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1、第3章 光纤的特性和测量,3.1光纤的特性,3.2单模光纤,3.3光纤的主要参数及其测量,光纤的特性和测量光纤的特性,传输特性：损耗、色散、基带响应等,光学特性：数值孔径、模场直径、截止波长,环境特性：温度特性等几何特性（芯径、外径、偏心度、椭圆度）,机械特性: 抗拉强度、筛选试验等,几何特性：（芯径、外径、偏心度、椭圆度）,两个主要参数： 数值孔径 剖面（横断面）折射率分布,一 光纤数值孔径 反映光纤捕捉光线（或集光）能力大小的一个参数。 渐变型 ：,光纤的特性和测量光纤的特性 光学参数,二 光纤的折射率分布,通常用剖面指数描述，不仅与数值孔径有关，也与光纤的色散特性有关。,阶跃型光纤 其折
2、射率分布为：,光纤的特性和测量光纤的特性 特性参数,梯度型光纤： 当 阶跃型 抛物型（平方律型光纤） 梯度型 、 渐变型,光纤的特性和测量光纤的特性 特性参数,一 光纤损耗产生的原因及分类 电子转移的紫外吸收（1） 材料固有吸收 Si - O建的红外吸收（2） OH-离子吸收（3） 吸收 杂质吸收 过渡金属离子吸收（4） 损耗 原子缺陷吸收（5） 瑞利散射（6） 散射 光纤结构不完善散射（7） 非线性效应散射（8）,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（1）紫外吸收（电子跃迁）,在组成光纤材料的原子系统中，一些处于低能级状态的电子会吸收电磁能量而跃迁到高能级状态，产生的吸收峰在紫外区的0.1
3、22m 处，影响区域 1m， 0.85m： 0.20.3dB/km 1.2m： 0.1dB/km 1.33m、1.55m 可以忽略不计 紫外吸收对石英光纤在红外区工作的影响不大。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（2） 石英分子振动,伸缩振动 曲线振动 振动的基波波长：9.1m、 12.5m、 21m 、 36. 4m 处有振动吸收现象。 振动波长远离目前光纤通信的工作波长范围，对光纤的影响并不显著。,光纤的特性和测量 光纤的特性 损耗特性,（3） OH- 吸收损耗 在1.39 ，1.24，0.95m三个波长上有吸收损耗峰。 在1.39，1PPM（10-6）OH- 产生的吸收峰值损耗高达
4、33db/km，目前OH- 的含量已经降到10-9 以下，1.39波长上的吸收损耗就可以忽略不计，使整个波长区成为平坦的无吸收损耗区。 造成光纤通信波长范围内吸收损耗的主要根源。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（4） 过渡金属离子的吸收损耗 光纤材料中的金属杂质要吸收光波的电磁能量，造成损耗，主要是铁（Fe）、铜（Cu）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）和钴（Co）等，由于现代技术水平的不断提高，提纯这些金属杂质已可达到8PPb（10-9）以下。 金属离子吸收损耗的影响已不显著。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（5） 原子缺陷吸收 指玻璃受到某种激励，例如热激励或强
5、辐射激励时所感生的一种损耗。 石英玻璃受这种激励影响最小。 原子缺陷吸收损耗造成的影响已经很小。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（6） 瑞利散射 瑞利散射是本征散射损耗，它是由于光纤材料石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起的。损耗与光波波长的四次方成反比。 对0.85有影响 对1.3以上波段，影响很小,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（7） 结构不完善散射 由于波导结构不规则导致高阶模的辐射形成损耗，结构缺陷包括纤芯和包层交界面的不完整性、芯径的变化和光纤扭曲。 造成的散射损耗也越来越小，在0.020.2dB/km的范围。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,（8）非线性效应
6、散射（布里渊散射和喇曼散射）,布里渊散射光在光纤中传输时，光波电磁场引起的电致伸缩，使光波与光纤中无规则的热运动的弹性波发生耦合而产生的。 光波很强时，光波的电致伸缩形成的弹性波使光波自身发生显著的受激散射，产生很强的相干光和声波，它将大大减弱传输的光强。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,喇曼散射传输介质的分子振动和旋转使得极化强度不一样而造成的散射。 瑞利散射 布里渊散射 喇曼散射 12个数量级 12个数级,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,光纤损耗的谱特性及工作窗 1）从SIF、GIF到SMF，损耗依次减小。 2）在0.81.55m波段内，除吸收峰外，光纤的损耗随波长增加而迅速减
7、少。 3）由于OH-的吸收作用，使光纤的损耗谱特性在0.71.6之间出现三个损耗高峰，在每两个损耗峰之间，有一个相对低的损耗区域，称第一窗口、第二窗口和第三窗口。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,光纤损耗谱 (a) 三种实用光纤； (b) 优质单模光纤,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,三. 减少光纤损耗的途径 a) 提高光纤材料的纯度，减少杂质的吸收损耗； b) 改进并提高光纤的制造工艺， 减少波导效应的散射损耗。,光纤的特性和测量光纤的特性 损耗特性,一 概念 光纤的色散脉冲信号在光纤中传输时被展宽的现象。,光纤中的脉冲被展宽现象,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,光纤中的
8、脉冲被展宽现象图示,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,分析：,光纤中的传播速度 ，光线2的路径比光线1长，由于传输路径的长短不一，二个光线所携带的光脉冲到达光纤终端的时间不一样，光线1的脉冲先到，光线2的脉冲后到。,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,色散（脉冲展宽）危害码间干扰，当系统的码速较高时，相邻的信号脉冲之间的间隙较小，在传输一定距离后，脉冲将产生部分重叠而使脉冲判决发生困难。,光纤中的码间干扰,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,二描述色散的物理参数 （1）时延差 光纤中的色散可分为两类三种： 模间色散（模式色散） 模内色散 材料色散 波导色散（结构色散）,光纤的特性
9、和测量 光纤的特性 色散特性,（a）模间色散 指不同模式在光纤中传输时的传播常数不同，从而传输同样长的距离后产生群时延差。 理解：多模光纤中存在许多不同的模式，不同的模式到达光纤终端的时间先后不同，造成光脉冲展宽，从而出现色散现象。,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,模间最大时延差指其中的最高次模和最低次模光线之间的传输时间差：,单位长度的时延差为：,上述公式需用模式群理论，即基于标量波动方程的WKB （Wentzel 、Kvamers and Brillouin 三人名字的缩写）方法，在几何光学极限下，用近似方法分析非均匀纤芯的光纤。,（b）模内色散 又称颜色色散，主要是由于光源有一定
10、谱宽，信号光中含有不同的波长成分而引起的（不同波长在同一媒质中传输速度不一样）。 理解：一般光源发出的光除中心波长外，还包括其附近若干不同的波长，称为该光源的光谱，半导体激光器（LD）的频谱窄，一般为2nm，发光二极管（LED）频谱宽，一般为2096nm。,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,材料色散：考虑芯材料的折射率因光波长而变化，从而使不同波长的光在纤芯中传播速度出现差异所引起的色散。 结构色散（波导色散）：由于光纤中模式的传播常数是频率的函数引起的。它不仅与光源的谱宽有关，还与光纤的结构参数如V等有关。 多模光纤：模式色散和材料色散 单模光纤：材料色散和波导色散,光纤的特性和测量
11、光纤的特性 色散特性,Dm一材料的色散系数，表示单位长度（ km）、单位谱线宽度（nm）的光纤所产生的时延。 Dm 光源谱线宽度为（nm）、长度为L（km）的光纤，其总的材料色散时延可以表示为：,波导色散 Dw（v）阶跃光纤基模的无因次色散系数，它是归一化频率V的函数，通常Dw(v) 总的脉冲展宽,（2）脉冲展宽均方根值 光在光纤中传播时每个模都携带一定的光功率，由于在光纤终端各个模式到达的时间不同，使模所载光功率到达的时间不同，即在光纤终端，光是以时间而言的功率谱密度形式分布的。,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,设各模式所携带光功率到达光纤终端的平均时间为t，早到或晚到的光脉冲功率其
12、时间偏离值为（t-t），它的均方根值即为脉冲展宽的均方根值： 是单边值，早到和晚到的光脉冲功率都考虑时，脉冲展宽均方根值应为其双边值2。 多模阶跃光纤 多模渐变光纤,三光纤的带宽 光纤的带宽可以用光纤对传输脉冲展宽来表示： B= （Hz） A：输出脉冲波形决定的常数 （高斯： A=0.44） 脉冲展宽越大，光纤的带宽越小（频域），从增加光纤带宽的观点来看，一般希望较小，即希望色散越小越好。,由模式畸变（模间色散）决定的每公里最佳折射率分布（2）的渐变型光纤带宽表达式为： B （Hz.km） tS= 每公里突变型光纤的带宽为,比较上二式，渐变型光纤的带宽比突变型光纤的带宽大 倍 。 光纤的带宽与
13、光源的谱线宽度成反比，因此，为了获得足够大的带宽，应尽可能选择谱线宽度窄的光源。,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,一 单模光纤的单模工作条件 VVC 导行 V=VC 临界 V VC 截止 VC（LP11）=2.405 单模工作条件： 0 V 2.405 V是结构参数，具有频率的量纲。,光纤的特性和测量 单模光纤,二单模光纤的极化问题,（1）研究目的 单模光纤应用：制成各种高灵敏度的光纤传感器，如磁场针、光陀螺、声纳、加速仪、流量计、温度计等。 对单模光纤的研究，主要集中在对其偏振问题的研究。 单模光纤的极化问题=单模光纤中的偏振问题= 双折射现象,光纤的特性和测量 单模光纤,（2）概念
14、,光纤极化问题：当纤芯不是理想的均匀对称时，（几何形状及折射指数的非均匀对称），将使单模光纤的偏振状态（极化状态）沿光纤的长度而变化称光纤的极化问题。,光纤的特性和测量 单模光纤,光矢量在空间的取向称光的偏振，在电磁场理论中，称为电磁场的极化。 用电磁强度的端点在空间所描绘的轨迹说明光的偏振或电磁波的极化状态，可分为三种情况： 线偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光,光纤的特性和测量 单模光纤,(a) 线偏振光,当电场强度E在空间的取向不变时，则电场强度E端点变化的轨迹是一条直线，这时的光称为线偏振光或称直线极化波。 Ex E EY 线偏振光,光纤的特性和测量 单模光纤,电场E的两个正交分量Ex和Ey
15、的传播常数一样，初相角也一样，在空间任一点的z处，它们的电场强度分量为:,因为， 所以可得,在光的传输过程中，光的输入偏振角不随时间t和传输距离z的变化而变化，此时仅幅值Em变化，而其取向不变。,(b)圆偏振光（圆极化波）,圆偏振光,当电场强度E的幅值不变，且在空间匀速旋转，则E的端点变化轨迹是一个圆。这时的光便称为圆偏振光或称圆极化波。,光纤的特性和测量 光纤的特性 色散特性,维持圆偏振态的条件，必须是E的两个分量Ex和Ey的幅值相等，传播常数一样，相位差为/2，即Ezm=Eym=Em, 。 这时，电场E两个正交分量Ex 和Ey的表达式可分别写为:,由此可得: 可见，若ay 不变或等于零，则随时间t和传输
