【正文】 由于存在多個(gè)模式，因此群速度也必然不同 ，這種色散稱為模式間色散。 ? 為時(shí)延差，即光信號(hào)中群速度最慢與最快頻率成分的傳輸時(shí)延差 ： () 式中， D 為色散系數(shù)，單位為 ps/(nm ??LD??? ? ? ? ??? 光纖的傳輸特性 ?傳輸常數(shù) 之間的關(guān)系為 () ?根據(jù)光纖的模式理論，可以得到 ?式中， 為材料色散； 為波導(dǎo)色散； 為折射率剖面色散。 圖 石英單模光纖的色散曲線 0?0? 光纖的傳輸特性 偏振特性 ?雙折射現(xiàn)象，即當(dāng)一束線偏光（圓偏光也有類似定義）通過(guò)光纖時(shí)，其傳輸常數(shù) 隨偏振方向改變的現(xiàn)象。單模光纖在其基模工作時(shí)有兩個(gè)正交的極化方向，每一個(gè)方向代表一個(gè)偏振模。 pd ( ) dddk B B Bcc????? ? ? ?p 2Bcf??????? ? ? ??p ps/( nm km )?? ? ?xyBkk?? ?? ??? 光纖的傳輸特性 ? 非線性效應(yīng) ?當(dāng)光纖中的光場(chǎng)強(qiáng)較弱時(shí)，光纖可視為線性介質(zhì)；但光場(chǎng)強(qiáng)加大后，任何電介質(zhì)都會(huì)表現(xiàn)出 非線性 。 光纖的傳輸特性 ?電偶極子的極化強(qiáng)度 對(duì)于電場(chǎng) 是非線性的，通常滿足 () 式中， 為真空介電常數(shù)； , , 分別為一階、二階、三階電極化率。 () P E( 1 ) ( 2 ) ( 3 )0 ()? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?P E EE EEE0?(1)? (2)? (3)?(1 )0????PE ( 1 )00 ( 1 )? ? ? ?? ? ? ? ?D E P E E222t???? ? ?? 0EE 光纖的傳輸特性 ?在線性光學(xué)范圍內(nèi)， 光的疊加性原理成立。 ?但在非線性光學(xué)范圍內(nèi)， 情況就不同了，式 ()中的第二項(xiàng)及其以后的各項(xiàng)之和統(tǒng)稱為非線性極化強(qiáng)度矢量： () ?由于非線性極化強(qiáng)度的存在，物質(zhì)方程不再是線性的，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的波動(dòng)方程也是非線性方程： () ( 2 ) ( 3 )00NL ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?P EE EE E2220 22tt? ? ???? ? ???EPE 光纖的傳輸特性 ?光纖中不顯示二階非線性光學(xué)效應(yīng)，摻雜時(shí)才會(huì)考慮二階非線性光學(xué)效應(yīng)。這些是影響光纖通信的重要的非線性光學(xué)效應(yīng)。 ?在參量過(guò)程中， 參與參量過(guò)程的光場(chǎng)之間需要滿足一定的相位匹配條件。 光纖的傳輸特性 ?2．受激散射及其對(duì)光纖通信的影響 ?受激散射 是 三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng) 表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象，從量子觀點(diǎn)容易說(shuō)明其物理機(jī)理，并分析其對(duì)光通信系統(tǒng)的影響。在晶體中，原子在其平衡位置附近不停地振動(dòng)，由于原子之間的相互作用，每一個(gè)原子的振動(dòng)要依次傳遞給其他原子，從而形成晶體中的格波，格波的形式很復(fù)雜，可以分解成一些簡(jiǎn)諧波的疊加。 所謂聲子，就是晶格振動(dòng)能量變化的最小單位。 ?通過(guò)薛定諤方程求出的格波解分為兩支， 頻率較高的一支與晶體的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通常稱為光學(xué)波，頻率較低的一支與宏觀彈性波（聲波）有密切關(guān)系，稱為聲學(xué)波。 ?h? 光纖的傳輸特性 ?拉曼散射的基本過(guò)程可以理解為： 頻率 的入射光子與介質(zhì)相互作用，可以發(fā)射一個(gè)頻率為 的斯托克斯 (Stokes)光子和一個(gè)頻率為 的光學(xué)波聲子。 ?入射光子與介質(zhì)相互作用，也可能吸收頻率 的聲子而產(chǎn)生一個(gè)頻率為 的反斯托克斯光子，能量仍守恒，光波產(chǎn)生上頻移。 s in v? ? ???in?v?i n s vh h h? ? ???v?a in v? ? ??? 光纖的傳輸特性 ? (2) 受激 Raman 散射對(duì)光通信的影響 ?當(dāng)光纖中傳輸功率較小時(shí) ，主要是 自發(fā)拉曼散射與布里淵散射 ，對(duì)光纖通信不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。 ?臨界功率大約為 3 W 左右 ，它與光纖的有效面積以及光纖的長(zhǎng)度、光學(xué)性質(zhì)都有關(guān)。 ?受激拉曼散射導(dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換，使光纖損耗加大，引起波分復(fù)用系統(tǒng)中的串?dāng)_。由于光纖中處于激發(fā)態(tài)的原子很少，反斯托克斯光增益小，長(zhǎng)波長(zhǎng)信道功率向短波長(zhǎng)信道轉(zhuǎn)移不明顯。 ?因此，受激布里淵散射主要對(duì) 窄譜線光源的系統(tǒng) 產(chǎn)生嚴(yán)重影響，反向散射光反饋回窄譜線激光器會(huì)嚴(yán)重影響激光器的正常工作，必須使用 光隔離器 。 光纖的傳輸特性 ?3．非線性折射率調(diào)制引起的非線性光學(xué)效應(yīng) ?折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是 引起的，光纖的折射率可以表示為 () 式中， 為線性折射率； 為與 有關(guān)的非線性折射率系數(shù)，對(duì)于石英光纖約為 ； P為光功率； 為光纖的有效面積， ，其中 I為光強(qiáng)。 ?(1) 自相位調(diào)制 (SPM) ? n 依賴于光功率 P，則光傳輸常數(shù) 也與 P 相關(guān)： ? ，光傳輸 L長(zhǎng)度后，產(chǎn)生的 非線性相位差為 () ?式中， 為光纖的有效長(zhǎng)度； 為輸入端光功率。 ?(2) 交叉相位調(diào)制 (XPM) ?產(chǎn)生 XPM現(xiàn)象的物理機(jī)制與 SPM類似，當(dāng)兩束或更多束光波在光纖中傳輸時(shí)，某信道的非線性相位變化不僅依賴于該信道的功率變化，而且與其他信道相關(guān)，從而引起較大的頻譜展寬。 從量子的觀點(diǎn)看，一個(gè)或幾個(gè)光子湮滅，同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)不同頻率的新光子，在參量過(guò)程中能量和動(dòng)量都守恒，動(dòng)量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配條件。當(dāng) 時(shí)，對(duì)應(yīng)三次諧波，當(dāng) , 時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率上轉(zhuǎn)換，由于在光纖中難以滿足相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)有困難。能量守恒 ，動(dòng)量守恒 ，在光纖滿足的條件相對(duì)容易些。 光纖色散越小，復(fù)用信道波長(zhǎng)間隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。 在色散位移光纖中，相位匹配條件容易滿足，四波混頻嚴(yán)重，因此非零色散位移光纖應(yīng)運(yùn)而生。 ?從材料角度， 可以分為石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合物光纖、液心光纖等。 ?從傳輸模式上， 可以分為多模光纖和單模光纖。 光纖的種類 根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)標(biāo)準(zhǔn) IEC60793— 1— 1的光纖分類方法，光纖可以分為 A類和 B類兩大類， A類為多模光纖， B類為單模光纖。 表 多模光纖的分類 類 別 材 料 類 型 折射率分布指數(shù) g值 A1 玻璃心 /玻璃包層 梯度折射率 1≤g≤3 玻璃心 /玻璃包層 準(zhǔn)階躍折射率 3≤g≤10 玻璃心 /玻璃包層 階躍折射率 10≤g≤? A3 玻璃心 /塑料包層 階躍折射率 10≤g≤? A4 聚合物光纖 光纖的種類 表 單模光纖的分類 ?下面分別介紹多模光纖和單模光纖 。 ?梯度多模光纖包括 , , 和 四類，由多組分或摻雜石英玻璃制成，其具體分類參見(jiàn)表 。 ?其特點(diǎn)是纖心直徑大，數(shù)值孔徑大，可以有效地與發(fā)光二極管 (LED)耦合，主要應(yīng)用于短距離信息傳輸、樓內(nèi)局域網(wǎng)、傳感器等。 2A 3A 4A 多模光纖 表 三類階躍多模光纖的特性 光纖類型 A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b A4c 心 /包層直徑 (?m) 100/400 200/300 980/1000 200/240 200/380 730/750 200/280 200/230 480/500 工作波長(zhǎng) (nm) 850 850 650 帶寬 (MHz) ≥10 ≥5 ≥10 數(shù)值孔徑 ~ 衰減 (dB/km) ≤10 ≤10 ≤400 典型適用長(zhǎng)度 (m) 2022 1000 100 單模光纖 ?為了保證單模傳輸，光纖心徑必須很小，一般心直徑為8~10 ，包層直徑為 125 。 ?為了解決色散以及非線性效應(yīng)對(duì)光纖傳輸性能的影響，人們專門(mén)研究開(kāi)發(fā)了色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖和色散補(bǔ)償光纖等。下面分別介紹。 ?常規(guī)單模光纖的 特點(diǎn)是 ： (1)波長(zhǎng) 1310 nm為 色散零點(diǎn)；(2)波長(zhǎng) 1550 nm處衰減最小，約為 dB/km，色散系數(shù)的最大值為 ； (3)工作波長(zhǎng)可以在 1310 nm或 1550 nm。 ?它的缺點(diǎn)是 ：波長(zhǎng) 1550 nm色散大，阻礙了高速率、遠(yuǎn)距離的應(yīng)用。 ?2．色散位移光纖 G653(DSF) ?色散位移光纖于 1988年商用化，改變了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)即光纖折射率分布的形狀，力求加大波導(dǎo)色散，使光纖色散系數(shù)零點(diǎn)從 1310 nm 移到 1550 nm ，實(shí)現(xiàn)了 1550 nm 處最低衰減與零色散一致。由于 1550 nm 的零色散，四波混頻等非線性效應(yīng)嚴(yán)重，不適合用于波分復(fù)用系統(tǒng)。 ?衰減極小 (≤ ) 。 ?它主要用于長(zhǎng)距離，不能插入有源器件的無(wú)中斷海底光纖通信系統(tǒng)中。 ?5．色散平坦單模光纖 (DFF) ?DFF是于 1998年商用化的，在 1310~1550 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)都是低色散，有兩個(gè)零色散波長(zhǎng) 1310 nm和 1550 nm，折射率剖面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難。色散補(bǔ)償光纖在 1550 nm處有很大的負(fù)色散系數(shù)，一般為 700~50 ps/(nm ?當(dāng)常規(guī)光纖由 1310 nm擴(kuò)容至 1550 nm，其色散為正值，在系統(tǒng)中加入一段負(fù)色散系數(shù)光纖，可以抵消 1550 nm處的正色散。 單模光纖 圖 石英單模光纖的色散系數(shù) 習(xí) 題 ? 有一種石英單模光纖，它的纖心直徑為 8 ，工作波長(zhǎng)為1550 nm，已知纖心折射率為 ，試問(wèn)此光纖包層的折射率應(yīng)為多少？ ? 一種塑料光纖在波長(zhǎng) 650 nm處的衰減系數(shù)，光纖中注入波長(zhǎng)為 650 nm, 5 mW的光功率，問(wèn)經(jīng)過(guò)多少米傳輸，光功率衰減 20 dB？這時(shí)光功率是多少 mW？ ? 石英光纖的數(shù)值孔徑，對(duì)于波長(zhǎng)的光，光纖是單模的，問(wèn)光纖的心直徑應(yīng)該是多少？ 第 3章 常見(jiàn)光無(wú)源器件 第 3章 常見(jiàn)光無(wú)源器件 ?光無(wú)源器件是光路的重要組成部分。 常見(jiàn)的光無(wú)源器件有 光纖連接器、光耦合器、光波分復(fù)用器、光隔離器、光衰減器、光開(kāi)關(guān) 等。 光纖連接器 1 光 耦 合 器 2 光 隔 離 器 3 第 3章 常見(jiàn)光無(wú)源器件 光纖連接器 ?光纖連接器可分為兩大類： 活動(dòng)連接器 和 固定連接器 。 ?目前，活動(dòng)連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖 ~圖 。 ?插針是一個(gè)帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖 。 ?套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)，如圖 示。開(kāi)口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。 ?(2) 轉(zhuǎn)換器或適配器 (Adapter)：即插座，可以連接同型號(hào)插頭，也可以連接不同型號(hào)插頭，可以連一對(duì)插頭，也可以連接幾對(duì)插頭或多心插頭。 ?(4) 光纜跳線 (Cable Jumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，稱為跳線。 ?(5) 裸光纖轉(zhuǎn)換器 (Bare Fiber Adapter): 將裸光纖穿入裸光纖轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成一個(gè)插頭。插入損耗 越小越好?；夭〒p耗越大越好。 ?互換性 是指連接器各部件互換時(shí)，插入損耗的變化，也用dB表示。 實(shí)際有三種情況，即橫向錯(cuò)位、角度傾斜和端