非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光學(xué)第一章緒論1.光纖與光纖通信1841瑞士丹尼爾·科拉登光束被限制在噴射的水流中傳播光纖的發(fā)展歷史(a)全內(nèi)反射非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光11.光纖與光纖通信光源1841瑞士丹尼爾·科拉登光束被限制在噴射的水流中傳播光纖的發(fā)展歷史(a)全內(nèi)反射1.光纖與光纖通信光源1841瑞士丹尼爾·科拉登光束被2(b)玻璃光導(dǎo)：20世紀(jì)20年代，美國(guó)電子工程師ClarenceW.Hansell首先申請(qǐng)了利用玻璃光纖（實(shí)際上就是非常纖細(xì)的小棒）傳輸圖像的專利。德國(guó)醫(yī)生HeinrichLamm在1930年首先制作了圖像傳輸光纖束。(c)意識(shí)到全內(nèi)反射的重要性：MollerHansen用人造黃油覆蓋在玻璃外以產(chǎn)生全內(nèi)反射，但結(jié)果不實(shí)用。(d)“包層”(cladding)概念的提出:

1951年，美國(guó)光物理學(xué)家BrianO’Brien和VanHeel分別獨(dú)自提出了“包層”概念。VanHeel使用蜂蠟和塑料，比黃油實(shí)用。1956年底，密歇根大學(xué)的一個(gè)本科生LarryCurtiss制作了第一個(gè)包裹良好的玻璃包層光纖，用低折射率的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。隨后發(fā)展成塑料包層。(b)玻璃光導(dǎo)：20世紀(jì)20年代，美國(guó)電子工程師C3光纖和通信古希臘人用烽火來(lái)傳播特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)的消息—最早的光通信1953年，在倫敦皇家科學(xué)技術(shù)學(xué)院工作的NarinderKapany開(kāi)發(fā)出了用不同光學(xué)玻璃作芯和包層的包層纖維，這也就誕生了今天所用光纖的結(jié)構(gòu)，“光纖”這個(gè)詞就是Kapany給出的。1960年Mainman制作出第一臺(tái)激光器才引發(fā)人們對(duì)光通信的關(guān)注。但是最初光纖的損耗很大，只傳輸3m就可以損失掉一半的能量，傳輸20m就只剩下1％。用在胃部檢查還可以,用于光通信不可能。光纖和通信古希臘人用烽火來(lái)傳播特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)的消息—最早的光通信420世紀(jì)60年代，光纖損耗超過(guò)1000dB/km；1966年，高錕預(yù)言高純度的光纖可以傳輸光500m還剩余10％的能量，當(dāng)時(shí)聽(tīng)起來(lái)是神話。1970年出現(xiàn)突破，光纖損耗降低到約20dB/km(1m附近波長(zhǎng)區(qū))1979年，光纖損耗又降到0.2dB/km(在1.55m處)－低損耗光纖的問(wèn)世導(dǎo)致了光波技術(shù)領(lǐng)域的革命，開(kāi)創(chuàng)了光纖通信的時(shí)代。20世紀(jì)60年代，光纖損耗超過(guò)1000dB/km；1966年5雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開(kāi)發(fā)單模光纖光纖通信的歷史雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(6光纖通信最具代表性技術(shù)：

摻鉺光纖放大EDFA和波分復(fù)用WDMEDFA光纖通信最具代表性技術(shù)：

摻鉺光纖放大ED7光纖通信超高速大容量長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路；采用DWDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)十Tb/s的傳輸容量單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)1.28Tb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬(wàn)公里的長(zhǎng)距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)光纖通信超高速大容量長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化單路速率不斷提升，各種通信技82.光纖概述光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫伞９饫w中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層。特點(diǎn)：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。纖芯包層涂覆層光纖的基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及其分類2.光纖概述纖芯包層涂覆層光纖的基本結(jié)構(gòu)9根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，可分為：階躍型（均勻）光纖和漸變型（梯度）光纖

光纖的類型（1）階躍光纖(a)與漸變光纖(b)的橫截面和折射率分布根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，可分為：光纖的類型（1）階躍10光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長(zhǎng)可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖

2a=50m單模光纖

2a=4~10m外徑：2b=125m光纖的類型（2）

單模光纖和多模光纖光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長(zhǎng)可傳播的模的數(shù)量不同11非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件12光纖的類型（3）—按制做光纖的材料分類：石英系光纖這種光纖的纖芯和包層是由高純度的SiO2摻有適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成，這種光纖的損耗低，強(qiáng)度和可靠性較高，目前應(yīng)用最廣泛。石英芯、塑料包層光纖將高純度的石英玻璃作纖芯，而將折射率比石英稍低的如硅膠等塑料作為包層的階躍型光纖。其特點(diǎn)是：易于和發(fā)光二極管（LED）光源結(jié)合，損耗也較小，非常適用于局域網(wǎng)（LAN）和近距離通信。塑料光纖纖芯和包層都用塑料（聚合物）做成，纖芯直徑為1000μm，比單模石英光纖大100倍，接續(xù)簡(jiǎn)單，易于彎曲，施工容易。多組分玻璃光纖多組分玻璃的成分是以重量占百分之幾十的SiO2為主，還包含有堿金屬、堿土金屬、鋁、硼的氧化物的總稱。其特點(diǎn)是：折射率一般比石英玻璃高，n=1.49~1.54，可以用來(lái)制作大數(shù)值孔徑（NA＝0.2~0.6）的光纖。熔融溫度比石英系玻璃低一些，在1400攝氏度以下；抗壓抗拉強(qiáng)度低于石英玻璃。光纖的類型（3）—按制做光纖的材料分類：石英系光纖13晶格：三角空氣柱包層＋Silica柱芯原理：低等效包層折射率－全內(nèi)反射特性：次高階模截止帶寬內(nèi)單模傳輸折射率導(dǎo)引光纖（TIR-PCF〕光子帶隙導(dǎo)引光纖（PBG-PCF〕晶格：六角空氣柱包層＋空氣柱芯原理：光子帶隙限制局域單模傳輸特性：帶隙窗口(數(shù)m)內(nèi)單模傳輸光子晶體光纖——PCF晶格：三角空氣柱包層＋Silica柱芯折射率導(dǎo)引光纖光子帶14不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖（圖中A、C、D）和光子帶隙引導(dǎo)型光纖（圖中的E、G、I）。不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖（圖中15光纖的類型（4）—按表面涂層結(jié)構(gòu)分類有：

緊套光纖：光纖不能在塑套管內(nèi)活動(dòng)松套光纖：光纖能在塑套管內(nèi)活動(dòng)光纖的類型（4）—按表面涂層結(jié)構(gòu)分類有：16短波長(zhǎng)光纖：早期使用的光纖波長(zhǎng)都在0.6～0.9μm范圍內(nèi)(典型值為0.85μm)，把在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的光纖稱為短波長(zhǎng)光纖。長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖：把波長(zhǎng)在1.3lμm和1.55μm區(qū)域內(nèi)工作的光纖稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。光纖的類型（5）—按工作波長(zhǎng)分類有：短波長(zhǎng)光纖：光纖的類型（5）—按工作波長(zhǎng)分類有：17光纖的類型（6）—按照ITU-T提出的規(guī)范劃分:多模光纖G.651(MMF)，單模光纖G.652（常規(guī)單模光纖）G.653光纖（色散位移光纖）G.654（低損耗光纖）G.655（非零色散位移光纖）G.656光纖（寬帶光傳輸用非零色散位移光纖）G.657光纖（彎曲不敏感光纖）色散平坦光纖（DFF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）光纖的類型（6）—按照ITU-T提出的規(guī)范劃分:多模光纖G.18非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件19表示光纖性質(zhì)的光學(xué)參數(shù)相對(duì)折射率差(階躍光纖)相對(duì)折射率差是表示纖芯和包層折射率差異程度的參數(shù)，其物理含義是表示把光封閉在光纖中的難易程度。纖芯折射率包層折射率表示光纖性質(zhì)的光學(xué)參數(shù)相對(duì)折射率差(階躍光纖)相對(duì)折射率20不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線產(chǎn)生的折射光線才能在光纖中傳輸。假如在光纖端面的入射角是，在波導(dǎo)內(nèi)光線與垂直于光纖軸線的夾角是。>c(臨界角)的光線將發(fā)生全反射，而<c的光線將進(jìn)入包層泄漏出去。為了光能夠在光纖中傳輸，入射角

必須要能夠使進(jìn)入光纖的光線在光纖內(nèi)發(fā)生全發(fā)射而返回纖芯，并以曲折形狀向前傳播。不同入射角的光線

數(shù)值孔徑（NA）不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線產(chǎn)21非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件22定義數(shù)值孔徑(NA,NumericalAperture)

D=-=2NA12221nnn

NA(或sinmax)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)無(wú)損耗光纖，在max內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信號(hào)展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。定義數(shù)值孔徑(NA,NumericalAperture23折射率分布系數(shù)折射率分布函數(shù)折射率分布系數(shù)是用來(lái)描述折射率變化規(guī)律的物理量。纖芯中心的折射率

折射率分布系數(shù)

纖芯半徑

折射率分布系數(shù)折射率分布函數(shù)折射率分布系數(shù)是用來(lái)描述折24歸一化頻率歸一化頻率說(shuō)明光纖中允許傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)量。

V值越大，能夠傳播的模式越多！

可傳播的模式數(shù)

時(shí)，只傳輸基模。歸一化頻率歸一化頻率說(shuō)明光纖中允許傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)量。25歸一化頻率與歸一化傳輸常數(shù)的關(guān)系曲線非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件26單模光纖截止波長(zhǎng)當(dāng)V<2.405時(shí)，光纖只能傳輸基模一個(gè)模式，其他模式均被截止。滿足單模傳輸條件的最小波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)，

單模光纖截止波長(zhǎng)當(dāng)V<2.405時(shí)，光纖只能傳輸基模27單模光纖模場(chǎng)直徑（MFD）對(duì)單模光纖，2a與處于同一量級(jí)，由于衍射效應(yīng)，模場(chǎng)強(qiáng)度有相當(dāng)一部分處于包層中，不易精確測(cè)出2a的精確值，因而只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的意義，在應(yīng)用中并無(wú)實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中常用模場(chǎng)直徑2w，即光斑尺寸表示，近似為：2a2w電場(chǎng)強(qiáng)度降到峰值的1/eE0/ee=2.71828上式在1.2<V<2.4范圍內(nèi),誤差<1%。單模光纖模場(chǎng)直徑（MFD）對(duì)單模光纖，2a與處于同一量級(jí)，28例如，V＝2時(shí)，幾乎75%的模式功率在纖芯內(nèi)，而當(dāng)V＝1時(shí)，降到20%，這就是為什么大多數(shù)通信光纖的V值在2<V<2.4。，但是V>2.405后，就不是單模運(yùn)轉(zhuǎn)了！】

歸一化模場(chǎng)半徑w/a與歸一化頻率V的關(guān)系【V，例如，V＝2時(shí)，幾乎75%的模式功率在纖芯內(nèi)，而當(dāng)V＝1時(shí)，29舉例：1.纖芯折射率n1=1.468，包層折射率n2=1.447，假如光源波長(zhǎng)為1300nm，計(jì)算單模光纖的纖芯半徑是多少？將數(shù)值代入可得舉例：1.纖芯折射率n1=1.468，包層折射率n2=1302.典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。歸一化折射率差是0.3％，包層直徑是125μm，光源波長(zhǎng)為0.85μm。計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑、最大可接收角和截止波長(zhǎng)。解：光纖的數(shù)值孔徑為2.典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。歸一化31光纖制造制造光纖的工藝流程光纖制造制造光纖的工藝流程32汽相沉積法CVD－化學(xué)汽相沉積法MCVD—改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法PCVD－等離子體化學(xué)汽相沉積法OVD－棒外汽相沉積法VAD－軸向汽相沉積法非汽相沉積法多組分玻璃法凝膠法機(jī)械成形光纖預(yù)制棒法(1)制作預(yù)制棒汽相沉積法(1)制作預(yù)制棒33化學(xué)氣相沉積法(CVD)美國(guó)康寧公司1970年首先得到20dB／km的低損耗光纖所采用的方法，它是光纖制造采用的基本工藝。這種工藝必須滿足兩個(gè)要求，即高純度和精確控制折射率分布。化學(xué)氣相沉積法(CVD)美國(guó)康寧公司1970年首先得到20d34改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)貝爾實(shí)驗(yàn)室在1974年開(kāi)發(fā)

MCVD法的特點(diǎn)：在石英反應(yīng)管（襯底管）內(nèi)沉積內(nèi)包層和芯層的玻璃，整個(gè)系統(tǒng)處于封閉的超提純狀態(tài)下。

改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)貝爾實(shí)驗(yàn)室在197435非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件36等離子氣相沉積法(PCVD)菲利浦公司、荷蘭消費(fèi)電子和電信公司在1975年聯(lián)合開(kāi)發(fā)。它不同于MCVD的地方在于加熱反應(yīng)區(qū)的方法不是通過(guò)燃燒燈把熱量從外部傳輸進(jìn)去，而是利用微波激活氣體，使氣體電離成為等離子，即離子化氣體，簡(jiǎn)稱等離子體。

等離子氣相沉積法(PCVD)菲利浦公司、荷蘭消費(fèi)電子和電信公37

棒外氣相沉積法(OVD)康寧公司(Corning)1972年研發(fā)出來(lái)的第一個(gè)批量光纖制作工藝；通過(guò)沉積和固化兩個(gè)步驟完成預(yù)制棒的制作。棒外氣相沉積法(OVD)康寧公司(Corning)1938

軸向氣相沉積法(VAD)日本科學(xué)家在1977年開(kāi)發(fā)；把SiCl4、摻雜劑氣體送入氫氧火焰噴燈，使之在氫氧火焰中水解，生成氧化物粉塵，即石英玻璃微粒。這些粉塵沉積在基底棒或種子棒的下端部，而不是表面。

軸向氣相沉積法(VAD)日本科學(xué)家在1977年開(kāi)發(fā)；39各種氣相沉積法的比較各種氣相沉積法的比較40多組分玻璃法多組分玻璃的成分是以重量占百分之幾十的SiO2為主，還包含有堿金屬、堿土金屬、鋁、硼的氧化物等玻璃的總稱。熔制玻璃時(shí)，一般先按組分在潔凈室里配好比例，然后均勻攪拌裝填到一個(gè)坩堝里加溫熔融合成透明的玻璃坯料，再將此玻璃坯料拉制成棒形，為下一步在雙坩堝內(nèi)再熔融拉制成光纖做準(zhǔn)備。這種工藝適合大數(shù)值孔徑、低損耗光纖的批量生產(chǎn)。多組分玻璃法多組分玻璃的成分是以重量占百分之幾十的SiO241凝膠法凝膠法是一種生產(chǎn)塑料光纖預(yù)制棒的方法。它利用高分子聚合物中分子體積不同而發(fā)生選擇性擴(kuò)散來(lái)制造梯度折射率分布的塑料光纖預(yù)制棒。

機(jī)械成形光纖預(yù)制棒法(MSP)機(jī)械成形預(yù)制棒工藝被人們確認(rèn)為低成本的光纖生產(chǎn)工藝。其生產(chǎn)過(guò)程是：采用預(yù)先制好的、摻雜不同的純石英粉，分別用在纖芯和包層區(qū)，并用填充機(jī)將這些純粉料填充到石英管中，利用高溫工藝使粉料坯塊穩(wěn)定為一疏松的預(yù)制棒。再把這一疏松棒取出來(lái)放入高溫中，用氯化脫水處理，最后燒結(jié)成玻璃預(yù)制棒。凝膠法42光纖拉絲裝置示意圖(2)拉絲光纖拉絲裝置示意圖(2)拉絲43(3)涂覆裸露在空氣中的光纖容易斷裂，所以為了提高抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，需要涂覆保護(hù)層。一次涂覆：變性硅酮樹酯、普通硅酮樹酯二次涂覆：套塑(3)涂覆443.光纖的損耗特性光纖損耗概述以分貝為單位計(jì)算損耗（衰減）輸出功率低于輸入功率，因此方程中若不含負(fù)號(hào)，結(jié)果應(yīng)為負(fù)值。記住，在一些出版物中分貝定義為負(fù)值，表示損耗。損耗（衰減）是量度輸入/輸出功率比的量，通常用分貝表示，定義為3.光纖的損耗特性光纖損耗概述以分貝為單位計(jì)算損耗（衰45光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。

損耗系數(shù)定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗系數(shù)，L是光纖長(zhǎng)度。習(xí)慣上光纖的損耗系數(shù)定義為每千米光功率損耗的分貝數(shù)。光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中46對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實(shí)際中這是不可能的。實(shí)際的低損耗光纖在900nm波長(zhǎng)處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號(hào)光功率將損失50％，2km后損失達(dá)75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進(jìn)行運(yùn)算，是因?yàn)橛梅重惐硎镜膿p耗具有可加性。對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/k47用dB為單位使計(jì)算更為簡(jiǎn)單，不用像百分比那樣做連乘，只要簡(jiǎn)單加減就行。即：總損耗（dB）＝損耗1（dB）+損耗2（dB）+……如果知道單位長(zhǎng)度的損耗，則總損耗（dB）＝dB/km×長(zhǎng)度(km)用dB為單位使計(jì)算更為簡(jiǎn)單，不用像百分比那樣做連乘，只要簡(jiǎn)單48光功率單位—dBm若光纖通信系統(tǒng)的所有器件的光損耗都用分貝表示，則發(fā)射或接收功率也用分貝量度就非常有用，可以用下面定義的dBm單位實(shí)現(xiàn)：這里選擇1mW為參考功率是為了方便起見(jiàn)。例如：在這一單位中，1mW的功率相當(dāng)于0dBm<1mW的功率時(shí)為負(fù)。1W的功率相當(dāng)于-30dBm。>1mW的功率時(shí)為正。10W的功率相當(dāng)于40dBm光功率單位—dBm這里選擇1mW為參考功率是為了方便起見(jiàn)。例49若所有量均用分貝表示，則通過(guò)簡(jiǎn)單加減就可以由入射功率和衰減得到輸出功率,還可以將方程寫成另一種形式：注意！公式中的正負(fù)號(hào)非常重要，在以上方程中，損耗用分貝表示時(shí)為正號(hào)!若所有量均用分貝表示，則通過(guò)簡(jiǎn)單加減就可以由入射功率和衰減得50【例】考慮一個(gè)輸入端損耗為3dB、由損耗為0.5dB/km的6km長(zhǎng)光纖構(gòu)成的光纖系統(tǒng)，若輸入功率為0dBm，求輸出功率。Pout＝0dBm－3dB－（6km×0.5dB/km）＝-6.0dBm，若用mW表示，結(jié)果為0.25mW。Pout＝0dBm－3dB－（6km×0.5dB/km）＝-51第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰單模光纖損耗譜特性第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖的損耗機(jī)理第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸52光纖損耗分類損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過(guò)渡族金屬離子OH-離子彎曲損耗（輻射損耗）光纖損耗分類損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面53材料吸收損耗本征吸收：來(lái)自石英玻璃中電子躍遷和分子振動(dòng)產(chǎn)生的吸收。包括紫外吸收（電子躍遷對(duì)光子的吸收）、紅外吸收（分子振動(dòng)態(tài)的改變對(duì)光子的吸收）等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗雜質(zhì)吸收：是由于材料不純?cè)斐傻模饕獊?lái)源于石英玻璃中的金屬離子和氫氧根(OH-)OH離子吸收。O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口。材料吸收損耗541380nm950nm720nmOH-吸收譜1380nm950nm720nmOH-吸收譜55散射損耗(1)瑞利散射：一種基本損耗機(jī)理。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，導(dǎo)致折射率本身的起伏，使光向各個(gè)方向散射。大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長(zhǎng)區(qū)。瑞利散射損耗對(duì)光纖來(lái)說(shuō)是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.12~0.16dB/km，是該段損耗的主要原因。散射損耗56(2)受激散射受激布里淵散射和受激喇曼散射是當(dāng)強(qiáng)度足夠高的激光在光纖中傳輸時(shí)，由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生散射光，造成傳輸光波強(qiáng)度減弱。在三種散射中，瑞利散射最強(qiáng)，是光纖損耗的最低極限。(2)受激散射57輻射損耗又稱彎曲損耗，包括三類：宏彎損耗：由在光纖實(shí)際應(yīng)用中必需的盤繞、曲折等引起的宏觀彎曲導(dǎo)致的損耗過(guò)度完全損耗：光纖由直到彎曲的突變中產(chǎn)生的損耗微彎損耗：光纖制備過(guò)程中或在應(yīng)用過(guò)程中由于應(yīng)變等原因引起的光纖形變所致輻射損耗輻射損耗又稱彎曲損耗，包括三類：輻射損耗58定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場(chǎng)拖尾）于纖芯中的場(chǎng)一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，離中心較遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部須以較大的速度行進(jìn)，以便與纖芯中的場(chǎng)一同前進(jìn)。這有可能要求離纖芯遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部以大于光速的速度前進(jìn)，由于這是不可能的，因此這部分場(chǎng)將輻射出去而損耗掉。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場(chǎng)拖尾）于纖59相速度和群速度：沿z方向傳輸?shù)膯紊ǎ?/p>

其中是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數(shù)（m-1）。相速度：表征相位在空間的變化率4.光纖的色散特性概述相速度和群速度：沿z方向傳輸?shù)膯紊ǎ?.光纖的色散特性60波長(zhǎng)略不相同的兩個(gè)光波沿同一方向傳輸時(shí)干涉產(chǎn)生一個(gè)幅度以群速度運(yùn)動(dòng)的波包群速度：表征光信號(hào)包絡(luò)的傳輸速度波長(zhǎng)略不相同的兩個(gè)光波沿同一方向傳輸時(shí)干涉產(chǎn)生一個(gè)幅度以群速61假定它們都沿z方向傳播，振幅均為A，這兩列平面波疊加而成的波包的復(fù)數(shù)形式為考慮兩個(gè)頻率相近的角頻率各為，而波數(shù)各為相疊加而成的波包，波振幅的極大值由

給出！假定它們都沿z方向傳播，振幅均為A，這兩列平面波疊加而考慮兩62非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件63光纖色散：信號(hào)能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號(hào)畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。色散類型：模間色散（多模色散）：不同模式對(duì)應(yīng)有不同的模折射率，導(dǎo)致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導(dǎo)色散

()：傳播常數(shù)隨頻率變化材料色散n()：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD色度色散（或模內(nèi)色散，波長(zhǎng)色散，簡(jiǎn)稱色散）光纖色散：色散類型：色度色散（或模內(nèi)色散，波長(zhǎng)色散，簡(jiǎn)64群時(shí)延是頻率的函數(shù)，因此任意頻譜分量傳播相同距離所需的時(shí)間都不一樣。這種時(shí)延差所造成的后果就是光脈沖隨時(shí)間的推移而展寬，而我們所關(guān)心的就是由群時(shí)延引入的脈沖展寬程度。群時(shí)延：頻率為的光譜分量經(jīng)過(guò)長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖到達(dá)輸出端的時(shí)延。群時(shí)延是頻率的函數(shù)，因此任意頻譜分量傳播相同距離所需的時(shí)間都65光脈沖展寬光脈沖展寬：由于光脈沖包含許多頻率分量，因而群速度的頻率相關(guān)性導(dǎo)致了脈沖傳輸過(guò)程中展寬，不再同時(shí)到達(dá)光纖輸出端。為群速色散（GVD）；單位：ps2/km脈沖展寬同2、光纖長(zhǎng)度L和信號(hào)譜寬成正比2決定了脈沖在光纖中的展寬程度!光脈沖展寬光脈沖展寬：由于光脈沖包含許多頻率分量，因而群速66以色散參數(shù)D[ps/(nmkm)]表達(dá)脈沖展寬D的定義為：D代表兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為1nm的光波傳輸1km后的時(shí)延脈沖展寬：是以波長(zhǎng)單位表達(dá)的光信號(hào)譜寬注意！2和D的符號(hào)相反！以色散參數(shù)D[ps/(nmkm)]表達(dá)脈沖展寬D代表兩個(gè)波67通信容量光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率－距離積來(lái)表示，它是系統(tǒng)的一個(gè)極限參數(shù)。某個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，通信容量則是一個(gè)定值。其意義是：數(shù)據(jù)速率和傳輸距離可以變化，但必須滿足二者的乘積為常數(shù)。容量估算：設(shè)系統(tǒng)比特率為B，距離為L(zhǎng)，可以通過(guò)以下方法估算比特率－距離積：光脈沖傳輸距離L后的展寬Δτ不超過(guò)系統(tǒng)比特周期的四分之一，即通信容量光纖通信系統(tǒng)的通信容量用比特率－距離積來(lái)表示，它是68模間色散是由于在多模光纖中，不同模式的光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)娜核俣炔煌鸬竭_(dá)光纖末端的時(shí)間延遲不同，經(jīng)光電探測(cè)后各模式混合使輸出光生電流脈沖相對(duì)于輸入脈沖展寬。各類色散

多模光纖各模傳輸路徑不同引起脈沖展寬模間色散(intermodaldispersion)（僅多模光纖有)模間色散是由于在多模光纖中，不同模式的光信號(hào)在光纖中傳69材料色散Dm：纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化導(dǎo)致了這種色散，這樣即使不同波長(zhǎng)的光經(jīng)歷過(guò)完全相同的路徑，也會(huì)發(fā)生脈沖展寬。材料色散引起的脈沖展寬可以表示為材料色散系數(shù)，單位ps/(nmkm)傳輸距離，單位km光源線寬，單位nm材料色散Dm：材料色散引起的脈沖展寬可以表示為材料色散系數(shù)70波導(dǎo)色散DW：由于單模光纖中只有約80％的光功率在纖芯中傳播，20％在包層中傳播的光功率其速率要更大一些，這樣就出現(xiàn)了色散,在光纖輸出端，脈沖會(huì)展寬。波導(dǎo)色散的大小取決于光纖的設(shè)計(jì)。波導(dǎo)色散引起的脈沖展寬可以表示為波導(dǎo)色散系數(shù)，單位ps/(nmkm)波導(dǎo)色散引起的脈沖展寬可以表示為波導(dǎo)色散系數(shù)，71在理想的單模光纖中，基模是由兩個(gè)相互垂直的簡(jiǎn)并偏振模組成。如果由于某種因素使這兩個(gè)偏振模有不同的群速度，出纖后兩偏振模的迭加使得信號(hào)脈沖展寬，從而形成偏振模色散。單模光纖中的偏振模色散偏振模色散(PMD)

：在理想的單模光纖中，基模是由兩個(gè)相互垂直的簡(jiǎn)并偏振模組成。如72本征光纖雙折射隨機(jī)的偏振模耦合雙折射的光通信器件

偏振模色散產(chǎn)生的原因？+外界的擠壓光纖的彎曲、扭轉(zhuǎn)外界環(huán)境溫度的變化等EDFA，F(xiàn)BG，DCFIsolators,Couplers,Filtersetc.本征光纖雙折射偏振模色散產(chǎn)生的原因？+外界的擠壓EDFA73偏振模色散引起的脈沖展寬：偏振模色散引起的脈沖展寬：74色散導(dǎo)致的脈沖展寬如何計(jì)算總脈沖展寬？

將材料色散與波導(dǎo)色散相加，就會(huì)得到與波長(zhǎng)有關(guān)的色度色散，另外，光纖中還存在偏振模色散。模式色散、色度色散和偏振模色散的值彼此無(wú)關(guān)，因此要用這三種色散值平方和的方根來(lái)計(jì)算總的脈沖展寬：總的脈沖展寬是模式色散、波長(zhǎng)色散和偏振模色散造成的脈沖展寬的平方和的平方根。色散導(dǎo)致的脈沖展寬如何計(jì)算總脈沖展寬？將材料色散與波導(dǎo)色75對(duì)于多模光纖而言，偏振模色散沒(méi)有什么意義，這種情況下的脈沖展寬變?yōu)閱文９饫w中不存在模式色散（而不是偏振模色散），這時(shí)方程變?yōu)?/p>

考慮色散后，輸出脈沖寬度為：對(duì)于多模光纖而言，偏振模色散沒(méi)有什么意義，這種情況下的脈沖展76單模光纖的色散零色散波長(zhǎng)17ps/nm·km@1550nmD=DM+DW單模光纖的色散零色散波長(zhǎng)17ps/nm·km@1550nm77Dispersionof“Standard”Single-ModeFiber<D

正常色散區(qū)2>0,D<0紅快蘭慢光脈沖的較高的頻率分量（蘭移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)寐?gt;D

反常色散區(qū)2<0,D>0蘭快紅慢光脈沖的較高的頻率分量（蘭移）比較低的頻率分量（紅移）傳輸?shù)每炝闵⒉ㄩL(zhǎng)DDispersionof“Standard”Singl78走離效應(yīng)色散的一個(gè)重要特性是，由于群速度失配，不同波長(zhǎng)下的脈沖在光纖內(nèi)以不同的速度傳輸，這一特性導(dǎo)致了走離效應(yīng)，它在涉及到兩個(gè)或更多個(gè)交迭脈沖的非線性現(xiàn)象的描述中起了重要的作用（XPM作用）。更準(zhǔn)確地說(shuō)，當(dāng)傳輸?shù)幂^快的脈沖完全通過(guò)傳輸?shù)幂^慢的脈沖后，兩光脈沖之間的互作用將停止。兩脈沖之間的分離程度由走離參量d12確定，d12定義為兩脈沖的中心波長(zhǎng)對(duì)脈寬為T0的脈沖，可以定義走離長(zhǎng)度LW為走離效應(yīng)色散的一個(gè)重要特性是，由于群速度失配，不79例如，若1=1.3m的脈沖和2=0.8m的脈沖共同傳輸，它們將以約20ps/m的速率彼此分開(kāi)。對(duì)T0=10ps的脈沖，其對(duì)應(yīng)的走離長(zhǎng)度僅為50cm。群速度失配在涉及到交叉相位調(diào)制參與的非線性效應(yīng)時(shí)起很重要作用。例如，若1=1.3m的脈沖和2=0.8m的80波導(dǎo)色散DW對(duì)D(2)的影響依賴于光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，如纖芯半徑和芯－包層折射率差。根據(jù)光纖的這種特性，可改變光纖的色散情況，進(jìn)行色散位移。色散位移波導(dǎo)色散DW對(duì)D(2)的影響依賴于光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，如81G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm·kmG.652G.653色散位移光纖EDFA0.10.20.30.40.582G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm·kmG.652非線性大色散非常小@1550nm窗口不同信道的WDM信號(hào)傳輸速度相近四波混頻FWM嚴(yán)重ProblemG.653色散位移光纖EDFA0.10.20.30.40.583G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA0.184色散小結(jié)

色散造成的脈沖展寬限制了模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)的傳輸速度，主要的色散類型有模式色散、色度色散和偏振模色散，總的脈沖展寬是這三種色散分別造成的脈沖展寬的平方和的平方根。色度色散等于材料色散和波導(dǎo)色散之和，二者均有正負(fù)號(hào)。色度色散造成的脈沖展寬正比于發(fā)射機(jī)的光譜帶寬和光纖長(zhǎng)度。材料色散反映了光纖材料的特性，隨波長(zhǎng)變化。它量度的是折射率隨波長(zhǎng)的變化。波導(dǎo)色散源于波導(dǎo)性質(zhì)的變化和光在光纖中按波長(zhǎng)分布的特性。若波導(dǎo)色散和材料色散的符號(hào)相反，二者能互相抵消，產(chǎn)生一個(gè)零色度色散。改變波導(dǎo)色散可以使零色散波長(zhǎng)移動(dòng)。色散小結(jié)

色散造成的脈沖展寬限制了模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)的85色度色散符號(hào)相反的光纖可以依次結(jié)合使用，以補(bǔ)償系統(tǒng)的色度色散。長(zhǎng)途波分復(fù)用系統(tǒng)需要在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行色散管理，色散斜率，即色散隨波長(zhǎng)的變化，也是需要著重考慮的問(wèn)題。偏振模色散源于光纖中存在的較低的雙折射，以及模式間的混合，當(dāng)數(shù)據(jù)率超過(guò)2.5Gbit/s時(shí)，偏振模色散變得比較明顯。色度色散符號(hào)相反的光纖可以依次結(jié)合使用，以補(bǔ)償系統(tǒng)的色度色散86概述盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)非常高，且作用距離長(zhǎng)，使得光纖中的非線性效應(yīng)會(huì)積累到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致對(duì)信號(hào)的嚴(yán)重干擾和對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的限制。反之，可以利用非線性現(xiàn)象產(chǎn)生有用的效應(yīng)。導(dǎo)致新的學(xué)科分支—非線性光纖光學(xué)。5.光纖非線性效應(yīng)概述盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯87光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類:一、受激非彈性散射：光場(chǎng)經(jīng)過(guò)非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：受激布里淵散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非線性折射率：光纖折射率與光強(qiáng)的相關(guān)性產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：自相位調(diào)制(SPM)、互相位調(diào)制(XPM)和四波混頻(FWM)光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類:88SBS、SRS及FWM過(guò)程所引起的波長(zhǎng)信道的增益或損耗與光信號(hào)的強(qiáng)度有關(guān)。這些非線性過(guò)程對(duì)某些信道提供增益而對(duì)另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個(gè)波長(zhǎng)間產(chǎn)生串?dāng)_。SPM和XPM都只影響信號(hào)的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會(huì)加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。SBS、SRS及FWM過(guò)程所引起的波長(zhǎng)信道的增益或損耗與光信89

所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號(hào)損傷時(shí)，需要獲得一些附加功率，以維持BER（誤碼率）與原先無(wú)非線性效應(yīng)時(shí)一樣。這部分附加功率（以分貝為單位）就是相應(yīng)非線性效應(yīng)的功率代價(jià)。

非線性效應(yīng)與傳輸距離和纖芯內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)有著密切的關(guān)系，為此引入兩個(gè)基本參量：有效長(zhǎng)度和有效面積。所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號(hào)損傷時(shí)，需要獲得一些90a.有效長(zhǎng)度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，。對(duì)于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff約20km非線性對(duì)信號(hào)的影響完全隨距離增加而增加。但是，由于光纖損耗而帶來(lái)信號(hào)功率連續(xù)下降，需要對(duì)上述說(shuō)法進(jìn)行修正。實(shí)際上，可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單而足夠精確的模型來(lái)假定功率在一段光纖長(zhǎng)度內(nèi)為常數(shù)。LLeffP(0)實(shí)際傳輸距離a.有效長(zhǎng)度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，。對(duì)于損耗為0.2dB91b.有效面積Aeff:模場(chǎng)分布為高斯分布時(shí),Aeff=W2普通單模光纖的Aeff80m2色散位移光纖的Aeff55m2色散補(bǔ)償光纖的Aeff20m2Aeff非線性效應(yīng)隨光纖中光強(qiáng)的增大而增大。對(duì)于一個(gè)給定的光纖，光強(qiáng)反比于光纖纖芯的橫截面積。由于光功率在光纖纖芯內(nèi)不是均勻分布的，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用有效面積Aeff表示。b.有效面積Aeff:模場(chǎng)分布為高斯分布時(shí),Aeff=92受激非彈性散射:受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場(chǎng)把部分能量傳遞給介質(zhì)。一個(gè)高能量光子（通常稱為泵浦）被散射成一個(gè)低能量的光子（斯托克斯光），同時(shí)產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個(gè)能量子SBS參與的能量子為聲學(xué)聲子，只有后向散射SRS參與的能量子為光學(xué)聲子，以前向散射為主，但也有后向散射受激非彈性散射:受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場(chǎng)把部分93在高功率傳輸時(shí)，光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過(guò)閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長(zhǎng)。是一種閾值行為。閾值功率：在光纖輸出端有一半功率被損失到斯托克斯光時(shí)的入射功率非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件94受激布里淵散射（SBS）2、功率閾值1、機(jī)理SBS可描述為泵浦光、斯托克斯波和聲波之間的參量互作用。可看作是一個(gè)泵浦光子的湮滅，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)斯托克斯光子和一個(gè)聲學(xué)聲子。閾值功率Pth與光纖的衰減系數(shù)、光纖有效長(zhǎng)度Leff、布里淵增益系數(shù)gB和光纖的有效面積Aeff有關(guān)，可近似寫為：L足夠長(zhǎng)時(shí)，Leff1/；Aeff可用w2代替，w為模場(chǎng)半徑受激布里淵散射（SBS）2、功率閾值1、機(jī)理SBS可描述為泵95峰值增益gB510-11m/W，于是Pth可低至1mW，特別是在1550nm最低損耗處，將極大地限制光波系統(tǒng)的注入功率。但以上估計(jì)忽略了與入射光有關(guān)的譜寬效應(yīng)，在典型系統(tǒng)中閾值功率可增大至10mW或更高。不過(guò)還應(yīng)注意消除。3、特點(diǎn)增益帶寬窄（約10GHz），這說(shuō)明SBS效應(yīng)被約束在WDM系統(tǒng)的單個(gè)波長(zhǎng)信道內(nèi)。功率閾值與光源線寬有關(guān)，光源線寬越窄，功率閾值越低峰值增益gB510-11m/W，于是Pth可低至1mW，964、減小SBS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施：減低入纖功率（減小中繼間隔）增加光源線寬（色散限制）5、主要應(yīng)用：一般情況下，SBS在光纖通信系統(tǒng)中是一種有害的因素，應(yīng)注意減小。但由于它能通過(guò)將具有合適波長(zhǎng)的泵浦場(chǎng)的能量傳遞給另一波長(zhǎng)的光場(chǎng)，使該光場(chǎng)得到放大，所以能用于制造布里淵放大器。但由于其增益譜寬窄，放大器的帶寬也很窄。4、減小SBS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施：5、主要應(yīng)用：97受激喇曼散射（SRS）SRS：入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成振動(dòng)態(tài)之間的躍遷。SRS是非線性光纖光學(xué)中一個(gè)很重要的非線性過(guò)程，它可使光纖成為寬帶喇曼放大器和可調(diào)諧喇曼激光器，也可使某信道中的能量轉(zhuǎn)移到相鄰信道中，從而嚴(yán)重影響多信道光通信系統(tǒng)的性能。受激喇曼散射（SRS）SRS：入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散981、功率閾值gR--喇曼增益系數(shù)SRS的閾值功率較高。由于光波系統(tǒng)中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般對(duì)光纖損耗不起作用。1、功率閾值gR--喇曼增益系數(shù)SRS的閾值功率較高。由于光9912341234fiber2、特點(diǎn)：增益帶寬寬（約125nm），影響其它信道功率WDM系統(tǒng)中，較高頻率的信號(hào)成為所有較低頻率信號(hào)的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大。12341234fiber2、特1003、減小SRS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施：減低入纖功率（減小中繼間隔）減小信道間隔4、應(yīng)用：喇曼光纖放大器和激光器高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，為FRA的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。FRA可以提供整個(gè)波長(zhǎng)波段的放大。通過(guò)適當(dāng)改變泵浦激光波長(zhǎng)，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大。3、減小SRS對(duì)系統(tǒng)影響的主要措施：4、應(yīng)用：喇曼光纖放大器1011,450nm1,490nm1,530nm1,570nm1,610nm1,650nmS+BandSBandCBandLBandL+BandRFATDFAEDTFAGS-EDFAEDFAErbiumDopedFiberAmplifierGain-ShiftedErbiumDopedFiberAmplifierTellurite-BasedErbiumDopedFiberAmplifierThuliumDopedFlouride-BasedFiberAmplifierRamanFiberAmplifierTotal~200nm:500~1,000waves?80nm:~200waves?40nm1,550nm1,580nmPotentialofOpticalFiber:perhaps250wavesx100Gb/s=25,000Gb/s=25Tb/s?FujitsuProprietary各種光纖放大器1,450nm1,490nm1,530nm1,570nm1,102非線性折射率在較高入射光功率下，纖芯折射率應(yīng)表示為：(光場(chǎng)線偏振，光脈沖寬度>1ps)三階極化張量光場(chǎng)幅度的有效值或均方根線性折射率非線性折射率或Kerr系數(shù)折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大部分非線性效應(yīng)都起源于非線性折射率。非線性折射率在較高入射光功率下，纖芯折射率應(yīng)表示為：(光場(chǎng)103自相位調(diào)制SPM折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變化，使傳播常數(shù)增加了一附加項(xiàng)：光纖有效截面積由模場(chǎng)自身產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移稱為自相位調(diào)制，信號(hào)光強(qiáng)的瞬間變化引起其自身的相位調(diào)制。線性傳輸時(shí)的傳播常數(shù)非線性系數(shù)光纖中傳輸?shù)墓β首韵辔徽{(diào)制SPM折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變104非線性相移非線性相移與信號(hào)功率成比例增大，輸入信號(hào)功率越大，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。SPM不僅隨光強(qiáng)而變，而且隨時(shí)間變化，這種瞬時(shí)變化相移將引起光脈沖的頻譜展寬，導(dǎo)致在光脈沖的中心兩側(cè)出現(xiàn)不同的瞬時(shí)光頻率，即出現(xiàn)頻率啁啾。非線性相移非線性相移與信號(hào)功率成比例增大，輸入信號(hào)功率越105頻率啁啾相位調(diào)制導(dǎo)致的頻率啁啾為：頻率啁啾隨傳輸距離增大而增大，因此隨著光脈沖沿光纖傳輸將不斷產(chǎn)生新的頻率分量，頻譜將不斷展寬。脈沖頻譜的展寬程度還與脈沖形狀有關(guān)。頻率啁啾相位調(diào)制導(dǎo)致的頻率啁啾為：頻率啁啾隨傳輸距離106實(shí)線－超高斯脈沖；虛線—高斯脈沖1、非線性相移在時(shí)域的形狀與光強(qiáng)相同。2、對(duì)于高斯脈沖，中心附近較大的范圍內(nèi)，有正的線性啁啾。3、對(duì)于前后沿較陡的脈沖，啁啾量顯著增大。4、超高斯脈沖的啁啾僅發(fā)生在脈沖沿附近，且不是線性變化的，而中心頻率附近為零。實(shí)線－超高斯脈沖；虛線—高斯脈沖1、非線性相移在時(shí)域的形狀與107SPM影響下的頻譜結(jié)構(gòu)增大峰值功率就依次顯現(xiàn)出頻譜多峰的結(jié)構(gòu)SPM影響下的頻譜結(jié)構(gòu)增大峰值功率就依次顯現(xiàn)出頻譜多峰的108SPM特點(diǎn)：(a)SPM導(dǎo)致頻率啁啾，正比于光強(qiáng)對(duì)時(shí)間的微分(b)頻率啁啾將導(dǎo)致脈沖譜寬增加(c)SPM與色散共同作用，在正常色散區(qū)，加劇脈沖展寬速度；在反常色散區(qū)減低脈沖展寬速度(但SPM將導(dǎo)致脈沖畸變)，在一定條件下，可以使色散效應(yīng)與SPM效應(yīng)互相抵消，實(shí)現(xiàn)脈沖無(wú)畸變傳輸----孤子SPM特點(diǎn)：(a)SPM導(dǎo)致頻率啁啾，正比于光強(qiáng)對(duì)時(shí)間的微分109交叉相位調(diào)制XPM在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中（WDM），光強(qiáng)的變化引起相位的變化，由于相鄰信道間的相互作用，引起交叉相位調(diào)制。

XPM是不同波長(zhǎng)的光脈沖在光纖中共同傳輸時(shí)引起的一種光場(chǎng)的非線性相移。特點(diǎn)：信道光信號(hào)產(chǎn)生的非線性相移不僅取決于其自身的強(qiáng)度或功率，也取決于其他信道信號(hào)功率，因而第j信道的相移可寫為：M：信道總數(shù)；Pj：信道功率（j＝1～M）；因子2表明在同樣功率下XPM的影響是SPM的兩倍，這樣總相移就與所有信道功率和有關(guān)，并根據(jù)相鄰信道比特圖樣而變化。交叉相位調(diào)制XPM在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中（WDM），光強(qiáng)的變化引起110

說(shuō)明：在WDM系統(tǒng)中，某信道的XPM是其它信道共同作用的結(jié)果。XPM已成為WDM系統(tǒng)主要的功率限制因素之一。由于各信道之間偏振態(tài)的隨機(jī)性，XPM又呈現(xiàn)出復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)特性。減小影響的主要方法：增大信道間隔減低信號(hào)功率相鄰信道正交偏振說(shuō)明：減小影響的主要方法：111四波混頻FWMFWM：

光纖中不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長(zhǎng)上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn)物或邊帶的新光波的現(xiàn)象。四波混頻FWMFWM：112對(duì)于等間隔的WDM系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號(hào)頻率重疊，形成信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。123特點(diǎn)：小的色散光纖，相位匹配易于滿足，F(xiàn)WM越加嚴(yán)重，故應(yīng)在色散與FWM之間取折衷。減小影響：增加信道間隔、適當(dāng)加大色散、非等間隔信道、減小光功率、相鄰信道正交偏振（破壞相位匹配）對(duì)于等間隔的WDM系統(tǒng)，這些頻率分量將與信號(hào)頻率重疊，形成信113非線性光纖光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展

1972年，研究了單模光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射、光感應(yīng)雙折射、參量四波混頻和自相位調(diào)制等其他非線性現(xiàn)象的研究；1973年，提出了通過(guò)色散和非線性效應(yīng)的互作用將會(huì)導(dǎo)致光纖產(chǎn)生類孤子脈沖這一重要結(jié)論。1980年，在實(shí)驗(yàn)中就觀察到了光孤子并在20世紀(jì)80年代導(dǎo)致了超短光脈沖的產(chǎn)生和控制方面的一些成就。另一個(gè)同樣重要的進(jìn)展是將光纖用于光脈沖壓縮和光開(kāi)關(guān)。1987年，利用光纖非線性效應(yīng)的壓縮技術(shù)已產(chǎn)生了短到6fs的脈沖。20世紀(jì)90年代，非線性光纖光學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)得到發(fā)展，特別是EDFA的使用導(dǎo)致了多信道光波系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的革命。光纖放大器的研究進(jìn)展同時(shí)加快了光孤子的研究，最終導(dǎo)致色散管理孤子概念的建立。另一重大進(jìn)展是光纖光柵，它已經(jīng)成為光波技術(shù)不可分割的一部分。非線性光纖光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展114隨著光纖通信系統(tǒng)向超高速超大容量超長(zhǎng)距離的持續(xù)發(fā)展，以及光孤子通信系統(tǒng)的實(shí)用化，光纖非線性光學(xué)的重要性日益突出。光通信技術(shù)的發(fā)展史在很大程度上就是光纖非線性理論與技術(shù)的發(fā)展史。特別是2000年前后，以光子晶體光纖為代表的高非線性光纖和大模場(chǎng)面積光纖的出現(xiàn)，將光纖非線性效應(yīng)的利用和抑制推到一個(gè)新的高度。除了在光纖通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用外，非線性光纖光學(xué)在光學(xué)相干層析、高精度頻率計(jì)量等領(lǐng)域中也得到應(yīng)用。非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件115 謝謝大家！ 謝謝大家！116非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光學(xué)第一章緒論1.光纖與光纖通信1841瑞士丹尼爾·科拉登光束被限制在噴射的水流中傳播光纖的發(fā)展歷史(a)全內(nèi)反射非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光學(xué)第一章緒論非線性光纖光1171.光纖與光纖通信光源1841瑞士丹尼爾·科拉登光束被限制在噴射的水流中傳播光纖的發(fā)展歷史(a)全內(nèi)反射1.光纖與光纖通信光源1841瑞士丹尼爾·科拉登光束被118(b)玻璃光導(dǎo)：20世紀(jì)20年代，美國(guó)電子工程師ClarenceW.Hansell首先申請(qǐng)了利用玻璃光纖（實(shí)際上就是非常纖細(xì)的小棒）傳輸圖像的專利。德國(guó)醫(yī)生HeinrichLamm在1930年首先制作了圖像傳輸光纖束。(c)意識(shí)到全內(nèi)反射的重要性：MollerHansen用人造黃油覆蓋在玻璃外以產(chǎn)生全內(nèi)反射，但結(jié)果不實(shí)用。(d)“包層”(cladding)概念的提出:

1951年，美國(guó)光物理學(xué)家BrianO’Brien和VanHeel分別獨(dú)自提出了“包層”概念。VanHeel使用蜂蠟和塑料，比黃油實(shí)用。1956年底，密歇根大學(xué)的一個(gè)本科生LarryCurtiss制作了第一個(gè)包裹良好的玻璃包層光纖，用低折射率的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。隨后發(fā)展成塑料包層。(b)玻璃光導(dǎo)：20世紀(jì)20年代，美國(guó)電子工程師C119光纖和通信古希臘人用烽火來(lái)傳播特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)的消息—最早的光通信1953年，在倫敦皇家科學(xué)技術(shù)學(xué)院工作的NarinderKapany開(kāi)發(fā)出了用不同光學(xué)玻璃作芯和包層的包層纖維，這也就誕生了今天所用光纖的結(jié)構(gòu)，“光纖”這個(gè)詞就是Kapany給出的。1960年Mainman制作出第一臺(tái)激光器才引發(fā)人們對(duì)光通信的關(guān)注。但是最初光纖的損耗很大，只傳輸3m就可以損失掉一半的能量，傳輸20m就只剩下1％。用在胃部檢查還可以,用于光通信不可能。光纖和通信古希臘人用烽火來(lái)傳播特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)的消息—最早的光通信12020世紀(jì)60年代，光纖損耗超過(guò)1000dB/km；1966年，高錕預(yù)言高純度的光纖可以傳輸光500m還剩余10％的能量，當(dāng)時(shí)聽(tīng)起來(lái)是神話。1970年出現(xiàn)突破，光纖損耗降低到約20dB/km(1m附近波長(zhǎng)區(qū))1979年，光纖損耗又降到0.2dB/km(在1.55m處)－低損耗光纖的問(wèn)世導(dǎo)致了光波技術(shù)領(lǐng)域的革命，開(kāi)創(chuàng)了光纖通信的時(shí)代。20世紀(jì)60年代，光纖損耗超過(guò)1000dB/km；1966年121雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(發(fā)送源）光纖(傳輸介質(zhì))1960Maiman發(fā)明紅寶石激光器1962半導(dǎo)體激光器誕生(GaAs870nm)70年代室溫工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD單模LD1951醫(yī)用玻璃纖維(損耗1000dB/km)1966高錕理論預(yù)言1970康寧制出低損耗光纖(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低損耗窗口光纖開(kāi)發(fā)單模光纖光纖通信的歷史雛形：古代烽火、手旗、燈光1880年貝爾的光電話激光器(122光纖通信最具代表性技術(shù)：

摻鉺光纖放大EDFA和波分復(fù)用WDMEDFA光纖通信最具代表性技術(shù)：

摻鉺光纖放大ED123光纖通信超高速大容量長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化一根光纖中可同時(shí)傳輸一百多路信號(hào)，采用特殊技術(shù)甚至可以同時(shí)傳輸1022路；采用DWDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)十Tb/s的傳輸容量單路速率不斷提升，已達(dá)到10、20、40Gb/s采用OTDM技術(shù)甚至可達(dá)1.28Tb/s各種通信技術(shù)的快速發(fā)展使上千甚至上萬(wàn)公里的長(zhǎng)距離傳輸成為可能全光網(wǎng)成為目前光通信領(lǐng)域最熱門的話題之一光纖通信的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)光纖通信超高速大容量長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)化單路速率不斷提升，各種通信技1242.光纖概述光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫伞９饫w中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層。特點(diǎn)：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復(fù)進(jìn)行全反射，并在光纖中傳遞下去。纖芯包層涂覆層光纖的基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及其分類2.光纖概述纖芯包層涂覆層光纖的基本結(jié)構(gòu)125根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，可分為：階躍型（均勻）光纖和漸變型（梯度）光纖

光纖的類型（1）階躍光纖(a)與漸變光纖(b)的橫截面和折射率分布根據(jù)纖芯折射率徑向分布的不同，可分為：光纖的類型（1）階躍126光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長(zhǎng)可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖

2a=50m單模光纖

2a=4~10m外徑：2b=125m光纖的類型（2）

單模光纖和多模光纖光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長(zhǎng)可傳播的模的數(shù)量不同127非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件128光纖的類型（3）—按制做光纖的材料分類：石英系光纖這種光纖的纖芯和包層是由高純度的SiO2摻有適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成，這種光纖的損耗低，強(qiáng)度和可靠性較高，目前應(yīng)用最廣泛。石英芯、塑料包層光纖將高純度的石英玻璃作纖芯，而將折射率比石英稍低的如硅膠等塑料作為包層的階躍型光纖。其特點(diǎn)是：易于和發(fā)光二極管（LED）光源結(jié)合，損耗也較小，非常適用于局域網(wǎng)（LAN）和近距離通信。塑料光纖纖芯和包層都用塑料（聚合物）做成，纖芯直徑為1000μm，比單模石英光纖大100倍，接續(xù)簡(jiǎn)單，易于彎曲，施工容易。多組分玻璃光纖多組分玻璃的成分是以重量占百分之幾十的SiO2為主，還包含有堿金屬、堿土金屬、鋁、硼的氧化物的總稱。其特點(diǎn)是：折射率一般比石英玻璃高，n=1.49~1.54，可以用來(lái)制作大數(shù)值孔徑（NA＝0.2~0.6）的光纖。熔融溫度比石英系玻璃低一些，在1400攝氏度以下；抗壓抗拉強(qiáng)度低于石英玻璃。光纖的類型（3）—按制做光纖的材料分類：石英系光纖129晶格：三角空氣柱包層＋Silica柱芯原理：低等效包層折射率－全內(nèi)反射特性：次高階模截止帶寬內(nèi)單模傳輸折射率導(dǎo)引光纖（TIR-PCF〕光子帶隙導(dǎo)引光纖（PBG-PCF〕晶格：六角空氣柱包層＋空氣柱芯原理：光子帶隙限制局域單模傳輸特性：帶隙窗口(數(shù)m)內(nèi)單模傳輸光子晶體光纖——PCF晶格：三角空氣柱包層＋Silica柱芯折射率導(dǎo)引光纖光子帶130不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖（圖中A、C、D）和光子帶隙引導(dǎo)型光纖（圖中的E、G、I）。不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖（圖中131光纖的類型（4）—按表面涂層結(jié)構(gòu)分類有：

緊套光纖：光纖不能在塑套管內(nèi)活動(dòng)松套光纖：光纖能在塑套管內(nèi)活動(dòng)光纖的類型（4）—按表面涂層結(jié)構(gòu)分類有：132短波長(zhǎng)光纖：早期使用的光纖波長(zhǎng)都在0.6～0.9μm范圍內(nèi)(典型值為0.85μm)，把在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的光纖稱為短波長(zhǎng)光纖。長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖：把波長(zhǎng)在1.3lμm和1.55μm區(qū)域內(nèi)工作的光纖稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。光纖的類型（5）—按工作波長(zhǎng)分類有：短波長(zhǎng)光纖：光纖的類型（5）—按工作波長(zhǎng)分類有：133光纖的類型（6）—按照ITU-T提出的規(guī)范劃分:多模光纖G.651(MMF)，單模光纖G.652（常規(guī)單模光纖）G.653光纖（色散位移光纖）G.654（低損耗光纖）G.655（非零色散位移光纖）G.656光纖（寬帶光傳輸用非零色散位移光纖）G.657光纖（彎曲不敏感光纖）色散平坦光纖（DFF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）光纖的類型（6）—按照ITU-T提出的規(guī)范劃分:多模光纖G.134非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件135表示光纖性質(zhì)的光學(xué)參數(shù)相對(duì)折射率差(階躍光纖)相對(duì)折射率差是表示纖芯和包層折射率差異程度的參數(shù)，其物理含義是表示把光封閉在光纖中的難易程度。纖芯折射率包層折射率表示光纖性質(zhì)的光學(xué)參數(shù)相對(duì)折射率差(階躍光纖)相對(duì)折射率136不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線產(chǎn)生的折射光線才能在光纖中傳輸。假如在光纖端面的入射角是，在波導(dǎo)內(nèi)光線與垂直于光纖軸線的夾角是。>c(臨界角)的光線將發(fā)生全反射，而<c的光線將進(jìn)入包層泄漏出去。為了光能夠在光纖中傳輸，入射角

必須要能夠使進(jìn)入光纖的光線在光纖內(nèi)發(fā)生全發(fā)射而返回纖芯，并以曲折形狀向前傳播。不同入射角的光線

數(shù)值孔徑（NA）不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線產(chǎn)137非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件138定義數(shù)值孔徑(NA,NumericalAperture)

D=-=2NA12221nnn

NA(或sinmax)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)無(wú)損耗光纖，在max內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信號(hào)展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。定義數(shù)值孔徑(NA,NumericalAperture139折射率分布系數(shù)折射率分布函數(shù)折射率分布系數(shù)是用來(lái)描述折射率變化規(guī)律的物理量。纖芯中心的折射率

折射率分布系數(shù)

纖芯半徑

折射率分布系數(shù)折射率分布函數(shù)折射率分布系數(shù)是用來(lái)描述折140歸一化頻率歸一化頻率說(shuō)明光纖中允許傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)量。

V值越大，能夠傳播的模式越多！

可傳播的模式數(shù)

時(shí)，只傳輸基模。歸一化頻率歸一化頻率說(shuō)明光纖中允許傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)量。141歸一化頻率與歸一化傳輸常數(shù)的關(guān)系曲線非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件142單模光纖截止波長(zhǎng)當(dāng)V<2.405時(shí)，光纖只能傳輸基模一個(gè)模式，其他模式均被截止。滿足單模傳輸條件的最小波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)，

單模光纖截止波長(zhǎng)當(dāng)V<2.405時(shí)，光纖只能傳輸基模143單模光纖模場(chǎng)直徑（MFD）對(duì)單模光纖，2a與處于同一量級(jí)，由于衍射效應(yīng)，模場(chǎng)強(qiáng)度有相當(dāng)一部分處于包層中，不易精確測(cè)出2a的精確值，因而只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的意義，在應(yīng)用中并無(wú)實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中常用模場(chǎng)直徑2w，即光斑尺寸表示，近似為：2a2w電場(chǎng)強(qiáng)度降到峰值的1/eE0/ee=2.71828上式在1.2<V<2.4范圍內(nèi),誤差<1%。單模光纖模場(chǎng)直徑（MFD）對(duì)單模光纖，2a與處于同一量級(jí)，144例如，V＝2時(shí)，幾乎75%的模式功率在纖芯內(nèi)，而當(dāng)V＝1時(shí)，降到20%，這就是為什么大多數(shù)通信光纖的V值在2<V<2.4。，但是V>2.405后，就不是單模運(yùn)轉(zhuǎn)了！】

歸一化模場(chǎng)半徑w/a與歸一化頻率V的關(guān)系【V，例如，V＝2時(shí)，幾乎75%的模式功率在纖芯內(nèi)，而當(dāng)V＝1時(shí)，145舉例：1.纖芯折射率n1=1.468，包層折射率n2=1.447，假如光源波長(zhǎng)為1300nm，計(jì)算單模光纖的纖芯半徑是多少？將數(shù)值代入可得舉例：1.纖芯折射率n1=1.468，包層折射率n2=11462.典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。歸一化折射率差是0.3％，包層直徑是125μm，光源波長(zhǎng)為0.85μm。計(jì)算光纖的數(shù)值孔徑、最大可接收角和截止波長(zhǎng)。解：光纖的數(shù)值孔徑為2.典型單模光纖的纖芯直徑是8μm，折射率是1.46。歸一化147光纖制造制造光纖的工藝流程光纖制造制造光纖的工藝流程148汽相沉積法CVD－化學(xué)汽相沉積法MCVD—改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法PCVD－等離子體化學(xué)汽相沉積法OVD－棒外汽相沉積法VAD－軸向汽相沉積法非汽相沉積法多組分玻璃法凝膠法機(jī)械成形光纖預(yù)制棒法(1)制作預(yù)制棒汽相沉積法(1)制作預(yù)制棒149化學(xué)氣相沉積法(CVD)美國(guó)康寧公司1970年首先得到20dB／km的低損耗光纖所采用的方法，它是光纖制造采用的基本工藝。這種工藝必須滿足兩個(gè)要求，即高純度和精確控制折射率分布。化學(xué)氣相沉積法(CVD)美國(guó)康寧公司1970年首先得到20d150改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)貝爾實(shí)驗(yàn)室在1974年開(kāi)發(fā)

MCVD法的特點(diǎn)：在石英反應(yīng)管（襯底管）內(nèi)沉積內(nèi)包層和芯層的玻璃，整個(gè)系統(tǒng)處于封閉的超提純狀態(tài)下。

改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)貝爾實(shí)驗(yàn)室在1974151非線性光纖光學(xué)第一章緒論課件152等離子氣相沉積法(PCVD)菲利浦公司、荷蘭消費(fèi)電子和電信公司在1975年聯(lián)合開(kāi)發(fā)。它不同于MCVD的地方在于加熱反應(yīng)區(qū)的方法不是通過(guò)燃燒燈把熱量從外部傳輸進(jìn)去，而是利用微波激活氣體，使氣體電離成為等離子，即離子化氣體，簡(jiǎn)稱等離子體。

等離子氣相沉積法(PCVD)菲利浦公司、荷蘭消費(fèi)電子和電信公153

棒外氣相沉積法(OVD)康寧公司(Corning)1972年研發(fā)出來(lái)的第一個(gè)批量光纖制作工藝；通過(guò)沉積和固化兩個(gè)步驟完成預(yù)制棒的制作。棒外氣相沉積法(OVD)康寧公司(Corning)19154

軸向氣相沉積法(VAD)日本科學(xué)家在1977年開(kāi)發(fā)；把SiCl4、摻雜劑氣體送入氫氧火焰噴燈，使之在氫氧火焰中水解，生成氧化物粉塵，即石英玻璃微粒。這些粉塵沉積在基底棒或種子棒的下端部，而不是表面。

軸向氣相沉積法(VAD)日本科學(xué)家在1977年開(kāi)發(fā)；155各種氣相沉積法的比較各種氣相沉積法的比較156多組分玻璃法多組分玻璃的成分是以重量占百分之幾十的SiO2為主，還包含有堿金屬、堿土金屬、鋁、硼的氧化物等玻璃的總稱。熔制玻璃時(shí)，一般先按組分在潔凈室里配好比例，然后均勻攪拌裝填到一個(gè)坩堝里加溫熔融合成透明的玻璃坯料，再將此玻璃坯料拉制成棒形，為下一步在雙坩堝內(nèi)再熔融拉制成光纖做準(zhǔn)備。這種工藝適合大數(shù)值孔徑、低損耗光纖的批量生產(chǎn)。多組分玻璃法多組分玻璃的成分是以重量占百分之幾十的SiO2157凝膠法凝膠法是一種生產(chǎn)塑料光纖預(yù)制棒的方法。它利用高分子聚合物中分子體積不同而發(fā)生選擇性擴(kuò)散來(lái)制造梯度折射率分布的塑料光纖預(yù)制棒。

機(jī)械成形光纖預(yù)制棒法(MSP)機(jī)械成形預(yù)制棒工藝被人們確認(rèn)為低成本的光纖生產(chǎn)工藝。其生產(chǎn)過(guò)程是：采用預(yù)先制好的、摻雜不同的純石英粉，分別用在纖芯和包層區(qū)，并用填充機(jī)將這些純粉料填充到石英管中，利用高溫工藝使粉料坯塊穩(wěn)定為一疏松的預(yù)制棒。再把這一疏松棒取出來(lái)放入高溫中，用氯化脫水處理，最后燒結(jié)成玻璃預(yù)制棒。凝膠法158光纖拉絲裝置示意圖(2)拉絲光纖拉絲裝置示意圖(2)拉絲159(3)涂覆裸露在空氣中的光纖容易斷裂，所以為了提高抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，需要涂覆保護(hù)層。一次涂覆：變性硅酮樹酯、普通硅酮樹酯二次涂覆：套塑(3)涂覆1603.光纖的損耗特性光纖損耗概述以分貝為單位計(jì)算損耗（衰減）輸出功率低于輸入功率，因此方程中若不含負(fù)號(hào)，結(jié)果應(yīng)為負(fù)值。記住，在一些出版物中分貝定義為負(fù)值，表示損耗。損耗（衰減）是量度輸入/輸出功率比的量，通常用分貝表示，定義為3.光纖的損耗特性光纖損耗概述以分貝為單位計(jì)算損耗（衰161光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。

損耗系數(shù)定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗系數(shù)，L是光纖長(zhǎng)度。習(xí)慣上光纖的損耗系數(shù)定義為每千米光功率損耗的分貝數(shù)。光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中162對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實(shí)際中這是不可能的。實(shí)際的低損耗光纖在900nm波長(zhǎng)處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號(hào)光功率將損失50％，2km后損失達(dá)75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進(jìn)行運(yùn)算，是因?yàn)橛梅重惐硎镜膿p耗具有可加性。對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/k163用dB為單位使計(jì)算更為簡(jiǎn)單，不用像百分比那樣做連乘，只要簡(jiǎn)單加減就行。即：總損耗（dB）＝損耗1（dB）+損耗2（dB）+……如果知道單位長(zhǎng)度的損耗，則總損耗（dB）＝dB/km×長(zhǎng)度(km)用dB為單位使計(jì)算更為簡(jiǎn)單，不用像百分比那樣做連乘，只要簡(jiǎn)單164光功率單位—dBm若光纖通信系統(tǒng)的所有器件的光損耗都用分貝表示，則發(fā)射或接收功率也用分貝量度就非常有用，可以用下面定義的dBm單位實(shí)現(xiàn)：這里選擇1mW為參考功率是為了方便起見(jiàn)。例如：在這一單位中，1mW的功率相當(dāng)于0dBm<1mW的功率時(shí)為負(fù)。1W的功率相當(dāng)于-30dBm。>1mW的功率時(shí)為正。10W的功率相當(dāng)于40dBm光功率單位—dBm這里選擇1mW為參考功率是為了方便起見(jiàn)。例165若所有量均用分貝表示，則通過(guò)簡(jiǎn)單加減就可以由入射功率和衰減得到輸出功率,還可以將方程寫成另一種形式：注意！公式中的正負(fù)號(hào)非常重要，在以上方程中，損耗用分貝表示時(shí)為正號(hào)!若所有量均用分貝表示，則通過(guò)簡(jiǎn)單加減就可以由入射功率和衰減得166【例】考慮一個(gè)輸入端損耗為3dB、由損耗為0.5dB/km的6km長(zhǎng)光纖構(gòu)成的光纖系統(tǒng)，若輸入功率為0dBm，求輸出功率。Pout＝0dBm－3dB－（6km×0.5dB/km）＝-6.0dBm，若用mW表示，結(jié)果為0.25mW。Pout＝0dBm－3dB－（6km×0.5dB/km）＝-167第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(zhǎng)(nm)OH離子吸收峰單模光纖損耗譜特性第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖的損耗機(jī)理第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸168光纖損耗分類損耗散射損耗制作缺陷折射率分布不均勻芯-涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石本征散射及其他瑞利散射布里淵散射拉曼散射吸收損耗本征吸收紫外吸收紅外吸收雜質(zhì)離子的吸收過(guò)渡族金屬離子OH-離子彎曲損耗（輻射損耗）光纖損耗分類損耗散射損耗制作缺陷折射