单模光纤传输特性及光纤中非线性效应

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应

单模工作模特性及光功率分布 .............................. 错误!未定义书签。

单模光纤中LP 01模的高斯近似 ............................... 错误!未定义书签。

单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） .............. 错误!未定义书签。

双折射概念 ............................................... 错误!未定义书签。

偏振模色散概念 .......................................... 错误!未定义书签。

单模光纤中偏振状态的演化 ................................ 错误!未定义书签。

单模单偏振光纤 .......................................... 错误!未定义书签。

单模光纤色散 ................................................. 错误!未定义书签。

色散概述 ................................................ 错误!未定义书签。

单模光纤的色散系数 ...................................... 错误!未定义书签。

单模光纤中的非线性效应 ...................................... 错误!未定义书签。

受激拉曼散射（SRS ） ..................................... 错误!未定义书签。

受激布里渊散射（SBS ） ................................... 错误!未定义书签。

非线性折射率及相关非线性现象 ................................ 错误!未定义书签。

光纤的非线性折射率 ...................................... 错误!未定义书签。

与非线性折射率有关的非线性现象 .......................... 错误!未定义书签。

自相位调制 .............................................. 错误!未定义书签。

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应

单模光纤的传输特性

单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃型光纤只传播

HE 11模（或LP 01）的光纤。

由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因

而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介

质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握

其传输特性就显得尤为重要。单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 单模条件和截止波长

阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为。

单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意味

着归一化工作频率应满足条件：0

单模光纤的截止波长也就是LP 11模的截止波长，在光纤结构参数n 1、Δ及a 已知的条

件下，其截止波长为： a n U a n c

c 112612.222?=?=πλ 按上式计算截止波长只有理论意义。这是因为在实际工程中使用单模光纤，其纤芯半径

a 往往并不是作为光纤的参数直接给出，而只给出更有实际意义的模场直径。工程中单模光

纤的截止波长是由实验直接测量的。单模光纤的截止波长的测试方法在ITU-T 的有关建议中

规定的非常详细，读者可以查阅相关数据。工程最常用的单模光纤，其工作波长为微米，ITU-T

的建议规定，其截止波长范围为：微米<λc <微米。

规定最大截止波长为微米，是为了保证所传输的信号中波长最短的成分，也是满足单模

传输条件的。但也不能将截止波长取的过小，太小了，LP 01模的功率将部分进入包层，使得

传输过程中弯曲损耗增大，所以规定截止波长的下限在微米。

还需说明，规定的截止波长是指在光纤的始端激励起来各种模式，经一定长度的被测光

纤（2m 长的一次涂覆光纤并带有28cm 直径的环，或22m 长的成缆光纤并带有80mm 直径的

环）传播以后，各个高阶模所携带的总功率与主模式功率之比降为所对应的波长。

单模工作模特性及光功率分布

单模光纤的工作模式就是主模式LP 01模，LP 01模的横向电磁场解为： a r r a W K W K Z An H a r r a U J U J Z An H a r r a W K W K A E a r r a U J U J A E x x y y >??? ??-=≤??

? ??=>??

? ??=≤??? ??=

,)(,)(,)(,)(00022

00011002

001 由于对于弱导光纤，纵向场量E z 和H z 都比横向场量E y 和H x 都小的多，所以略去纵向场

量。

将m ＝0代入LP 模的特征方程，得到工作模式的特征方程： )

()()()(0101W K W WK U J U UJ =，式中U 、W 满足方程：)(2221220222n n a k V W U -==+ 在0

场量在半径方向的分布特点。LP 01模的横向电磁场解是一个超越方程，只能求得数值解。在

V ＝时可解得U ＝，W ＝。

在V ＝，U ＝，W ＝的条件下，可以计算得到LP 01模所传输的总功率中，纤芯中功率占84％，包层中的功率占16％。V 越小，包层中的功率就越多，例如：V ＝1时，纤芯中的功率仅占

30％，70％的功率都转移到包层中了。所以实际的单模光纤，归一化工作频率应选在～，这

样既可以保证LP 01模单模传输，又可以保证大部分的光功率是在纤芯中传播的。

功率强度是电场强度的平方，利用前面电场向量解可以得到在纤芯中光功率强度分布

为： a r r a U J r P y ≤??

??????? ??∝,)(2

0 如图所示LP 01模在纤芯中的光功率分布，图中以半径r=a 处的功率P y (a)为参考，表示了在不同r/a 处的功率比R 为：200)()()(?????

?????????? ??==U J r a U J a P r P R y y

LP 01模在纤芯内的光功率分布（V ＝）

因为在包层中有相当的功率传输，为了得到低衰减，单模光纤必须要有足够厚度的沉

积内包层，内包层厚度的大小取决于包层中场强沿r 的分布及剖面的结构。同样依据电场向

量的解可以得到包层中LP 01模的电场强度为： a r r a W K W K A E y >??

? ??=,)(002

根据变态贝塞尔函数的近似式：x m e x x K -??? ??≈2

12)(π 在相对径向位置t=r/a 及r=a 处的场强比为： ω)1(1)

1()

(--=t y y e t E t E 包层中LP 01模的光功率强度分布为：a r a r K r P y >??

??????? ??∝,)(20ω 在相对径向位置t=r/a 及r=a 处的功率强度之比为： ω)1(21)1()(--=t y y e t

P t P 如果包层厚度r=6a ，那里的光功率密度小于10－8，在这以外的总光功率可以忽略不计。

V 值不同，电场渗透进入包层的厚度也不同，在保证单模传输的情况下，V 值越大越好，

V 值大，沉积内包层的厚度可以薄一些。

单模光纤中LP 01模的高斯近似

在阶跃光纤中，LP 01模的场在纤芯中取零阶贝塞尔函数的形式。由于对贝塞尔函数的处

理复杂，而高斯函数与贝塞尔函数接近，人们就设想能否利用高斯函数来取代贝塞尔函数以

简化对基模的分析。

阶跃光纤中的主模LP 01模场量，定性上与高斯分布相近。因而可以用高斯函数去逼近贝

塞尔函数分布，这样可以简化对LP 01模的分布。也就是说，可以将其电磁场量写成 2222/0/w r g xg w r

g yg e Z n

A H e A E --==

这里的W 称为LP 01模的模场半径，2W 就是单模光纤的一个重要参量模场直径在r=w 时，场量下降至中心轴处的1/e 处。

用高斯分布去逼近或代替横向电磁场的解的分布，关键是寻找合适的模场半径w ，使得

用上式代替解所引起的误差尽可能小。这个适当的模场半径我们称为最佳模场半径，记为

w opt ，可以按下述方法求得。

假设我们用高斯场去激励阶跃单模光纤，则LP 01模与激励场之间的耦合系数为：

220021??

????=??∞π?ρrdrd H E xg y 式中H xg 是由前式给出的高斯分布的磁场，而E y 则是由前面场解给出的LP 01模的电场。

适当选择常数A g 和A ，使得高斯场和LP 01模的传输总功率是归一化的，即： 12

121202000==????∞∞ππ??rdrd H E rdrd H E xg yg x y 则由耦合系数公式给出的耦合系数最大值为1。当H xg 与实际场量H x 有较大差异时，ρ

比起1来将有较大的差异。由此可知，w opt 应是使耦合系数取最大值的w 值。

由于耦合系数公式计算所得的耦合系数ρ是参量w 的函数，即ρ=ρ(w)。因而最佳模场半径应是方程：0)(=ω

ωρd d 的解。

在0.28.0<

λλ范围内，归一化模场半径可以用下面的经验公式计算，其误差不超过1％，即：6236230149.0434.065.0879.2619.165.0???? ??+???? ??+=++=---c c

opt V V

a λλλλω 一个更简捷的公式是：V a

opt

6.2=ω。 用高斯场来等效精确场的最大限制是不能用来等效光纤包层中的场，这是因为精确场的

衰减比高斯场缓慢。因而包层中的场要寻找另外的近似方法。当wr/a>2时，包层中的场可

用下式近似： ????????? ??-??? ????? ??≈??? ??a r r a r a W

K ωωπex p 22

1210 利用高斯近似法我们来计算LP 01模在光纤中的功率分布，在高斯近似下，它们具有简

单的形式： ???????????? ??-≈???

????????? ??--≈20202exp 2exp 1ωωa P P a P P total cl total core

单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性）

双折射概念

在单模光纤中，LP 01模有两种正交的偏振状态，其横向电场分别沿x 轴方向和y 轴方向，

分别记为LP 01x 模和LP 01y 模。如果光纤是理想的，即其截面为标准的同心圆，折射率分布也

是理想轴对称的，则这两个正交的模式相位常数完全相等，传输特性完全相同。这样一对模

式称为简并模。

实际的光纤的纤芯的几何形状可能不再是标准的圆柱，纤芯折射率也可能因内部残余应

力、扭曲等因素的影响而非理想的轴对称分布。这种非理想的状态导致LP 01x 模和LP 01y 模的

相位常数βx 和βy 不相等，从而导致这两个正交的偏振状态模式在传输过程中产生附加的

相位差，这就是单模光纤中的双折射现象。双折射将引起单模光纤的偏振模色散（或称作极

化色散）和LP 01模的偏振状态随传输距离而发生变化。

为了定量描述光纤中双折射现象的程度，引进归一化的双折射参量B ，其定义为： 0

0k k B y

x βββ?=-= 式中Δβ是两个正交的LP 01模的相位常数之差，也就是两个正交的LP 01模在光纤中传

输一个单位距离时产生的相位差，k 0是自由空间波数。为了加深对B 的理解，我们将双折射

参量写成： y x y x y

x n n c c k B -=-=-=υυββ0

式中c 是真空中的光速，v x 、v y 分别是沿x 方向和y 方向偏振的LP 01x 模和LP 01y 模的相

速度，而n x 、n y 则分别是LP 01x 模和LP 01y 模的等效折射率。它表明偏振正交的LP 01x 模和LP 01

y 模在单模光纤中传播时所感受的折射率是不一样的。而B 正是这两种偏振状态的等效折射率

差。

表征双折射的另一个参量是拍长L B ，其定义为：B

L B λβπ=?=2。 从这个定义可以看到，拍长L B 就是两个正交的LP 01模在光纤中传播时产生2π的相位差

的长度。显然拍长L B 越长，光纤的双折射越弱；拍长越短，双折射越强。

单模光纤中产生双折射现象的原因大致有三类：

其一是光纤纤芯的截面不是理想的圆。这种由于纤芯截面的几何形状的变异引起的双

折射，可以称为几何双折射。假设光纤纤芯截面近似为以椭圆，椭圆偏心率为e ，则双折射

参量B 与e 2成比例。

其二是光纤中的应力引起的双折射。当光纤的两个正交的方向上受到不相等的横向应

力时，光纤的折射率分布将呈各向异性，从而导致应力双折射。光纤所受到的应力主要是光

纤从预制棒制作到拉丝，再到加护套、成缆等一系列工艺过程引起的。

其三是光纤受到外加电磁场的影响，其折射率分布将发生变化。例如：光纤受到纵向

磁场作用时，将产生圆双折射，光纤中两个旋转方向相反的圆偏振波将以不同的速度传播。

偏振模色散概念

前面分析的两个相互正交的偏振模在光纤中传播单位距离的群时延分别为： ω

βτωβτd d d d y y x x ==, 由此产生的传播时延或脉冲展宽为： ()ω

βββωτd d d d y x p ?=-=

? 利用前式可得，则有： ()ωωωτd dB c c B B k d d p +==?0 对于石英光纤，第二项远小于第一项，所以偏振模色散所导致的脉冲展宽： f

L c B B p 1=?==?ωβτ 普通单模光纤双折射率参量B 在10-6数量级，例如，当B ＝10-6时，在工作波长为微米，

拍长L B =米，由于偏振模色散导致的光脉冲展宽为Δτp ＝km 。这与采用单纵模激光器（谱宽

1nm 左右）在单模光纤零色散波长附近因波长色散所导致的脉冲展宽相当。但由于两个正交

模之间的耦合作用在长距离传输时，总色散或脉冲展宽并不与距离成正比，所以与波长色散

比较，偏振模色散是次要的。采用旋转工艺生产的低双折射光纤，双折射参量B 可低至10

-9数量级，这种光纤可以完全不考虑偏振模色散的影响。

需要注意的是偏振模色散不是常规单模光纤中的稳定的现象。由于双折射沿常规单模光

纤是随机的，它和分布在整个光纤长度上的制造应力和环境应力的随机波动相关联。此外光

在常规单模光纤中传输时，两个偏振模式之间会发生转化，而且这种转化是随机的。因此在

光纤中输出端的偏振模色散值是随时间变化而起伏的。偏振模色散一般采用统计的推算的办

法得到。 偏振模色散造成的脉冲展宽表示为：L D PMD p ?≈?τ

其中，D PMD 是光纤的偏振模色散的平均值，单位是ps/km -1/2，其典型值为～ ps/km -1/2。

单模光纤中偏振状态的演化

光在光纤中传输时其偏振状态的演变具有重要意义。尤其是在相干光通信系统中、在光

集成技术中以及在光的外调制技术中，光的偏振状态都起着决定性作用。在单模光纤中，由

于存在双折射，光波以LP 01模传输时，其偏振状态将会不断变化。

单模光纤的双折射特性一般比较复杂，光波的偏振演变也将十分复杂，这里仅介绍一种

最简单的情形，即线偏振波耦合进具有均匀的线双折射特性的光纤中传输时其偏振状态的变

化规律。

假设单模光纤具有均匀的双折射特性，即B 沿光轴方向是个常数，而且在光纤横截面内

可以找到两个相互正交的特性方向，当LP 01模的电场沿这两个方向偏振时，其相位常数分别

取最大值和最小值。这两个特定的方向分别称为光纤快轴和慢轴。

我们选取直角坐标系，使x 轴和y 轴与这两个方向分别重合，这样的坐标系可以称为主

轴坐标。假设在光纤的输入端有一线偏振波被激励，其电场强度向量与上述坐标系的x 轴之

间的夹角为φ，称为输入偏振角。设输入端电场矢量为：

y y x x i e E e E E +=

而且：??sin ,cos i iy i ix E E E E ==

在光纤中传输距离z 以后，其输出电场矢量则为：

y z j y x z j x o e e E e e E E y x ββ--+=

由于β≠β，所以上式代表的一般情况下为椭圆偏振波，这是因为电场强度的两个分

量将有(βx -βy )z ＝δ相位差。由于这个相位差是z 的函数，所以上式所描述的场的偏振状

态也将随着z 变化的。根据平面电磁波的偏振理论，当这两个分量的相位差为n π时，描述

的是一个线偏振波，而当n 为偶数时，场矢量的偏振状态与初始偏振状态一样。当相位差为

n π+π/2，而且E ix =E iy 时，描述的是一个圆偏振波，如果E ix ≠E iy ，则为椭圆偏振波，椭圆

的长短轴分别与x 、y 轴重合。

纵上所述，线偏振的LP01模在单模光纤中传输时，由于双折射的影响，其偏振状态将

随传输距离而变。

一般可以采用输出极化角和极化椭圆度两个参数，沿光纤的椭圆极化波的长轴一般并不

与光纤的双折射轴重合，设它与Ox 轴成Ω角，这一角度称为输出极化角。设极化椭圆的长

轴和短轴方向的电场幅度各位a max 和a min ，相应的光强为I max 和I min ，椭圆极化度的定义为：

2min

2max 2min 2max min max min max a a a a I I I I P +-=+-= 当P ＝0时，椭圆极化波变为圆极化波；

当P ＝1时，变为线极化波。、]

单模单偏振光纤

由于在传感器及光通信等领域中对偏振态也提出了控制的要求，所以如何保持传播过程

中的光的偏振状态稳定也是一个重要的研究领域。保持偏振态稳定的根本方法是光纤中只传

输一个偏振方向的HE 11模或LP 01模，这种只传输一个偏振方向的单一模式的光纤就是保偏光

纤。

实现保偏传输的条件是使两个偏振正交的HE 11模或LP 01模的相位常数差异或双折射足够

大，使这两个简并的模式分裂为两个独立的模式。

目前主要采用以下几种方法获得：

（1）制作非圆截面光纤。例如将纤芯截面制作为椭圆形，横截面内两个正交的HE11模在椭圆偏心率较大时，只有某一个偏振模式是主模，另一个是高次模式，可以恰当的设计光纤截面及折射率分布，使得在规定的工作波长上高次的偏振模式是截止的，因而可以实现单偏振态传输。

（2）纤芯折射率的非轴对称性将导致较大的双折射。例如，有一种所谓的鞍槽型结构，在纤芯内部的两侧做成折射率比包层折射率n2还低的折射率凹槽，如图所示。

由于凹槽对两个正交的方向是不对称的，所以加大了双折射。可以使沿鞍槽方向的偏振模式称为主模传输。

（3）低双折射光纤

为了降低单模光纤的偏振模色散，应使单模光纤的双折射参量尽可能小。当然保偏光纤没有偏振模色散，但这种光纤成本高，不适合用在普通通信线路中。

常用的措施有：

采用计算机控制拉丝过程，尽可能保证光纤截面接近理想圆形。

消除纤芯内应力的影响，这包括选择合适的材料使光纤护套、包层、纤芯的热膨胀系数匹配等技术。

拉丝过程中旋转预制棒，制成旋光纤。

单模光纤色散

光纤色散的产生主要基于两个方面的因素：其一是进入光纤的光信号不是单色光；其二是光纤对光信号的色散作用。

进入光纤的并不是单色光原因有：光源发出的并不是单色光，且调制信号有一定的带宽。

因此，可以看出光纤中的信号是由不同的频率成份和模式成份构成，它们具有不同的传播速度，从而引起复杂的色散现象。

色散概述

色散是指光纤中所传的信号由于不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同同频率成分和不同模式成分的相速度和群速度不同，从而导致信号的畸变。色散导致光脉冲在传播过程中展宽，致使前后脉冲相互重迭，引起数字信号的码间串扰。

根据色散产生的原因，光纤的色散主要分为三种：模式色散、材料色散和波导色散。

模式色散是由于信号不是单一模式携带所导致的，故又称为模间色散；材料色散和波导色散是由于同一模式内携带信号的光波频率成分不同所导致的，所以又称为模内色散。1．模式色散

多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传播速度也不同，到达接收端所用的时间也不同，而产生了模式色散。

2．材料色散

由于光纤的折射率是波长的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此引起的色散称为材料色散。

材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起的。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样不同波长的光波传播速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。

材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比，所以在系统使用时尽可能选择光谱线宽窄的光源。石英光纤材料的零色散系数波长在1270nm附近。

3．波导色散

同一模式的相位常数随波长而变化，即群速度随波长而变化，由此而引起的色散称为波导色散。

波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。一般波导色散比材料色

散小。普通石英光纤在波长1310nm 附近波长色散和材料色散可以相互抵消，使二者总的色

散为零。因此，普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。

在多模光纤中以上三种色散均存在，多数多模阶跃光纤，模式色散占主要地位，其次是

材料色散，波导色散较小，可以忽略不计。多模渐变光纤，模式色散较小，波导色散同样可

以忽略不计。

单模光纤，上述三种色散只有材料色散和波导色散存在。

此外还存在偏振模色散，对于工作在零色散波长的单模光纤，偏振模色散最后将称为

色散极限。

单模光纤的色散系数

光信号在光纤中以群速度传播，群速度的定义为： ==β

ωd d V g ，则群时延τ可以表示为： c k dk d c d dk dk d d d V g ωβωβωβτ=====

0000,11其中， 可以再利用：λπ

20=k ，把上式化为： λ

πλβπλβτ2,21020=-==k d d c dk d c 其中 假设光信号的谱宽为Δλ，则群时延差Δτ为： ...62333222+?+?+?=?λλ

τλλτλλττd d d d d d 在Δλ/λ<<1时，只取上式第一项就足够，于是有： λλβλλβλπλλβπλλλβλτ????

? ??+-=????? ??-=????? ??=?2222022121d d d d c d d c d d dk d c d d 定义色散系数为单位波长间隔的两频率成分在光纤中传输单位长度所产生的群时延差为

该光纤的色散系数，用D(λ)表示，单位为ps/。

则???

? ??+-=222221)(λβλλβλπλd d d d c D ，且由于 22020021)(λ

πβλτλτλ-?=?==dk d c d dk dk d d d D ，因此，可以得到： 20

222222221)(dk d c d d d d c D βλπλβλλβλπλ-=???? ??+-= 由上式可以看出单模光纤的色散系数是由光纤中的传播相位常数对自由空间相位常数

的二阶导数决定。显然为了求得色散系数的表达式，可以先求出相位常数的解析表达式。

为了方便，引入归一化相位常数b ，其定义为：

()[]

[]()()2002100100

212110

1001011000102/1102/122212202221202220222

22,,)()()1()1()1()21()(1n k dk d N n k dk d N dk db k n n b N N N dk db n k dk d b n k b N b n k dk d dk d b n k b n k b n n n k n n k n k V U V W b ==-+-+=?+?+?+=?+=?+≈?+≈--=?--=-==式中：利用：βββ N 1和N 2分别称作纤芯和包层的群折射率，推导中使用了

212112111N N n n n n n N N -≈-≈-=?，并忽略了折射率剖面色散项0

dk d ?。 把归一化相位常数b 对k 0求导，可以得到： [][]

dV db k V n n a dV db n n a k dk d dV db dk dV dV db dk db 02/122212/122210000)()(=-≈-== 带入前式，得到

dV bV d N N N dV db V n n b N N N dk db k n n b N N N dk d )()()()()()(2112121100212110-+≈-+-+=-+-+=β 再次求导得到：

()()()2202121001211020

2)()()(dV bV d k V N N dV bV d N N dk d dk dN dV bV d N N N dk d dk d -+-+=??? ??-+=β 在此忽略第二项折射率剖面色散，得到：

()220210120

2)(dV bV d k V N N dk dN dk d -+=β， 代入前式，可得：

())()()(222)(2202120122022λλλ

πλπβλπλw m D D dV bV d k V N N c dk dN c dk d c D +=---=-= 从上式可以看出，第一项是材料色散项，第二项与归一化传播常数及归一化频率有关，由于，

（N 1-N 2）>0，在我们感兴趣的波长范围内，总有0)(22>dV

bV d V ，所以波导色散系数D W (λ)<0。 而材料色散项D M (λ)在通信波长范围内可以是正也可以是负，当λ<λ0时，D M (λ)<0，

当λ>λ0时，D M (λ)>0。

为了方便理论分析，有时用所谓群速度色散(group velocity dispersion, GVD)系数来

描述光纤的波长色散。光波传播的相位常数通常是频率的复杂函数，即：)(ωββ=。假设

可以将光信号看成是对角频率为ω0，相位常数为β0的单色光调制的结果，则可以将β在

β0附近展开，即：

()()3332221332210, (6)

1

21)(ωβββω

βωτβωβτωββωβωβωββωβd d d d d d d d d d g g n n n ＝色散斜率为：为：群时延色散系数则定义群时延为：＝式中====+?+?+?+=

正常色散介质β2>0，反常色散介质β2<0。

单模光纤中的非线性效应

在高强度电磁场中任何电介质对光的效应都会变成非线性，光纤也不例外。

在光纤通信系统中，高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用，使得光纤中的非线性效应愈来愈强。这是因为纤芯中的光场主要束缚在很细的纤芯中，使得场强非常高；低损耗又使得高场强可以维持很长的距离，保证了有效的非线性相互作用所需的相干传输距离。特别是在现在大容量、长距离光纤通信系统中，光纤传输的光功率大，这一问题尤为突出。 光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用，一方面引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串扰和信号载波的移动等，另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等新型器件。

光纤中的非线性效应可以分为两类：受激散射效应和折射率扰动。也可以根据非线性介质是否参与非线性过程的能量交换，分为弹性非线性效应和非弹性非线性效应。两者的主要区别在于非线性截止不参与非线性过程的能量交换，而后者参与。光纤当中两者皆有，但由于石英材料的反演对称性，非线性效应主要由三阶极化率产生。一般可通过把材料的三阶极化率带入麦克斯韦方程，通过推导非线性耦合波方程，得到各种非线性现象的耦合方程，最后利用耦合方程来分析非线性现象。

受激散射效应（SRS 和SBS ）

受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。受激散射的形式主要由两种：受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成为一个低能量的光子，同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。

两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激拉曼散射主要发生在前向。共同点是受激布里渊散射和受激拉曼散射都是的入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈指后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。

受激拉曼散射（SRS ）

1．物理机理

受激拉曼散射过程可以看成是物质分子对光子的散射过程，或者说光子与分子振动对入射光的相互作用过程，即分子内部粒子间的相对运动导致分子感应电耦极矩随时间的周期性调制，从而对入射光产生散射作用。

SRS 的基本过程是激光束进入介质以后，光子被介质吸收，使介质分子由基能级E 1激发到高能级，但是高能级是一个不稳定状态，它将很快跃迁到一个较低的亚稳态能级并发射一个散射光子，能量比基态高，在此能级上再驰豫回基态，产生一个一定能量的光学声子。这个非弹性散射过程前后总的能量是守恒的，即： Ω+=ηηηs p ωω

散射光称为斯托克斯光（stokes ），实际上还存在另外一种散射过程，如果少数分子在吸收光子能量以前已处在激发态，则它吸收光子能量以后被激发到一个更高的能级，这个分子通过跃迁直接回到基态，这时将发射一个能量比吸收光子能量更大的光子，称为反斯托克斯光子（anti-stokes ）。

根据热平衡态下的粒子在能级上的分布可以知道，处于高能级上的粒子比基态能级上的粒子数要少的多，因而这种光子与物质分子的非弹性散射过程，产生斯托克斯光子的概率要比产生反斯托克斯光子的概率大的多，也就是说，斯托克斯散射光是起决定作用的，反斯托克斯光子都是可以忽略的。

拉曼散射存在普通拉曼散射和受激拉曼散射，普通拉曼散射过程是一种自发散射过程，相应的拉曼散射光十分微弱，当用强激光输入到非线性介质中时，在一定的条件下，拉曼散射光有激光的性质，这就是所谓的受激拉曼散射，相应产生的拉曼散射光较强，且都是相干光。

2．SRS 耦合波方程

对SRS 过程的严格描述需采用量子理论，鉴于在感兴趣的范围内，入射光和散射光都比较强，也可以采取静电电磁场理论来进行定量分析。这时，需给出描述入射波与斯托克斯波在非线性介质中相互作用关系的耦合波方程。

可以证明： s s s p e r p s s s s p p s p e

r p

p p

P P P kA g t P c n z P P P P kA g t P c n z P αωωα-=??+??--=??+??

上式中，P p 、P s 分别为泵浦光和斯托克斯光的功率，αs 和αp 分别为光和泵浦斯托克斯

波的损耗系数，g r 为拉曼增益系数，它表示两个波间能量的耦合强度，取决于非线性介质的增益特性即波长间距，k 为保偏系数，当泵浦光和斯托克斯波的偏振方向重合时，k=1，一般情况下1

3．光纤的拉曼增益特性

早期的光纤拉曼增益系数可以通过测量自发拉曼散射的截面积得出。拉曼增益系数一般与光纤的纤芯成分有关，对不同的掺杂物，拉曼增益系数有很大的变化。 从图中可以

看出对于不同的泵浦波长，拉曼增益系数与泵浦波长成反比。 ()()0.11==p p r

p r g g λλγλγ

图中可以看出在一定的泵浦光时，石英光纤的拉曼增益系数与频移的变化关系。石英光纤中拉曼增益的最显著特征是带宽很宽（达40THz ）并且在13THz 附近有一个较宽的主峰，这些性质是由于石英玻璃的非晶特性所致。

4．拉曼增益阈值

定义在光纤的输出端斯托克斯光功率与泵浦光功率相等时的入射泵浦光功率P th ，即： eff

r e R L g kA P th 16= L eff 是由泵浦光的衰减系数αp 决定的光纤的有效互作用长度，可表示为： [])ex p(11

L L p

p eff αα--=

5．SRS 对光通信的影响

从光信号传输的角度，在单信道通信中，SRS 会导致光纤通信系统中信号光功率的附加衰减，同时由于泵浦脉冲与产生的斯托克斯脉冲的相互错位，如果在接收端不加光滤波器对斯托克斯脉冲进行抑制的话，将会导致码间串扰。

在多信道系统中，SRS 将造成各信道之间的能量转换，产生信道串扰。

另一个面SRS 也有有利的一面，由于SRS 具有增益特性，而且可以在光纤中积累，因此这种效应可被利用制作成光纤激光器。由于SRS 具有很宽的增益谱宽，可以用于宽带波分复用系统中。

受激布里渊散射（SBS ）

1．物理机理

受激布里渊散射与受激拉曼散射在物理过程上十分相似，入射的泵浦光将一部分能量转移给斯托克斯波，且产生或吸收一个声子。但是受激拉曼散射和受激布里渊散射两者在物理本质上还是有些差异，受激拉曼散射的频移量在光频范围，属于光学分支，而受激布里渊散射的频移量在声频范围，属于声学分支。

因此，可以把布里渊散射过程理解为，入射到介质上的光波长与介质内的弹性声波发生相互作用而产生的一种光散射的现象。

2．SBS 耦合波方程

在考虑一阶SBS 的斯托克斯效应，可以得到稳态条件下（即忽略泵浦光和斯托克斯光随

时间变化），得到耦合方程为： s s s p e B s p p s p e

B p

P P P kA g z P P P P kA g z P αα+-=??--=??

gB 为布里渊增益系数，其它参数定义同前。

3．光纤的布里渊散射增益系数

光纤的SBS 增益谱宽很窄，谱宽与声波的阻尼时间或是声子寿命有关。谱宽可表示为： 0.121

=?=?λυλυB B

对应的布里渊增益系数gB 为： B

B k g υλ??=-29

1073.1 上式是对单色泵浦光的布里渊增益系数，当泵浦光纤宽增加时，布里渊增益系数变为

B

p B B B k g υυυυλ?+????=-29

1073.1 4．布里渊散射的阈值及特性

同样定义，可以得到SBS 的阈值为： p

B B eff B e B L g kA P th υυυηη?+??==泵浦效率系数：,21 SBS 的特性：

a. 受激布里渊散射光具有良好的方向性、高的光谱单色性和高亮度特性；

b. 受激布里渊散射光的方向与入射激光传输方向相反；

SBS 的影响：

从信号传输角度看，它主要引起信号功率的衰减，并对光发射机构成危害，为了消除

SBS 的影响，需在通信系统中的光源器件前加光隔离器。另外，SBS 的增益系数要比SRS 的大两个数量级，也就是说在光纤中产生受激布里渊散射的激励阈值要比拉曼散射低的多。但由于光纤通信系统中，由于信号光的谱宽要远远大于SBS 散射光的线宽，所以在目前的系统中基本不考虑SBS 。

非线性折射率及相关非线性现象

在光学、光纤传输领域，对非线性现象的研究对今后光信息技术的发展起着举足轻重的作用。过去，我们在电磁学、光学领域接触到的非线性问题，主要是谐波失真、交叉调制、四波混频等，这些非线性现象都会导致电磁信号的失真，因而是极力避免的。

随着光纤通信技术的发展，人们对光学中的非线性的认识在不断发生变化，例如，在

多波长系统中应克服四波混频引起的串扰，但通过四波混频可以实现波长变换，而波长变换则是光网络的核心技术之一。自相位调制会导致信号失真，但在特定的条件下，自相位调制和光纤色散相互作用可以形成光孤子，使光孤子通信称为可能。

光纤的非线性折射率

对非磁性介质，如果其中存在电磁场则介质将发生电极化。电极化状况由电场极化强度矢量P 描述，它的方向代表介质极化方向，也就是介质中电偶极子的平均取向，它的模代表极化的强弱。极化强度与介质中的电场的关系为：

...)()3()2()1(0＋＋：EEE EE E P M χχχε+?=

根据该公式，我们只考虑二阶、三阶极化强度表示为：

)()()()()()(32t P t P t P t P t P t P NL NL L NL L ++=+=

由于石英材料分子的对称结构，因此其二阶非线性极化强度可以忽略，只需要考虑三阶

非线性极化强度。假设将光纤看成各向同性介质，则在光纤中可以将极化强度的大小表示为： )()()(3)3(0)1(0t E t E t P χεχε+=

因此，电位移矢量可表示为：

[])()(1)()()(202)3()1(00t E n t E E t P t E t D εχχεε=++=+=

式中：22)3()1(1n E =++χχ

因此，可以把折射率表示为：22122)3()1(1E n n n E +==++χχ

式中n 1和n 2E 2

分别为折射率的线性部分和非线性部分，可以看出光纤的折射率除了一

个线性部分外，还有一个与外加光强成正比的非线性修正项。

与非线性折射率有关的非线性现象

以两个波为例讨论与非线性折射率有关的非线性现象。假设有两个偏振方向相同的、不同频率的光场同时输入到非线性介质中，其合成光场为： []∑=++=2

1

..)(exp 21i i i i c c t z j E E ωβ，式中，.为共轭项， 则非线性极化率为：

[]{}{}{}{}[]{}[]{}[]{}[]{}t z j E E t z j E E t z j E E t z j E E t z j t z j t z j E E E t z j E E E c c t z j E P i i i i NL )2()2(exp ),2(83)2()2(exp )2,(8

3)2()2(exp ),2(8

3)2()2(exp )2,(8

3)(3exp )3(8

1)(3exp )3(81)(exp )2)((8

3)(exp )2)((8

3..)(exp 21212122121)3(0121212221)3(0121222121)3(021*******)3(0222)3(0111)3(022221222)3(011122211)3(03

21)3(0ωωββωωχεωωββωωχεωωββωωχεωωββωωχεωβωχεωβωχεωβωχεωβωχεωβχε-+--+-+--++++++++++++++++++=??????++=∑=

将上式中的第一项和第二项与前式相比，可得光场1和光场2对应的非线性折射率分别为：

212022202222220212011124

34324343E n n E n n n n n E n n E n n n n n x nl s nl nl x nl s nl nl +=+=+=

+= 其中包含第一项是由于光场自身强度变化而产生的折射率变化，在光信号的传输时，这种变化将导致对光信号相位的调制，因而产生所谓的自相位调制现象。第二项是由于其它光场强度变化而产生的折射率变化，该变化也将对传输的信号调制，即产生所谓的交叉相位调制现象。从式中可以看出后者是前者的两倍。

此外从上式中还可以看出，其它几项中产生了新的频率成分，这就是所谓的四波混频项。但四波混频项的出现，必须满足所谓的相位匹配条件。如果以新产生的频率分量来表示新产生的频率分量的传播常数，则相位匹配条件为：

???±±±=±±±=3214

3214ββββωωωω 在色散介质中，如新频率远离分量频率，相位匹配条件很难满足，一般不出现四波混频现象，但如新频率成分与各分量成分考得很近，则就可能出现四波混频现象。

自相位调制

由于光纤具有非线性的折射率，因而光波在传播过程中的相位变化必然也受到此非线性折射率的影响，利用相位因子的变化与传播距离L 之间的关系，假设一波长为λ，强度为

|E(t)|2的光脉冲在长度为L 的光纤中传输。光脉冲感应的折射率变化为：

()()()t

t E L n t t L t E n L t n t E n t n NL NL ??-=??-=?=?=?222

22

22)(2)(2)(λπ?ωλπ

λπ

?：它引起的频率变化量为＝相应的附加相位为： 式中的符号是由于光波的相位因子exp(-wt)中有负号。δω(t)随时间变化，这种特性被称为频率啁啾。它随着传输距离的增大而增大，换句话说当脉冲沿光纤传输时，新的频率分量在不断产生。这种新的频率分量展宽了频谱，展宽程度与光脉冲的形状有关。可以看出， ()()()频率蓝移。脉冲后沿，频率不变；＝＝，频率红移；在脉冲顶部脉冲前沿，,0)(,0,0)(,0,0)(,02

2

2>???t t t E t t t E t t t E ωωω 由上式可以看出，NL ?的最大值()NL ?m ax 与光脉冲的峰值功率P0有关，精确的理论结果为：()002max P L cA n e

NL αω?=，w 0为脉冲中心频率，A e 为光纤有效截面积，L α为光纤的有效互作用距离。

SPM 和SRS 、SBS 一样，也存在阈值特性，其定义为：某一光纤的输出光脉冲的谱线宽度为入射光脉冲的谱线宽度两倍时所对应的入射光脉冲的峰值功率P Mc ： α

πλL n A c n P e L Mc 227410?=- 一般会有：Rc Mc Bc P P P <<

如果光纤中不存在色散效应，那么SPM 将不会引起脉冲宽度变化，否则会导致在不同的色散介质中存在不同的脉冲变化过程。

在反常色散区，脉冲前沿红移，群速度慢，脉冲后沿蓝移，群速度快。导致光脉冲在一定程度上得到压缩，因此可以和光纤色散效应共同作用获得光孤子。

光纤的传输特性

光纤的传输特性 光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。 （1）光纤的损耗特性。在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。 （2）光纤的色散特性。色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。 光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。 ①模式色散。模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。 ②材料色散。材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。 ③波导色散。波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。

波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。这种色散通常很小，可以忽略不计。

第六章随机信号通过非线性系统习题

1. 非线性系统的传输特性为：()x y g x be ==其中b 为正的实常数。已知输入()X t 是一个均值为m x ,方 差为 2x σ 的平稳高斯噪声。试求 （1）输出随机信号Y （t ）的一维概率密度函数； （2）输出随机信号Y （t ）的均值和方差。 作业 2 非线性系统的传输特性为 ()y g x b x ==，b 为正的实常数。已知输入()X t 是一个均值为0方差为1 的平稳高斯噪声。试求 （1）输出随机信号()Y t 的一维概率密度函数； （2）输出随机信号()Y t 的平均功率。 作业 3.单向线性检波器的传输特性为 ||0()00b x x y g x x >?==?≤? 输入()X t 是一个均值0的平稳高斯信号，其相关函数为()x R τ。求检波器输出随机信号()Y t 的均值和方差。 4.设有非线性系统如图所示。输入随机信号()X t 为高斯白噪声，其功率谱密度0()2x N S ω=。若电路本 身热噪声忽略不计，且平方律检波器的输入阻抗为无穷大。试求输出随机信号的自相关函数和功率谱密度函数。 5. 非线性系统的传输特性为 20()00 x e x y g x x ?≥==?

作业 7.设非线性系统的传输特性为2 y x =。若输入随机信号()X t 是0均值单位方差，相关系数为()r τ的高斯平稳过程，求输出()y t 的一维概率密度函数和二维概率密度函数。 8. 设非线性系统的传输特性y x =。若输入随机信号()X t 是0均值单位方差，相关系数为()r τ的高斯平稳过程，求输出()y t 的均值和自相关函数。 作业 9. 设非线性系统的传输特性y x =。若输入随机信号()X t 是0均值的高斯平稳过程，求输出低频直流功率、低频总功率和低频起伏功率。 10. 一般说来，信号和噪声同时作用于非线性系统的输入端，其输出功率有三部分组成： 0()s Ω---信号自身所得到的输出平均功率 0()N Ω---噪声自身所得到的输出平均功率 0()SN Ω---信号与噪声得到的输出平均功率 对于通信系统中的非线性系统，计算输出信噪比的公式为： 0000 ()()()s N SN S N Ω??= ?Ω+Ω?? 对于通信系统中的非线性系统，计算输出信噪比的公式为： 000 0()()()s SN N S N Ω+Ω??= ?Ω?? 设窄带中放的幅频特性为： 0,()0,K H ωωωω?±≤?=?? 其他 其输入为()()t t S t N t +，其中信号0()(1)sin t S t A t ξω=+，ξ是（-1，1）间均匀分布的随机变量。()t N t 是单边功率谱密度为0N 的白噪声。求()()t t S t N t +通过窄带中放，再通过包络检波，输出信号的信噪比。 11. 设窄带中放的幅频特性为： 0,()0,K H ωωωω?±≤?=?? 其他 其输入为()()t t S t N t +，其中信号0()sin t S t A t ω=，ξ是（-1，1）间均匀分布的随机变量。()t N t 是单边功率谱密度为0N 的白噪声。求()()t t S t N t +通过窄带中放，再通过平方率检波器，输出信号的信噪比。 12. 设3 ()()()Y t X t X t =+，若()X t 是理想白噪声，求()Y t 的自相关函数。

第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应

第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1.2 单模工作模特性及光功率分布 (3) 3.1.3单模光纤中LP01模的高斯近似 (4) 3.2 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） (6) 3.2.1双折射概念 (6) 3.2.2 偏振模色散概念 (8) 3.2.3 单模光纤中偏振状态的演化 (9) 3.2.4 单模单偏振光纤 (10) 3.3单模光纤色散 (11) 3.3.1 色散概述 (11) 3.3.2 单模光纤的色散系数 (13) 3.4 单模光纤中的非线性效应 (15) 3.4.1 受激拉曼散射（SRS） (16) 3.4.2 受激布里渊散射（SBS） (19) 3.5 非线性折射率及相关非线性现象 (21) 3.5.1 光纤的非线性折射率 (21) 3.5.2 与非线性折射率有关的非线性现象 (22) 3.5.3 自相位调制 (23) 第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1 单模光纤的传输特性 单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃型光纤只传播HE11模（或LP01）的光纤。

由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握其传输特性就显得尤为重要。单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 3.1.1 单模条件和截止波长 阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为2.405。单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意味着归一化工作频率应满足条件：0

光纤传输的特点优势及传输原理

光纤传输的特点优势及传输原理 优点 光缆传输的实现与发展形成了它的几个优点。相对于铜线每秒1.54MHZ的速率 光纤网络的运行速率达到了每秒2.5GB。从带宽看，很大的优势是：光纤具有较大的信息容量，这意味着能够使用尺寸很小的电缆，将来就不用更新或增强传输光缆中信号。光纤电缆对诸如无线电、电机或其他相邻电缆的电磁噪声具有较大的阻抗，使其免于受电噪声的干扰。从长远维护角度来看，光缆最终的维护成本会非常低。光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。在系统的一端是发射机，是信息到光纤线路的起始点。发射机接收到的已编码电子脉冲信息来自于铜线电缆，然后将信息处理并转换成等效的编码光脉冲。使用发光二极管或注入式激光器产生光脉冲，同时采用透镜，将光脉冲集中到光纤介质，使光脉冲沿线路在光纤介质中传输。由内部全反射原理可知，光脉冲很容易眼光纤线路运动，光纤内部全反射原理说明了当入射角超过临界值时，光就不能从玻璃中溢出；相反，光纤会反射回玻璃内。应用这一原理制作光纤的多芯电缆，使得与光脉冲形式沿光线路传输信息成为可能。光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟的优势。传输介质是决定传输损耗的重要因素，决定了传输信号所需中继的距离，光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点，光纤的频带可达到1．0GHz以上，一般图像的带宽只有8MHz，一个通道的图象用一芯光纤传输绰绰有余，在传输语音、控制信号或接点信号方面更为优势t光纤传输中的载波是光波，光波是频率极高的电磁波，远远比电波通讯中所使用的频率高，所以不受干扰。且光纤采用的玻璃材质，不导电，不会因断路、雷击等原因产生火花，因此安全性强，在易燃，易爆等场合特别适用。 组成部分 光源(又称光发送机)，传输介质、检测器(又称光接收机)。计算机网络之间的光纤传输中，光源和检测器的工作一般都是用光纤收发器完成的，光纤收发器简单的来说就是实现双绞线与光纤连接的设备，其作用是将双绞线所传输的信号转换成能够通过光纤传输的信号(光信号)。当然也是双向的，同样能将光纤传输的信号转换能够在双绞线中传输的信号，实现网络间的数据传输。在普通的视、音频、数据等传输过程中，光源和检测器的工作一般都是由光端机完成的，光端机就是将多个E1信号变成光信号并传输的设备，所谓E1是一种中继线路数据传输标准，我国和欧洲的标准速率为2．048Mbps，光端机的主要作用就是实现电一光、光一电的转换。由其转换信号分为模拟式光端机和数字式光端机。因此，光纤传输系统按传输信号可分为数字传输系统和模拟传输系统。模拟传输系统是把光强进行模拟调制，将输入信号变为传输信号的振幅(频率或相位)的连续变化。数字传输系统是把输入的信号变换成“1”，“O”脉冲信号，并以其作为传输信号，在接受端再还原成原来的信号。当然，随着光纤传输信号的不同所需要的设备有所不同。光纤作为传输介质，是光纤传输系统的重要因素。可按不同的方式进行分类：按照传输模式来划分：光线只沿光纤的内芯进行传输，只传输主模我们称之为单模光纤(Single—Mode)。有多个模式在光纤中传输，我们称这种光纤为多模光纤(Multi-Mode)。 按照纤芯直径来划分：缓变型多模光纤、缓变增强型多模光纤和缓变型单模光纤按照光纤芯的折射率分布来划分：阶跃型光纤(Step index fiber)，简称SIF；梯度型光纤(Graded index f iber)，简称GIF；环形光纤（r iv er f iber)；W 型光纤。 光缆：点对点光纤传输系统之间的连接通过光缆。光缆含1根光纤(称单纤)，有2根光纤(称双纤)，或者更多。 单、多模光纤传输设备的原理 光纤传输设备传输方式可简单的分成：多模光纤传输设备和单模光纤传输设备。

第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应培训资料

第三章单模光纤传输特性及光纤中非线 性效应

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1.2 单模工作模特性及光功率分布 (3) 3.1.3单模光纤中LP 01模的高斯近似 (4) 3.2 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） (5) 3.2.1双折射概念 (5) 3.2.2 偏振模色散概念 (6) 3.2.3 单模光纤中偏振状态的演化 (7) 3.2.4 单模单偏振光纤 (8) 3.3单模光纤色散 (9) 3.3.1 色散概述 (9) 3.3.2 单模光纤的色散系数 (10) 3.4 单模光纤中的非线性效应 (12) 3.4.1 受激拉曼散射（SRS ） (12) 3.4.2 受激布里渊散射（SBS ） (14) 3.5 非线性折射率及相关非线性现象 (15) 3.5.1 光纤的非线性折射率 (15) 3.5.2 与非线性折射率有关的非线性现象 (16) 3.5.3 自相位调制 (17) 第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1 单模光纤的传输特性 单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃 型光纤只传播HE 11模（或LP 01）的光纤。 由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤 要小的多，因而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的 采用单模光纤作为传输介质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的 传输介质，所以对单模光纤分析并掌握其传输特性就显得尤为重要。单模光纤 的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 3.1.1 单模条件和截止波长 阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化 截止频率为2.405。单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及 其它高次模都被截止，这就意味着归一化工作频率应满足条件：0

光纤传输原理

光纤，不仅可用来传输模拟信号和数字信号，而且

： 综合布线系统中使用的光纤为玻璃多模850nm波长的 其纤芯和包层由两种光学性能不同的介质构成。内部的介质对光的折射率比环绕它的介质的折射率高。由物理学可知，在两种介质的界面上，当光从折射率高的一侧射入折射率高的一侧时，只要入射角度大于一个临界值，就会发生反射现象，能量将不受损失。这时包在外围的覆盖层就象不透明的物质一样，防止了光线在穿插过程中从表面逸出。只有那些初始入射角偏小的光线才有折射发生，并且在很短距离内就被外层物质吸收干净。

4、光纤传输的特点优势及传输原理 光缆传输的实现与发展形成了它的几个优点。相对于铜线每秒1.54MHZ的速率 光纤网络的运行速率达到了每秒2.5GB。从带宽看，很大的优势是：光纤具有较大的信息容量，这意味着能够使用尺寸很小的电缆，将来就不用更新或增强传输光缆中信号。光纤电缆对诸如无线电、电机或其他相邻电缆的电磁噪声具有较大的阻抗，使其免于受电噪声的干扰。从长远维护角度来看，光缆最终的维护成本会非常低。光纤使用光脉冲沿光线路传输信息，以替代使用电脉冲沿电缆传输信息。在系统的一端是发射机，是信息到光纤线路的起始点。发射机接收到的已编码电子脉冲信息来自于铜线电缆，然后将信息处理并转换成等效的编码光脉冲。使用发光二极管或注入式激光器产生光脉冲，同时采用透镜，将光脉冲集中到光纤介质，使光脉冲沿线路在光纤介质中传输。由内部全反射原理可知，光脉冲很容易眼光纤线路运动，光纤内部全反射原理说明了当入射角超过临界值时，光就不能从玻璃中溢出；相反，光纤会反射回玻璃内。应用这一原理制作光纤的多芯电缆，使得与光脉冲形式沿光线路传输信息成为可能。光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面具有无法比拟的优势。传输介质是决定传输损耗的重要因素，决定了传输信号所需中继的距离，光纤作为光信号的传输介质具有低损耗的特点，光纤的频带可达到1．0GHz以上，一般图像的带宽只有8MHz，一个通道的图象用一芯光纤传输绰绰有余，在传输语音、控制信号或接点信号方面更为优势t光纤传输中的载波是光波，光波是频率极高的电磁波，远远比电波通讯中所使用的频率高，所以不受干扰。且光纤采用的玻璃材质，不导电，不会因断路、雷击等原因产生火花，因此安全性强，在易燃，易爆等场合特别适用。

光纤非线性效应及对光纤通信的影响

光线非线性效应及其对光纤通信系统的影响摘要：随着科技的飞速发展、信息时代的到来，信息的传输变得越来越重要。光纤作为众多传输介质中的一种有着其它介质不可替代的优越性。它传输容量大、传输带宽宽、抗干扰能力强。然而，由于光纤中的损耗和色散的限制，使得光纤通信的发展受到了制约。如果要获得更长的传输距离，则要加大入纤光功率，这样就引起了光纤非线性效应的产生。本文详细地讨论了几种重要的光纤非线性效应，如受激布里渊散射(SBS)、受激喇曼散射(S RS)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制（XPM）、克尔效应（Kerr）、超短脉冲孤立子（S oliton）等现象。并对其在光纤通信中的应用进行了展望 。 关键字：光纤非线性效应、散射、阈值、光功率 光纤的非线性效应 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。 光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于和波器、分波器的插入损耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDF A进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。

光纤中的非线性效应包括：①散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等）、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。 折射率非线性变化 SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。 从本质上说，任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成。在常温下，这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动。光纤中的受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果，而且SB S 和SRS都具有增益特性，在一定条件下，这种增益可沿光纤积累。SBS 与SRS 的区别在于，SBS 激发的是声频支声子，SRS激发的是光频支声子。受激布里渊散射SBS 产生原理：SBS是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射SBS 的门限时（SB S的门限较低，对于1550nm 的激光器，一般为7~8dBm ），将有很强的前向传输信号光转化为后向传输，随着前向传输功率的逐渐饱和，使后向散射功率急剧增加。 在WDM+EDFA 的系统中，注入到光纤中的功率大于SBS 的门限值，会产生S BS 散射。SBS 对WDM系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量的损失。布里渊频移量在1550nm 处约为10~11GHz ，当WDM系统的信道间隔（即波长间隔）与布里渊频移量相等时，就会引起信道间的串扰，但目前的WDM 系统，

第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 单模工作模特性及光功率分布 ............................................................. 错误!未定义书签。 单模光纤中LP 01模的高斯近似 ............................................................... 错误!未定义书签。 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） ............................. 错误!未定义书签。 双折射概念 ............................................................................................... 错误!未定义书签。 偏振模色散概念 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 单模光纤中偏振状态的演化 ................................................................. 错误!未定义书签。 单模单偏振光纤 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 单模光纤色散 ................................................................................................... 错误!未定义书签。 色散概述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。 单模光纤的色散系数 ............................................................................. 错误!未定义书签。 单模光纤中的非线性效应 ............................................................................. 错误!未定义书签。 受激拉曼散射（SRS ） ........................................................................... 错误!未定义书签。 受激布里渊散射（SBS ） ....................................................................... 错误!未定义书签。 非线性折射率及相关非线性现象 ................................................................. 错误!未定义书签。 光纤的非线性折射率 ............................................................................. 错误!未定义书签。 与非线性折射率有关的非线性现象 ..................................................... 错误!未定义书签。 自相位调制............................................................................................. 错误!未定义书签。 第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 单模光纤的传输特性 单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃型光纤只传播 HE 11模（或LP 01）的光纤。 由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因 而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介 质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握 其传输特性就显得尤为重要。单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 单模条件和截止波长 阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为。单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意 味着归一化工作频率应满足条件：0

光纤传输的特点

光传输的特点 随着通信技术的不断进步，信号的传输媒介已逐渐从原来的同轴电缆转变为光纤。目前，我部门负责范围内电视信号的传输采用光纤与同轴电缆相结合的方式，近年也在有计划地对原有同轴传输系统进行光信号的传输改造和升级，努力优化完善老旧系统，保证电视信号传输的质量与稳定。 一、什么是光传输 光传输是在发送方和接收方之间以光信号形态进行传输的技术。光传输电视信号的工作过程是在光发射机、光纤和光接收机三者之间进行的。在前端机房的光发射机把输入的模拟电视信号变换成光信号，并由光纤进行信号的传输，导向光接收机进行信号的接收。光接收机把从光纤中获取的光信号转换还原成电信号。因此，光传输信号的原理就是电/光和光/电变换的全过程。

二、光传输的特点 光传输信号有以下特点： 1、通信容量大：光传输依靠传递光脉冲来进行通信，由于可见光的频率非常高，因此，光纤网络的运行速率达到了每秒2.5GB。 2、传输距离长：光传输依靠光纤作为传输介质，光纤的衰减极小，抗干扰性强、无论在光纤周围盘绕着多么复杂的强电，传输速度始终保持一致。这使得光信号可传输的距离更长。 3、保密性能好：首先光传输不同于无线电信号，它是在密封的玻璃纤维中传输的，因此不容易被截获，无线电信号很容易在空中被第三方拦截。其次，光纤通信采用特定的数字编码方式传输，不同于同轴电缆等模拟量的传送，因此也更安全。 4、适应能力强：光传输使用的光纤不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀，抗扰性强。 5、体积小、重量轻、便于施工和维护：光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。 6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉：制造光纤的最基本原材 料是二氧化硅即砂子， 其潜在价格是十分低廉的。

光纤的传输特性

光纤的传输特性 光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。 光纤的损耗特性 *************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。 衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数（损耗系数），定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。其表达式为： 式中求得波长在λ处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。 （1）光纤的损耗特性曲线 ?损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离，是光纤最重要的传输特性之一。自光纤问世以来，人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作，1.31μm光纤的损耗值在0．5dB/km以下，而1.55

μm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。 ?从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。 （2）光纤的损耗因素 光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。这些损耗又可以归纳以下几种： 1、光纤的吸收损耗 光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。 2、光纤的散射损耗 光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。 3、波导散射损耗 交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。在光纤中传输的各种模式衰减不同，长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗，就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤，基本上可以忽略这种损耗。 4、光纤弯曲产生的辐射损耗 光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模，使一部分光能渗透到包层或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。当弯曲半径大于5～10cm时，由弯曲造成的损耗可以忽略。 另外还可以按以下损耗机理分类：

高速光纤通信在非线性色散影响下的传输特性

高速光纤通信在非线性色散影响下的传输特性 ? ? ?【摘要】在信息时代,对低成本高速网络的需求将越来越强烈。光通信技术作为一种长距离高容量的通信手段发展迅猛。宽带光通信系统因其结合了宽带和低损耗的优点而得到极大关注。光纤是一种由极细玻璃或塑料构成的光传输媒介。光纤中的光信号受数字脉冲调制或连续模拟信号流调制。这些调制信息可能是语音信号,数据信号,计算机信息或视频信号。同样的信息也可以用金属导线(如双绞线)或微波进行传输,但光纤有着显著的优点。相比其他传输媒介而言,光纤的主要优点是它能在更短的时间和更远的距离内传输更多的信息。此外,它不易受电磁辐射干扰的影响,因而能实现低噪和低误码率传输。但是,当光信号在光纤中传播时,它会受到线性和非线性效应的影响。这些线性和非线性效应是光纤的固有特性。线性衰减包括光衰减和色散。自相位调制(SPM),交叉相位调制(XPM),四波混频(FWM),受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)属于非线性衰减。光纤通信系统中,光纤的输入信号通常是被信息比特流调制过的光信号。当光纤中的线性和非线性效应与不同频率的输入信号相互作用后,对输出比特流的性能衰减变得很复杂。色散和光学非线性是影响高速光纤通信系统性能的主要因素。由于低损耗光谱段是有限的,波分复用技术可提高光谱利用效率。为了在低损耗频段内容纳更多的信道,必须减小信道间隔。随着信道间隔减小,光纤非线性效应会增加并导致系统性能急剧下降。这种性能恶化在长距离传输时更明显,因为此时需要给光纤提供更高的光功率。高功率不仅会增加XPM和FWM效应,而且会改变其他光纤非线性效应产生的条件,比如受激拉曼散射和受激布里渊散射。长距离通信要求同时满足高速率、高功率和远距离传输,这种环境下非线性效应是主要制约因素。尽管光纤非线性效应已被研究了20多年,但仍有大量的影响未被完全了解。因此有必要研究不同调制方式下光纤对线性和非线性效应的容限,并找出结果最好的调制方式。本文研究受非线性影响的高速光纤的传输性能。主要探讨了线性和非线性效应对长距离波分复用系统下不同调制方式的影响。具体可描述为：*研究超高速光纤通信系统(比如40Gb/s)的不同调制方式。*比较这些不同的调制方式并得到适合40Gb/s波分复用系统的调制方式。*研究了光纤线性和非线性效应对波分复用系统的影响。为实现上述目标,本文提出了一些可增强系统带宽效率和信号质量的高级调制方式。利用OptiSystem仿真软件,本文分析了以下三种高级调制方式下的性能：非归零调制(NRZ),载波抑制归零调制(CSRZ)和差分相移键控调制(DPSK)。我们针对低色散度(4ps/nm/km)的非零色散位移光纤进行了系列计算机仿真,比较了上述三种调制方式。波分复用系统的信道间隔为100 GHz,数据率为40Gb/s,传输距离设计为100公里至500公里。我们用三个指标评估光传输系统性能：Q因子,比特误码率和眼图模式。首先得到了NRZ调制方式下的仿真结果。当传输距离小于500公里时,4信道的Q因子是可接受的。但若信道数量为8或16,系统传输距离非常短。因为此时从仿真中得到的Q因子不到2.5,这表明最小Q值也不能达到可接受的传输距离。在CSRZ 调制情形,从仿真结果中获得的Q因子相对于NRZ要好一些。短距离4信道传输时,Q因子能达到19.973。 在500公里范围内可进行4路、8路和16路传输。但当距离变大时,达到最大距离的最小线性值条件无法满足。在DPSK调制情形,仿真表明在很远的距离上,4路或8路传输仍能达到满意的Q因子。如表4.1所示,最小Q因子为6时,可接受的传输距离将超过500公里。在相同条件下,4路和8路复用的系统的可接受传输距离超过500公里。此外,当复用路数超过16时,系统性能劣化,最小的Q因子只能覆盖不到500公里的传输距离。NRZ调制的误码率数值结果表明4路波分复用系统可达传输距离不到500公里,否则将产生极严重的传输错误。NRZ调制不能支持8路或16路复用,因为复用路数越多,非线性影响越大,如FWM和XPM,这将带来太多的错误。与Q因子类似,CSRZ调制的BER性能显示：4路和8路复用能保证的传输距

光纤中的非线性效应的研究

一、引言 进入21世纪以来，随着语音、图像和数据等信息量爆炸式的增长, 尤其是因特网的迅速崛起，人们对于信息获取的需求呈现出供不应求的态势。这对通信系统容量和多业务平台的服务质量提出了新的挑战，也反过来推动了通信技术的快速发展。1966年，美籍华人高锟博士提出可以通过去杂质降低光纤损耗至20dB/km ，使光纤用于通信成为可能，从而开启了人类通信史的新纪元。与传统的电通信相比，光纤通信以其损耗低、传输频带宽、容量大、抗电磁干扰等优势备受业界青睐，已成为一种不可替代的支撑性传输技术。 光纤通信自从问世以来，就一直向着两个目标不断发展，一是延长无电中继距离；二是提高传输速率（容量）。 随着掺铒光纤放大器（EDFA ）的大量商用，大大增加了无电中继的传输距离；同时，密集波分复用（DWDM ）技术的成熟，极大地增加了光纤中可传输信息的容量，降低了成本。光纤通信技术正朝着超高速超长距离的方向发展，并逐步向下一代光网络演进。但随着波分复用信道数的增加，单通道速率的提高，光纤的非线性效应成为制约系统性能的主要因素。高速长距离传输必须克服非线性效应的影响。因此，如何提高光纤传输系统的容量，增加无电中继的传输距离，克服非线性效应，已经成为光纤通信领域研究的热点。 本文详细介绍了在光纤中的几种重要的非线性现象，引出了非线性折射率相关的自相位调制（SPM ）、交叉相位调制（XPM ）和四波混频（FWM ）等克尔效应，以及与受激非弹性散射相关的受激喇曼散射（SRS ）与受激布里渊散射（SBS ）效应。 二、光纤的非线性特性 在高强度电磁场中，任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。从其基能级看，介质非线性效应的起因与施加到它上面的场的影响下束缚电子的非谐振运动有关，结果导致电耦极子的极化强度P 对于电场E 是非线性的，但满足通常的关系式 (1)(2)(3)0(:)P E EE EEE εχχχ=?+++M L 式中，0ε是真空中的介电常数，()(1,2,)j j χ=L 阶电极化率，考虑到光的偏振效应，()j χ 是1j + 阶张量。线性电极化率(1)χ对P 的贡献是主要的，它的影响包含在折射率n 和衰减常数α内。二阶电极化率(2)χ对应于二次谐波的产生和

光纤特性及传输试验

光纤特性及传输实验 在现代通信技术中，为了避免信号互相干扰，提高通信质量与通信容量，通常用信号对载波进行调制，用载波传输信号，在接收端再将需要的信号解调还原出来。不管用什么方式调制，调制后的载波要占用一定的频带宽度，如音频信号要占用几千赫兹的带宽，模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。载波的频率间隔若小于信号带宽，则不同信号间要互相干扰。能够用作无线电通信的频率资源非常有限，国际国内都对通信频率进行统一规划和管理，仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比，与波长成反比，目前微波波长能做到厘米量级，在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。光波波长比微波短得多，用光波作载波，其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的，光纤通信就是用光波作载波，用光纤传输光信号的通信方式。 与用电缆传输电信号相比，光纤通信具有通信容量大、传输距离长、价格低廉、重量轻、易敷设、抗干扰、保密性好等优点，已成为固定通信网的主要传输技术，帮助我们的社会成功发展至信息社会。 实验目的 1.了解光纤通信的原理及基本特性。 2.测量半导体激光器的伏安特性，电光转换特性。 3.测量光电二极管的伏安特性。 4.基带（幅度）调制传输实验。 5.频率调制传输实验。 6.音频信号传输实验。 7.数字信号传输实验。 实验原理 1.光纤 光纤是由纤芯、包层、防护层组成的同心圆柱体，横Array截面如图1所示。纤芯与包层材料大多为高纯度的石英玻 璃，通过掺杂使纤芯折射率大于包层折射率，形成一种光 波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。若纤芯的 折射率分布是均匀的，在纤芯与包层的界面处折射率突变， 称为阶跃型光纤；若纤芯从中心的高折射率逐渐变到边缘 与包层折射率一致，称为渐变型光纤。若纤芯直径小于 10μm，只有一种模式的光波能在光纤中传播，称为单模光纤。若纤芯直径50μm左右，有多个模式的光波能在光纤中传播，称为多模光纤。防护层由缓冲涂层、加强材料涂覆层及套塑层组成。通常将若干根光纤与其它保护材料组合起来构成光缆，便于工程上敷设和使用。 光纤与光纤之间固定连接时，用光纤熔接机进行熔接。光纤与光纤之间可拆卸（活动）连接，使用光纤连接器。光纤连接器把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去。各种光纤连接器结构大同小异，比较常见的有FC、SC、LC、ST等。一端装有连接器插头的光纤称为尾纤，两端都装上连接器插头的光纤称为光纤跳线。 光在光纤中传输时，由于材料的散射、吸收，使光信号衰减，当信号衰减到一定程度时，就必 需对信号进行整形放大处理，再进行传输，才能保证信号在传输过程中不失真，这段传输的距离叫

光纤通信技术习题与答案(1、2)

光纤通信概论 一、单项选择题 1.光纤通信指的是： A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2 光纤通信所使用的波段位于电磁波谱中的： A 近红外区 B 可见光区 C 远红外区 D 近紫外区 3 目前光纤通信所用光波的波长围是： A 0.4～2.0 B 0.4～1.8 C 0.4～1.5 D 0.8～1.6 4 目前光纤通信所用光波的波长有三个，它们是： A 0.85、1.20、1.80 ； B 0.80、1.51、1.80 ； C 0.85、1.31、1.55 ； D 0.80、1.20、1.70。 6 下面说确的是： A 光纤的传输频带极宽，通信容量很大； B 光纤的尺寸很小，所以通信容量不大； C 为了提高光纤的通信容量，应加大光纤的尺寸； D 由于光纤的芯径很细，所以无中继传输距离短。 二、简述题

1、什么是光纤通信？ 2、光纤的主要作用是什么？ 3、与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信有何优点？ 4、光纤通信所用光波的波长围是多少？ 5、光纤通信中常用的三个低损耗窗口的中心波长分别是多少？ 光纤传输特性测量 一、单项选择题 1 光纤的损耗和色散属于： A 光纤的结构特性； B 光纤的传输特性； C 光纤的光学特性； D 光纤的模式特性。 2 光纤的衰减指的是： A 由于群速度不同而引起光纤中光功率的减少； B 由于工作波长不同而引起光纤中光功率的减少； C光信号沿光纤传输时，光功率的损耗； D 由于光纤材料的固有吸收而引起光纤中光功率的减少。 3 光纤的色散指的是： A 光纤的材料色散； B光在光纤中传播时，不同波长光的群时延不一样所表现出来的一种物理现象； C 光纤的模式色散；

3.6 电光效应光折变效应非线性光学效应

3 材料的光学性能
3.1 光传播的基本性质 3.2 光的反射和折射 3.3 材料对光的吸收和色散 3.4 光的散射 3.5 材料的不透明性和半透明性 3.6 电光效应、光折变效应、非线型光学效应 3.7 光的传输与光纤材料 3.8 特种光学材料及其应用
https://www.doczj.com/doc/755885728.html,
LOGO Materials Physics

3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
3.6.1 电光效应及电光晶体 (1) 电光效应(electro-optical effect) 由于外加电场所引起的材料折射率的变化效应。 电场与折射率的关系：
n = n + aE0 + bE + L
0 2 0
泡克尔斯效应
克尔电光效应
n0：没有加电场E0时介质的折射率 a, b：常数
https://www.doczj.com/doc/755885728.html,
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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
3.6.1 电光效应及电光晶体 (a) 泡克尔斯效应(Pockels effect) 1893年
在没有对称中心的晶体中，外加电场与折射率的 关系具有一次电光效应。 旋转椭球折射率体 三轴椭球光折射率体 （双轴晶体） rc：电光陶瓷的电光系数
1 3 Δn = n rc E 2
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3.6 电光效应、光折变效应、非线性光学效应
3.6.1 电光效应及电光晶体
透 明 电 极
压 电 晶 体
透 明 电 极
电光晶体：KDP 偏振片：P1⊥P2 电场∥光传播方向 光沿光轴方向传播
ΚD
P
偏振片1
不加电场 不加电场
偏振片2
P P22 不透光 不透光
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