【正文】 因?yàn)楣庠纯偞嬖谝欢ǖ念l譜寬度，所以這種已調(diào)制光波通過單模光纖傳輸時(shí)，其光纖色散使脈沖展寬，從而限制著傳輸信號(hào)的最高碼速，或限制信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。 設(shè)在光纖正向傳輸?shù)墓夤β蕿?P， 經(jīng)過 L1和 L2兩點(diǎn)（ L1L2） 時(shí)分別為 P1和 P2（ P1P2）， 從這兩點(diǎn)返回輸入端。常用的有機(jī)械柱狀擾模器件和 SGS（ 階躍 梯度 階躍）光纖型擾模器。 為了保證高精度的測量，要求： 測試系統(tǒng)高度穩(wěn)定； 有合適的注入條件； 有高質(zhì)量的光纖端面。該方法測試精度高。測量的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范由國際標(biāo)準(zhǔn)（ ITUT）或國標(biāo)確定。 光纖制造 2023/2/10 114 Chapter 2 光纖和光纜 光纜 2023/2/10 115 Chapter 2 光纖和光纜 Cable Designs ? Mechanical design: ?Indoor, outdoor, submarine ?Local or national building and construction codes may apply ? Electrical designs: ?No metal or electrical wires at all ?Power wires (supply for remote amplifiers or regenerators) Optical fibers Tube Strain relief (., Kevlar) Inner jacket Sheath Outer jacket 2023/2/10 116 Chapter 2 光纖和光纜 光纜的結(jié)構(gòu) 光纜的結(jié)構(gòu)：光纖芯線 （ 纜芯 ） 、 護(hù)套 、 加強(qiáng)部件 通常把經(jīng)過涂覆的光纖稱為光纖芯線 。 ? 可以有正的或負(fù)的色散 —— 海底傳輸系統(tǒng) ?正色散 SPM效應(yīng)壓縮脈沖，負(fù)色散 SPM效應(yīng)展寬脈沖。 2023/2/10 98 Chapter 2 光纖和光纜 Waveguide dispersion n1 (l) n2 (l) 2023/2/10 99 Chapter 2 光纖和光纜 一般來說，光纖三種色散的大小順序是： 模式色散 材料色散 波導(dǎo)色散 對(duì)于多模光纖，總色散等于三者相加，在限制帶寬方面起主導(dǎo)作用的是模式色散，其他兩個(gè)色散影響很小。 2023/2/10 97 Chapter 2 光纖和光纜 波導(dǎo) 色散 光纖的第三類色散是波導(dǎo)色散。 2023/2/10 95 Chapter 2 光纖和光纜 弱導(dǎo)光纖 從制造的觀點(diǎn)看，小折射率差是個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樾九c包層一般由相同的基本材料制成，為修改折射率剖面，可在基材中攙入一種或幾種摻雜劑。在同一條長度為的光纖上，最高次模與最低次模到達(dá)終點(diǎn)所用的時(shí)間差，就是這段光纖產(chǎn)生的脈沖展寬。 散射 2023/2/10 87 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的 色散 色散（ Dispersion）： Different ponents of light travel at different velocities in the fiber and arrive at different times. 色散是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說瑞利散射損耗是無法避免的。粒子的振動(dòng)頻率由粒子的大小來決定。清除它們，對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行格的化學(xué)提純，就可以大大降低損耗。距原子核近的軌道能級(jí)較低，距原子核越遠(yuǎn)的軌道能級(jí)越高。附加損耗是可以盡量避免的。只有降低光纖損耗，才能使光信號(hào)暢通無阻。 光纖的傳播模式 2023/2/10 74 Chapter 2 光纖和光纜 ④ 能滿足全反射條件的光線也只是具有特定角度的部分才能在光纖中傳輸，因此，不同模式的光的傳輸方向不是連續(xù)改變的。這種只允許傳輸一個(gè)基模的光纖就稱為單模光纖。緊鄰 HE11模的高階模是 TE0 TM01模和 HE21模 ,其截止值均為 Vc＝ 。 模式具有確定的相速群速和橫場分布 . 模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。 軌跡曲線在光纖端面投影線仍是過園心的直線，但一般不與纖壁相交。從物理上看，光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。對(duì)于漸變波導(dǎo) ,n是 r的函數(shù) ,則 dr/dS為一變量 , 這表明光線將發(fā)生彎曲。 強(qiáng)度元件內(nèi)護(hù)層?光纖192。 2023/2/10 29 Chapter 2 光纖和光纜 單模： 8/125μ m， 9/125μ m， 10/125μ m 多模： 50/125μ m 歐洲標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)： 100/140μ m， 200/230μ m 塑料光纖： 98/1000μ m 用于汽車控制。 2023/2/10 27 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 折射率分布 漸變光纖的包層折射率分布與階躍光纖一樣，為均勻的。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。特別是在色散為零的波長附近，干擾尤為嚴(yán)重。這種光纖如工作在 m波長區(qū)，雖然損耗較低，但由于色散較大，仍會(huì)給高速光通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。從光纖的損耗特性來看， m處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。 80年代起，傾向于多用單模光纖，而且先用長波長 m。它的特點(diǎn)是制造成本低廉，相對(duì)來說芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進(jìn)光纖的光功率大，使用方便。 當(dāng)纖芯內(nèi)的光線入射到纖芯與包層的交界面時(shí)，只要其入射角大于臨界角，就會(huì)在纖芯內(nèi)發(fā)生全反射，光就會(huì)全部由交界面偏向中心。在具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光纖中，一個(gè)參數(shù)就足以描述結(jié)構(gòu)的折射率剖面。 standard air: 。即 θin=arcsin（ n2/n1） 。 第二章 光纖和光纜 2023/2/10 1 Chapter 2 光纖和光纜 Physics of Light: A Brief Overview Optical FibersBasics Optical Fibers—A Deeper Look Single Mode Fibers—Basics Single Mode Fibers—A Deeper Look Fabrication,Cabling,and Installation Fiber Cable Connectorization and Testing 學(xué)習(xí)內(nèi)容 2023/2/10 2 Chapter 2 光纖和光纜 Physics of Light: A Brief Overview 2023/2/10 3 Chapter 2 光纖和光纜 The Nature of Light We all know a lot about light. (Really??) The basis of our most important sensory function Light is described in one of three ways!! Rays Electromagic Wave Photons 2023/2/10 4 Chapter 2 光纖和光纜 當(dāng)一束光線按照一定的角度射向一塊平面鏡時(shí)，它就會(huì)從鏡面“反彈”出去，這種“反彈”現(xiàn)象就叫做光的反射，這種反射叫做菲涅爾反射。 其中 θc＝arcsin （ n2/n1） ， 稱為臨界角，即在第二種介質(zhì)的折射角為 90度時(shí)的入射角。 silica fiber: to ) 預(yù)備知識(shí) 2023/2/10 8 Chapter 2 光纖和光纜 1000 pm (pieter) = 1 nm (nanometer) 1000 ?m = 1 mm (millimeter) 1000 nm (nanometer) = 1 ?m (micrometer) 1000 mm = 1 m (meter) (~40 inches） 預(yù)備知識(shí) 常用的單位 2023/2/10 9 Chapter 2 光纖和光纜 The Logarithmic Scale 0 dBm = 1 mW 3 dBm = 2 mW 5 dBm = 3 mW 10 dBm = 10 mW 20 dBm = 100 mW 3 dBm = mW 10 dBm = 100 ?W 30 dBm = 1 ?W 60 dBm = 1 nW dBm = 10 ? log10 (P / 1 mW) 預(yù)備知識(shí) 2023/2/10 10 Chapter 2 光纖和光纜 Coherence（ 相干） Coherent light Photons have fixed phase relationship (laser light) Incoherent light Photons with random phase (sun, light bulb) Coherence length (CL) Average distance over which photons lose their phase relationship 1/e 1 CL 預(yù)備知識(shí) 2023/2/10 11 Chapter 2 光纖和光纜 光纖結(jié)構(gòu)和類型 2023/2/10 12 Chapter 2 光纖和光纜 初識(shí)光纖 光纖為什么會(huì)像金屬導(dǎo)線那樣能夠傳輸信號(hào)呢？ 在這里首先我們要清楚光纖到底是什么東西。 n(r)= n1[12 Δ(r/a)g]1/2 (0=r=a) n(r) =n2 (ar) 其中 Δ為相對(duì)折射率差， a為纖芯半徑， g為折射率分布指數(shù)，通過變化 g可以獲得各種折射率分布的光纖。當(dāng)碰到對(duì)面交界面時(shí)，又全反射回來，如下圖所示：光纖中的光就是這樣在芯包交界面上，不斷地來回全反射，傳向遠(yuǎn)方，而不會(huì)漏射到包層中去。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計(jì)算機(jī)網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。 2023/2/10 20 Chapter 2 光纖和光纜 多模光纖 多模光纖 (Multi Mode Fiber)： 中心玻璃芯較粗 (50或 m)， 可傳多種模式的光。這樣， m波長區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。因此，這種光纖仍然不是理想的傳輸媒介。 2023/2/10 24 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 傳輸窗口 為此，人們又研制了一種非零色散位移光纖即 G655光纖，將光纖的零色散點(diǎn)移到 m 工作區(qū)以外的 m以后或在 m以前，但在 m波長區(qū)內(nèi)仍保持很低的色散。光纖中心芯到包層的折射率是突變的，只有一個(gè)臺(tái)階，所以稱階躍光纖，也稱突變光纖。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。 常用光纖規(guī)格 2023/2/10 30 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的性能參數(shù) 幾何特性和光學(xué)特性：包層直徑、芯直徑 …它們與在光源與光纖耦合以及光纖與光纖耦合時(shí)所產(chǎn)生的損耗有著密切的關(guān)系 。 纜芯外護(hù)層?單模： 8 ~10mm 多模： 50mm 125mm 圓柱波導(dǎo)：光導(dǎo)纖維 2023/2/10 45 Chapter 2 光纖和光纜 對(duì)稱波導(dǎo)： 芯區(qū)周圍的介質(zhì)折射率相同 非對(duì)稱波導(dǎo)： 芯區(qū)周圍的介質(zhì)折射率不同 對(duì)稱 /非對(duì)稱波導(dǎo) 2023/2/10 46 Chapter 2 光纖和光纜 ?光波如何進(jìn)入光波導(dǎo)？（模式的激勵(lì)） ?光波在光波導(dǎo)中如何傳播？ (模式分布 ) ?光波導(dǎo)的基本特征參數(shù)及測試技術(shù) ?光波導(dǎo)耦合技術(shù) ?光波導(dǎo)有源與無源器件 ?光波導(dǎo)中的非線性效應(yīng) ?光波導(dǎo)傳感技術(shù) ?光波導(dǎo)集成技術(shù) 《光波導(dǎo)技術(shù)》的研究內(nèi)容 2023/2/10 47 Chapter 2 光纖和光纜 《光波導(dǎo)技術(shù)》的參考書目 ?《導(dǎo)波光學(xué)》范崇澄、彭吉虎 ?《光纖光學(xué)》劉德明、向清、黃德修 ?《光纖技術(shù)及其應(yīng)用》劉德明、向清、黃德修 ?《介質(zhì)光波導(dǎo)理論》 D. Marcuse, 劉弘度譯 ?“ Optical Waveguide Theory” Snyder A W ，Love J. 2023/2/10 48 Chapter 2 光纖和光纜 光纖傳輸理論 我們知道光有波粒二重性，就是說即可以將其看成光波，也可以將其看成是由光子組成的粒子流。而且可以證明 ,光線總是向折射率 高的區(qū)域彎曲。NA越大，則光纖接收光的能力也越強(qiáng)。 ?局部數(shù)值孔徑 : 定義局部數(shù)值孔徑 NA(r)為入射點(diǎn)媒質(zhì)折射率與該點(diǎn)最大入射角的正弦值之積 ,即 222m a x0 )()(sin)()( nrnrrnr i ??? ?? ????????????arnararnrn22/121 0)/(21)(漸變型多模光纖：漸變折射率分布 2023/2