光纖與光纜

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式1

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)2

2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念3

2.1.3階躍折射率光纖的模式分析2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)光纖的全稱是光導(dǎo)纖維(OpticalFiber)，是一種傳輸光能量的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所傳光的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。光能夠被束縛在光纖心中傳輸?shù)谋匾獥l件是纖心的折射率（至少在截面的某些區(qū)域）大于包層的折射率。護(hù)套在光學(xué)上幾乎與纖心隔絕，可以忽略其影響。纖心內(nèi)，折射率分布可以是均勻的或是漸變的，也可能是更復(fù)雜的分布。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式圖2.1給出了一些常見(jiàn)光纖的折射率分布。圖2.1光纖的折射率分布2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式根據(jù)光纖中光場(chǎng)的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。折射率由制作光纖的材料決定，在光纖分析中通常定義相對(duì)折射率差，通常單模光纖的相對(duì)折射率差滿足，多模光纖的相對(duì)折射率差滿足。可見(jiàn)，，，是弱導(dǎo)光波導(dǎo)。制作光纖的材料通常有高純石英()、多組分玻璃和有機(jī)聚合物等材料，詳細(xì)情況參見(jiàn)2.2節(jié)。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2

階躍折射率光纖分析的基本概念

1.子午線的數(shù)值孔徑在光纖中，光線有兩種，一種是始終處在一個(gè)平面里，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)的中心軸線，在光纖心與包層界面上作全反射，呈鋸齒形，這種射線稱為子午線，如圖2.2(a)所示。另一種光線不在同一平面里，不經(jīng)過(guò)光纖的中心軸線，但仍在光纖心與包層的界面上作全反射，這種光線的范圍是在邊界面和焦散面之間，稱為偏射線，如圖2.2(b)所示。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式子午線是平面曲線，偏射線是空間曲線。偏射線的極限是焦散面與心包層界面重合，這時(shí)偏射線稱為螺旋線，如圖2.2(c)所示。

圖2.2子午線和偏射線2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2

階躍折射率光纖分析的基本概念光纖端面外側(cè)是另外一種介質(zhì)，一般是空氣，其折射率為，入射光線與光纖軸成角，根據(jù)折射率定律，有

(2.1)只有當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，光才在波導(dǎo)內(nèi)作全反射，才可以形成導(dǎo)波，因此，＞，即＞。

為了得到導(dǎo)波，外面光線的入射角必須滿足下式：2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

(2.2)即。可以激發(fā)導(dǎo)波的入射光線的最大角度的正弦值即為數(shù)值孔徑NA。一般情況下，則數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖形成導(dǎo)波。此計(jì)算是依據(jù)子午線而進(jìn)行的，偏射線需要修正。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念2．偏射線入射光線，其方向單位矢量，,,為光線的方向余弦，即與坐標(biāo)之間的夾角余弦。入射到波導(dǎo)端面上的某一點(diǎn)，。光線進(jìn)入光纖后，在界面上進(jìn)行全反射，每段射線為,…

，其單位矢為,…

，這些射線不經(jīng)過(guò)軸線。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式在射線與界面的交點(diǎn)處設(shè)想一個(gè)平面與界面相切，這個(gè)平面與光纖有一條切線，且與光纖軸線平行，每一個(gè)交點(diǎn)與軸線之間的距離為,…,，反射時(shí)有如下規(guī)律：(1)入射光線、反射光線和法線現(xiàn)在一個(gè)平面內(nèi)，法線為，用數(shù)學(xué)式子表示為

(2.3)(2)入射角等于反射角，用數(shù)學(xué)式子表示為

(2.4)2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式(3)若大于，則可以得到全反射，即

(2.5)(4)端面偏射線數(shù)值孔徑在光纖始端，什么樣的射線能被光纖捕獲得以在光纖內(nèi)作全反射傳輸呢？應(yīng)用式(2.5)，當(dāng)時(shí)，可得2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式由圖2.3可見(jiàn)，，，

。圖2.3端面偏射線數(shù)值孔徑2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式若有全反射，則≥，故≤，≤。從端面入射時(shí)，，偏射線的數(shù)值孔徑為

(2.6)由于式(2.6)中≤1，故偏射線的數(shù)值孔徑要比子午光線大。當(dāng)時(shí)，偏射線成為螺旋光線。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2.1.3階躍折射率光纖的模式分析在光纖中傳輸?shù)墓饪梢暈榻?jīng)典的電磁波，光纖可看做是由纖心和包層組成的無(wú)限長(zhǎng)圓柱，則光纖中的電磁場(chǎng)形式：式中，為光纖傳輸常數(shù)。不同的所對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)在橫截面內(nèi)的分布各不相同，稱為光纖的模式。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

1．模式本征方程在直角坐標(biāo)系下，展開(kāi)麥克斯韋方程得到(2.7)2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式經(jīng)過(guò)變換后，得到(2.8)式(2.8)說(shuō)明滿足亥姆霍茲方程，這是完全合理的。按上述相同的方法，令，則可以得到與上述類(lèi)似的關(guān)于的方程，因此實(shí)際的模式可以有如下形式：

(2.9)式中，a,b是任意常數(shù)；是x方向線偏振模；是y方向線偏振模。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式從以上兩組線偏振模LP模中取一組，例如。若光纖中折射率變化很小，二階以上的變化率可以忽略，則有2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式因此，可以認(rèn)為下述三種說(shuō)法是一致的。(1)模式場(chǎng)中關(guān)于橫坐標(biāo)的二階變化率趨于零。(2)在邊界上連續(xù)，只有分量，這相當(dāng)于把電磁場(chǎng)看成標(biāo)量，所以又稱為標(biāo)量近似。(3)纖心和包層之間的折射率變化很小，即Δ＜＜1為弱導(dǎo)光波導(dǎo)。所以，標(biāo)量近似又稱為弱導(dǎo)近似。在標(biāo)量近似下，兩組線偏振模為

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

電磁場(chǎng)的橫向分量互相垂直，且成比例，類(lèi)似于矢量法中的TE,TM模。在標(biāo)量近似下，線偏振模仍然具有圓對(duì)稱性，即

(2.10)下面以一組線偏振模為例，求解在圓柱坐標(biāo)系下滿足亥姆霍茲方程：

(2.11)在圓柱坐標(biāo)系下，式(2.11)是貝塞爾方程，是貝塞爾方程的解，為貝塞爾函數(shù)。

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式考慮到在圓柱內(nèi)的值必為有限，當(dāng),時(shí)，則

(2.12)式中，A,B為任意常數(shù)；為第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)；為第二類(lèi)變型（虛宗量）貝塞爾函數(shù)。因此，可求出其他場(chǎng)分量：

(2.13)

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

(2.14)

(2.15)2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式由邊界條件確定關(guān)于的特征方程：

(2.19)式(2.19)是關(guān)于的特征方程。利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式，可得 (2.20)或 (2.21)這就是LP模式的特征（本征）方程。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式本征方程是超越方程，只能求數(shù)值解，解的步驟如下：(1)根據(jù)光纖的心徑a、相對(duì)折射率以及工作波長(zhǎng)來(lái)確定歸一化頻率V：

(2.22)(2)利用或求解特征方程，得到U或W，再由或得到。(3)已知U,W，可以確定A/B，即纖心內(nèi)、外場(chǎng)之比。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2．截止條件和模式分類(lèi)對(duì)于某種模式，若W→0，U→V時(shí)，模式趨于截止，因此W→0為截止條件。

是滿足截止條件時(shí)的特征方程。可知

m=0時(shí)，截止頻率為0的模式是，是光纖的第一個(gè)模式，稱為基模；第二個(gè)模式是m=1時(shí)，由的第一個(gè)根V=2.4048開(kāi)始的，即模。因此當(dāng)V＜2.4048時(shí)，光纖內(nèi)只有一種模式，即單模傳輸。一個(gè)LP模式實(shí)際上是由4個(gè)矢量模簡(jiǎn)并而成的。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式當(dāng)歸一化頻率V很大時(shí)，即V→∞時(shí)，可知此時(shí)U趨向于某個(gè)恒定值，則W→∞。在這種情況下，LPmn

模的U在和的兩個(gè)根之間變化，其中歸一化傳輸常數(shù)定義為

(2.23)標(biāo)量近似的LP模的歸一化傳輸常數(shù)b與V之間的關(guān)系如圖2.4所示。

圖2.4線偏振LP模的b=f(V)關(guān)系圖2.2光纖的材料、制作和光纜在這一節(jié)中主要介紹石英光纖的制作工藝。石英光纖的制造工藝大致可以分為兩個(gè)階段，即光纖預(yù)制棒的制造和預(yù)制棒拉制光纖。

2.2.2預(yù)制棒拉絲2

2.2.1預(yù)制棒的制造方法12.2光纖的材料、制作和光纜

2.2.1預(yù)制棒的制造方法預(yù)制棒的制造方法很多，常見(jiàn)的方法有：外氣相沉積法(OVPO)、氣相軸向沉積法(VPAD)、改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)、等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)。下面分別加以介紹。1．OVPO法OVPO法是CorningClassWork公司用于制造第一根損耗小于20dB/km

的石英光纖的方法。該方法采用以下化學(xué)反應(yīng)：2.2光纖的材料、制作和光纜以石英、石墨或陶瓷棒作為中心棒，在中心棒外沉積粉塵，然后抽掉中心棒，高溫?zé)Y(jié)成預(yù)制棒，制造示意圖如圖2.5所示。圖2.5OVPO法2.2光纖的材料、制作和光纜

OVPO法的基本步驟如下：(1)中心棒在噴嘴下方，勻速旋轉(zhuǎn)并來(lái)回平移，以便在中心棒外形成粉塵的均勻沉積。(2)控制氣體流量成分，可以使預(yù)制棒折射率分布是階躍的，或是漸變的。(3)沉積過(guò)程完成后，經(jīng)過(guò)脫水處理后，抽出中心棒，在高溫爐中將粉塵狀預(yù)制棒燒結(jié)成透明玻璃預(yù)制棒。2.2光纖的材料、制作和光纜2．VPAD法化學(xué)反應(yīng)生成微粒的過(guò)程與OVPO法完全一樣，沉積時(shí)由橫向變?yōu)榭v向，這是日本NTT公司采用的光纖預(yù)制棒制作方法，制造示意圖如圖2.6所示。VPAD法的優(yōu)點(diǎn)是：沉積速度快，適合批量生產(chǎn)，一根棒可拉100km以上的光纖。

圖2.6VPAD法2.2光纖的材料、制作和光纜3．MCVD法該方法在旋轉(zhuǎn)的石英管的內(nèi)壁進(jìn)行沉積，制造示意圖如圖2.7所示。采用以下化學(xué)反應(yīng)：停止氣相反應(yīng)，加高溫將石英管燒結(jié)成實(shí)心棒，改變氣相組分可以制成階躍或梯度折射率預(yù)制棒。圖2.7MCVD法2.2光纖的材料、制作和光纜4．PCVD法Philips研究所的科學(xué)家們發(fā)明了等離子體激活化學(xué)氣相沉積法，該方法與MCVD法很類(lèi)似，高純石英管置于微波諧振腔內(nèi)。在石英管內(nèi)通入反應(yīng)氣體，微波諧振腔使管內(nèi)氣體等離子化，產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)，將一層純凈沉積在管壁上，的沉積率接近100％，通過(guò)改變氣相的組分產(chǎn)生折射率的變化，制造示意圖如圖2.8所示。沉積完成后，經(jīng)燒結(jié)形成預(yù)制棒。2.2光纖的材料、制作和光纜圖2.8MCVD法

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于采用微波諧振腔加熱，高純石英管不被加熱，只是管內(nèi)的反應(yīng)物被加熱，能耗低，操作易于進(jìn)行。2.2光纖的材料、制作和光纜

2.2.2預(yù)制棒拉絲預(yù)制棒制作完成，第二階段是將預(yù)制棒拉絲成為光纖。石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.9所示。在拉絲過(guò)程中，可以基本保持原預(yù)制棒的折射率分布不變。

圖2.9石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖2.2光纖的材料、制作和光纜在拉絲過(guò)程中，需要保持光纖直徑的均勻性，根據(jù)質(zhì)量守恒，有

(2.24)式中，D為預(yù)制棒直徑；d為光纖直徑；為預(yù)制棒下降速度；為光纖收絲速度。通過(guò)控制和來(lái)控制光纖的直徑，一般為30~1000m/min。2.2光纖的材料、制作和光纜實(shí)際應(yīng)用中，為了提高光纖的強(qiáng)度、耐溫等性能，光纖必須制成光纜才能使用。成纜時(shí)可以有多種結(jié)構(gòu)，通常由外護(hù)套、包帶和加強(qiáng)心構(gòu)成。圖2.10為層絞式和骨架式兩種常見(jiàn)的光纜結(jié)構(gòu)。圖2.10光纜結(jié)構(gòu)圖2.3光纖的傳輸特性光纖作為光通信的傳輸介質(zhì)，從通信角度來(lái)看，主要關(guān)心光纖的以下幾個(gè)傳輸特性：(1)衰減：只有衰減小到一定程度才可能做長(zhǎng)距離通信使用；(2)色散：色散小，脈沖展寬小，從而要求光纖有較小的色散，才可能以高速率傳輸信號(hào)或者說(shuō)有較大的通信容量。另外，隨著光纖通信的發(fā)展，光纖的偏振特性和非線性效應(yīng)對(duì)光信號(hào)的傳輸也有較大的影響。

2.3光纖的傳輸特性12.3.1衰減22.3.2

色散32.3.3偏振特性42.3.4非線性效應(yīng)2.3光纖的傳輸特性

2.3.1衰減一段光纖的損耗由通過(guò)這段光纖的光功率損失來(lái)衡量，穩(wěn)態(tài)條件下，單位長(zhǎng)度的光纖損耗稱為衰減系數(shù)，通常定義為（）(2.25)式中，為入射光功率；為傳輸后的輸出光功率。產(chǎn)生光纖損耗的機(jī)制很復(fù)雜，主要與光纖材料本身的特性有關(guān)，其次，制造工藝也影響光纖的損耗，影響損耗的制造工藝因素很多。

2.3光纖的傳輸特性

2.3.2色散光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于傳輸常數(shù)是光頻率的函數(shù)，當(dāng)與更高階導(dǎo)數(shù)不為零時(shí)，意味著光信號(hào)中不同頻率（或波長(zhǎng)）成分具有不同的群延遲或群速度，這種群速度隨光頻率變化的現(xiàn)象稱為群速度色散(GVD)，簡(jiǎn)稱為色散。色散將導(dǎo)致光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的脈沖展寬，從而限制了光纖通信的信息傳輸速率，即通信容量。2.3光纖的傳輸特性在多模光纖中，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。對(duì)于單模光纖，由于只有基模，光脈沖中的不同頻率成分具有不同的群延遲或群速度，這種色散要比模式間色散小很多，下面討論這種色散。

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：(2.26)式中，D為色散系數(shù)，單位為ps/(nm·km)；L為光傳輸長(zhǎng)度；為傳輸光的波長(zhǎng)范圍。

2.3光纖的傳輸特性傳輸常數(shù)之間的關(guān)系為

(2.27)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。2.3光纖的傳輸特性石英單模光纖的色散曲線如圖2.12所示，ZMD是材料色散的色散零點(diǎn)，是總色散零點(diǎn)波長(zhǎng)，常規(guī)石英光纖的約為1310nm。圖2.12石英單模光纖的色散曲線2.3光纖的傳輸特性2.3.3偏振特性雙折射現(xiàn)象，即當(dāng)一束線偏光（圓偏光也有類(lèi)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。雙折射現(xiàn)象對(duì)光通信的影響主要體現(xiàn)為偏振模色散(PMD)。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。傳播常數(shù)為和，由于雙折射，，單位距離的時(shí)延分別為,

故時(shí)延差為

2.3光纖的傳輸特性因?yàn)闅w一化雙折射率為

故對(duì)于石英光纖，第二項(xiàng)遠(yuǎn)小于第一項(xiàng),因此

(2.28)對(duì)于普通光纖，B在數(shù)量級(jí)，。2.3光纖的傳輸特性

2.3.4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。1．非線性極化理論光纖作為電介質(zhì)在外電場(chǎng)（包括光波電場(chǎng)）作用下，感應(yīng)電偶極矩，極化所形成的附加電場(chǎng)與外電場(chǎng)疊加形成介質(zhì)中的場(chǎng)。

2.3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

(2.29)式中，為真空介電常數(shù)；,,分別為一階、二階、三階電極化率。當(dāng)外場(chǎng)較弱時(shí)，，，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程是線性的。

(2.30)2.3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。光頻率各分量不存在相互作用，頻率也不會(huì)變化，表征介質(zhì)特性的參數(shù)如介電系數(shù)、吸收系數(shù)都與外加光場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。但在非線性光學(xué)范圍內(nèi)，情況就不同了，式(2.29)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：

(2.31)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：

(2.32)

2.3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)。三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng)導(dǎo)致克爾效應(yīng)、雙光子吸收、光波自作用以及受激輻射受激拉曼散射和受激布里淵散射等現(xiàn)象。這些是影響光纖通信的重要的非線性光學(xué)效應(yīng)。從物理機(jī)制上講，非線性光學(xué)效應(yīng)大致可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)稱為參量過(guò)程（非激活的），另一類(lèi)稱為非參量過(guò)程（激活的）。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。在非參量過(guò)程中，非參量過(guò)程不需要滿足相位匹配條件。2.3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。(1)物理機(jī)理拉曼散射和布里淵散射是光纖物質(zhì)中原子參與的光散射現(xiàn)象。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。2.3光纖的傳輸特性根據(jù)量子力學(xué)理論，格波的能量是量子化的，對(duì)頻率的格波，它們的每份能量稱為一個(gè)聲子。所謂聲子，就是晶格振動(dòng)能量變化的最小單位。入射光波被晶格振動(dòng)散射，可以理解為光子與聲子相互碰撞的問(wèn)題，在散射過(guò)程中，常常伴隨聲子的吸收和發(fā)射，但必須滿足能量守恒，從而使入射光發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換。

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。由光學(xué)波聲子參與的光散射稱為拉曼散射，由聲學(xué)波聲子參與的光散射稱為布里淵散射。2.3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。在這個(gè)過(guò)程中，能量守恒，即（h是普朗克常量），光波產(chǎn)生下頻移。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。布里淵散射與拉曼散射過(guò)程相似，只是參與的聲子是聲學(xué)聲子，頻率低，因此布里淵散射頻移小。

2.3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。但隨光功率增大，就可能產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)和受激布里淵散射(SBS)。臨界功率大約為3W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)。2.3光纖的傳輸特性受激拉曼散射主要以前向散射為主，對(duì)光纖的影響主要表現(xiàn)為限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β省Ｊ芗だ⑸鋵?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)_。受激拉曼散射對(duì)波分復(fù)用系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了單通道光纖系統(tǒng)，每一個(gè)信道只要幾毫瓦的光子功率就能引起明顯的拉曼串?dāng)_，其特點(diǎn)是短波長(zhǎng)信道功率向長(zhǎng)波長(zhǎng)信道轉(zhuǎn)移。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。2.3光纖的傳輸特性

(3)受激布里淵散射的特點(diǎn)及對(duì)光通信的影響受激布里淵散射(SBS)的特點(diǎn)是：以反向散射為主；增益系數(shù)大；閾值低，對(duì)常規(guī)單模光纖來(lái)說(shuō)大約為4mW；頻移小，僅有數(shù)十兆赫茲。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。受激布里淵散射使光譜線增寬，對(duì)相干光通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。2.3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

(2.33)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)。2.3光纖的傳輸特性非線性折射率調(diào)制可以引發(fā)以下非線性光學(xué)效應(yīng)。

(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

(2.34)式中，為光纖的有效長(zhǎng)度；為輸入端光功率。2.3光纖的傳輸特性當(dāng)光波被調(diào)制后，隨時(shí)間變化，SPM導(dǎo)致頻譜展寬，展寬值可以由的導(dǎo)數(shù)求得

(2.35)SPM導(dǎo)致的頻譜展寬是一種頻率啁啾。(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(lèi)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。2.3光纖的傳輸特性

(3)四波混頻(FWM)四波混頻是源于非線性折射率的參量過(guò)程，需要滿足相位匹配條件。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。四波混頻大致分為兩種情況，一種情況是三個(gè)光子合成一個(gè)新光子，其頻率為。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。2.3光纖的傳輸特性另一種情況是頻率為,的光子湮滅，產(chǎn)生頻率為,的新光子。能量守恒，動(dòng)量守恒，在光纖滿足的條件相對(duì)容易些。四波混頻引起光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中復(fù)用信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。光纖色散越小，復(fù)用信道波長(zhǎng)間隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。這是因?yàn)橛腥核俣壬r(shí)，相位匹配條件難以滿足。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。2.4光纖的種類(lèi)光纖的種類(lèi)繁多，按光纖所用材料、折射率分布、傳輸模式等，都可以對(duì)光纖進(jìn)行分類(lèi)。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。從折射率分布角度，可以分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。從傳輸模式上，可以分為多模光纖和單模光纖。從用途上，可以分為常規(guī)通信光纖和特種光纖。2.4光纖的種類(lèi)

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(lèi)方法，光纖可以分為A類(lèi)和B類(lèi)兩大類(lèi)，A類(lèi)為多模光纖，B類(lèi)為單模光纖。它們的分類(lèi)參見(jiàn)表2.1和表2.2。表2.1多模光纖的分類(lèi)類(lèi)別材料類(lèi)型折射率分布指數(shù)g值A(chǔ)1玻璃心/玻璃包層梯度折射率1≤g≤3A2.1玻璃心/玻璃包層準(zhǔn)階躍折射率3≤g≤10A2.2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2.4光纖的種類(lèi)表2.2單模光纖的分類(lèi)下面分別介紹多模光纖和單模光纖。類(lèi)別特點(diǎn)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)B1.1非色散位移光纖13101310,1550B1.2截止波長(zhǎng)位移光纖13101550B1.3波長(zhǎng)段擴(kuò)展的非色散位移光纖1300~13241310,1360~1530,1550B2色散位移光纖15501550B3色散平坦光纖1310,15501310,1550B4非零色散位移光纖＜15301530~15652.4光纖的種類(lèi)12.4.1多模光纖22.4.2單模光纖2.4.1多模光纖從結(jié)構(gòu)上看，多模光纖有梯度多模光纖和階躍多模光纖，其折射率分布函數(shù)如圖2.13所示。梯度多模光纖包括,,和四類(lèi)，由多組分或摻雜石英玻璃制成，其具體分類(lèi)參見(jiàn)表2.3。圖2.13多模光纖的折射率分布2.4.1多模光纖表2.34種梯度多模光纖的性能及其應(yīng)用場(chǎng)合類(lèi)型心/包層直徑工作波長(zhǎng)(nm)帶寬(MHz)數(shù)值孔徑損耗(dB/km)應(yīng)用場(chǎng)合A1a50/125850,1310200~15000.20~0.240.8~1.5數(shù)據(jù)鏈路、局域網(wǎng)A1b62.5/125850,1310300~10000.26~0.290.8~2.0數(shù)據(jù)鏈路、局域網(wǎng)A1c85/125850,1310300~10000.26~0.302.0局域網(wǎng)A1d100/125850,1310100~500.26~0.293.0~4.0局域網(wǎng)2.4.1多模光纖階躍多模光纖包括,,三類(lèi)9種，可用多組分玻璃或塑料制成。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。其具體分類(lèi)參見(jiàn)表2.4。2.4.1多模光纖表2.4三類(lèi)階躍多模光纖的特性光纖類(lèi)型A2aA2bA2cA3aA3bA3cA4aA4bA4c心/包層直徑(

m)100/400200/300980/1000200/240200/380730/750200/280200/230480/500工作波長(zhǎng)(nm)850850650帶寬(MHz)≥10≥5≥10數(shù)值孔徑0.23~0.260.400.50衰減(dB/km)≤10≤10≤400典型適用長(zhǎng)度(m)200010001002.4.2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。石英單模光纖衰減小，帶寬高，是理想的光通信介質(zhì)。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。按色散波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)的位移與否，可以將單模光纖分為5類(lèi)，參見(jiàn)表2.5。下面分別介紹。2.4.2單模光纖

表2.5單模光纖的分類(lèi)

名稱ITU-T（國(guó)際通信聯(lián)盟）IEC非色散位移單模光纖G652:A,B,CB1.1色散位移單模光纖G653B2截止波長(zhǎng)位移單模光纖G654