第5次课 4 光纤的基本理论 色散--光缆

受激散射效应 光纤的非线性效应 折射率扰动
受激拉曼散射 受激布里渊散射
设入射光的频率为l，介质的分子振动频率为 受激拉 v，则散射光的频率为s = l −v和 曼散射： as = l+v，这种现象称做受激喇曼散射。 频率为s 的散射光称为斯托克斯波 (stokes)，频率为as 的散射光称为反斯托克 斯波。 斯托克斯波可以理解为：一个入射光子 消失，产生一个频率下移的光子（即stokes 波）和一个有适当能量和动量的声子，使能量 和动量守恒。
光纤的基本传输性能
光纤的损耗
小 结
本征损耗 制造损耗 附加损耗 三个低损耗窗口
光纤的色散
模式色散 材料色散 波导色散 偏振模色散 时域表示方法 频域表示方法
非线性效应
受激散射效应 折射率扰动
光纤的结构和分类 光纤中光的传输特性 光纤的基本传输性能 损耗
色散
非线性
单模光纤的结构和性能
光纤的制造工艺和光缆的结构
色散
非线性
光纤的制造工艺和光缆的结构
光纤的制造工艺
原料的提纯 预制棒的熔炼 拉丝和涂覆 10-6 MCVD
汽相化学沉积法
拉丝
光缆的构造
光缆的基本结构
1—加强件； 2—缆芯； 3—外护层
（1）缆芯 将套塑后且满足机械强度要求的单根或多根光纤纤芯以 不同的形式组合起来，就组成了缆芯，有单芯缆和多芯缆两 种。单芯缆由单根光纤芯线组成，多芯缆由多根光纤芯线组 成，它又可分为带状结构和单位式结构。 （2）加强芯 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。 （3）护层 光缆的护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避 免受外界机械力和环境损坏。 要求护层具有耐压力、防潮、温度特性好、重量轻、耐 化学浸蚀和阻燃等特点。 光缆的护层可分为内护层和外护层。内护层一般采用聚 乙烯或聚氯乙烯等；外护层可根据敷设条件而定，采用铝带 和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。
A eff
L
为光纤的非线性系数。
传输L距离后，产生的非线性相移为：
L in
NL
dz P ( z )dz P
0 0
L eff
自相位调制造成光脉冲的频率啁啾。
交叉相位调制 XPM
XPM是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的 调制。XPM不仅与光波自身强度有关，而且与其他同时传输 的光波的强度有关，所以XPM总伴有SPM。 光纤中同时传输多个信道时，即使用不同的载频的多个 信号时，会产生XPM。这时信道j的非线性相移可表示为：
光纤的结构和分类
光纤中光的传输特性 损耗 色散
光纤的基本传输性能
单模光纤的结构和性能
非线性
光纤的制造工艺和光缆的结构
光纤的非线性光学效应
高强度的电磁场中，光纤对光的效应会变成非 线性。 成因：激光器的输出功率增高，而且光功率被束缚 在很细的线芯中，场强非常高；光纤的损耗 降 低了，使得高场强能维持很长的距离，保证 了 有效的非线性相互作用的相干传输距离。 大容量长距离光纤通信中更甚。 作用：反面 可引起传输信号的附加损耗、波分复用 系统中信道之间的串话，以及信号载波 的移动。 正面 可以被利用来开发如放大器，调制器等
单模光纤的特性参数
1、截止波长 2、模场直径（模场半径）
3、色度色散
4、高阶色散 5、偏振和偏振模色散
1、截止波长
单模光纤的截止波长是指光纤的第一个高 阶模LP11模截止时的波长。工作波长要大于单 模光纤的截止波长时，才能保证光纤工作在单 模状态。
C
2 VC n1 a 2
VC是光纤的第一个高次模LP11模的截止频率， VC = 2.405
色散位移单模光纤
G.653光纤
通过改变波导色散，将零点色散由1310位移到1550nm 使的1550nm处不仅损耗最低而且色散为零，适合长距离高 速率的单信道光纤通信系统。
截止波长位移单模光纤
G.654光纤
零色散波长1310nm 截止波长移到了较长波长 在1550nm区域损耗最小，最佳工作范围1500-1600nm 抗 弯曲性能好 用于无中继的海底光纤通信系统
BL S

2
1
可见，高阶色散或色散斜率越大，光源的光谱 越宽，光纤通信系统的BL越小。
5、偏振与偏振模色散
单模光纤，实际上传输的是两个相互正交的基模：LP01x和 LP01y。在完善的光纤中，这两个模式有相同的相位常数， bx=by，两个模式是互相兼并的。 但是实际光纤的不完善使得两正交基模的相位常数不相 等，这种现象被称作光纤的双折射。 由于双折射的存在，将引起光波的偏振态沿光纤长度发 生变化，使得两个正交的偏振模式的群速度不同，从而产生时 延差，导致脉冲展宽，这就是偏振色散。
g
1 d C dk0

g

d
g
d
可以推出材料色散与波导色散的表达式，这里不再 赘述。
4、高阶色散
色散对光纤所能传输的最大比特速率B的影响可利用 相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定：

g

1 B
对于光源光谱宽度为Δλ ，光纤长度为L，Δτg可以写成:
g DL
d 1 D d g d 2 c 2 d g 2
3、色度色散
色度色散是指光通过光纤时由于群速度与波长有关 而造成的脉冲展宽，色度色散的单位为ps/nm· km。 单模光纤的色度色散是材料色散和波导色散之和。
单模光纤的色度色散的大小可以光纤的色散系数来考察：
D ( ) g ( )
（ps/km· nm）
由于材料色散和波导色散是交织在一起不能截然分开， 因此单模光纤的色散系数的推导从相位常数β入手，结合光纤 LP01模的时延与时延差：
其中：
2
d
2
d
2
β 2为群速度色散（GVD）系数或二阶色散系数，是 光纤通信脉冲展宽的主要因素。
由此GVD对于比特率和传输距离的限制为：
B g BL D 1
由上式可以看出在零色散波长时，D=0，使得BL（速 率传输距离）似乎可以无限大，但实际并非如此。实际上 在零色散波长处由于高阶色散的存在，光脉冲依然会展宽。 高阶色散主要取决于群速度色散的斜率：
S dD d
S为微分色散参数或二阶色散参数。
2 c 4 c S 2 3 3
2
2
式中： 3
d
3

3
d
β3为高阶色散系数又称三阶色散系数。
与二阶色散相比三阶色散对脉冲的影响通常较小， 可以忽略。但是当工作在零色散波长附近时，不能忽略。 此时系统的比特率-传输距离的限制关系为：
2、模场直径
模场是光纤中基模的电场在空间的强度分布， 模场直径是描述光纤中光功率沿光纤半径的分布状 态，即光纤中光能的集中程度。 单模光纤的场并不完全集中在纤芯中，而是有 相当部分的能量在包层中传输，所以不能用纤芯的 几何尺寸作为单模光纤的特性参数，而是用模场直 径来作为描述光纤中光能集中程度的度量。 一般单模光纤的模场直径采用高斯函数来描述。
单模光纤是指给定的工作波长上只传 输单一基模的光纤。此时满足：
V 2

n1 a 2 2 .4 0 5
单模光纤的结构特点
单模光纤的基本分析
单模光纤的特性参数 单模光纤的分类
单模光纤的结构特点
为保证单模传输，纤芯的较小，一般其芯径 为4-10微米。
2
V

n1 a 2 2.405
受激散射效应 光纤的非线性效应 折射率扰动
受激拉曼散射 受激布里渊散射
受激布 里渊散 射：
入射的频率为p的泵浦光将一部分能量 转移给频率为s的斯托克斯波，并发出 频率为Ω=p-s的声波。
受激散射效应 光纤的非线性效应 折射率扰动
受激拉曼散射 受激布里渊散射
频移量 受激拉曼 光频范围 散射 受激布里 声频范围 渊散射
j L eff
M P j 2 Pm m j
式中M是信道总数，Pj是信道功率，因子2表明在同样 的功率下，XPM的影响是SPM的两倍。 XPM会产生较大的时域展宽，在相邻的信道产生干扰。 XPM是多信道光波通信的主要的功率限制因素。
四波混频
一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生几个不同频率 的新光子，在此参量过程中，遵循能量和动量守恒，这样的 过程称为FWM。 FWM大致分为两种情况： 3个光子合成1个光子，新光子的频率为：
受激拉曼散射
受激散射效应
光纤的非线性效应
受激布里渊散射
折射率扰动
受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分 能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变。 可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量 的光子，同时产生了一个能量为两个光子能量差的 另一个能量子。 受激散射效应在光纤中形成一种损耗机制。在 低光功率时可以忽略。当入射光功率超过一定的阈 值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。
非零色散位移单模光纤
G.655光纤
通过改变波导色散，使得1530-1565nm具有小的色散， 即1550nm处的色散不为零。 适用于波分复用传输系统
色散补偿单模光纤
在1550nm有很大的非色散 与G.652光纤连接使用时 可以抵销光纤的正色散 实现长距离、大容量的传输
光纤的结构和分类 光纤中光的传输特性 光纤的基本传输性能 单模光纤的结构和性能 损耗
斯托克斯 波方向
前向 后向
阈值 高 低
受激散射效应
受激拉曼散射 受激布里渊散射
光纤的非线性效应
折射率扰动
入射光功率低时，可以认为折射率与光功率无关。 入射光功率高时，光纤折射率与光功率的关系如下：
n n0
n2 P A eff
其中：n0为线性折射率，n2为非线性折射率系 数，P为入射光功率，Aeff为光纤有效面积。
D PM D
L
km
DPMD是光纤的偏振模色散的平均值，单位是p s
其
ps km
，
典型值为0.1～1.0
。
单模光纤分类
非色散位移单模光纤 G.652光纤
常规单模光纤:使用最广泛、在1310nm处色散为零、在 1550nm处衰减系数最小，但有最大的色散系数 低水峰单模光纤:(全波光纤)、消除了OH-损耗峰，长期的 衰减稳定性，1280-1625nm全波段传输，色散较小
折射率扰动主要引起4种非线性效应：
自相位调制(SPM)
交叉相位调制(XPM)
四波混频(FWM) 光孤子形成
自相位调制 SPM
SPM是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化 对自身相位的作用。导致光脉冲频谱展宽，影响系统性能。

k0 n2 P Aeff P
Leabharlann Baidu
式中：
2 n 2
单模光纤的基本分析
等效近似的方法进行分析单模光纤中 的折射率分布 两种等效方法： 高斯等效近似 阶跃光纤等效近似
高斯等效近似是以无界平方律光纤的场分布去近 似实际光纤中的场 S0是单模光纤的重要参数，高斯场分布惟一 地由它决定，称作模场半径
阶跃光纤等效近似法是用适当的阶跃光纤去等效 实际的光纤，以便用已求出的阶跃光纤的特性去 描述实际光纤。 一般假定等效阶跃光纤的包层折射率等于真 实光纤的包层折射率n2，然后确定等效半径、等 效相对折射率差、等效归一化频率。
偏振模可以简单的表示为LP01x和LP01y在单位长度上的时延 差：

p

d x d

d y d

d ( ) d
实际中在光纤输出端的偏振模色散时随时间变化随机起 伏的，不能用上式直接来估算光纤的偏振模色散。偏振模色 散一般采用统计的推算得到。 偏振模色散造成的脉冲展宽表示为：

p
4 1 2 3
2个不同频率的光子的湮灭，产生2个新的频率的光子：
1 2 4 3
FWM对密集波分复用DWDM光纤通信的影响较大， FWM产生的新的频率如果落入WDM的信道，会引起复用信 道间的串扰。
光孤子形成
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。而脉冲的后沿，光强是减少的， 对照上面的分析可知，脉冲后沿的传播速度加快。这就是说， 强光的一个光脉冲前沿传播得慢，后沿传播得快，两种作用联 合起来，结果使光脉冲变窄了。这种变窄的作用，是强光作用 下光纤的非线性影响产生的。 光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，就形成了光孤子。 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）。 光孤子脉冲可以再长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。