光信號的傳輸特性光纖通信技術(shù)第二章王建萍信息光電子研究所清華大學(xué)電子工程系第1頁，共116頁。光源調(diào)制器驅(qū)動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光纖第2頁，共116頁。第二章光信號的傳輸特性光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性，任何信號均能以相同速度無損無畸變地傳輸。

但實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當(dāng)信號強(qiáng)度較高時(shí)還存在非線性。？在實(shí)際系統(tǒng)中，光信號到底如何傳輸？其傳輸特性、傳輸能力究竟如何？——本章討論的要點(diǎn)。第3頁，共116頁。2.1 光纖概述

光纖的損耗特性2.3 光纖的色散特性及色散限制2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)第二章光信號的傳輸特性第4頁，共116頁。2.1光纖概述60年代，光纖損耗超過1000dB/km1970年出現(xiàn)突破，光纖損耗降低到約20dB/km(1m附近波長區(qū))1979年，光纖損耗又降到(在1.55m處)－－低損耗光纖的問世導(dǎo)致了光波技術(shù)領(lǐng)域的革命，開創(chuàng)了光纖通信的時(shí)代。第5頁，共116頁。2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)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?。光纖中心部分(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。芯包層樹脂被覆層第6頁，共116頁。根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同第7頁，共116頁。-數(shù)值孔徑(NA)相對折射率差n0、n1、n2--分別是空氣、纖芯、包層折射率，c--芯包界面全反射臨界角1.階躍光纖代表光纖接收光的本領(lǐng)（示意圖，比例不符）c

in1n2n0大?第8頁，共116頁。以不同入射角進(jìn)入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時(shí)入射并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時(shí)間卻不同，出現(xiàn)了時(shí)間上的分散，導(dǎo)致脈沖嚴(yán)重展寬。模間色散所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。1.階躍光纖High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding第9頁，共116頁。1.階躍光纖c

in1n2n0經(jīng)歷最短和最長路徑的兩束光線間的時(shí)差:-傳輸容量限制:B--信號比特率第10頁，共116頁。1.階躍光纖-傳輸容量限制:對于無包層的特殊光纖，n1=1.5，n2=1.0(空氣)，=0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km減小值，BL能提高很多。一般<0.01。當(dāng)=0.002時(shí)，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率傳輸10km，適用于一些局域網(wǎng)。第11頁，共116頁。2.漸變光纖漸變光纖的芯區(qū)折射率不是一個(gè)常數(shù)，從芯區(qū)中心的最大值逐漸降低到包層的最小值。光線以正弦振蕩形式向前傳播。入射角大的光線路徑長,由于折射率的變化,光速在沿路徑變化,雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短,但軸線上折射率最大,光傳播最慢.通過合理設(shè)計(jì)折射率分布,使光線同時(shí)到達(dá)輸出端，降低模間色散。第12頁，共116頁。2.漸變光纖優(yōu)化設(shè)計(jì)的漸變光纖，其BL積達(dá)約10(Gb/s).km，比階躍光纖提高了3個(gè)數(shù)量級。第一代光波系統(tǒng)就是使用的漸變光纖。單模光纖能進(jìn)一步提高BL積，需要采用電磁導(dǎo)波和模式理論來討論。第13頁，共116頁。確定傳輸模式的參數(shù)?？捎刹▌臃匠虒?dǎo)出。歸一化頻率V：模式:每一個(gè)傳輸常數(shù)對應(yīng)著一種可能的光場分布--模式a為纖芯半徑，為光波波長，為折射率差。參量V決定了光纖中能容納的模式數(shù)量。如果V<2.405，則它只容納單模——單模光纖。第14頁，共116頁。模折射率（有效折射率）：單模光纖的截止波長：使得時(shí)的光波長.模式一個(gè)模式是由它的傳播常數(shù)可引入一個(gè)很有用的量.第15頁，共116頁。按照光纖傳輸模式的多少分：

單模光纖多模光纖按照光纖截面折射率分布分：

階躍型光纖梯度型光纖(多模光纖)雙包層（W型）三角分布--色散位移光纖(DSFG.653),非零色散位移光纖(NZ-DSFG.655)2.1.2光纖的分類(1)第16頁，共116頁。ITU-T標(biāo)準(zhǔn)光纖G.652：普通單模光纖（SMF）G.653：色散位移光纖(DSF)G.655：非零色散位移光纖(NZ-DSF),產(chǎn)品：康寧LEAF；長飛：大保實(shí)特種光纖:保偏光纖（PMF）色散補(bǔ)償光纖（DCF）摻鉺光纖（EDF）等2.1.2光纖的分類(2)第17頁，共116頁。光纖的種類光纖的芯徑、折射率差（）、所使用波長可傳播的模的數(shù)量不同多模光纖

2a=50m單模光纖

2a=4~10m外徑：2b=125m第18頁，共116頁。模場直徑MFD對單模光纖，2a與處于同一量級，由于衍射效應(yīng)，模場強(qiáng)度有相當(dāng)一部分處于包層中，不易精確測出2a的精確值，因而只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的意義，在應(yīng)用中并無實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中常用模場直徑2w，即光斑尺寸表示，近似為：2a2w電場強(qiáng)度降到峰值的1/eE0/e第19頁，共116頁。三種主要類型光纖的比較第20頁，共116頁。2.1.3光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造各種不同的結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)和折射率分布的光纖，可分別用于不同的場合。纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來實(shí)現(xiàn)。纖芯摻入Ge和P

折射率包層摻入B

折射率第21頁，共116頁。光纖光纜的制作用氣相沉積法制作具有所需折射率分布的預(yù)制棒（典型預(yù)制棒長1m,直徑2cm）使用精密饋送機(jī)構(gòu)將預(yù)制棒以合適的速度送入爐中加熱成纜--光纜預(yù)制棒制作技術(shù)

－改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積法（PCVD）、棒外氣相沉積法（OVD）和軸向氣相沉積法（VAD）第22頁，共116頁。制造光纖預(yù)制棒的MCVD流程示意圖光纖拉絲裝置示意圖第23頁，共116頁。第24頁，共116頁。塑料光纖聚合物(塑料)光纖(POF)：用于用戶接入。盡管塑料光纖與玻璃光纖相比有更大的信號衰減，但韌性好，更為耐用直徑大10~20倍，連接時(shí)允許一定的差錯(cuò)，而不致犧牲耦合效率廉價(jià)的塑料注入成形技術(shù)，可用于制造光連接器、光分路器和收發(fā)設(shè)備。第25頁，共116頁。光纖性能是有限制的，隨著信道數(shù)據(jù)率和傳輸距離的增加，光纖不再是一個(gè)透明管道.傳輸特性損耗(dB/km)，直接影響中繼距離；色散(ps/nm.km)，將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量；非線性效應(yīng)光纖的傳輸性能為維持誤碼率不變，需提高接收功率，所需增加相應(yīng)的功率稱為功率代價(jià)。（PowerPenalty）第26頁，共116頁。2.1 光纖概述2.2光纖的損耗特性2.3 光纖的色散特性及色散限制2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)第二章光信號的傳輸特性第27頁，共116頁。損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率2.2光纖的損耗特性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石英材料的研究。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，L是光纖長度，習(xí)慣上光纖的損耗通過下式用dB/km來表示：第28頁，共116頁。示例對于理想的光纖，不會有任何的損耗，對應(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波長處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號光功率將損失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。第29頁，共116頁。第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km第30頁，共116頁。160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)

20

10

0-10-20Dispersion(ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6ConventionalFiber（1440－1625nm）230ch360chAllWaveFiber（1335－1625nm）5thAllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeakAdditionalchannelsareinOptimumDispersionrangefor10Gb/sDWDMAllWaveoffers>50%moreDWDMchannels!3rd4th5thAllWavevs.ConventionalFiberMoreUsableOpticalSpectrumAllWave?光纖范崇澄FS-89第31頁，共116頁。光纖的損耗機(jī)理(1)材料吸收紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長相互影響，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。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰---全波光纖（AllWave康寧）第32頁，共116頁。光纖的損耗機(jī)理(2)瑞利散射是一種基本損耗機(jī)理。由于制造過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區(qū)。瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，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。第33頁，共116頁。光纖的損耗機(jī)理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，二是光纖成纜時(shí)軸向產(chǎn)生的隨機(jī)性微彎。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場拖尾）于纖芯中的場一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，離中心較遠(yuǎn)的消失場尾部須以較大的速度行進(jìn)，以便與纖芯中的場一同前進(jìn)。這有可能要求離纖芯遠(yuǎn)的消失場尾部以大于光速的速度前進(jìn)，由于這是不可能的，因此這部分場將輻射出去而損耗掉。第34頁，共116頁。2.1 光纖概述2.2光纖的損耗特性2.3 光纖的色散特性及色散限制2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)第二章光信號的傳輸特性第35頁，共116頁。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大。設(shè)計(jì)思路是通過結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來加大波導(dǎo)色散，使零色散波長從1310nm移到1550nm。3 光纖的色散特性及色散限制群時(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。入射角大的光線路徑長,由于折射率的變化,光速在沿路徑變化,雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短,但軸線上折射率最大,光傳播最慢.直到高階色散不起作用，脈沖形狀近似高斯型是角頻率（弧度/秒）；一、受激非彈性散射：光場經(jīng)過非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)。對單模光纖，2a與處于同一量級，由于衍射效應(yīng)，模場強(qiáng)度有相當(dāng)一部分處于包層中，不易精確測出2a的精確值，因而只有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的意義，在應(yīng)用中并無實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中常用模場直徑2w，即光斑尺寸表示，近似為：NZ-DSF的纖芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可負(fù)。第56頁，共116頁。對于D=17(ps/nm.反常色散區(qū)，SPM降低了脈沖展寬速度。2.3.1光纖的色散特性光纖色散：信號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：不同模式對應(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波長色散第36頁，共116頁。群速色散(GVD)由光源發(fā)射進(jìn)入光纖的光脈沖能量包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過程中必將出現(xiàn)脈沖展寬，這種現(xiàn)象稱為群速色散（GVD）、模內(nèi)色散或簡言之光纖色散。包括材料色散和波導(dǎo)色散。Chromaticdispersioncausesdifferentwavelengthsofalightpulsetotravelatdifferentspeedsinfiber,resultinginpulsespreading第37頁，共116頁。群速度沿z方向傳輸?shù)膯紊ǎ?/p>

是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數(shù)（m-1）。群速度：表征光信號包絡(luò)的傳輸速度

第38頁，共116頁。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傳播時(shí)延隨時(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)過長為L的單模光纖時(shí)的時(shí)延。群時(shí)延第39頁，共116頁。光脈沖展寬(1)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)致了脈沖傳輸過程中展寬，不再同時(shí)到達(dá)光纖輸出端。為群速色散（GVD）脈沖展寬同

2、光纖長度L和信號譜寬

成正比

2決定了脈沖在光纖中的展寬程度第40頁，共116頁。光脈沖展寬(2)以色散參數(shù)D[ps/(nm.km)]表達(dá)脈沖展寬D的定義為：D代表兩個(gè)波長間隔為1nm的光波傳輸1km距離后的時(shí)延脈沖展寬：以波長單位表達(dá)的光信號譜寬第41頁，共116頁。單模光纖的色散材料色散DM，纖芯材料的折射率隨波長變化導(dǎo)致了這種色散，這樣即使不同波長的光經(jīng)歷過完全相同的路徑，也會發(fā)生脈沖展寬。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。波導(dǎo)色散的大小取決于光纖的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟Ｊ絺鞑コ?shù)

是a/

的函數(shù)(a纖芯半徑，a/

是光纖相當(dāng)于波長的尺度).第42頁，共116頁。單模光纖的色散零色散波長17ps/nm.km@1550nmD=DM+DW第43頁，共116頁。Dispersionof“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⒉ㄩLD第44頁，共116頁。波導(dǎo)色散DW對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。色散位移第45頁，共116頁。EDFA頻帶衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652第46頁，共116頁。EDFA頻帶衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(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信號傳輸速度相近四波混頻FWM嚴(yán)重Problem第47頁，共116頁。17ps/nm.kmEDFA頻帶衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655第48頁，共116頁。SMF,G.652,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖DSF,G.653,色散位移光纖NZ-DSF,G.655,非零色散位移光纖DFF,色散平坦光纖LEAF,大有效面積光纖DCF,色散補(bǔ)償光纖NDF,負(fù)色散光纖第49頁，共116頁。NZ-DSFDFFDSF第50頁，共116頁。如康寧公司研制的三角形＋外環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)光纖，三角形和內(nèi)環(huán)纖芯的作用是將零色散波長移向1550nm，外環(huán)的作用是把光從中心吸引出來一部分，增大有效面積。當(dāng)單模光纖工作在零色散波長0時(shí)，D＝0，其BL積可無限增大？將引起功率耗散和信號頻率轉(zhuǎn)移，以及信道之間的串?dāng)_。第80頁，共116頁。色散補(bǔ)償光纖（DCF）入射角大的光線路徑長,由于折射率的變化,光速在沿路徑變化,雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短,但軸線上折射率最大,光傳播最慢.2光纖的分類(2)2a=4~10m第92頁，共116頁。652,標(biāo)準(zhǔn)單模光纖655：非零色散位移光纖(NZ-DSF),產(chǎn)品：康寧LEAF；第33頁，共116頁。SPM改變了GVD引起的脈沖展寬速度。第63頁，共116頁。設(shè)計(jì)思路是通過結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來加大波導(dǎo)色散，使零色散波長從1310nm移到1550nm。LargeEffective-AreaFiber:如LEAFFiber(康寧)Aeff:SMF80m2NZ-DSF55m2LEAF72m2DispersionCompensatingFiber:

芯徑小，非線性嚴(yán)重

雙折射，PMD嚴(yán)重第51頁，共116頁。第52頁，共116頁。單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(1)在光纖通信發(fā)展的近30年中，單模光纖的結(jié)構(gòu)和性能也在不斷發(fā)展和演變。最早實(shí)用化的是常規(guī)單模光纖SMF(G.652光纖)，零色散波長在1310nm，曾大量敷設(shè)，在光纖通信中扮演者重要的角色。對光纖損耗機(jī)理的研究表明，光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km，幾乎接近光纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實(shí)現(xiàn)零色散和最低損耗傳輸?shù)男阅?，為此，人們研制了色散位移光纖DSF(G.653光纖)。設(shè)計(jì)思路是通過結(jié)構(gòu)和尺寸的適當(dāng)選擇來加大波導(dǎo)色散，使零色散波長從1310nm移到1550nm。第53頁，共116頁。單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(2)90年代后，DWDM和EDFA的迅速發(fā)展，1550nm波段的幾十個(gè)波長的信號同時(shí)在一根光纖中傳輸，使光纖的傳輸容量極大地提高。然而，四波混頻FWM會引起復(fù)用信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響WDM的性能。FWM是一種非線性效應(yīng)，其效率與光纖的色散有關(guān)，零色散時(shí)混頻效率最高，隨著色散增加，混頻效率迅速下降。這種性質(zhì)使DSF光纖在WDM系統(tǒng)中失去了魅力。非零色散位移光纖NZ-DSF(G.655光纖)應(yīng)運(yùn)而生。NZ-DSF在1530~1565nm(EDFA的工作波長)區(qū)具有小的但非零的色散，既適應(yīng)高速系統(tǒng)的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纖芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可負(fù)。若零色散波長小于1530nm則色散為正；若零色散波長大于1565nm則色散為負(fù)。從而實(shí)現(xiàn)長距離的色散管理。第54頁，共116頁。單模光纖的發(fā)展與演變總結(jié)(3)NZ-DSF光纖的缺點(diǎn)是模場直徑小，容易加劇非線性效應(yīng)的影響，為此人們又研究了大有效面積NZ-DSF光纖。如康寧公司研制的三角形＋外環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)光纖，三角形和內(nèi)環(huán)纖芯的作用是將零色散波長移向1550nm，外環(huán)的作用是把光從中心吸引出來一部分，增大有效面積。各種光纖性能不斷提高，各種新型光纖層出不窮，無所謂好壞，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇最合適的光纖。第55頁，共116頁。高階色散效應(yīng)因?yàn)樵?/p>

＝

0處色散并未完全消失，尚存在高階色散，光脈沖仍會展寬。D不能使中心波長位于

0的光脈沖包含的所有波長都為零，D＝0并不意味著色散不隨波長而變，D的波長相關(guān)性或高階色散將引起脈沖展寬。高階色散取決于色散斜率S：高階色散效應(yīng)只有在脈沖波長

趨近于零色散波長且差別只有幾個(gè)nm時(shí)才需考慮。當(dāng)單模光纖工作在零色散波長

0時(shí)，D＝0，其BL積可無限增大？實(shí)際上是不可能的第56頁，共116頁。模式雙折射理想條件下（光纖為嚴(yán)格的圓柱形&材料各向同性），X方向偏振態(tài)的模式不會與正交的Y方向偏振態(tài)的模耦合，兩正交偏振模簡并。實(shí)際光纖形狀略偏離圓柱形以及材料各向異性的微小起伏，破壞了模式簡并，導(dǎo)致兩偏振態(tài)混合。模傳播常數(shù)

對于X,Y方向偏振模稍有不同，光纖的這種性質(zhì)稱為模式雙折射。雙折射程度B:第57頁，共116頁。雙折射效應(yīng)破壞了模式簡并，將導(dǎo)致光功率在兩偏振分量之間周期性地發(fā)生轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換周期“拍長”：慢軸：模折射率大的軸快軸：模折射率小的軸450線偏振光在雙折射光纖中偏振態(tài)的演變拍長第58頁，共116頁。對于典型的單模光纖：保偏光纖：

在常規(guī)單模光纖中，由于纖芯形狀的波動和不均勻應(yīng)力作用，B沿軸并不是常量，而是隨機(jī)變化的，這會使注入到光纖的線偏振光很快成為任意偏振光。

偏振的不確定性，對于采用直接檢測接收技術(shù)的光波系統(tǒng)一般影響不大，但對于相干通信系統(tǒng)將產(chǎn)生影響，因而在相干光波系統(tǒng)中必須使用對偏振不靈敏的相干接收機(jī)或采用特別設(shè)計(jì)的保偏光纖。第59頁，共116頁。PolarisationMaintainingFiber設(shè)計(jì)中故意引入大量雙折射?？燧S、慢軸若入射光的偏振方向與光纖的快軸或慢軸一致，則光在傳輸過程中其偏振態(tài)保持不變。若入射光的偏振軸與光纖的快慢軸成一夾角，則在傳輸過程中將以“拍長”為周期，連續(xù)地周期性地改變其偏振態(tài)。第60頁，共116頁。

在理想的單模光纖中，基模是由兩個(gè)相互垂直的簡并偏振模組成。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脈沖展寬，從而形成偏振模色散。偏振模色散(PMD)單模光纖中的偏振模色散第61頁，共116頁。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.第62頁，共116頁。第63頁，共116頁。第64頁，共116頁。一、基本傳輸方程假設(shè)條件：1、線偏振光，2、光載波為譜寬<<0的準(zhǔn)單色光3、忽略高階色散色散導(dǎo)致的脈沖展寬不僅與光源譜寬有關(guān),而且與輸入脈沖的寬度和形狀有關(guān)。2.3.2色散導(dǎo)致的脈沖展寬脈沖展寬是由

的頻率依賴性引起的，不同頻率分量的光場將以不同的

(

)傳輸(

)=

-

0

m=(dm

/d

m)第65頁，共116頁。場振幅傳輸方程F(x,y)--光纖模場分布，A(z,t)--光脈沖包絡(luò)傳輸方程的解：

1=1/vg,vg為群速度；

2為群速色散(GVD)，與色散參數(shù)D有關(guān)；

3為高階色散，與色散斜率S有關(guān)。決定光脈沖在光纖中傳輸演變的基本方程，表明了在光脈沖傳輸過程中，其波形如何受光纖色散的影響。第66頁，共116頁。A0--光脈沖振幅峰值，T0--1/e光強(qiáng)度半寬度，C--啁啾(chirp)參量，代表產(chǎn)生光脈沖時(shí)引入的附加線性調(diào)頻，說明光脈沖的載頻隨時(shí)間變化。C>0，從脈沖前沿到后沿瞬時(shí)頻率線性增加（正啁啾或上啁啾），C<0，負(fù)啁啾或下啁啾。二、高斯輸入脈沖的展寬光通信系統(tǒng)中大都采用半導(dǎo)體激光器作為光源，一般它產(chǎn)生的光脈沖信號是高斯型的，且伴隨有不同程度的啁啾分量。高斯脈沖振幅（4）第67頁，共116頁。C=0時(shí)，高斯脈沖的波形FWHM：半極大值全寬度或半高全寬T0:

1/e強(qiáng)度點(diǎn)的半寬第68頁，共116頁。

高斯脈沖：傅氏變換第69頁，共116頁。1/e強(qiáng)度處的頻譜半寬度:無啁啾C＝0的光脈沖，其脈寬譜寬積滿足關(guān)系：T0＝1

，這種脈沖譜寬最窄，稱為變換極限脈沖。出現(xiàn)啁啾時(shí)，譜寬增加(1+C2)1/2倍。經(jīng)光纖傳輸后的脈沖：（對（4）式求傅立葉變換，代入（3）式）上式表明：高斯脈沖經(jīng)光纖傳輸后，仍保持為高斯脈沖，而脈寬則隨z而變化。第70頁，共116頁。輸出脈寬（1/e強(qiáng)度半寬度）T1為：結(jié)論：1.對于無啁啾脈沖，無論

2符號如何，色散將導(dǎo)致脈沖展寬2.對于有啁啾脈沖，脈沖的展寬依賴于2和C的相對符號當(dāng)

2C>0，高斯脈沖單調(diào)展寬當(dāng)

2C<0，脈沖有一個(gè)初始窄化階段，而后迅速展寬。在距離Zmin時(shí)達(dá)到最小寬度T1min式中：--色散長度推導(dǎo)公式第71頁，共116頁。入射無啁啾高斯脈沖光纖內(nèi)z＝2LD和z＝4LD處由色散所致高斯脈沖的展寬，仍保持為高斯脈沖，但脈寬卻隨z而增加。第72頁，共116頁。啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離的變化異號時(shí)

2C<0，在傳輸初始階段脈沖寬度變窄，而后迅速展寬無啁啾脈沖，不論色散正負(fù)，脈寬隨[1+(z/LD)2]1/2成比例展寬同號時(shí)

2C>0，啁啾高斯脈沖單調(diào)展寬的速度比無啁啾脈沖的快第73頁，共116頁。啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離的變化Tmin=1，在zmin處，初始輸入的啁啾高斯脈沖已演化為變換極限脈沖第74頁，共116頁。高階色散:起因:色散斜率的存在；光源譜寬的存在特點(diǎn)：只在工作波長位于零色散點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)突出。群速色散和高階色散對脈沖形狀的影響輸入高斯脈沖考慮高階色散時(shí)，會引起脈沖形狀畸變，形成不對稱的前后沿結(jié)構(gòu)。在

3>0時(shí)，后沿出現(xiàn)振蕩形結(jié)構(gòu)，

3<0時(shí)，前沿出現(xiàn)振蕩結(jié)構(gòu)。在

2=0時(shí)，振蕩幅度增大，谷底逐漸降至零。同時(shí)引入

2，即使不太大，這種振蕩幅度就會顯著減小。直到高階色散不起作用，脈沖形狀近似高斯型第75頁，共116頁。用更具普遍意義的均方根（rms）脈寬

0表示脈沖寬度，考慮到光源的譜寬（rms譜寬

）（6）式修正為：對高斯脈沖:脈沖展寬不僅與色散有關(guān)，而且與光源譜寬有關(guān)，在相同的色散限制條件下，光源譜寬不同，色散對脈沖展寬的影響也不同。第76頁，共116頁。三、光纖色散對系統(tǒng)的限制光纖通信系統(tǒng)中，信息是通過編碼脈沖序列在光纖中傳輸?shù)?，光脈沖的寬度由系統(tǒng)的比特率B決定，因而不希望色散展寬而產(chǎn)生誤碼。但實(shí)際上群速度色散GVD總是會引起脈沖展寬，脈沖展寬會導(dǎo)致相鄰比特周期的信號重疊，產(chǎn)生ISI（IntersymbolInterference），從而限制了光纖通信系統(tǒng)的比特率B和傳輸距離L，而BL積是評價(jià)系統(tǒng)傳輸性能的基本參數(shù)（稱為通信容量）。第77頁，共116頁。下面針對無啁啾高斯脈沖進(jìn)行推導(dǎo)，可推廣到啁啾脈沖。系統(tǒng)對脈沖寬度的限制(判據(jù))：為防止色散展寬導(dǎo)致相鄰脈沖重疊，展寬脈沖應(yīng)限制在所分配的比特時(shí)隙（TB）內(nèi)，而TB＝1/B。B--傳輸碼率---與所允許的功率代價(jià)有關(guān)第78頁，共116頁。1、窄譜光源脈沖考慮無啁啾脈沖（C=0），系統(tǒng)遠(yuǎn)離零色散波長,利用（6）式，有脈沖展寬與初始脈寬有關(guān)，存在優(yōu)化的初始脈寬使輸出脈寬最小根據(jù)系統(tǒng)對脈寬的限制，有：作業(yè)：推導(dǎo)公式。第79頁，共116頁。對于D=17(ps/nm.km),=1550nm的系統(tǒng),通常采用經(jīng)驗(yàn)公式:B2L<6000(Gb/s)2.km當(dāng)B=2.5Gb/s時(shí),L<960km當(dāng)B=10Gb/s時(shí),L<60km第80頁，共116頁。2、寬譜光源脈沖利用公式(7)，以及C=0，系統(tǒng)遠(yuǎn)離零色散波長,可得利用系統(tǒng)對脈寬的限制,得對于很窄的輸入脈寬:得:

為均方根光源譜寬第81頁，共116頁。3、實(shí)際系統(tǒng)的光脈沖不一定是高斯脈沖，采用“超高斯函數(shù)”描述m為脈沖形狀參數(shù)，m＝1代表高斯啁啾脈沖，隨者m增大，脈沖變?yōu)榫哂卸盖蜕仙睾拖陆笛氐慕凭匦蚊}沖。z＝0處入射的超高斯脈沖在z＝LD和z＝2LD處的脈沖形狀盡管高斯脈沖在傳輸時(shí)其形狀不變，但超高斯脈沖不僅展寬得快且其形狀也發(fā)生畸變。這是由于超高斯脈沖有更陡峭的前后沿，有更寬的譜寬。第82頁，共116頁。色散限制啁啾高斯和超高斯脈沖傳輸?shù)腂L積隨啁啾參數(shù)C的變化由于超高斯脈沖在光纖中傳輸時(shí)，其展寬速度快于高斯脈沖，所以其BL積必然低于高斯脈沖的BL值。在負(fù)啁啾C<0時(shí)，由于

2C>0，展寬因子將隨

C而增大，因而BL積將隨C增大而快速減小。直調(diào)半導(dǎo)體激光器的C參數(shù)一般為負(fù)值。第83頁，共116頁。2.1 光纖概述2.2光纖的損耗特性2.3 光纖的色散特性及色散限制2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)第二章光信號的傳輸特性第84頁，共116頁。2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)2.4.1概述2.4.2受激非彈性散射受激布里淵散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)2.4.3非線性折射率自相位調(diào)制(SPM)互相位調(diào)制(XPM)四波混頻(FWM)第85頁，共116頁。2.4.1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)場強(qiáng)非常高，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致對信號的嚴(yán)重干擾和對系統(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)。第86頁，共116頁。光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類:一、受激非彈性散射：光場經(jīng)過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)第87頁，共116頁。非線性效應(yīng)概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強(qiáng)度有關(guān)。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個(gè)波長間產(chǎn)生串?dāng)_。SPM和XPM都只影響信號的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。第88頁，共116頁。

所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)引起信號損傷時(shí)，需要獲得一些附加功率，以維持BER與原先無非線性效應(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)場強(qiáng)有著密切的關(guān)系，為此引入兩個(gè)基本參量：有效長度和有效面積。非線性效應(yīng)概述第89頁，共116頁。1.有效長度Leff：當(dāng)L很大時(shí)，對于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff約20km非線性對信號的影響完全隨距離增加而增加。但是，由于光纖損耗而帶來信號功率連續(xù)下降，需要對上述說法進(jìn)行修正。實(shí)際上，可以采用一個(gè)簡單而足夠精確的模型來假定功率在一段光纖長度內(nèi)為常數(shù)。LLeffP(0)實(shí)際傳輸距離第90頁，共116頁。2.有效面積Aeff:模場分布為高斯分布時(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，為簡單起見，采用有效面積Aeff表示。第91頁，共116頁。2.4.2受激非彈性散射一、概述受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場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，但也有后向散射第92頁，共116頁。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閾值，散射光強(qiáng)將指數(shù)增長。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)的入射功率受激非彈性散射第93頁，共116頁。二、受激布里淵散射（SBS）（1）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?？煽醋魇且粋€(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足夠長時(shí)，Leff1/，而Aeff可用w2代替，w為模場半徑第94頁，共116頁。峰值增益gB

5

10-11m/W，這樣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。不過還應(yīng)注意消除。二、受激布里淵散射（SBS）（2）3、特點(diǎn)增益帶寬窄（約10GHz），這說明SBS效應(yīng)被約束在WDM系統(tǒng)的單個(gè)波長信道內(nèi)。功率閾值與光源線寬有關(guān)，光源線寬越窄，功率閾值越低第95頁，共116頁。4、減小SBS對系統(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、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。但由于它能通過將具有合適波長的泵浦場的能量傳遞給另一波長的光場，使該光場得到放大，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。二、受激布里淵散射（SBS）（3）第96頁，共116頁。三、受激喇曼散射（SRS）（1）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。第97頁，共116頁。三、受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率閾值gR--喇曼增益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一般對光纖損耗不起作用。第98頁，共116頁。

1

2

3

4

1

2

3

4fiber2、特點(diǎn)增益帶寬寬（約125nm），影響其它信道功率WDM系統(tǒng)中，較高頻率的信號成為所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大。三、受激喇曼散射（SRS）（3）第99頁，共116頁。3、減小SRS對系統(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、利用：喇曼光纖放大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)波長波段的放大。通過適當(dāng)改變泵浦激光波長，就可以達(dá)到在任意波段進(jìn)行寬帶光放大。三、受激喇曼散射（SRS）（4）第100頁，共116頁。2.4.3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：(光場線偏振，光脈沖寬度>1ps)光場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。第101頁，共116頁。一、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自己產(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实?02頁，共116頁。非線性相移非線性相移與信號功率成比例增大，輸入信號功率越大，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