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1、第二章 光信号的传输特性（第二部分）,光纤通信系统,王 翀光信息科学与技术专业西安邮电学院光电子技术系,2.1光纤概述2.2 光纤的损耗特性2.3光纤的色散特性及色散限制2.4光纤中的非线性光学效应,第二章 光信号的传输特性,2.3.1 光纤的色散特性,光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。,色散类型模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）波导色散()：传播常数随频率变化材料色散 n()：折射率随频率变化偏振模色散PMD,波长色散,群速色散(GVD),由光源发射进入光
2、纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速色散（GVD）、模内色散或简言之光纤色散。包括材料色散和波导色散。,Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to travel at different speeds in fiber,resulting in pulse spreading,群速度,沿z方向传输的单色波：是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）。群速度：表征光信号包络的传输速度,群时延是频率的函数，因此任
3、意频谱分量传播相同距离所需的时间都不一样。这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延随时间的推移而展宽。而我们所关心的就是由群时延引入的脉冲展宽程度。,群时延：频率为的光谱分量经过长为L的单模光纤时的时延。,群时延,光脉冲展宽(1),光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。,为群速色散（GVD）,脉冲展宽同2、光纤长度L和信号谱宽成正比,2决定了脉冲在光纤中的展宽程度,光脉冲展宽(2),以色散参数Dps/(nm.km)表达脉冲展宽 D的定义为：,D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延,脉冲展宽：,以波长单位表
4、达的光信号谱宽,单模光纤的色散,材料色散DM，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。波导色散DW，由于单模光纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播常数是a/的函数(a纤芯半径，a/是光纤相当于波长的尺度).,SMF,G.652,标准单模光纤DSF,G.653,色散位移光纤NZ-DSF,G.655,非零色散位移光纤DFF,色散平坦光纤LEAF,大有效面积光纤DCF,色散补偿光纤NDF,负色散光纤,Large Effective-Ar
5、ea Fiber:如LEAF Fiber(康宁)Aeff:,Dispersion Compensating Fiber:-100ps/nm.km&0.5dB 芯径小，非线性严重 双折射，PMD严重,单模光纤的发展与演变总结(1),在光纤通信发展的近30年中，单模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤)，零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。对光纤损耗机理的研究表明，光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此
6、，人们研制了色散位移光纤DSF(G.653光纤)。设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm。,单模光纤的发展与演变总结(2),90年代后，DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高。然而，四波混频FWM会引起复用信道之间的串扰，严重影响WDM的性能。FWM是一种非线性效应，其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使DSF光纤在WDM系统中失去了魅力。非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655光纤)应运而生。NZ-DSF在15301
7、565nm(EDFA的工作波长)区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使FWM效率不高。NZ-DSF的纤芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可负。若零色散波长小于1530nm则色散为正；若零色散波长大于1565nm则色散为负。从而实现长距离的色散管理。,单模光纤的发展与演变总结(3),NZ-DSF光纤的缺点是模场直径小，容易加剧非线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积NZ-DSF光纤。如康宁公司研制的三角形外环结构和双环结构光纤，三角形和内环纤芯的作用是将零色散波长移向1550nm，外环的作用是把光从中心吸引出来一部分，增大有效面积。各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷
8、，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适的光纤。,在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。,偏振模色散(PMD),单模光纤中的偏振模色散,本征光纤双折射随机的偏振模耦合双折射的光通信器件,偏振模色散产生的原因？,+,外界的挤压 光纤的弯曲、扭转 外界环境温度的变化等,EDFA，FBG，DCF Isolators,Couplers,Filters etc.,三、光纤色散对系统的限制,光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率B决定，因而
9、不希望色散展宽而产生误码。但实际上群速度色散GVD总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻比特周期的信号重叠，产生ISI（Intersymbol Interference），从而限制了光纤通信系统的比特率B和传输距离L，而BL积是评价系统传输性能的基本参数（称为通信容量）。,系统对脉冲宽度的限制(判据)：为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲应限制在所分配的比特时隙（TB）内，而TB 1/B。,B-传输码率-与所允许的功率代价有关,2.1光纤概述2.2 光纤的损耗特性2.3光纤的色散特性及色散限制2.4光纤中的非线性光学效应,第二章 光信号的传输特性,2.4光纤中的非线性光学效应,2.4.1
10、概述2.4.2 受激非弹性散射受激布里渊散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)2.4.3 非线性折射率自相位调制(SPM)互相位调制(XPM)四波混频(FWM),2.4.1 概述,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。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。导致新的学科分支非线性光纤光学。,光纤中的非线性效应可分为两类:一、受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。包括：受激布里渊散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非线性折射率：光纤折射率与
11、光强的相关性产生的效应。包括：自相位调制(SPM)、互相位调制(XPM)和四波混频(FWM),非线性效应概述,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。SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。,所有这些非线性中的任意一种效应引起信号损伤时，需要获得一些附加功率，以维持BER与原先无非线性效应时一样。这部分附加功率（以分贝为单位）就是相应非线性效应的功率代价。非线性效应与传输距离和纤芯内场强有着密切的关系，为此引入两
12、个基本参量：有效长度和有效面积。,非线性效应概述,1.有效长度Leff：,非线性对信号的影响完全随距离增加而增加。但是，由于光纤损耗而带来信号功率连续下降，需要对上述说法进行修正。实际上，可以采用一个简单而足够精确的模型来假定功率在一段光纤长度内为常数。,实际传输距离,2.有效面积Aeff:,模场分布为高斯分布时,Aeff=W2,普通单模光纤的Aeff80m2色散位移光纤的Aeff55m2色散补偿光纤的Aeff20m2,非线性效应随光纤中光强的增大而增大。对于一个给定的光纤，光强反比于光纤纤芯的横截面积。由于光功率在光纤纤芯内不是均匀分布的，为简单起见，采用有效面积Aeff表示。,2.4.2
13、受激非弹性散射,一、概述受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部分能量传递给介质。一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子SBS参与的能量子为声学声子，只有后向散射SRS参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射,在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增长。是一种阈值行为。阈值功率：在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率,受激非弹性散射,二、受激布里渊散射（SBS）（1）,2、功率阈值,1、机理,SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波
14、和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。,阈值功率Pth与光纤的衰减系数、光纤有效长度Leff、布里渊增益系数gB和光纤的有效面积Aeff有关，可近似写为：,L足够长时，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w为模场半径,峰值增益gB510-11m/W，这样Pth可低至1mW，特别是在1550nm最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽效应，在典型系统中阈值功率可增大至10mW或更高。不过还应注意消除。,二、受激布里渊散射（SBS）（2）,3、特点增益带宽窄（约10GHz），这说明SBS效应被约束在WD
15、M系统的单个波长信道内。功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低,4、减小SBS对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）增加光源线宽（色散限制）,5、一般情况下，SBS在光纤通信系统中是一种有害的因素，应注意减小。但由于它能通过将具有合适波长的泵浦场的能量传递给另一波长的光场，使该光场得到放大，所以能用于制造布里渊放大器。但由于其增益谱宽窄，放大器的带宽也很窄。,二、受激布里渊散射（SBS）（3）,三、受激喇曼散射（SRS）（1）,SRS：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。SRS是非线性光纤光学中一个很重要的非线性过程，它可使光
16、纤成为宽带喇曼放大器和可调谐喇曼激光器，也可使某信道中的能量转移到相邻信道中，从而严重影响多信道光通信系统的性能。,三、受激喇曼散射（SRS）（2）,1、功率阈值,gR-喇曼增益,SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不起作用。,1 2 3 4,1 2 3 4,fiber,2、特点增益带宽宽（约125nm），影响其它信道功率WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。,三、受激喇曼散射（SRS）（3）,3、减小SRS对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）减小信道间隔,4、利用：喇曼光纤放大器,
17、高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现奠定了坚实的基础。FRA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。,三、受激喇曼散射（SRS）（4）,2.4.3 非线性折射率,在较高入射光功率下，纤芯折射率应表示为：(光场线偏振，光脉冲宽度1ps),光场幅度的有效值或均方根,线性折射率,非线性折射率或Kerr系数,折射率的非线性影响一般很小。但光纤中大部分非线性效应都起源于非线性折射率。,一、自相位调制SPM,折射率非线性分量的出现将引起导模传播常数的变化，使传播常数增加了一附加项：,由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为自相位调制，信
18、号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。,线性传输时的传播常数,非线性系数,光纤中传输的功率,非线性相移,非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越大，非线性效应越强。SPM不仅随光强而变，而且随时间变化，这种瞬时变化相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现频率啁啾。,频率啁啾,相位调制导致的频率啁啾为：,频率啁啾随传输距离增大而增大，因此随着光脉冲沿光纤传输将不断产生新的频率分量，频谱将不断展宽。脉冲频谱的展宽程度还与脉冲形状有关。,非线性相移和频率啁啾 实线超高斯脉冲；虚线高斯脉冲,1、非线性相移在时域的形状与光强相同。2、对于高斯脉冲，中心附近较大
19、的范围内，有正的、线性啁啾。3、对于前后沿较陡的脉冲，啁啾量显著增大。4、超高斯脉冲的啁啾仅发生在脉冲沿附近，且不是线性变化的，而中心频率附近为零。,SPM影响下的频谱结构,增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构,色散对SPM效应的影响(1),前面的讨论只考虑了SPM效应对脉冲传输的影响，其结果只适合于脉宽较宽（大于100ps），色散长度大于非线性长度（LDLNL）的情况。,T0：初始脉宽 P0：峰值功率,为此定义N：,N决定脉冲在传播过程中，是SPM还是GVD效应起主要作用:N1时，SPM起支配作用；N 1时，GVD和SPM共同作用，光脉冲的传输特性将出现许多新的特点。,色散对SPM效应的影
20、响(2),反常色散区，z4LD时，脉宽基本达到稳定态。由于SPM引起正啁啾，GVD引起负啁啾，在高斯脉冲中心基本相互抵消。GVD和SPM共同作用来保持无啁啾脉冲。对应孤子演变过程。,正常色散区，SPM加速了脉冲展宽速度,反常色散区，SPM降低了脉冲展宽速度,SPM对高斯脉冲展宽因子的影响,无SPM(N=0)的情况,SPM改变了GVD引起的脉冲展宽速度。正常色散区，SPM加速了脉冲展宽速度；反常色散区，SPM降低了脉冲展宽速度。,过于强烈的 SPM效应会使脉冲过分窄化，甚至出现光波分裂，这会使系统性能严重恶化，是必须避免的。,SPM特点,SPM导致频率啁啾，正比于光强对时间的微分频率啁啾将导致脉
21、冲谱宽增加SPM与色散共同作用，在正常色散区，加剧脉冲展宽速度；在反常色散区减低脉冲展宽速度(但SPM将导致脉冲畸变)，在一定条件下，可以使色散效应与SPM效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输-孤子,二、互相位调制XPM,在多波长系统中（WDM），光强的变化引起相位的变化，由于相邻信道间的相互作用，引起交叉相位调制。XPM是不同波长的光脉冲在光纤中共同传输时引起的一种光场的非线性相移。特点：信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的强度或功率，也取决于其他信道信号功率，因而第j信道的相移可写为：,M：信道总数；Pj：信道功率（j1M）；因子2表明在同样功率下XPM的影响是SPM的两倍，这样总相移
22、就与所有信道功率和有关，并根据相邻信道比特图形而变化。,说明：在WDM系统中，某信道的XPM是其它信道共同作用的结果。XPM已成为WDM系统主要的功率限制因素之一。XPM与信道间隔以及信道数有关，大的信道间隔，加快了信道间的走离，有助于减小XPM。由于各信道之间偏振态的随机性，XPM又呈现出复杂的统计特性。,减小影响的主要方法：增大信道间隔减低信号功率相邻信道正交偏振,三、四波混频FWM,FWM：光纤中不同波长的光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物或边带的新光波的现象。,对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰，严重影响系统的性能。,1,2,3,特点：
23、小的色散光纤，相位匹配易于满足，FWM越加严重，故应在色散与FWM之间取折衷。,减小影响：增加信道间隔、适当加大色散、非等间隔信道、减小光功率、相邻信道正交偏振（破坏相位匹配）,本章小结,光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道。色散的积累、非线性光纤效应的影响等新问题不断出现。传输特性损耗：直接影响中继距离，光放大器；色散：将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量，色散管理；非线性效应：在强光场作用下，物质发生非线性极化所产生的现象。一类是受激光散射(SRS和SBS)，另一类是非线性折射率调制(SPM,XPM和FWM)。将引起功率耗散和信号频率转移，以及信道之间的串扰。,
