【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 要的不純物是基態(tài)振動(dòng)吸收峰在 處的 OH? 離子，因而在光纖制作過(guò)程中采取了特別的預(yù)防措施來(lái)保證 OH? 離子濃度小于百萬(wàn)分之一 。 (2) 光纖的散射損耗 瑞利散射損耗。光纖的加熱制造過(guò)程中，熱擾動(dòng)使原子產(chǎn)生壓縮性的不均勻，造成材料密度不均勻，進(jìn)一步造成折射率不均勻。這種不均勻性在冷卻過(guò)程中固定了下來(lái)并引起光的散射，稱為瑞利散射 。瑞利散射是一種基本損耗，它是由于制造過(guò)程中沉積到熔石英中的隨機(jī)密度變化引起的，它將導(dǎo)致折射率本身的起伏 ，使光向各個(gè)方向散射。瑞利散射隨 4?? 變化，因而其主要作用區(qū)在短波長(zhǎng)區(qū)。這種損耗對(duì)光纖來(lái)說(shuō)是本身固有的，因而它確定了光纖的最終損耗極限，其本征損耗大致為 （ 單位 dB/km） 4/RRC??? () 式中，常數(shù) CR 在 ( 4kmμm? )～ ( 4kmμm? )范圍內(nèi)，其具體值與纖芯的組分有關(guān)。 (3) 輻射損耗 當(dāng)理想的圓柱形光纖受到某種外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲，導(dǎo)致能量泄露到包層，這種由能量泄露導(dǎo)致的損耗成為輻射損耗。 光纖受力彎曲有兩類： ① 曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲，例如，當(dāng)光纜拐彎時(shí)就會(huì)發(fā)生這樣的彎曲； ② 光纖成纜時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)性扭曲，稱為微彎引起的附加損耗一般很小，基本上觀測(cè)不到。 第 4 頁(yè) 共 18 頁(yè) 光纖 的 色散 特性 信號(hào)在光纖中是由不同的頻率成分和不同模式成分?jǐn)y帶的，這些不同的頻率成分和模式成分有不同的傳播速度，從 而引起色散 ， 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是當(dāng)一束電磁波與電介質(zhì)的束縛電子相互作用時(shí)，介質(zhì)響應(yīng)通常與光波頻率 ? 有關(guān)，這體現(xiàn)在折射率 ()n? 對(duì)頻率的依賴關(guān)系上，此關(guān)系稱為光纖色散特性。 光纖的色散導(dǎo)致了光脈沖在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生啁啾 ， 從而導(dǎo)致光脈沖的展寬 [6]。 光纖色散是光纖通信的另一個(gè)重要特性，光纖的色散會(huì)使輸入脈沖在傳輸過(guò)程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量。因此制造優(yōu)質(zhì)的 、色散小的光纖，對(duì)增加通信系統(tǒng) 容量和加大傳輸距離是非常重要的。 單模光纖中的色散包括群速度色散 （ GVD） 和偏振模色散 （ PMD） 兩大類。 PMD 對(duì)長(zhǎng)途通信系統(tǒng)非常重要，在 20 世紀(jì) 90 年代就被廣泛研究。 PMD 引起的脈沖展寬比 GVD 效應(yīng)引起的展寬相對(duì)要小。然而對(duì)工作在光纖零色散波長(zhǎng)附近、長(zhǎng)距離傳輸?shù)母咚俟饫w通信系統(tǒng)， PMD 成為一個(gè)限制因素。 光纖的色散主要由兩方面引起：一是光源發(fā)出的并不是單色光；二是調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬。實(shí)際光源發(fā)出的光不是單色的，而是有一定的波長(zhǎng)范圍。這個(gè)范圍就是光源的線寬。在對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制時(shí)，可以認(rèn)為信號(hào)是按照同樣的方式對(duì)光 源譜線中的每一分量進(jìn)行調(diào)制的。光纖中的信號(hào)能量是由不同的頻率成分和模式成分構(gòu)成的，它們有不同的傳播速度，從而引起比較復(fù)雜的色散現(xiàn)象。 光纖色散也是影響光脈沖在光纖中傳輸?shù)囊蛩?，一般?lái)說(shuō)，色散的起源與介質(zhì)通過(guò)束縛電子的振蕩吸收電磁輻射的特征諧振頻率有關(guān)，遠(yuǎn)離介質(zhì)諧振頻率時(shí)，折射率與塞爾邁耶爾方程近似 22221( ) 1m jjj jBn ?? ????? ?? () 式中， ?j是諧振頻率， Bj為 j 階諧振強(qiáng)度。由于不同的頻譜分量對(duì)應(yīng)于由 c/n(?)給定的不同的脈沖傳 輸速度。因而色散在短脈沖傳輸中起關(guān)鍵作用，甚至當(dāng)非線性效應(yīng)不很嚴(yán)重時(shí)，由色散引起的脈沖展寬對(duì)光通信系統(tǒng)也是有害的。 在數(shù)學(xué)上，光纖的色散效應(yīng)可以通過(guò)在中心頻率 ?0處展成模的傳輸常數(shù) ?的泰勒級(jí)數(shù)來(lái)解決 20 1 0 2 01( ) ( ) ( ) ( )2n c?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? () 0ddmm m???? ????????? ( 0,1,2,m? ) () 參量 ?1， ?2和折射率 n 有關(guān)，它們的關(guān)系表示為 1 1 1 d()dg gn nnc v c???? ? ? ? () 第 5 頁(yè) 共 18 頁(yè) 22 21 d d(2 )ddnnc?????? () 式中 ， ng是群折射率， vg是群速度，脈沖包絡(luò)以群速度運(yùn)動(dòng)。 ?2表示群速度色散，和脈沖展寬有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為群速度色散 （ GVD） 。 光纖的非線性特性 在高強(qiáng) 光場(chǎng)影響下，光介質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)將呈現(xiàn)出非線性 特點(diǎn)，即使注入光纖的功率不很高，但由于傳輸距離 （ 以光波長(zhǎng)度量 ） 長(zhǎng)，光纖尺寸小，這種影響亦是不可忽視的。光 纖非線性 響應(yīng)起因于光場(chǎng)作用下束縛電子的非簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電偶極子的極化強(qiáng)度 P 對(duì)光場(chǎng) E 的非線性依賴關(guān)系。這種非線性 響應(yīng)的表現(xiàn)是多方面的，其中 Kerr 效應(yīng)、自相位調(diào)制與 Raman 散射對(duì)光孤子的形成和傳輸演化具有特別重要的影響 [7]。 考慮非線性 影響時(shí)，在光場(chǎng)作用下，光纖介質(zhì)的電極化強(qiáng)度 P 可寫(xiě)作 ? ? ? ? ? ?? ?1 2 30 :P E E E E E E? ? ? ?? ? ? ? ? () 式中 0? 是 真空中的 介電常數(shù)， ??j? (j=1,2,3… )為 j 階電極化率?？紤]到光的偏振效應(yīng)， ??j? 是 j+1 階張量 ，其中線性 電極化率 (1)? 決定線性 折射率 n0(? )和光纖損耗?。 (2)? 會(huì)引起二次諧波與和頻參放，但在分子結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的 SiO2 光纖中(2)? =0。因此 (3)? 是光纖中最低階亦是最重要的非線性 效應(yīng)。 (3)? 的作用引起折射率隨光場(chǎng)的非線性 變化 ? ? ? ?222,n E n n E???? () 式中 E 為光纖中光場(chǎng)的有效值 （ 均方根 ） ； n2 為與 (3)? 相關(guān)的非線性 折射率，稱為 Kerr 系數(shù)，對(duì) x 方向的線偏振光，有 (3)2 38n n ????? () 對(duì)于石英光纖， n2≈ 10 22? m 2 /V 2 。在實(shí)用單位制中， Kerr 系數(shù)可寫(xiě)為N2[cm2 /W]=10 16? cm2 /W。 光 纖中還有兩種非線性 效應(yīng)，屬于受激非彈性散射，它們均與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，稱為受激喇曼散射 （ SRS） 和受激布里淵散射 （ SBS） ，它們對(duì)光信號(hào)的傳輸亦將產(chǎn)生重要影響。 非線性折射率 光纖中的最低階非線性效應(yīng)起源于三階電極化率 (3)? ，它是引起諸如三次諧波產(chǎn)生、四波混頻以及非線性折射等現(xiàn)象的主要原因 [8]。然而，除非采取特別的措施實(shí)現(xiàn)相位匹配，牽涉到新頻率產(chǎn)生的 （ 三次諧波的產(chǎn)生或四波混頻 ） 非線性過(guò)程在光纖中是不易發(fā)生的。因而，光纖中的大部分非線性效應(yīng)起 源于非線性折射率，而折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是由 (3)? 引起的，即光纖的折射率可表示成 222( , ) ( )n E n n E???? () 第 6 頁(yè) 共 18 頁(yè) 式中， 2E 為光纖內(nèi)的光強(qiáng)， n2與 (3)? 關(guān)系 如方程 ()。 折射率對(duì)光強(qiáng)的依賴關(guān)系導(dǎo)致了大量有趣的非線性效應(yīng) ： 其中研究得最廣泛的是自相位調(diào)制 （ SPM） 和交叉相位調(diào)制 （ XPM） 。 SPM 指的是光場(chǎng)在光纖內(nèi)傳輸時(shí)光場(chǎng)本身引起的相移，它的大小可以通過(guò)記錄光場(chǎng)相位的變化得到 20 2 0()nk L n n E k L? ? ? ? () 式中， k0=2 ?π ， L 是光纖長(zhǎng)度。與光強(qiáng)有關(guān)的非線性相移 220NL n k L E? ? 是由 SPM引起的。 XPM 指的是由不同波長(zhǎng)、傳輸方向或偏振態(tài)的脈沖共同傳輸時(shí)，一種光場(chǎng)引起的另一種光場(chǎng)的非線性相移。它的起源可以通過(guò)方程 ()給 出的總電場(chǎng)量 E來(lái)解釋。 1 1 2 21 ?[ e x p ( ) e x p ( ) . . ]2E x E i t E i t c c??? ? ? ? ? () ，當(dāng)兩個(gè)頻率分別為 ?1 和 ?2， x 方向偏振的光波同時(shí)在光纖內(nèi)傳輸時(shí)，頻率為 ?1的光場(chǎng)的非線性相移為 222 0 1 2( 2 )NL n k L E E? ?? () 由于相位失配的關(guān)系，這里忽略了頻率 ?1 和 ?2 以外產(chǎn)生極化的所有項(xiàng)。方程 ()右邊的兩項(xiàng)分別由 SPM 和 XPM 引起。 XPM 的一個(gè)重要特性是，對(duì)相同強(qiáng)度的光場(chǎng)， XPM 對(duì)非線性相移的貢獻(xiàn)是 SPM 的兩倍。 在其他方面， XPM 與共同傳輸光脈沖的不對(duì)稱頻譜展寬有關(guān) 。 3 脈沖在光纖中傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ) 麥克斯韋方程組 像其它的電磁現(xiàn)象一樣，光纖中光脈沖的傳輸也服從麥克斯韋方程組，在國(guó)際單位制中，該方程組可寫(xiě)成 BE t??? ??? () DHJ t??? ? ? ? () fD ??? ? () 0B?? ?