【文献综述】光纤通信中的衰减、色散及非线性特性的研究

文献综述

电子信息工程

光纤通信中的衰减、色散及非线性特性的研究光纤通信因其具有的损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。目前，光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，包括邮电通信、广播通信、电力通信和军用通信等领域。

光纤的衰减

传输衰减是光纤很重要的一项光学性质，它在很大程度上决定着传输系统的中继距离。损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。

衰减机理又可分为不同的情况：一是石英光纤的固有衰减机理，像石英材料的本证吸收和瑞利散射，这些机理限制了光纤所能达到的最小衰减；二是由于材料和工艺所引起的非固有衰减机理，它可以通过提纯材料或改善工艺而减小，甚至消除其影响，如杂质的吸收、波导的散射等。

光纤材料的本征散射主要指瑞利散射，它是由于光线中折射率在微观上的随机起伏所引起的。石英光纤在加热拉制过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩不均匀，这使物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀性在冷却的过程中被固定下来。这种不均匀度与波长相比是小尺寸的，因此产生的散射称为瑞利散射。瑞利散射按1/λ的比例产生衰减，在较长的波长上传输时，瑞利散射衰减大大减小

光纤作为光波导遇到不连续点会产生光功率的衰减和反射。固定接头和活动接头都是光纤通路上的一种特定的不连续点，会引起一定的功率衰减，称为插入衰减，定义为连接器输入功率与输出功率之比的分贝数。连接错位一般有以下几种情况：轴向位移、连接间隔、倾斜位移。

轴向位移即两根光纤连接处有轴向错位。其耦合损耗在零点几分贝到几个分贝之间，若错位距离小于光纤直径的5%，则损耗一般可忽略不计。

连接间隔有时又称端分离。如果两根光纤直接对接，则必须接触在一起，光线分得越开，广的损耗越大。如果两根光纤通过连接器连接，则不必接触，因

为连接器接触产生的相互摩擦会损坏光纤。

倾斜错位又称角错位。如角错位小于2º，则耦合损耗不会超过0.5dB 。 光纤的色散

色散是指不同频率的电波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理现象。色散导致光脉冲在传播过程中展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰。在多模光纤中，不同的传播模式具有不同的相位常数，因而有不同的相速度和群速度。在光纤的输入端，一个光脉冲的能量分配到不同的模式上，以不同的速度传播到输出端，同样会导致光脉冲的展宽。这种效应与不同频率（也就是不同的颜色）成分以不同的速度传播所产生的作用是一样的，这种现象广义地也可以称为色散。

在光纤传输理论中为了区分不同的物理机理引起的色散效应，把色散分为波长色散和模式色散。引起波长色散的原因主要有两个，其一是由于光纤材料本身的色散效应；其二是光纤中的传播模式就是色散模式。所以又可以将波长色散区分为材料色散和波导色散。

光纤的损耗和色散是限制光纤图像系统物种及传输距离的两个主要制约因素。近年随着光放大技术的成熟，尤其是掺铒光纤放大器（EDFA ）在石英光纤的最低损耗窗口，即1.55μm 波段友谊的性能，使光功率的损耗得到了有效的补偿，这就使得色散成为高速光纤通信系统最主要的制约因素。对色散的补偿可以在光纤线路上实现，也可以在发送端或接收端实现。

光纤的非线性效应

任何介质（如玻璃纤维）对功率的响应都是非线性的。由于光注入光线介质产生了电偶极子，电偶极子反过来与光波会产生相互调制的相互作用。在光功率小时引起的振荡即线性响应，在光功率大时振荡产生非线性响应。电偶极子的极化强度P 与光场E 的关系为

1230P e k E k E E k E E E ⎡⎤=∙+∙∙+∙∙∙+∙∙∙⎣⎦式中，为真空中的电介常数；为系统n 阶响应系数，n=1时为线性系统，n 〉1时为非线性的高阶响应。

对于各向同性介质如光纤，第二项是正交的，因而该项小时，第三项引起的非线性效应很大，它常称为克尔效应，主要有两类：一类是由于光线的折射

率随输入光功率的变化引起的，另一类是由散射引起的。

当光纤中的光功率保持低电平时，玻璃光纤的折射率一直为常数。当光纤中的光功率提高后，光纤的折射率受到传输信号光强度的调制而发生变化。非线性折射率波动效应可分为三大类：自相位调制（SPM ），交叉相位调制（XPM)以及四波混频（FWM ）。

在光强度调制系统中，当光信号与声波或光纤材料中振动的分子相互作用时，会散射光并把能量向更长波长移动。非线性受激散射可分为布里渊散射和拉曼散射两种形式。

折射率与光强有关的现象是由引起的，光纤的折射率可以表示为

χ

02/eff n n n p A =+式中为原来的线性折射率；为与有关的线性折射率系数，其量值约0n 2n χ为；p 为光功率。光信号在传输过程中，由于折射率随功率变202310/m W -⨯化，引起相位被调制，产生自相位调制（SPM ）、交叉相位调制（XPM ）及四波混频（FWM ）等现象。

光通信技术作为信息技术的重要支撑平台，在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的“冬天”但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看，光纤通信也将成为未来通信发展的主流。而对光纤通信中的衰减、色散及非线性特性的问题也将得到更好的解决。 以下方法可以抑制光纤的非线性效应

1.限制入纤功率

非线性光学效应的强弱与光强有关，因此，对特定的光线，限制入纤功率是抑制非线性光学效应的有效途径。入纤功率的选择，需要在信号噪声比和信号非线性串扰比之间均衡考虑。我国信息产业制定的“光波分复用系统技术要求”中规定的32x2.5Gbit/s 系统主光通道的总功率在17~20dBm.

2.保留适当色散

色散是一种制约非线性光学效应的物理过程，以FWM 为例，光线色散越小，服用信道间隔越小，串扰越严重。因为光线的GVD 较大时，相位匹配条件难以满足，四波混频效率较高。这既是为什么当WDM 普遍应用后，色散位移光线失