第3章：光纤的传输特性

偏振模色散（PMD）

光纤的双折射现象将导致LP01x 模和 LP01y模沿 z 轴的传
播速率不完全相同，即 x≠y，这将导致偏振模色散 偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重，



通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散
消除方法：

减小光纤的双折射 尽可能增强光纤的双折射，使一个方向的偏振模占主导地位 绝对单模光纤
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km

难度

超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量

测量方法：截断法、插入损耗法、背向散射法 截断法

截断的目的：保证注入的一致性 误差来源

高阶模功率、近端和远端出射率的不同、光源的稳定性和光功率 计的线性

插入损耗法
2

1
3 E 2

n n1 n2 E 2
n1 1

1 1 2

光的克尔效应
3 3 n2 xxxx 8n1
几种典型的非线性效应

自相位调制 （SPM）
交叉相位调制（XPM）
四波混频（FWM）
受激拉曼散射（SRS）

受激布里渊散射（SBS）
单模光纤的波长色散

材料色散和波导色散都与频率(波长)有关，统称为波长
色散或GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)

群速度是表征光信号包络传播速度的量
相速度：v p
d 群速度： v g d
色散系数
1 d 单位长度光纤上光信号的群时延： d vg d

机理如前所述 系统框图
光孤 子源 EDFA 调制器
信息 数据
EDFA
信息 数据
数据 恢复
光检测
XPM

机理同SPM，施加影响者为在同一光纤中传输的其它
光波，称交叉相位调制XPM(Cross-Phase Modulation) 负面影响



XPM对通信的影响主要存在于多波长（WDM）传输系统中

减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度 光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小

归纳：

光纤色散的种类

模式色散

多模色散 偏振模色散 材料色散 单模光纤 中依然存在

波长色散


波导色散
多模色散

对阶跃光纤的特征方程求解，可知不同的模式，即使 光波频率相同，其传播速度也存在差异
色散系数（单位波长间隔的群时延差）：
d d d D ( ) ( ) d d d d
2 1 d d 2 (2 ) 2 2c d d k0 d 2 c dk 0 2
d g
波长色散的组成

光纤的波长色散组成

材料色散 波导色散 折射率剖面色散
光纤损耗的表示方法

光信号在光纤中传输时，信号的光功率将逐渐 变小，总的变小量就是这段光纤的损耗
一段光纤的损耗用dB表示 一般用衰减系数 表示光纤的损耗特性

P 10 lg in dB km L Pout


光纤损耗的种类

吸收损耗

本征吸收 杂质吸收

过渡金属离子 氢氧根离子

散射损耗

瑞利散射 米氏散射 宏弯和微弯

弯曲损耗

光纤的损耗谱
100 50 损 耗 dB/km 10 5 1 0.5 0.1 0.05 瑞利散射 实验值 OH-吸收 波导缺陷
红外吸收
紫外吸收
0.01
0.8
1.0
1.2 1.4 波长λ(um)
1.6
1.8
降低光纤损耗的方法

工作波长选择

选择在低损耗窗口
30
20
D Dm
10
0
Dw
-10 1.2 1.3 1.55 1.65
DSF和NZ-DSF
D
G.652（常规SM）
G.653(DSF)
G.655 (NZ-DSF)
1310
1550
(nm)
色散对带宽限制的估算

光源谱宽限制

非零色散点： BL|D| 1
2 零色散点附近： BL s 1
检偏器
基本结构单元
光时钟 OTDM信号 其它支路输出 进下一节 解复用单元 与光时钟 同相位的 支路输出
OTDM的 解复用器
FWM



FWM(Four Wave Mixing)，由光纤介质的三阶非线性极化引起，存 在于DWDM系统中，影响较大 DWDM中，由于纤芯细，光载波数量多，纤芯内总的功率密度高， 容易引起明显的非线性效应 DWDM中，光载波频率规则分布，三阶非线性产生的新频率f1+f2-f3、 f2+f3-f1、f1-f2+f3很可能会落在第四个光载波上，从而对其产生串扰 克服办法
其中， Eat
e 40 a
2
是原子内部的库仑场
通常外加电场E<<Eat，所以|PNL|<<|PL|，电介质的非线性不显著
极化强度与折射率
极化强度 P t 0 1 E 0 2 E 2 0 3 E 3
1 2 2 3 3 电位移矢量 D 0 E P 0 ( E 0 E 0 E )
第三章 光纤的传输特性
本章内容

光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤

任何传输信道均会对信号造成损伤

线性损伤

损耗


加性噪声
外部串扰 信道内部串扰

非线性损伤

信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤

线性损伤

加性噪声
-6
光纤的材料色散系数
波导色散
波导色散项
2 1.5 1 0.5 0
n1 n2 d 2 bV DW V 0 2 c dV
d bV dV
b
d 2 bV V dV 2
-0.50
0.5
1
1.5
2
2.5
3
单模光纤的色散系数
D( ) Dm ( ) DW ( )

折射时色散的本质：


色散对光信号包络传播的影响

包络展宽
一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为色散

光纤通信中色散的含义

光纤色散对通信的影响

影响链：

色散导致传输的光脉冲展宽 光脉冲展宽导致码间串扰 码间串扰导致系统误码率增大

通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降 低码间串扰的程度，可以
2
1
2
式中i分子谐振的第i个谐振频率 Bi与第i个谐振频率对应的强度 石英材料： B1=0.6961 B2=0.4079 B3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
6
4
2
0 -8 10
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
石英折射率随波长的变化
30 20 10 0 -10 -20 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 x 10
电介质的极化

电介质的极化通常用极化强度矢量 P 来描述
极化强度与电场强度的关系为
P 0 1 E 0 2 : EE 0 3 EEE
— 真空介电常数 (i) — 媒质的电极化率张量 (i)是i+1阶张量

对各向同性电介质，有

有益应用

如果工作在光纤的反常色散区，SPM对光信号脉冲有相反的效果，即减 轻了脉冲展宽，极端情况下甚至能够压缩光脉冲宽度 取得平衡时，可获得光孤子传输

光孤子通信

孤子(soliton)：非线性波动方程的不弥散解。

1834年英国物理学家Scott Russell在发现孤立波；1965年正式 命名为孤子(soliton)；1973年在理论上孤子被证明可以在光纤 中传播；1980年光纤孤子为实验证实

超纯原料

降低过渡金属离子浓度
减小不均匀性 减小OH-离子的引入

生产工艺


光纤保护
微弯损耗和宏弯损耗机理

宏弯损耗

宏弯引起截止波长变短，功率因子下降

微弯损耗

微弯产生模式耦合，一些能量转移到了不能 传输的高阶模上，造成损耗
光纤的典型损耗特性

890nm
பைடு நூலகம்
3dB/km 0.5dB/km(典型值为0.35dB/km)

1310nm


1550nm

0.3dB/km(典型值为0.2dB/km）
0.154dB/km
使用过程中光纤的损耗变化

变化趋势

损耗增大 热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀


原因

OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比

单模光纤损耗要小一些
原因包括以下几点：

8
其中，s为色散斜率

信号谱宽限制

非零色散点： B 2 L 162 D( ) 2 c 零色散点附近： B 3 L 3 0.324 其中，
1

d 3 3 d 3
0
2 2 S 0 2D 2 (2c)
3.4 SM光纤的非线性传输特性
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散


模式色散影响机理

信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各 不相同 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积


显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就 越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输

光能量主要在纤芯中传输 纤芯所需原料少，更易保证其纯度 纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小
包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中
纤芯小，弯曲损耗更低
超低损耗光纤

瑞利损耗与波长的关系
为什么工作波长不能选择得更长一些？ 卤化物光纤

氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些
SPM

由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的 调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM (SelfPhase Modulation)
对光纤通信的负面影响



光脉冲前沿，相位滞后渐重，载波频率下啁啾，红移
光脉冲后沿，相位滞后渐轻，载波频率上啁啾，紫移 在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度
P 0 ( 1 E 2 E 2 3 E 3 )
极化的非线性
P PL PNL
PL 0 1 E
PNL 0 2 : EE 0 3 EEE
各阶电极化率张量间的关系
1 2 Eat 2 Eat 2
在非相干检测时，XPM将造成信号脉冲出现畸变 在相干检测时，XPM引入相位噪声，将降低系统的灵敏度

有益应用

非线性光纤光开关
非线性光纤环路镜（NOLM）

NOLM：Non-linear Optical Loop Mirror
波长变换
输入光信号1 新的光载波2 输出光信号2
极化控制
控制光信号

多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计

损耗
外部串扰，可忽略不计 色散造成的信号畸变 内部串扰，来源于光纤的非线性

非线性损伤

光纤非线性造成的信号畸变 乘性噪声，可忽略不计
3.2 光纤的损耗特性
问题

如何表示光纤损耗？
光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？
k0 dN1 N1 N 2 d 2 (Vb) D ( ) V c dk0 c dV 2 Dm ( ) DW ( )
材料色散
光波与材料分子谐振子互作用，材料的极化过程的 滞后效应导致其电极化率与频率有关。也就是说其折射 率与频率有关，一般可表示为：
Bi n n 1 2 2 i 1 i
折射率
n2 1 1 2 E 3 E 2


光纤的非线性折射率
n 2 1 1 2 E 3 E 2


石英SiO2具有反演对称的分子结构，故其二阶非线性
极化率，此外，忽略高阶项，可得
石英光纤的折射率： n 1

误差来源：

除上述误差这外，还引入了活动连接器误差

背向散射法

误差来源：

背向散射的不均匀性
3.3 光纤的色散
色散的含义

色散的原义：

Separation of visible light into colors by refraction or diffraction；可见光通过折射或衍射而分散成多种颜色[美国传 统辞典（双解）] 不同频率的光波其速度不同