2.4.3 单模光纤的双折射
理论上单模光纤中只传输一个基模，但实际上，在单模光纤中有两个模式，即横向电场沿y方向极化和沿x方向极化的两个模式。它们的极化方向互相垂直，这两种模式分别表示为LP01y和LP01x。?
在理想的轴对称的光纤中，这两个模式有相同的传输相位常数β，它们是相互简并的。但在实际光纤中，由于光纤的形状、折射率及应力等分布得不均匀，将使两种模式的β值不同，形成相位差Δβ，简并受到破坏。这种现象叫做双折射现象。 1.线偏振、椭圆偏振和圆偏振
偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。 如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等、相位相差π/2，则合成的电场矢量将随着时间t的变化而围绕着传播方向旋转，其端点的轨迹是一个圆，称为圆偏振，如图2.4.2（2）所示。?
如果电场强度的两个分量空间方向相互垂直，且振幅和相位都不相等，则随着时间t的变化，合成矢量端点的轨迹是一个椭圆，称为椭圆偏振，如图2.4.2（3）所示。
2.单模光纤的双折射 （1）双折射的概念
在单模光纤中，电场沿x方向或y方向偏振的偏振模LPx及LPy，当它们的相位常数不相等时（即βx=βy），这种现象称为模式的双折射。 （2）双折射的分类 ① 线双折射?
在单模光纤中，如果两正交方向上的线偏振光的相位常数β不相等，引起的双折射称为线双折射。?? ② 圆双折射?
在传输媒质中，当左旋圆偏振波和右旋圆偏振波有不同的相位常数时，将引起该两圆偏振光不同的相位变化，称为圆双折射。
③ 椭圆双折射?
当线双折射和圆双折射同时存在于单模光纤中时，形成的双折射称为椭圆双折射。 （3）双折射对偏振状态的影响?
单模光纤中，光波的偏振状态是沿传播方向（z轴）作周期性变化的。双折射对偏振状态的影响如图2-17（b）所示。
LB?2??x??y?2???
式中Δβ=βx-βy，称为偏振双折射率。
2.5 光纤的传输特性
光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性。 2.5.1 光纤的损耗特性 1.吸收损耗
吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。? （1）本征吸收
本征吸收是光纤基本材料（例如纯SiO2）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。?
吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。 （2）杂质吸收
杂质吸收是玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH离子，在光波激励下由离子振动产生的电子阶跃吸收光能而产生的损耗。 2.散射损耗
由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。?
散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射，非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。? 3.弯曲损耗
光纤的弯曲会引起辐射损耗。光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。
4.光纤损耗系数
（1）定义：传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数。 （2）表达式：?＝10LlgP1P2?dB/km?
2.5.2 光纤的色散特性 1.光纤色散的概念
光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有
后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。 2.光纤色散的表示方法
色散的大小用时延差来表示。 （1）时延?
时延即指信号传输单位长度时，所需要的时间，用τ表示。? （2）时延差?
不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用Δτ表示。?
时延差可由不同的频率成分引起，也可由不同的模式成份引起。时延并不代表色散的大小，色散的程度应用时延差表示，时延差越大，色散就越严重。 3.材料色散
由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。? 4.波导色散
光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。 5.模式色散
光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。
2.6 光纤的非线性效应 2.6.1 受激光散射效应 瑞利散射：
一种线性散射，仅仅改变光的传播方向，而散射光的频率是不变的。 受激散射：
一种非线性散射，能量从入射波转移到另一个波。在此过程中低频率处的具有小能量差的散射波以声子的形式释放。
入射波可被看成是一种泵浦波，散射波被称为斯托克斯波（Stokes）. 受激散射的结果：使得承载信息的入射光信号衰减 1。受激喇曼散射(SRS):
（1）散射光(stokes)主要向前移动，其频率属于光频范围。
（2）单信道时SRS阈值功率较大，因此在单信道系统(如SDH)中可以忽略；但在WDM系统中，SRS
会造成功率从短波长信道到长波长信道的转移,会引发BER和系统性能下降。
（3）SRS的有效频率范围较宽(Δf≈10THz)，从而在许多信道中都会发生SRS，进一步降低系统性能。
2.受激布里渊散射 (SBS)：
（1）散射光(stokes)主要向后移动，其频率属于声频范围。 （2）单信道时SBS阈值功率较小,因此对单信道系统是个问题。 （3）SBS的有效频率范围很窄(Δf≈20MHz)，对WDM几乎没有影响。 2.6.2 光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应
光纤在强光作用下折射率的表达式。
n?n0?n2E2此时光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性参量。式中n2称为非线性克尔系数。折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是自相位调制（SPM），交叉相位调制（XPM）及四波混频（FWM）。 1. 自相位调制（SPM）
（1）在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。
（2）这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频谱发生变化，这个变化的频率称为啁啾。 （3）把光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。
（4）SPM因色度色散引起脉冲展宽；对于进入光纤时的高传播功率，SPM可以压缩脉冲。 （5）SPM主要影响单信道系统。 2. 交叉相位调制（XPM）
（1）当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，由于光纤非线性效应的存在，它们之间将相互作用。
（2）光纤中由于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其它光波的相位调制。 （3）这种由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。
（4）在WDM系统中将发生XPM。 3.
四波混频（FWM）
（1）当三个EM波(ω1,ω2,ω3)同时在光纤中传播时，因光纤的电极化率包含非线性部分而产生了