光纤光学第二章

Chapter21第二章光纤的特性光纤光学W-CChenFoshanUniv.损耗和色散是光纤最重要的传输特性！损耗限制系统的传输距离!色散则限制系统的传输容量!Chapter22§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P0为入纤功率，传输功率：PT=P0e-αL光纤损耗：用dBm表示Chapter23光纤的损耗•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。Chapter24光纤的损耗•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。Chapter25普通单模光纤的衰减随波长变化示意图0.70.80.91.01.11.21.31.41.5第一窗口第二窗口波长——λ（μm）6543210。40。2第三窗口C波段1525~1565nm1.571.62L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2µm的远红外线。但是OH（杂质）的吸收峰在2.37µm，1.37µm和1.23µm是其谐波。结论：石英光纤在1.55µm损耗最小，少量OH导致显著吸收峰1.37µm、1.23µm。Chapter26Chapter27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)(ModeDispersion)色度色散(ChromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)色散的种类：Chapter28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(Pulsebroadening)。所以，色散通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽Δτ表示。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)/2Δτn——模式色散；Δτm——材料色散；Δτw——波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。Chapter29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-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladdingChapter210cin1n2n0经历最短和最长路径的两束光线间的时差:2211sinnncLLLcnTc-传输容量限制:cnnBLBT2121B--信号比特率Chapter211Thisiscausedbythefactthattherefractiveindexoftheglassweareusingvaries(slightly)withthewavelength.Somewavelengthsthereforehavehighergroupvelocitiesandsotravelfasterthanothers.Sinceeverypulseconsistsofarangeofwavelengthsitwillspreadouttosomedegreeduringitstravel.色度色散材料色散和波导色散总称为色度色散(ChromaticDispersion)，常简称为色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。Chapter212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。002020200dndcLdddwdkvg1)(wncwdwd)()(wncwwk000)(11ddnncvg0000ddnncLvLg9202200101dndcDmChapter213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Δ及剖面形状决定。波导色散)(212vbnnncw2221nnacwvbvdvdcnncndwdvg2121bvdvdncLvLgw12122121222112nnnnnn2200120dvbvdvncLddw122201210dvbvdvcnDwChapter214波导色散Chapter2151550nm1310nm色散ps/nmkm普通光纤(SMF)非色散位移光纤（NDSF，G.652）已有光纤的95%波长色散位移光纤（DSF,G.653）非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）180DWDM波长范围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。Chapter216Chapter217§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(βx≠βy)。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(βx-βy)定义为双折射Δβ，通常用归一化双折射B来表示，式中，=(βx+βy)/2为两个传输常数的平均值。)(yx两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长Lb2bL双折射偏振色散限制系统的传输容量。Chapter218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。Chapter219§4.偏振光在光纤中传输1.矩阵表示法——Jones矩阵yExEEyxˆˆ对于平面波：)(0xztixxeEE)(0yztiyyeEE)(0yxioyxyxeEEEE用矩阵表示iixyiyxeReEEeEE110000Chapter220各种偏振态的Jones矢量表示水平线偏振01垂直线偏振1045线偏振112145线偏振1121右旋圆偏振i121左旋圆偏振i121相位角差决定合成后的偏振态的特性。Chapter221•偏振光通过光学元件的表达：cossinsincos00cossinsincosiieeMinyxoutyxEEDCBAEEinyxnnnnoutyxEEDCBADCBAEE1111例：光通过双折射光纤的矩阵表示法双折射光纤矩阵：inyxiiiioutyxEEeeeeEE45cos45sin45sin45cos00cossinsincos00cossinsincos1122通过两段双折射光纤的表达：Chapter2222.邦加莱球（Poincare）图示法221||||yxAAs)Re(2*2yxAAs)Im(2*3yxAAsChapter223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.简述正负色散区内脉冲信号传输展宽的现象。3.简述色度色散，模间色散和偏振模色散的概念。4.简述光纤损耗的机制。5.构建色散补偿的方法。