【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 于多模光纖 )，嚴(yán)格來(lái)講，必須從波動(dòng)理論出發(fā)。Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 56 模式是波動(dòng)理論的概念， 一個(gè)模式是由它的傳輸常數(shù) ?唯一確定的 。 波動(dòng)理論 中，光纖模式就是光波在光纖中傳播的穩(wěn)定樣式，一種電磁場(chǎng)分布（ 麥克斯韋方程的解）稱(chēng)之為一個(gè)模式。傳輸常數(shù) β的定義及物理意義： 一束光線在纖芯中傳輸時(shí)，其波矢量的方向是光線的傳播方向，大小為 k0n1，稱(chēng)之為傳輸常數(shù)。 物理意義： 光傳輸單位距離時(shí)，其相位的變化大小。因此，傳輸常數(shù)乘以光在傳輸方向上的距離就是光波經(jīng)過(guò)這段距離后相位的變化量。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 57光纖中模場(chǎng)的特點(diǎn)：(1) 模場(chǎng)并不完全局限在纖芯，而是部分進(jìn)入包層(2) 強(qiáng)度在纖芯區(qū)域簡(jiǎn)諧變化，在包層按指數(shù)衰減(3) 模式的階數(shù)等于波導(dǎo)橫向場(chǎng)量零點(diǎn)的個(gè)數(shù)(4) 光的入射角越小，激發(fā)的模式階數(shù)越低強(qiáng)度簡(jiǎn)諧變化指數(shù)衰減指數(shù)衰減纖芯 n1包層 n2包層 n2167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 58* 輻射模和泄露模：入射光除了能激勵(lì)起導(dǎo)波模外，還有其它模式：輻射模： 光的入射角過(guò)大，導(dǎo)致光在波導(dǎo)表面產(chǎn)生折射進(jìn)入包層形成包層模。干擾導(dǎo)模、衰減泄漏模： 一些高階模的能量在沿光纖傳播的過(guò)程中連續(xù)輻射出纖芯，很快衰減并消失。某個(gè)模式怎樣才能成為導(dǎo)波模呢？ 導(dǎo)模傳輸條件條件：傳播常數(shù) β滿(mǎn)足 n2kβn 1k或 n2 β/kn1。導(dǎo)波模和泄漏模的 分界點(diǎn) (截止條件 )為： β= n2k。與截止條件相對(duì)應(yīng)的重要參數(shù)是歸一化頻率 V。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 592. 相位一致條件 光纖中光波相位的變化情況如上圖所示，以階躍型光纖為例，光纖的相位一致條件，是波動(dòng)光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論。光纖中光波相位的變化情況167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 60216。 相位一致條件就是說(shuō)：如果圖中所示的這個(gè)模式在 A、 B處相位相等，則經(jīng)過(guò)一段傳播距離后，在 A′、 B′處也應(yīng)該相位相等或相差 2π的整數(shù)倍。216。 光纖的相位一致條件也可以從另外一個(gè)角度出發(fā)得到。根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：波在無(wú)限空間中傳播時(shí)，形成行波；而在有限空間傳播時(shí)，形成駐波。光纖中光波相位的變化情況167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 61216。 一旦確定了光波導(dǎo)和光波長(zhǎng)，那么 n n 纖芯直徑 2a以及真空中光的傳播常數(shù) k0也就確定了，光纖中存在哪些模式也將確定。216。 對(duì)于漸變型多模光纖，同樣，其導(dǎo)模不僅要滿(mǎn)足全反射條件，還要滿(mǎn)足相位一致條件。216。 在漸變型多模光纖中，低階模由于靠近光纖軸線，其傳播路程短，但靠近軸線處的折射率大，該處光線傳播速度慢；高階模遠(yuǎn)離軸線，它的傳播路程長(zhǎng)，但離軸線越遠(yuǎn)折射率越小，該處光線的傳播速度越快。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 62 與相位一致有關(guān)的模式概念： 在光纖纖芯內(nèi)傳播的光波，可以分解為沿 軸向 傳播的 平面波 和沿 垂直方向 （ 剖面方向 ）傳播的 平面波 。沿 剖面方向 傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射和反射）中 相位變化為 2π的整數(shù)倍 ，就會(huì)形成 駐 波 。只有能形成 駐 波的那些特定角度入射到光 纖 的光信號(hào)才能在光 纖 內(nèi) 傳 播， 這 些光波就稱(chēng) 為 模式。 在光 纖 內(nèi)只能 傳輸 一定數(shù)量 的模。通常 纖 芯直徑 較 粗（幾十微米及以上） 時(shí) ，能 傳 播幾百個(gè)以上的模，而 纖 芯很 細(xì) （幾個(gè)微米） 時(shí) ，只能 傳 播一個(gè)模。前者稱(chēng) 為 多模光 纖 ，后者 為單 模光 纖 。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 63二、 多模光纖與單模光纖 ? 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)決定的，判斷一根光纖是不是單模傳輸，除了光纖 自身的結(jié)構(gòu)參數(shù) 外，還與光纖中 傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng) 有關(guān)！ 用結(jié)構(gòu)參數(shù)（光纖的歸一化頻率 V）描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目是單模還是多模 。1. 多模光纖 多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 642. 單模光纖 只能傳輸一種模式的光纖稱(chēng)為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模 (最低階模 HE11或 LP01)，它不存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。單模光纖的帶寬一般都在幾十 GHzkm以上。三、單模光纖的基本分析1. 單模光纖的傳輸條件 (HE11或 LP01)截止波長(zhǎng) 對(duì)于一個(gè)確定的光信號(hào)波長(zhǎng)，如果結(jié)構(gòu)參數(shù)V，則光纖中只有主模 /基模存在。 167。24 單模光纖V=→ 截止波長(zhǎng) λc 當(dāng) λ ≤ λc時(shí)，多模傳輸；當(dāng) λ ＞ λc時(shí)，單模傳輸。 Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 65因?yàn)樗?，通過(guò)選材、尺寸可以控制 V值。因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)λ小，而 a過(guò)小會(huì)給耦合連接帶來(lái)困難，所以一般選用弱導(dǎo)光纖（相對(duì)折射率差?。?。2. 模場(chǎng)分布 單模光纖的橫向場(chǎng)分布近似為高斯分布，可以表示為： 167。24 單模光纖E0/e，e=g2aE0橫向場(chǎng)分布Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 66單模光纖的重要參數(shù) wg：模場(chǎng)半徑 ，相當(dāng)于光場(chǎng)幅度為最大值 1/e倍對(duì)應(yīng)的半徑。 或 模場(chǎng)直徑 (MFD)2wg： 高斯光場(chǎng)分布的 1/e寬度；或者說(shuō) MFD是指基模的光功率下降至中心 (光纖軸 r=0)最大光功率 1/e2時(shí)，對(duì)應(yīng)的直徑，即對(duì)應(yīng)基模大部分光功率的直徑。167。24 單模光纖E0/e，e=E02wg2a橫向場(chǎng)分布Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 67216。 MFD越小，表示模場(chǎng)能量越集中，抗彎能力越強(qiáng)，但非線性效應(yīng)增大。 2. 單模光纖的雙折射 前面所討論的光纖都假設(shè)是理想的光纖，理想的光纖具有 ① 完美的圓形橫截面； ② 理想的圓對(duì)稱(chēng)折射率分布，而且沿光纖軸向不變化。 對(duì)于理想光纖， x偏振模 HE11x（ Ey=0）、 y偏振模 HE11y（ Ex=0），具有相同的傳輸常數(shù)，即 βx=βy，沿光纖傳輸時(shí)，彼此同相位，兩個(gè)偏振模完全簡(jiǎn)并。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 68 但是，實(shí)際上制造的光纖并不理想，工藝再好、制造過(guò)程精度再高，多少還是造成折射率分布各向異性，從而使得兩個(gè)偏振模的傳輸常數(shù)不相等，βx≠βy ，沿光纖傳輸時(shí)產(chǎn)生相位差，兩個(gè)垂直偏振模不再簡(jiǎn)并，引起偏振的變化。 167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 69單模光纖中存在兩個(gè)相互獨(dú)立且偏振面相互正交的簡(jiǎn)并模式。由于結(jié)構(gòu)不完善，光纖對(duì)兩個(gè)簡(jiǎn)并模式具有不同的有效折射率，它們?cè)诠饫w中以不同的相速度傳播，即雙折射效應(yīng)：b = k(ny nx) 或者 Bf = ny nx (低雙折射光纖 ) 108 Bf 103 (高雙折射光纖 )HE11偏振態(tài)相互正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 70雙折射對(duì)光纖通信的影響：216。 沿光纖傳輸時(shí)，偏振態(tài)不斷變化，對(duì)相干光通信有影響（相干光通信的極化方向要求不變）；216。 產(chǎn)生極化色散（由于 nx≠ny，兩個(gè)偏振模傳輸速度不一樣）。拍長(zhǎng) Lb的概念： 兩個(gè)偏振模的相位差達(dá)到 2 π 的光纖長(zhǎng)度定義為L(zhǎng)b。 歸一化雙折射 B： 167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 71當(dāng)兩個(gè)簡(jiǎn)并模相位差為 2π整數(shù)倍時(shí)，則光的偏振態(tài)與入射點(diǎn)相同，此時(shí)稱(chēng)該點(diǎn)處出現(xiàn) “拍 ”，兩個(gè)拍之間的間隔就是所定義的 拍長(zhǎng) 。實(shí)際中，由于受到應(yīng)力影響，雙折射系數(shù)沿軸并非常量，因此 線偏振光很快變成任意偏振光 。單模光纖中的特有現(xiàn)象：光偏振態(tài)呈周期變化d=0d?/2d=?/2d?/2d=2?LB167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 72167。24 單模光纖3．單模光纖的分類(lèi) ITUT (國(guó)際電信聯(lián)盟－電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu) )建議規(guī)范了、 、 、 。（ 1） ，也稱(chēng)常規(guī)單模光纖，是指色散零點(diǎn)（即色散為零的波長(zhǎng)）在 1310nm附近的光纖。 （ 2） （ DSF），是指色散零點(diǎn)在 1550nm附近的光纖，它相對(duì)于 ，色散零點(diǎn)發(fā)生了移動(dòng)，所以叫色散位移光纖。Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 73（ 3） （大于 1310nm）單模光纖。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)是降低 1550nm的衰減，其零色散點(diǎn)仍然在 1 310nm附近，因而 1550nm窗口的色散較高，為17~20ps/nmkm。 。（ 4） 由于 1 550nm附近， DWDM系統(tǒng)在零色散波長(zhǎng)處工作易引起四波混頻效應(yīng)。為了避免該效應(yīng)，將色散零點(diǎn)的位置從 1 550nm附近移開(kāi)一定波長(zhǎng)數(shù)，使色散零點(diǎn)不在 1 550nm附近的 DWDM 工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這種光纖就是非零色散位移光纖（ NDSF）。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 74（ 5） ，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。216。 1 550nm窗口的色散性能而設(shè)計(jì)的，但它也可以用于 1310nm窗口的傳輸。由于 1310nm，所以 1310nm窗口。167。24 單模光纖Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 75 光纖的性能參數(shù)很多，可以歸納為三大類(lèi)。一、幾何特性和光學(xué)特性1. 幾何特性 光纖的幾何特性包括纖芯直徑、包層直徑、纖芯 /包層同心度、不圓度和光纖翹曲度等。（ 1）纖芯直徑 纖芯直徑主要是對(duì)多模光纖的要求。 ITUT規(guī)定，多模光纖的芯直徑為 50/177。3μm。167。25 光纖的性能參數(shù) (傳輸特性 )Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 76（ 2）包層直徑 包層直徑指光纖的外徑， ITUT規(guī)定，多模及單模光纖的包層直徑均要求為 125177。3μm。 目前，光纖生產(chǎn)制造商已將光纖外徑規(guī)格從 177。3μm提高到 177。1μm。（ 3）纖芯 /包層同心度和不圓度216。 纖芯 /包層同心度 是指纖芯在光纖內(nèi)所處的中心程度。 目前光纖制造商已將纖芯 /包層同心度從 ≤高到 ≤。216。 不圓度 包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。 ITUT規(guī)定，芯徑不圓度 ≤6% ，包層不圓度 (包括單模 )＜ 2% 。 注： 纖芯 /包層同心度對(duì)接續(xù)損耗的影響最大。167。25 光纖的性能參數(shù) (傳輸特性 )Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 772. 光學(xué)特性 光纖的光學(xué)特性有折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑及截至波長(zhǎng)等。（ 1）折射率分布 多模光纖的折射率分布，決定光纖帶寬和連接損耗，單模光纖的折射率分布，決定工作波長(zhǎng)的選擇。（ 2）最大理論數(shù)值孔徑（ NAmax） 最大理論數(shù)值孔徑和局部數(shù)值孔徑。167。25 光纖的性能參數(shù) (傳輸特性 )Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 78167。25 光纖的性能參數(shù) (傳輸特性 )（ 3）模場(chǎng)直徑和有效面積216。模場(chǎng)直徑 是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。216。有效面積 與模場(chǎng)直徑的物理意義相同，通過(guò)模場(chǎng)直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。 模場(chǎng)直徑越小，通過(guò)光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過(guò)光纖的能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑（或有效面積）越大越好。Date廣東海洋大學(xué)理學(xué)院 光纖通信 79167。25