光纤通信(第2版)[王辉][电子教案]2

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3．光纤损耗对光孤子传输的影 响 （1）损耗对光孤子宽度的影响 • 即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影 响情况下的展宽相比要小的多，因此对光纤 通信系统来说，非线性影响是有益的。 • 如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得 到同样的结论。而且在8Gbit/s传输速率、 光孤子的峰值功率为3mW条件下，预计中 继距离可增加两倍。
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3．光纤损耗对光孤子传输的影 响 • 图2-21 一阶光孤子发射进光纤时，有损耗 光纤中的光孤子展宽
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3．色散平坦光纤
• 为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效 带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段 （1.3～1.6μm）都保持低损耗和低色散， 即研制了一种新型光纤——色散平坦光纤 （DFF）。 • 为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的 低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同 折射率分布来达到目的。
2.4.4. G.652光纤（标准单模光纤） G.652是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的传输距离一般只受光纤衰减 的限制。在1310nm处，该光纤的衰减率达到0.3~0.4dB/km 。目前已经铺设的光缆线路绝 ps /(nm km) 大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、2.5Gb/s的干线传输，虽然在1550nm 处的色散较大，为20 ，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输距离 可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只能传输50公里。 G.652光纤的新产品还有G.652B、C和D，其中G.625B 光纤具有低PMD 0.2 ps / km 值，成缆光纤的最大PMD为 ，可支持数据速率 10GBb/s，达3000公里，如数 据速率为40Gb/s，则可传输80km。G.652C光纤为无水峰光纤，原水峰处13833nm处的衰 减可做到不大于1310nm处的值，所以系统可工作在E波段和S波段，见表2.5。同时，水峰 的消除使在1550nm处的损耗更低，从而可传输速率为10Gb/s的数据。G.652D光纤在波长 和带宽上与G.652C光纤类似，支持CWDM和O/E/S/C/L/U 波段应用，在数据速率上与 G.652B光纤类似。 表2.5 单模光纤波段划分
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2.6.2 光纤折射率随光强度变 化而引起的非线性效应 1．自相位调制（SPM） 2．交叉相位调制（XPM） 3．四波混频（FWM）
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1．自相位调制 （SPM）
• 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。 • 这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频 谱发生变化。 • 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。
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3．四波混频（FWM）
• 四波混频是一种参量过程，是由三阶电极化 率x参与的三阶参量过程。
• 当多个频率的光波以较大的功率在光纤中同 时传输时，由于光纤中非线性效应的存在， 光波之间会产生能量交换。
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3．四波混频（FWM）
• 第四个光波的频率可以是三个入射光波频率 的各种组合，把这种现象称之为是非线性介 质引发多个光波之间出现能量交换的一种响 应现象。 • 四波混频现象对系统的传输性能影响很大。
3. G.653光纤（色散位移光纤） G.652光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，使工程应用受到很大 限制，而G.653则把零色散点从1.31 处移到了1.55处，所以也称G.653为色散移 位光纤DSF(dispersion-shifter fiber)。它是单波长传输的最佳选择，但是对多信 道应用而言，由于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，会产生 非常严重的干扰产物，所以不适合于WDM系统，目前已不再铺设。 4. G.654光纤（衰减最小光纤） 这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研制的，其特点是在 1.55的衰减很小，仅为0.185dB/km，但在该波长处的色散较大，约为17~20 ps /(nm km) ，其零色散点在1.31μm处。
• 吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO 2 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。
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1．光纤的损耗特性
（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 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 n2 E
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• 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）。
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2．交叉相位调制 （XPM）
• 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。 • 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。 • 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。
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2．光纤的色散特性
• 图2-20 光源的谱线宽度
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2．光纤的色散特性
（2）光纤中的色散 • 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。 • 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。 • 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。
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2.6.3 光孤子通信
1．光孤子 2．光孤立子的产生机理 3．光纤损耗对光孤子传输的影响 4．光孤子通信系统的基本组成
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1．光孤子
• 从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光 学的一个特殊产物。 • 孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长 距离、无畸变传输的电磁波。 • 光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此 称其为孤立子。
1．色散位移单模光纤
• 常规的石英单模光纤在1.55μm处损耗最小； 在1.31μm时色散系数趋于零，称为单模光 纤材料零色散波长。
• 色散位移光纤（DSF）就是将零色散点移到 1.55μm处的光纤。
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1．色散位移单模光纤
• 对于单模光纤，只存在材料色散和波导色散。 • 目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构 参数，加大波导色散值，实现1.55μm处的 低损耗与零色散。 • 非零色散光纤（NZDF）。
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2.6 光纤的非线性效 应
2.6.1 受激光散射效应 2.6.2 光纤折射率随光强度变化而引起的非线性 效应 2.6.3 光孤子通信
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2.6.1 受激光散射效应
1．受激喇曼散射 • 如设入射光的频率为f0，介质分子振动频率为fv， 则散射光的频率为fs=f0±fv，这种现象称为受激喇 曼散射。 dI s g R I P IS dZ 2．受激布里渊散射 • 受激布里渊散射所产生的斯托克斯波在声频范围， 其波的方向和泵浦波方向相反，即在光纤中只要 达到受激布里渊散射的阈值，就会产生大量的后 向传输的斯托克斯波。
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• 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。
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1．光纤的损耗特性
• 本征吸收是光纤基本材料（例如纯SiO 2） 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。
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2.5 光纤的传输特性
1．光纤的损耗特性 2．光纤的色散特性
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1．光纤的损耗特性
• 光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加 而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 • 光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通
• 光纤本身损耗的原因大致包括两类：吸收损 耗和散射损耗。
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1．光纤的损耗特性
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2．光孤立子的产生机 理
• 折射率n与相位φ之间存在确定的关系。 • 一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤 中光信号的相位增大，随之造成光信号的频 率降低，进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前 沿传输速度降低。
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2．光孤立子的产生机 理
• 如果所传信号是强的光脉冲，则光纤非线性 效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应 使脉冲展宽的影响。 • 那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传 输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个 一个孤立的粒子那样传输，故称孤立子 （Soliton）
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3．色散平坦光纤
• 图2-18 色散平坦光纤的折射率分布
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3．色散平坦光纤
• 图2-19 色散平坦光纤的色散
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4．色散补偿光纤
• 色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤 来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发 生的展宽和畸变。 • 能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤 （DCF）。 • 如果常规光纤的色散在1.55μm波长区为正色散值， 那么DCF应具有负的色散系数。使得光脉冲信号 在此工作窗口波形不产生畸变。DCF的这一特性 可以比较好地达到高速率长距离传输的目的。
5. G.655光纤（非零色散光纤） G.655光纤是一种改进型的色散移位光纤，与G.653相比，其零色散点不在 1.55um处，而是在1.525um或者1.585um处，1.55um处有适当的微量色散。 G.655光纤适用于密集波分复用DWDM系统中，光纤中存在少量色散，四波混频 反而减少。 G.655光纤目前可划分为A,B,C三个子类。G.655A光纤在C波段支持10Gb/s的波 长速率、200GHz及以上间隔的DWDM系统应用，C波段最大色散为6 ps /(nm km) ；G.655B光纤在C和L波段支持10Gb/s波长速率、100GHz及以下间隔 的DWDM应用。C波段最大色散为10 ps /(nm km) ；G.655C光纤在G.655B ps /(nm km) 的基础上将PMD降低到0.2 ，可支持10Gb/s波长速率DWDM 系统传输距离达3000km以上。 6. G.656光纤 这种光纤零色散点在S波段的短波侧。在1460至1565nm波长范围内， 色散系数D有2、8.11和15 ps /(nm km) 三个待定值，并且在S、C及L三个波段都有 DWDM适应的色散。
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1．色散位移单模光纤
• 图2-17 色散位移光纤的色散
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2．非零色散光纤
• 在色散位移光纤线路中采用光纤放大器会使 得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效 应。 • 为了提高多波长WDM系统的传输质量，考 虑将零色散点移动，移到一个低色散区，保 证WDM系统的应用。 • 非零色散光纤是指光纤的工作波长不是在 1.55μm的零色散点，而是移到1.54～ 1.565μm范围内，在此区域内的色散值较小， 约为1.0～4.0PS/km· nm。
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2．光纤的色散特性
（1）什么是光纤的色散 • 一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围 称为光源的谱线宽度，用Δλ表示。 • 一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度 应为零。 • 光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的 模式成分构成的，它们有不同的传播速度，将会 引起脉冲波形的形状发生变化。也可以从波形在 时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤 中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间 上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散。
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1．光纤的损耗特性
① 瑞利散射损耗 • 瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。 • 这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化 而引起的。 • 瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的增 加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利 散射会大大减小。
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1．光纤的损耗特性
② 材料不均匀所引起的散射损耗 • 结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产 生的缺陷也可能使光线产生散射