第二章光纖與光纜(2)2023/7/25光纖通信系統(tǒng)2光纖的非線性效應(yīng)光纖的色散

光纖的損耗本節(jié)內(nèi)容：光纖的傳輸特性2023/7/25光纖通信系統(tǒng)3FiberFundamentals

2023/7/25光纖通信系統(tǒng)42023/7/25光纖通信系統(tǒng)5光纖的損耗

光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗。即便是在理想的光纖中都存在損耗——本征損耗。光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于：1.吸收損耗2.散射損耗3.彎曲損耗()2023/7/25光纖通信系統(tǒng)6吸收損耗原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成。非本征吸收：由過渡金屬離子和氫氧根離子(OH－)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗。本征吸收損耗：由制造光纖材料本身(如SiO2)的特性所決定，包括紫外吸收、紅外吸收。即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會(huì)存在本征吸收。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)7原子缺陷吸收

在光纖的制造過程中光纖材料受到某種熱激勵(lì)造成結(jié)構(gòu)的不完善或在使用時(shí)暴露在強(qiáng)粒子的光輻射下將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。1rad(Si)=0.01J/kg2023/7/25光纖通信系統(tǒng)8非本征吸收

原材料將在光纖的制造過程中引入雜質(zhì)，帶來較強(qiáng)的非本征吸收。有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等金屬離子和OH－。OH－吸收峰解決方法：(1)對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)提純，比如材料達(dá)到99.9999999%的純度(2)制造工藝上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)2023/7/25光纖通信系統(tǒng)9本征吸收(1)紫外吸收光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲿?huì)將光纖材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，同時(shí)光子流中的能量被電子吸收而引起損耗。該損耗與光纖中非晶體材料的帶隙相關(guān)。(2)紅外吸收由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。z晶格光傳播方向kEx2023/7/25光纖通信系統(tǒng)10光纖吸收損耗曲線摻GeO2的低損耗、低OHˉ含量石英光纖OH－0.154dB/km幾種摻雜成分不同的光纖的損耗比較2023/7/25光纖通信系統(tǒng)11散射損耗

光纖中由于密度不均、折射率的變化以及結(jié)構(gòu)上的不完善，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。瑞利散射：尺度小于光波長(zhǎng)的材料密度的不均勻?qū)θ肷涔猱a(chǎn)生的本征散射，短波長(zhǎng)的光容易發(fā)生這種散射

[造成原因]—分子密度分布不均勻；摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻波導(dǎo)散射：由波導(dǎo)缺陷導(dǎo)致的散射[造成原因]—纖芯和包層的界面不完整、圓度不均勻以及殘留氣泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射）本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值2023/7/25光纖通信系統(tǒng)12產(chǎn)品級(jí)典型的光纖損耗譜多模光纖的損耗大于單模光纖：-為獲得較大的數(shù)值孔徑，多模光纖中摻雜的濃度高-由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖2023/7/25光纖通信系統(tǒng)13彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的高頻彎曲高階模比低階模容易發(fā)生宏彎損耗，因此有時(shí)可用彎曲的辦法濾掉高階模消逝場(chǎng)qqq￠

<qqq

>qcq￠RCladdingCore場(chǎng)分布宏彎：當(dāng)曲率半徑減小時(shí)，輻射損耗呈指數(shù)增加2023/7/25光纖通信系統(tǒng)14微彎損耗微彎的原因：

光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均 成纜時(shí)受到壓力不均

使用過程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果：

造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護(hù)套2023/7/25光纖通信系統(tǒng)15宏彎和微彎對(duì)損耗的附加影響彎曲損耗隨模場(chǎng)直徑增加顯著增加光纖彎曲帶來額外損耗宏彎損耗微彎

損耗基本損耗l增加，V減少2023/7/25光纖通信系統(tǒng)16

前面的討論說明多種導(dǎo)致光纖損耗的原因。一般來說光信號(hào)在光纖中傳播的時(shí)候，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：那么，評(píng)價(jià)光纖損耗特性可以通過損耗系數(shù)來衡量。光纖的損耗系數(shù)定義為：其中L為光纖長(zhǎng)度，Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km。光纖損耗的計(jì)算2023/7/25光纖通信系統(tǒng)172023/7/25光纖通信系統(tǒng)18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離子吸收峰第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km常用單模光纖的損耗2023/7/25光纖通信系統(tǒng)19光纖的色散光纖色散是指構(gòu)成光信號(hào)的電磁波各成份在光纖中具有不同傳輸速度的現(xiàn)象，是限制單一波長(zhǎng)上傳輸容量的主要因素。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)20色散引起的信號(hào)失真模內(nèi)色散(群速率色散)

-材料色散：每種光源都有一定的譜寬，而光纖材料對(duì)不同 的頻率成分的折射率不同，從而不同的頻率成 分在光纖中傳播的群速度不同。

-波導(dǎo)色散：信號(hào)光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有 不同的傳播速度，從而導(dǎo)致色散。它的大小取 決于波導(dǎo)尺寸和纖芯包層的折射率差。模間色散：不同傳播模式在光纖中具有不同的傳播路徑和 速率，造成模間色散。偏振模色散：環(huán)境因素造成光不同偏振態(tài)的傳播時(shí)延差。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)21fA(1)光源輸出都有一定的譜寬l1l2l3l1l2l3(2)單模光纖中傳播模80%能量在纖芯 20%能量在包層色散的直接后果是產(chǎn)生碼間干擾，給信號(hào)的最后判決造成困難模內(nèi)色散2023/7/25光纖通信系統(tǒng)22

信號(hào)分量的群速率是頻率/波長(zhǎng)的函數(shù)：即不同的頻率分量間存在群時(shí)延差。信號(hào)在傳輸了距離L，頻率分量w經(jīng)歷的延時(shí)為：假設(shè)輸入脈沖的譜寬Dw不太寬，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：群速率色散(GVD)GVD參數(shù)2023/7/25光纖通信系統(tǒng)23

通常光源的譜寬用Dl來表示。根據(jù)w和l之間的關(guān)系代入DT中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數(shù)：

ps/(km·nm)群時(shí)延色散2023/7/25光纖通信系統(tǒng)241.色散系數(shù)D為正：負(fù)色散v高頻光

>v低頻光2.色散系數(shù)D為負(fù)：正色散v高頻光

<v低頻光3.色散系數(shù)D為零：零色散正色散、負(fù)色散和零色散2023/7/25光纖通信系統(tǒng)25

光纖的折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)n(l)，則不同的波長(zhǎng)的傳播函數(shù)b不同：可以得到傳播了L后波長(zhǎng)l所經(jīng)歷的群延時(shí)為：Dm為材料色散系數(shù)。材料色散減小材料色散：選擇譜寬窄的光源，采用較長(zhǎng)的工作波長(zhǎng)2023/7/25光纖通信系統(tǒng)26

假設(shè)纖芯和包層的折射率與波長(zhǎng)無關(guān)，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，傳播函數(shù)b近似等于：可以得到傳播了L后波長(zhǎng)l所經(jīng)歷的群延時(shí)為：其中V為歸一化頻率。進(jìn)一步可以得到波導(dǎo)色散導(dǎo)致的脈沖展寬：波導(dǎo)色散其中2023/7/25光纖通信系統(tǒng)27波導(dǎo)色散系數(shù)一般為負(fù)值例：令n2=1.48，D=0.2%，從左圖可以看出當(dāng)V=2.4時(shí)，有：因此可以算出在1320nm處，波導(dǎo)色散為：2.4vs.V2023/7/25光纖通信系統(tǒng)28標(biāo)準(zhǔn)單模光纖總的模內(nèi)色散1320一般來說材料色散的影響大于波導(dǎo)色散：|Dm|>|Dw|2023/7/25光纖通信系統(tǒng)29模間色散

多模光纖中不同導(dǎo)模具有不同的傳播路徑和速度導(dǎo)致了模間色散。對(duì)于子午光纖，經(jīng)過長(zhǎng)度L后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展寬為：DL為兩種模式的光程差。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)30偏振模色散(PMD)雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散PMD受環(huán)境(如振動(dòng)、溫度、應(yīng)力等)影響非常顯著，跟模內(nèi)色散相比具有不穩(wěn)定性和突發(fā)性。因此，PMD補(bǔ)償?shù)碾y度比較大，關(guān)于補(bǔ)償?shù)姆椒壳吧袩o定論。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)31PMD對(duì)傳輸?shù)挠绊?023/7/25光纖通信系統(tǒng)32色散對(duì)傳輸帶寬的影響：寬譜光源Dl比較大的時(shí)候，單模光纖帶寬：例：考慮一個(gè)工作在1550nm的系統(tǒng)，光源譜寬為15nm，使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖D=17ps/km·nm，那么系統(tǒng)帶寬和距離乘積：

BL<1(Gb/s)·km假設(shè)1550nm為系統(tǒng)的零色散波長(zhǎng)，系統(tǒng)的BL值為：

BL<20(Gb/s)·km上面的例子說明色散對(duì)系統(tǒng)帶寬的影響很大。尤其在>40Gb/s高速系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，色散成為首要考慮的因素之一。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)33色散對(duì)傳輸帶寬的影響：窄譜光源Dl比較小的時(shí)候，單模光纖帶寬：不同線寬下的系統(tǒng)色散所允許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系0nm：展寬遠(yuǎn)小于一個(gè)比特時(shí)的光源線寬結(jié)論：1)光源線寬越寬色散越嚴(yán)重2)零色散光纖對(duì)提高系統(tǒng)性能作用明顯2023/7/25光纖通信系統(tǒng)34光纖的非線性效應(yīng)在線性光學(xué)中，物質(zhì)對(duì)光場(chǎng)的響應(yīng)與光的場(chǎng)強(qiáng)成線性關(guān)系。光的獨(dú)立性原理和疊加原理都成立。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)。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)35受激非彈性散射：光場(chǎng)經(jīng)過非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)受激布里淵散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)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)。自相位調(diào)制(SPM)互相位調(diào)制(XPM)四波混頻(FWM)光纖非線性效應(yīng)分類2023/7/25光纖通信系統(tǒng)36非線性效應(yīng)概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長(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。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)37光纖的非線性效應(yīng)單信道系統(tǒng)，功率水平<10mw,速率不超過2.5Gb/s時(shí)，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：光纖的損耗和折射率都與信號(hào)功率無關(guān)WDM系統(tǒng)中，即使在中等功率水平和比特率下，非線性效應(yīng)也很顯著。非線性效應(yīng)的產(chǎn)生的原因是：光纖傳輸損耗（增益）和折射率以及光功率相關(guān)。非線性相互作用取決于傳輸距離和光纖的橫截面積。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)38折射率非線性變化光纖折射率隨光功率變化：

n=n0+n2P/Ae

其中P是光功率，Ae

是光纖有效截面積折射率變化引起光波相位變化，導(dǎo)致光脈沖展寬，形成SPM,XPMandFWM在負(fù)色散區(qū)導(dǎo)致色散代價(jià)；在正色散區(qū)，導(dǎo)致色散補(bǔ)償。

2023/7/25光纖通信系統(tǒng)39自相位調(diào)制(SPM)自相位調(diào)制(SPM，Self-phasemodulation)的產(chǎn)生是由于本信道光功率引起的折射率非線性變化，這一非線性折射率引起與脈沖強(qiáng)度成正比的感生相移，因此脈沖的不同部分有不同的相移，并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾和畸變SPM效應(yīng)在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出。SPM會(huì)增強(qiáng)色散的脈沖展寬效應(yīng)。從而大大增加系統(tǒng)的功率代價(jià)。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)40SPM的特點(diǎn)E(Z,t)=Ecos(wot-Boz) 自相位調(diào)制（SPM）：電場(chǎng)E（z,t）的相位隨E2z變化，即：SPM引起的相位變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度E2與傳播距離z。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)41交叉相位調(diào)制(CPM)交叉相位調(diào)制（CPM,Cross-phasemodulation）的產(chǎn)生是由于外信道光功率引起的折射率非線性變化，導(dǎo)致相位變化相位正比于，其中第一項(xiàng)來源于SPM，第二項(xiàng)即交叉相位調(diào)制(CPM)。若E1=E2

則CPM的效果將是SPM的兩倍。因此CPM將加劇WDM系統(tǒng)中SPM的啁啾及相應(yīng)的脈沖展寬效應(yīng)。增加信道間隔可以抑制CPMDSF高速(≥10Gb/s)WDM系統(tǒng)中，CPM將成為一個(gè)顯著的問題。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)42四波混頻(FWM)折射率對(duì)于光強(qiáng)的相關(guān)性，不僅引起信道中的相移，而且產(chǎn)生新頻率分量的信號(hào)，這種現(xiàn)象稱為四波混頻（FWM）三光子混頻： w4=w1+w2+w3兩光子混頻： w4+w3=w1+w2單光子混頻： w4+w3=2wp

(wp=w1=w2)兩束光產(chǎn)生混頻兩個(gè)邊帶： 斯托克斯頻率： wS=2w1-w2

反斯托克斯頻率：wA=2w2-w12023/7/25光纖通信系統(tǒng)43四波混頻的特點(diǎn)FWM的影響有賴于相互作用的信號(hào)之間的相位關(guān)系。如果相互作用的信號(hào)以同樣的群速度傳播（無色散時(shí)就是這種情況），則FWM的影響加強(qiáng)，另一方面，如果存在色散，不同的信號(hào)以不同的群速度傳播，因此不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道間隔越大，群速度的差異就越大。色散位移光纖中的色散值很低，F(xiàn)WM效率要高得多。在色散位移光纖中，信道數(shù)增加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的FWM項(xiàng)信道間隔減小時(shí)，相位失配減小，F(xiàn)WM效率增加信號(hào)功率增加，F(xiàn)WM呈指數(shù)增加2023/7/25光纖通信系統(tǒng)44降低FWM的措施仔細(xì)選擇各信道的位置，使得那些拍頻項(xiàng)不與信道帶寬范圍重疊。這對(duì)于較少信道數(shù)的WDM系統(tǒng)是可能的，但必須仔細(xì)計(jì)算信道的確切位置。增加信道間隔，增加信道之間的群速度不匹配。但缺點(diǎn)是增加了總的系統(tǒng)帶寬，從而要求放大器在較寬的帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜，另外還增加了SRS引起的代價(jià)。增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。對(duì)于DSF使用大于1560nm的波長(zhǎng)。這種方法的思路是：即使對(duì)于DSF，這一范圍內(nèi)也存在顯著的色散量，從而可以減小FWM的效率。這依賴于L-band的EDFA。針對(duì)不同的波長(zhǎng)信道引入延時(shí)，從而擾亂不同波長(zhǎng)信道的相位關(guān)系。2023/7/25光纖通信系統(tǒng)45受激布里淵散射(SBS)受激布里淵散射（SBS）是由于光子受到聲學(xué)聲子的散射所產(chǎn)生的,形成斯托克斯波與反斯托克斯波。SBS產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在1.55mm處，WB=11.1GHZ。斯托克斯波和泵浦波沿反方向傳播。只要波長(zhǎng)間隔比20MHZ大