光纤通信中的衰减、色散及非线性特性研究-文献综述

东海科学技术学院

毕业论文（设计）文献综述

题目：光纤通信中的衰减、色散

及非线性特性研究

系：机电工程学院

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起止日期：

2009年12 月12 日

文献综述

随着人类社会信息化速率的加快，对通信的需求也呈高速增长的趋势；由于光纤传输技术的不断发展，在传输领域中光传输已占主导地位。光纤存在巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速率、大容量传输的最理想的传输媒质。光纤通信是传输技术的革命性进步，其诞生已有近30年的历史，直到今天还没看到任何一种新的技术能够取而代之[1]。据统计，目前80% 以上的信息是通过光通信系统传递的[2]。

光纤通信系统问世以来，一直向着两个目标不断发展。一是延长中继（再生）距离，二是提高系统容量，也就是所谓的向超高容量和超长距离两个方向发展。从技术角度看，限制高速率、大容量光信号长距离传输的主要因素是光纤衰减、色度色散和非线性[3]。

1.光纤衰减

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，即光纤衰减。形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。而光纤本身损耗大致包括两类：吸收损耗和散射损耗[4]。如图1所示，是光纤本身损耗的分类。

吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子（OH －）等杂质对通过光纤材料的光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。在短波长区，主要是紫外吸收的影响；在长波长区，红外吸收起主导作用[5]。

除本征吸收以外，还有杂质吸收，它是由材料的不纯净和工艺不完善而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收。

由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光因散射而产生的损耗称为散射损耗。散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗两大类。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拉曼散射和受激布里渊散射等[6]。

瑞利散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的，是一种最基本的散射过程，属于固有散射。同时也是本征散射损耗。而因为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，从而引起损耗。

除光纤本身损耗两种主要损耗（即吸收损耗和散射损耗）之外，引起光纤损耗的还有光纤弯曲产生的损耗以及纤芯和包层中的损耗等。

掺饵光纤放大器(EDFA)的研制成功，使光纤衰减对系统的传输距离不再起主要限制作用[7]。

2.色度色散

光纤色散是制约光传输系统中继距离和通信容量的另一个主要因素。光纤中传送的光信号是由不同的频率成分和不同的模式成分组成的，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。这便是色散。色散会使光脉冲在传输过程中展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，产生码间干扰，增加误码率，从而限制通信容量。其实色散是对一个光信号中所含有的不同颜色的光以不同速率在光纤中传输的统称。

按照色散产生的原因，光纤色散主要分为模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化（偏振模）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mn

β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。其中，材料色散和波导色散都属于频率色散。在多模光纤中，模式色散和频率色散都存在，且模式色散占主导地位。而在单模光纤中只传输基膜，因此没有模式色散，只存在频率色散（包括材料色散和波导色散）。

在弱导波光纤中传播的波可近似看作TEM波，因为它具有横向场的极化方向保持不变的特点。而“极化”就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线，这种极化则为直线极化，简称线极化。对于弱导波光纤，已假定其横向场的极化方向保持不变，则认定它的横向场是线极化波，以LP表示。

关于极化（偏振模）色散的概念，其实，在光纤中，光场的分布形式（即模式）既不是简单的横电（TE）模，也不是简单的横磁（TM）模，而是线性偏振模

（Linearly Polarized Mode）。理论上单模光纤中只传输基膜LP

01，其实LP

01

按

场强的偏振方向区分为LP

01x和LP

01

y两个模式，它们分别为沿x方向极化和沿y方向

极化，且它们的极化方向互相垂直。所以，所谓单模光纤实际上支持两个正交的

偏振模HE

11x和HE

11

y（LP

01

x、LP

01

y）。在理想的圆对称纤芯的单模光纤中，两个正交

偏振模是完全简并的，两者的传播常数相等，故不存在偏振模色散。但在实际的光纤中，光纤在制造过程中会造成纤芯截面一定程度的椭圆度，或者由于材料的

热膨胀系数的不均匀性造成光纤截面上各向异性的应力以及在施工、铺设过程中带来的外部应力的影响，从而导致光纤折射率的各向异性[8]。这两者均能造成两个偏振模传播常数的差异，从而产生群延时的不同，形成了偏振模色散（PMD)。

HE

11x和HE

11

y的两个正交偏振模的传播常数之差y

x

β

β

β-

=

∆

称为双折射。上述光

纤结构本身存在的双折射称为本征双折射(Intrinsic Birefringence)。此外，光纤在使用过程中，由于、弯曲、扭绞、横向压力等机械外力的作用也会产生附加的双折射(Extrinsic Birefringence)。一般地，当光纤截面的圆对称性受到破坏，由双折射形成的两个不同传播常数的正交偏振模之间还会产生相互耦合。由于两个偏振模的传播常数相差很小，因而模式耦合很强。又由于光纤的双折射与模式耦合都随着光纤截面形状、环境温度和机械振动等因素变化，因此，偏振模色散表现为一个随机量[9]。为了理解PMD这一复杂的现象，可以认为单模光纤是由许多的短的光纤段（或波片）以任意的角度（主轴方向）级联而成，其中每段光纤（或波片）都具有均匀双折射[10-12][13]。PMD的存在使得光脉冲信号在光纤中传输时，会出现持续的脉冲展宽，从而降低接收端检测到的电信号的信噪比（SNR），并增大系统误码率(BRE) [14]。

光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散，这些色散一般大小关系为：模式色散＞＞材料色散＞波导色散＞偏振模色散。这是当数据传输率较低和距离相对较短时PMD对单模光纤系统的影响微不足道的色散大小情况。随着对带宽需求的增长，特别是在10Gbit/s 及更高速率的系统中，PMD开始成为限制系统性能的因素，因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比。

3.非线性效应

光纤的非线性效应是指在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。它主要包括两类，一类是由于散射作用而产生的非线性效应，如受激拉曼散射（SRS）及受激布里渊散射（SBS）；另一类是由于光纤的折射指数随光强度变化而引起的非线性效应，如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）以及四波混频（FWM）等。

受激拉曼散射（SRS）是光波和光纤中的分子振动作用引起的：强光信号输入光纤引发介质中的分子振动，分子振动对入射光调制后产生新的光频，从而对