光纤色散损耗和非线性 对通信系统的传输特性的影响

光纤色散损耗和非线性对通信系统的传输特性的影响
摘要：光纤通信是以激光作为载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。与电缆与微波等电通信相比，光纤通信具有传输频带宽、传输衰减小、信号串扰弱、抗电磁干扰等优点。因此，当今全世界通信方式中已构成了一个以光纤通信为主，微波、卫星通信为辅的格局。现在，以光纤放大器和波分复用技术共同组成的密集波分复用光纤传输系统已普及到全世界的核心网以及城域网。由光纤构筑的网络拓扑已延伸到地球的各个角落，光缆的敷设正向着光纤到家庭、到桌面的方向发展。本文主要介绍光纤通信系统以及光纤色散损耗和非线性对其的影响的计算方法。一、光纤通信系统1、光纤通信系统光纤通信系统与其他通信系统的区别从原理上讲只是载波频率的不同，光载波的频率在约100THz的数量级，而微波载频范围在1到10GHz，由于光载波频率与微波频率之间的差别，光通信等的信息容量可以比微波系统高出10000倍，调制带宽可以达到约1Tbps的量级，正是由于光通信系统具有如此大的宽带潜力，才使得人们不断研究和开发光通信系统。图1示出了IM／DD光纤通信系统的组成框图。它由发送端机、光纤传输信道，接收端机三个主耍部分组成。图1光纤通信系统组成框图光源产生的光信号耙合到光纤中，经光纤传输到接收端机。在接收端机，由光检测器直接检测光纤中传来的光信号并进行光电转换，形成电信号，再由电接收机恢复成原来的信号。在光纤通信系统中，除光源、光纤和光俭测器外，都是电子线路。这些电子线路基本上由功率放大器、低噪声放大器、编码、整形、控制及保护等电路构成，与电通信所用的技术相同。光源、光纤和光检测器则完成电光转换、光的传输和光电转换的功能，正是这一功能实现了光纤通信系统大容量、高质量的传输特性。光纤是光纤通信系统中最重要的组成部分，它是(载有信号的)光波的传输媒介，其传输特性直接影响系统的通信质量。光纤的主要传输待性是损耗与色散。光纤的传输损耗特性用衰减系数表示．它与光波频率和光纤中的杂质浓度等因素有关。目前，在波长为1.55微米波段可以得到衰减系数小于0.2dB／km的光纤。光纤的色散特性是指光纤中因不同频率、不同模式的光波的传输速度不同而使已调信号失真的现象。色散影响传输带宽，从而限制了通信容量和传输距离(无中继)。目前的光纤主要为石英光纤，其典型结构如图2所示。内部圆柱由折射率为M的石英材料组成(称为纤芯)，外部圆柱完由折射率为nz的石英材料组成(称为包层）。当在两种介质分界面上满足全反射条件时，可将光波限制在纤芯区域经多次全反射传输到目的地。图2光纤结构2、光纤通信的发展趋势（1）举例：光纤到家庭(FTTH)的发展FTTH可向用户提供极丰富的带宽,所以一直被认为是理想的接入方式,对于实现信息社会有重要作用,还需要大规模推广和建设。FTTH所需要的光纤可能是现有已敷光纤的2～3倍。过去由于FTTH成本高,缺少宽带视频业务和宽带内容等原因,使FTTH还未能提到日程上来,只有少量的试验。近来,由于光电子器件的进步,光收发模块和光纤的价格大大降低;加上宽带内容有所缓解,都加速了FTTH的实用化进程。发达国家对FTTH的看法不完全相同:美国AT&T认为FTTH市场较小,在0F62003宣称:FTTH在20-50年后才有市场。美国运行商Verizon和Sprint比较积极,要在10—12年内采用FTTH改造网络。日本NTT发展FTTH最早,现在已经有近200万用户。目前中国FTTH处于试点阶段。FTTH遇到的挑战:现在广泛采用的ADSL技术提供宽带业务尚有一定优势。与FTTH相比:①价格便宜②利用原有铜线网使工程建设简单③对于目前1Mbps—500kbps影视节目的传输可满足需求。FTTH目前大量推广受制约。FTTH的解决方案:通常有P2P点对点和PON无源光网络两大类。（2）结论对于不久的将来要发展的宽带业务,如:网上教育,网上办公,会议电视,网上游戏,远程诊疗等双向业务和HDTV高清数字电视,上下行传输不对称的业务,AD8L就难以满足。由此可以看出光通信系统的巨大发展潜力。二、光纤损耗对通信系统传输特性的影响的计算方法1、光纤损耗特性的测量方法（1）剪断测量法在图3中，示出了用剪断法测量光纤损耗特性的测量原理图。图3剪断法原理图A．测量原理首先在被测光纤的输出端(远端)用光功率计测得光纤的输出功率(记为E P )。然后，在不改变输入条件的条件下，在距远端L(km)处把光纤剪断，并用光功率计测得此处(称为近端)光纤的输出功率(记为N P )，则该光纤的平均损耗系数由下式绘出10 lg ( / ) N E p dB km L P（1）B．误差分析剪断法是一种破坏性的测量方法。影响其测量精度的主要原因如下：光源的稳定性。本测量方法对光源的最重要的要求是，光源发射的光功率必须稳定。这种稳定性要求除了包括光源发射的光功率的数值保持稳定(不变)之外，还包括光源发射光波的光斑尺寸及其在光纤入光端面的数值孔径的稳定，并要求光斑尺寸小于纤芯尺寸。否则。入射光束投射在纤芯以外，以及位于光纤数值孔径以外的那部分光功率将被损失掉．加之高次模的功率损耗等都将影响测量的精度。为此．必须对半导体光源辅加一定的稳定其输出功率的有效措施。此外，为了测量光纤损耗的频谱特性，还必须设计一个能改变发射波长的稳定光源，图4示出了一个典型的可变波长的光束发射装置。图4典型的可变波长的光束发射装置（2）光学时域反射法A.光学时域反射法的工作原理与测量光纤损耗特性所采用的剪断法不同，光学时域反射法(OTDR)没有破坏性，而且还可以给出光纤各段损耗的详细情况。光学时域反射法的工作原理如图5所示。图5光学时域反射法的工作原理测量时，利用分光器(或定向招合器)把窄激光脉冲功率(如图5中虚线所示)注入被测光纤的一端，该端而的反射波(如图5中实线所示)再经分光器注入光检测(放大)器，并由示波器显示与反射光波成线性关系的电信号的幅度—时间特性曲线。由此，可以分析获得光纤的损耗特性参数。B.光学时域反射法的误差分析影响光学时域反射法测量精度的主要因素为系统的噪声、光源输出脉冲的起伏和外界干扰。由于返回到光检测(放大)器的后向散射允很微弱，噪声和干扰的影响将使示波器上观察到的后向散射光功率波形产生随机起伏，从而影响测量精度。为了提高测量精度，可以来用“取样积分平均器”，以便消除围噪声和干扰而导致的示波器输出的后向散射光功率波形的随机起伏，从而保证用该方法推各地、可重复地、且非破坏性地测量光纤的损耗特性(参数)。2、光纤损耗特性的远程测量在工程实际中，常需测量已经敷设的光缆的损耗恃性。此时、光源与光检测器相隔很远。在采用剪断法时，两次功率测量常常需要两台光功率计，仪表的差别将会带来相应的测量误差。在图6中，示出了一种消除仪表差别带来的相应远程测量误差的方法的测量原理示意图。在甲地，光源的输出功率为' 1 S，耦合系数为1 k，光功率计1 D的功率(增益)系数为1 R；在乙地(与甲地相距为L(km))，光源的输出功率为' 2 S，耦合系数为2 k，光功率计2 D的功率(增益)系数为2 R。首先，在甲地用1 S作光源，在乙地用光功率计2 D测得的光功率12 P为' 12 1 1 2 l P S k e R (2)图6远程（甲乙两地）测量光纤损耗的原理图然后，在甲地将被测光纤剪断，用光功率汁1 D测得的光功率11 P，为' 11 1 1 1 l P S k e R (3)接下来，在乙地用2 S作光源，在甲地用1 D侧很的光功率21 P为' 21 2 2 1 l P S k e R（4）然后，在乙地将被测光纤剪断，用2 D得的光功率为22 P ' 22 2 2 2 l P S k e R（5）利用式（2）（3）（4）（5）进行下面的运算，可得1 2 12 21 11 22 exp P P L l P P（6）即1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 2 1 5 l g l n / l n 2 P P P P e N p k m L l P P L l P P（7）三、光纤色散对通信系统的传输特性影响的计算方法色散是影响光纤传输质量的另—重要特性，它将导致光脉冲波形在传输过程中畸变——称为脉冲展宽，这种展宽将使相邻两个光脉冲发生重叠．严重时将难以区分。脉冲的展宽程度决定了光纤的信息承载容量(或称最大码速率)。在数字光纤通信系统中，为了不使脉冲展宽对信息传输质量产生较大的影响，常对光纤的色散特性提出如F技术要求：①光纤传递函数的3dB带宽不得小于系统的码速率之半；②光纤的冲击响应的均方根脉冲宽度必须小于四分之—·码元间隔。造成脉冲展宽的原因有三种：①模式色散；⑦材料色散；②波导色散。从测量的角度而言，光纤色散的测量方法大致可分为两大类：(1)时域测量法。直接测量光脉冲在光纤出光端面处的波形畸变应或传递函数。(2)频域测量法。在频域中直接测量光纤的基带领率特性。再反推出光纤的冲击响。对于多模光纤而言，从模式色散和频率色散(材料色散与波导色散的统称)是否分开单独测量的方式出发，色散的测量方法又分为两大类：(1)全色散测量法。这种方法只能测量光纤的总色散特性参量。(2)单独测量频率色散(或模式色散)的方法。1、时域中光纤色散特性的测量(脉冲法) A．测量原理在时域中测量光纤总色散特性的最简单的方法是，用窄的光脉种注入光纤的入光端面，并在光纤的出光端面检测发冷了展宽的输出脉冲，进而得到对应光纤的均方根脉冲展宽．其汁算公式为2 2 f f t th t dt h t dt（8）式中，f h t为光纤的时域响应函数。B．误差分析测量的精度取决于光纤的输出脉冲较输入脉冲展宽的明显程度，一般来讲，两者的均方根脉冲展宽(或半宽)的差别越大，测量的精度就越高。而两者的脉宽差别的大小主要受下面两个因素的影响。(1)光源发射脉冲的宽度。光源发射脉冲阂合到被测光纤中形成输入脉冲．光源发射脉冲越窄，光纤输出脉冲的展宽(相对)越明显，测量精度越高。理想情况：光源发射冲击脉冲时，光纤输出脉冲的均方根展宽就是光纤的均方根脉冲展宽。(Biblioteka Baidu)光纤中光脉冲传输的距离。如果被测光纤较短，则光纤输出脉冲较输入脉冲展宽的程度将很不明显，导致测量不准确。为了提高测量精度，必须尽可能增加光脉冲在被测光纤中传输的距离(或称为行程)，采用下面介绍的往复脉冲法，可以达到此目的。2、多模光纤频率色散分离测量法团7为多模光纤频率色散分离测量装置的原理框图。图7频率色散分离测量装置的原理框图本测量装置与图6所示的扫描调制法的装置的一个主要不同之处就在光路中被测光纤与光检测器之间有一个可以随意插入或取出的滤光片，这个滤光片的通带宽度1比LED的谱线宽度0窄得多．但它的通带中心波长与LED的螃值波长0相同。正是由于滤光片的加入，才使本装置可以单独测量多模光纤的频率色散特性。设由正弦波调制的光源的归一化频谱函数为0 G，它在被测光纤中激发起N个模式删光纤中第n个模式在波长处单位波长范围内所携带的功率为0 , , , 1 cos , n z n n n P z t A G e m t z（9）将, n z在光源的螃值波长0处展开，并忽略高次项，可得0 0 , , n n d z z d（10）被测光纤中传输的总功率为0 1 , , , , , N n n P z t P z t d（11）未描人滤光片时，光检测器检测并转换成的交变光生电流0 , 0 0 0 0 1 , exp n n N j z z n n d I z B e e G j d d（12）在插入滤光片之后，设滤光之后光束的归一化频谱函数为1 G 0 , 1 1 0 0 1 , exp n n N j z z n n d I z B e e G j d d（13）将式(12)与式(13)相除，即可消掉模式色散制约项而保留频率色散制约项，即有0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 exp , , , exp d G j d I d d M d d I G j d d (14)在光纤通信系统中，大多数光源都可以近似认为具有高斯型的频谱函数，即有2 2 0,1 0 0,1 0,1 2 ln 2 2 exp ln 2 G（15）把式(15)代人式(14)中，经推导可得2 2 2 0 1 0 1 , , , exp 16ln 2 d d M d d（16）或者1 2 2 2 0 1 4 ln ln 2 d M d（17）式(17)即为光纤的频率色散系数。四、光纤的非线性对通信系统传输特性的影响任何介质都是非线性的。因为它们在强电磁场作用下，都呈现Q4k线性效应。当然，光学非线性本身极其微弱，是一种具有阐值的物理效应，其大小取决于介质的非线性系数、光场强度以及光场与介质的有效作用长度等因素。在光纤通信中，光纤的低损耗使传输距离很长，加上密集波分复用技术和掺钨光纤放大器技术的不断进步，将使相当强的光场限制在芯径很小的单模光纤中传输，非线性效应对光纤通信的影响变得不可忽视。非线性光学效应是光和物质相互作用时存在的一种物理现象。光纤作为电介质，束缚在原子或分子内部的电子在光场作用下产生非简谐运动，介质产生极化而出现电偶子，这些电偶极子将辐射相应频率的电磁波形成附加电场。感生的附加电场和施加的外电场叠加形成介质午的总电场。光与介质相互作用用电偶极子感应的极化强度矢量P与辽的关系来表示1 2 3 0 : P E EE EEE (18) 1、受澈喇量散射和受澈布里渊散射（1）受激喇曼散射受激喇曼散射和受激布里渊散射效应的产生可用经典的波动理论和量子理论来解释，这里从量子理论来说明其物理机理。在晶体中，原子在其平衡位置附近不停的振动，由于原子间的相互作用，每一个原子的振动要依次传递给其他原子，从而形成品体中的格波。格波的形式很复杂，它可分解成一些简谐波的更加。（2）受激布里渊散射入射光波受介质中的弹性声波场散射作用称作布里渊散射。能散射入射光波的声波由光波本身产生，从而出现受激布里渊散射现象。受激布里渊散射的经典图像可描述为，入射到介质的频率为。，的泵浦光，通过电致伸缩作用，在介质中产生压力波，导致介质的密度及折射率的变化。五、小结现在，以光纤放大器和波分复用技术共同组成的密集波分复用光纤传输系统已普及到全世界的核心网以及城域网。由光纤构筑的网络拓扑已延伸到地球的各个角落，光缆的敷设正向着光纤到家庭、到桌面的方向发展。本文主要介绍光纤通信系统以及光纤色散损耗和非线性对其的影响的计算方法。参考文献：1、光纤通信，西北工业大学出版社2、光纤通信，北京邮电大学出版社3、光纤通信系统，高等教育出版社