(2)m：电场或磁场在圆周角ϕ方向分量的波节数，即光沿圆周 角方向出现的暗区的个数。 n：电场或磁场在半径方向分量的波节数，即光沿半径方向出现 的暗区的数。 (3)光以各种传导模沿光纤传输, 每种模具有自己的传输常数、 电场分布和与波长有关的群速度。→模间色散
三、 梯度折射率光纤中光线的传播 梯度折射率光纤中光线的传播轨迹与纤芯 折射率分布有关。
(2)瑞利散射 瑞利散射是光纤材料在固化时局部密度起伏折射 率不均匀而产生的。瑞利散射损耗的表达式为
α=
A
λ
4
+B
式中A为瑞利系数，B代表波导色散或不完善引起的损 耗，与波长无关。 瑞利散射损耗和本征吸收损耗是光纤的固有损耗 瑞利散射损耗和本征吸收损耗 固有损耗， 固有损耗 决定着光纤损耗的最低理论极限。
2πan1 (2∆) λc = 2.405
1 2
(1.4.11)
光纤中传输的波长大于λc时，光纤为单模光纤。
λ < λc 时,传输模式为多模.
2.3 光纤的传输特性
产生信号畸变 的主要原因是光纤中存在色散 信号畸变的主要原因是光纤中存在 色散， 产生 信号畸变 的主要原因是光纤中存在 色散 ， 损耗和色散是光纤最重要的传输特性： 损耗和色散是光纤最重要的传输特性： 是光纤最重要的传输特性
4. 色散的表征 群时延|
d 2β 1 dβ dβ τ0 = = = + (ω − ω0 ) 2 d ω v g dω dω ω =ω0 ω =ω
色散或脉冲展宽的量度 （1）最大群时延的差(阶跃光纤中子午光线的传播)
0
∆τ max = τ max − τ min
L L n1 − n2 ∆L = − = ⋅ ≈ c sin θ c / n1 c / n1 n1c n2 n1c L
ψ ψ
ϕ
n2 sin θ c = n1
n2 sin ϕ c = 1 − n 1
2
单位长度光纤中光线经过的路程长度
s子 =
1 cos ϕ
tan ϕ η子 = 2a
说明: 子午光线在光纤中传播的光路长度与纤芯直径无关, 仅取决于 光线在入射端面上的入射角ϕ、光纤所处媒质的折射率n0和光纤纤芯 的折射率n1; 全反射次数除与上述参数有关外, 还与纤芯直径成反比.
3. 数值孔径: 相应于临界角的入射角反映了光纤集光能 力的大小,通常被称为孔径角.数值孔径与孔径角的大小相 关. NA表示光纤接收和传输光的能力 NA表示光纤接收和传输光的能力 表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大， 耦合效率越高。 光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率 耦合效率 NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能 越好; 但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大， 因而限制了信息传输容量 限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合， 限制了信息传输容量 选择适当的NA。
n n1 n2 n3 0 a （c）W型光纤 c b r
光纤的纤芯折射率剖面分布
单模和多模光纤结构示意图
二、 阶跃光纤中光束的传播
1.子午光线的传播 子午光线的传播
•子午面: 通过光纤中心轴 的任何平面. •子午线: 位于子午面内的 光线. •子午光线传播条件: 入射 到纤芯和包层分界面上的 入射角应满足全反射条件， 即 θ ≥ θc ψ
3.光纤传输模式的特性
(1)光波在光纤中的传播，是交变电磁场在光纤中的传播，电磁场 的各种不同分布形式称为模式。 横电模（TEmn模）：Hz≠0， Hr ≠ 0，Hθ ≠ 0 ，Ez＝0，Er≠0，Eθ≠0 横磁模（TMmn模）：Ez≠0， Er≠0，Eθ≠0 ，Hz＝0，Hr ≠ 0，Hθ ≠ 0 混合模（EHmn模，HEmn模）：具有全部六个电磁场分量
1380nm
2730nm
950nm 720nm
OH-吸收谱
OH-吸收峰：2730nm, 1380nm, 950nm
2. 散射损耗 散射是由于微小颗粒、材料密度的微观变化、 成分的起伏、制造过程中产生的结构上的不均匀性 或缺陷、非线性效应引起的损耗。可分为制作缺陷 散射、瑞利散射、受激散射等。 (1)光波导散射 原料中的杂质、光纤拉制过程中产生的气泡、 粗细不均匀、纤芯与包层间界面不平滑等都会引起 散射。
n(r ) = n1 (1 − 2∆ ) ≈ n1 (1 − ∆)
α =∞
α ≈2
阶跃光纤 渐变光纤
r>a
抛物型或平方律型
α =2
5. 归一化频率: 与参数∆、n1、a有关
V = ka(n − n ) = kan1 (2∆)
2 1
1 2 2 2
1 2
(1.4.10)
归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。 0<V<2.405时，只传输基模。单模光纤 V>2.405时，多模光纤 6. 截止波长 截止波长是保证光纤实现单模传输的必要条件。
阶跃折射率光纤 子午光线: 斜光线:
2 NAm = n0 sinψ c = n12 − n2 ≈ n1 2∆
2 n12 − n2 NAc = n0 sinψ c = cos γ
渐变光纤: 需用局部数值孔径值NA(r)来表示其横截面不同点处的数值孔径.
2 NA(r ) = n 2 (r ) − n2 = n(r ) 2∆ r
2.2 光在光纤中的传输原理 一、光纤结构及分类 光纤结构
纤芯
包层
缓冲涂覆层
光纤的典型结构
光纤的分类 按折射率：阶跃折射率型、梯度折射率型 按传输特性：单模、多模
2b 2b 2a 2b 2a 2c 2a
n n1 n2 0 a （a）阶跃光纤 b r
n n1 n2 0 a b （b） 渐变光纤 r
100 50
－ 损损 / (dB·km 1 )
10 5 1 0.5 0.1 0.05 0.01
实实
红红 吸吸
瑞瑞瑞瑞 紫红吸吸 波波波波
0.8
1.0
1.2 波波 / µm
1.4
1.6
图 2.15
单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理
二 光纤色散
1. 色散现象 色散(Dispersion)是在光纤 色散 中传输的光信号，由于不同成分 时间延迟不同而产生的一 的光的时间延迟 时间延迟 种物理效应。 2. 色散产生的原因 各模式分量和频谱分量的传播常数不同 传播速度不同 群时延弥散,光脉冲展宽 3. 色散的种类： 色散的种类： 模式色散: 模式色散: 各模式之间群速度不同 材料色散: 材料色散: 光纤材料的折射率随入射光频率不同而变化 波导色散: 波导色散: 传播常数随入射光波长不同而变化
（2）色散系数：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的群时延的差。
∆τ 0 = D∆λ
色散对传输带宽的影响
443 B= ∆τ 0
5. 色散大小的比较 (1) 单模光纤的色散: 材料色散和波导色散 光纤零色散点
(2)多模光纤的色散: 多模色散>材料色散>波导色散
三、单模光纤的双折射 分类: 1. 线双折射: 光纤对两个正交的线偏振光有∆β≠0. (1)几何双折射:由于光纤截面的非圆性引起的. 最典型的是纤芯的椭圆度引起的双折 射。当纤芯直径不均匀时，沿长轴和短轴方向振动的两线偏振基模的相位常数βx≠βy, 产生线双折射. (2)应力双折射: 通过光弹效应引起的. 光纤材料本身是各向同性的介质, 因而不同偏 振方向的光场所遇到的折射率是相同的. 但当光纤受力时, 便引起了弹性变形, 通过光 弹效应, 该形变又引起折射率的变化, 使材料变为各向异性, 从而产生双折射. 2. 圆双折射:光纤对两个左右旋转的圆偏振光有∆β≠0. (1)场致圆双折射: 如果沿光纤的轴向施加外磁场B, 则通过光纤的偏振光的偏振方向 将发生旋转. (2)扭转产生的圆双折射: 光纤绕其中心轴转动, 由于剪切应力的作用, 会在光纤中引 起圆双折射. 3. 椭圆双折射: 光纤对两个正交的线偏振光和两个左右旋转的圆偏振光都有∆β≠0. 影响: 由于存在双折射, 两模式的群速度不同, 因而会在光纤中引起偏振色散; 双折 射的存在还会导致光纤输出偏振态不稳定. 这些双折射效应都会对光纤通信质量构 成严重影响.
2、斜光线的传播
斜光线: 光纤中不在子午面上的光线.
全反射条件
n2 cos γ sin ϕ = 1 − n 1
2
单位长度光纤中斜光线的光路长度s斜和全反 射次Байду номын сангаас分别为
1 s斜 = =s子 cos ϕ
η子 tan ϕ η斜 = = 2a cos γ cos γ
说明: 斜光线和子午光线在光纤中的光路长度相 同; 而斜光线的全反射次数总比子午光线的多, 它和轴倾角γ密切相关.
光纤的拉制过程
光缆
光纤的损耗特性
光纤损耗的改进
光纤的色散特性
• 波长色散 • 模式色散 • 材料色散
模式色散
第二章 光纤通信材料
2.1 概述 2.2 光在光纤中的传输原理 2.3 光纤的传输特性 2.4 石英通信光纤材料 2.5 特种光纤材料 2.6 光纤材料在光纤技术中 的主要应用
2.1 概述 光纤通信的特点 • • • • • • 光纤损耗小，传输距离长 光纤的传输带宽宽、容量大 光纤不受电磁干扰 光纤的串音小、保密性好 光纤抗腐蚀 资源丰富
2.4 石英通信光纤材料 一、石英光纤的构造和制备 1. 石英光纤的基本构造 纤芯：SiO2+GeO2 包层：SiO2 多包层：SiO2+硼或氟 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶等 5∼50µm 125 µm 光纤外径250 µm
2. 石英光纤的制备 原料：液态卤化物：四氯化硅、四氯化锗、氟里昂等
过程：制作预制棒→拉丝→涂覆 (1)制作预制棒 • MCVD—改进的化学汽相沉积法 • PCVD－等离子体激活化学汽相沉积法 • OVD－棒外汽相沉积法 • VAD－轴向汽相沉积法