，受破坏的程度取决于射线的能量。决于射线的能量。2.2.散射损耗散射损耗光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象称为光的散射。向以外，在其他方向也可以看到光，

39、这种现象称为光的散射。由光的散射所造成的损耗就是散射损耗。由光的散射所造成的损耗就是散射损耗。 瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。光纤材料内部因在制备过程中的熔融及冷却过程：光纤材料内部因在制备过程中的熔融及冷却过程：密度的不均匀密度的不均匀 折射率不均匀折射率不均匀 光波散射光波散射 光能量损耗光能量损耗这种远小于光波波长尺度的不均匀性对光波的散射称为瑞这种远小于光波波长尺度的不均匀性对光波的散射称为瑞利散射。利散射。瑞利散射引起的本征损耗可表瑞利散射引起的本征损耗可表示为：示为： R=c/=c/4 4在在0.8um0

40、.8um处，处，R R已达已达2dB/km,2dB/km,瑞利散射是限制短波长通信的瑞利散射是限制短波长通信的主要因素。在主要因素。在1.55um1.55um处处R R在在0.12-0.15dB/km,0.12-0.15dB/km,当然波长更当然波长更长会进一步减小，但红外吸收长会进一步减小，但红外吸收损耗会迅速增加。瑞利散射和损耗会迅速增加。瑞利散射和红外吸收共同决定了红外吸收共同决定了1.55um1.55um附附近石英光纤最低的损耗系数。近石英光纤最低的损耗系数。 光纤结构不均匀引起的散射损耗光纤结构不均匀引起的散射损耗纤芯纤芯- -包层的界面不完整，芯径变化，圆度不均匀，光纤中残留包层的

41、界面不完整，芯径变化，圆度不均匀，光纤中残留气泡和裂痕等。气泡和裂痕等。 非线性效应散射损耗：受激拉曼散射和受激布里渊散射非线性效应散射损耗：受激拉曼散射和受激布里渊散射单模光纤的典型损耗谱单模光纤的典型损耗谱多模光纤的典型损耗谱多模光纤的典型损耗谱3.3.弯曲损耗弯曲损耗光纤在使用过程中，弯曲往往是不可避免的，当光纤产生弯曲光纤在使用过程中，弯曲往往是不可避免的，当光纤产生弯曲曲时，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为弯曲时，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为弯曲损耗。曲损耗。消逝场 cRCladdingCore场分布光纤受力弯曲有两种类型：光纤受力弯曲有两种类型：

42、宏弯：光纤弯曲半径比光纤直径大得多的弯曲宏弯：光纤弯曲半径比光纤直径大得多的弯曲微弯：光纤成缆时产生的随机性的扭曲微弯：光纤成缆时产生的随机性的扭曲为减小弯曲损耗，通常在光纤表面加一种护套，当受外力作为减小弯曲损耗，通常在光纤表面加一种护套，当受外力作用时，护套发生变形，而光纤仍可以保存准直状态。用时，护套发生变形，而光纤仍可以保存准直状态。高阶模功率损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模低阶模功率耦合到高阶模三、损耗曲线三、损耗曲线光纤损耗随信号波长变化的曲线。常规单模光纤在光纤损耗随信号波长变化的曲线。常规单模光纤在1300nm1300nm处的处的损耗为损耗为0.5dB/km0.5dB/

43、km，在，在1550km1550km处达到最小值处达到最小值0.3dB/km0.3dB/km，在，在1400nm1400nm附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收作用造成的。附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收作用造成的。2.3 光纤色散光纤色散色散概念色散概念 当日光通过棱镜时会呈现按当日光通过棱镜时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）对不同波长（对应于（玻璃）对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射不同的颜色）的光呈现的折射率率n不同，从而使光的传播速度不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，

44、最终使不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。不同颜色的光在空间上散开。光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。就是光纤的色散。光信号包含不同的光信号包含不同的频率频率、模式模式、偏振分量偏振分量光源输出有一定谱宽： 100 KHz10 MHz信号具有不同的频谱分量色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决

45、造成困难码间干扰，给信号的最后判决造成困难1 1、相速度和群速度、相速度和群速度相速度：（单色光）等相位面的传播速度。相速度：（单色光）等相位面的传播速度。设设 E=EE=E0 0cos(wt-kz)cos(wt-kz)由相位不变的条件：由相位不变的条件： wt-kz=wt-kz=常量常量 一、基本概念一、基本概念nckwVpdtdz设角频率分别为设角频率分别为w w1 1和和w w2 2的两单色光波沿的两单色光波沿z z方向传播，它们的方向传播，它们的波动公式为：波动公式为： E E1 1=E=E0 0cos(wcos(w1 1t-kt-k1 1z)z) E E2 2=E=E0 0cos(w

46、cos(w2 2t-kt-k2 2z)z)这两个光波的叠加得到：这两个光波的叠加得到： E=EE=E1 1+E+E2 2 = E = E0 0cos(wcos(w1 1t-kt-k1 1z)+ Ez)+ E0 0cos(wcos(w2 2t-kt-k2 2z)z)引入平均角频率引入平均角频率 和平均波数和平均波数以及调制频率以及调制频率 和调制波数和调制波数 )()(21cos)()(21cos2212121210zkktwwzkktwwEwk2k ,22121kkwwwmwmk2k ,221m21kkwwwm群速度：等振幅面的传播速度，光能量的传输速度，包络中心群速度：等振幅面的传播速度，光

47、能量的传输速度，包络中心前进的速度。前进的速度。则有：则有： )cos()cos(20zktwzktwEEmm由振幅不变条件：由振幅不变条件： wmt-kmz=常量常量lldd dd)(dddkdwdkdwdtdz2121pppppgmmgVVkVkVVkkVkwkkwwkwV自由空间自由空间d d gV光纤中光纤中群速度是波长的函数，不同波长的电磁波以不同速度在介质中群速度是波长的函数，不同波长的电磁波以不同速度在介质中传播，那么在传播方向的单位距离上不同波长的电磁波所需的传播，那么在传播方向的单位距离上不同波长的电磁波所需的时间都不一样，从而产生时延差。这种时延差所造成的后果就是时间都不一

48、样，从而产生时延差。这种时延差所造成的后果就是是光脉冲传播时得到展宽。是光脉冲传播时得到展宽。2.2.群延时群延时延时差：延时差：1d ()dggVll色散系数色散系数3.3.色散系数色散系数引进色散系数引进色散系数D D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔产生的时延差：产生的时延差：群速率色散参数群速率色散参数2 22222dd12ddddggcnDVclllll 0dd.21)()(202010mmmcn2221dd;1ddgV由色散系数由色散系数D D，可得到脉冲展宽：，可得到脉冲展宽：lLDg例如：半导体激光器例如：半导体激光器LDL

49、D的线宽为的线宽为2nm2nm，标准单模光纤，标准单模光纤 D=17ps/(kmnm),D=17ps/(kmnm),传输传输100km,100km,则脉冲展宽？则脉冲展宽？解：解： 脉冲展宽：脉冲展宽： = 1 7 1 0 0 2 = 3 4 0 0 p s= 3 .4 n sgDLl二、色散分类二、色散分类光纤色散光纤色散模内色散模内色散（色度色散）（色度色散）材料色散材料色散波导色散波导色散偏振模色散偏振模色散模间色散模间色散单模光纤单模光纤适用于骨干网适用于骨干网多模光纤多模光纤适用于局域网适用于局域网石英材料的折射率随光波长变化的曲线图石英材料的折射率随光波长变化的曲线图由于光纤材料的折射率随由于光纤材料的折射率随传输光的波长而变化，折传输光的波长而变化，折射率不同，则传输速度也射