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1、第四章光纤的基本结构、色散与非线性(传输线的原理与性能)几句话 不管是数据信号、还是模拟信号，上变频到光频后就成为光信号。 光信号的信道：波导；空气等。 光纤是一种波导，为光信号提供长距离的、优质信道。 对光纤信道的认识是与时俱进的： 70年代中前期，32Mbps，工作波段0.85um，多模光纤； 70年度中后期，144Mbps，工作波段1.3um，单模光纤； 80年代末、90年代初：2.5Gbps，工作波段1.55um，单模光纤； 90年代本世纪初，10Gbps，2.5Gbps，工作波段1.55um，单模光纤； 本世纪初-今，经历10Gbps（大规模应用）, 40Gbps(小规模应用)，到1
2、00Gbps（试用），工作波段1.55um，单模光纤； 目前研究的热点：1200Tbps传输工作波段1.55um，单模光纤； Pbps传输工作波段1.55um，新型光纤； 光纤信道到底具有哪些特性，它们是如何限制传输容量的？主要内容 光纤的基本结构 单模光纤的基本特性 传输特性 单模特性 损耗 色散 非线性光纤的基本结构与特性 光纤的基本结构 单模光纤的基本特性 传输特性 单模特性 损耗 色散 非线性光纤的基本结构光纤的基本原理简单明了： 在变折射率场合下，光波具有在高折射率材料中传输的趋势。光纤的基本结构简单： 圆柱体、两层结构； 折射率高的，芯层； 折射率低的，包层。阶跃型光纤阶跃型光纤渐
3、变渐变型型/梯度型光纤梯度型光纤芯径(mm) 光纤的种类 910 50 62.5 芯径(mm) 光纤的种类100（芯）/140（包） 光纤的基本结构：阶跃型多模光纤的特点几何光学的角度：几何光学的角度：不同入射角不同入射角度的光进入光纤后，以不同的反射角在光纤中折射传输。度的光进入光纤后，以不同的反射角在光纤中折射传输。 这是一种多模传输的形式。这是一种多模传输的形式。若从光源发射的光经空气以后耦合到光纤中，那么满足光纤中全内反射条件全内反射条件的光的最大入射角max满足：Sinmax =n1Sin(90o-qc)= 2221nn定义光纤的数值孔径为：NA=2221nn物理意义：数值孔径表示光
4、纤的集光能力。 数值孔径越大，就表示光纤捕捉光射线能力越强。 n1n2光纤的基本结构：阶跃型多模光纤的特点n1n2cLn11sincdLLTcnq221nnn 记 121nnn 最大群时延差：最大群时延差：光纤中走的最快的光线与走的最慢的光线在时间上的差别。 单位长度光纤的最大时延差：1dnTc 入射角不同的光纤传输路径是不同的，它们到达光纤输出端的时间也不同。 -脉冲光信号在多模光纤中展宽的主要原因。 多模光纤长距离传输容量受限的根本原因。 相对折射率差NA越大，最大延时越大。色散越严重。光纤的基本结构：梯度型多模光纤的特点 为改善多模光纤的色散特性，提升光纤的容量，提出梯度型多模光纤。梯度
5、光纤具有一种被称为“自聚焦”的特性： 不同入射角的光线，在光纤中会重新聚焦于一点。 最大入射角的光线和最小入射角的光线，它们的路径差异要明显小于阶梯型光纤的。 因此，脉冲光信号在该光纤中的展开现象要弱于阶梯型光纤中的脉冲。光纤的基本结构：单模光纤 要解决光纤色散对容量的限制，最有效的途径：单模光纤。 这时，光纤中只传输圆柱波导中的基模（可以理解为只有入射角为0的光线才能在光纤中传输）。 不存在不同入射角的光在光纤中传输延迟差的现象。光纤的基本结构：总结光纤的基本结构与特性 光纤的基本结构 单模光纤的基本特性 光纤模式 传输特性 单模特性 损耗 色散 非线性光纤模式 光纤的模式数由“归一化频率”
6、这个参数决定。221202() ()aVnn光纤的归一化频率V a: 纤芯半径光纤中传输的最低价模为HE11模。V=2.405，第二个低价模TE01模将不能在光纤中传输。称TE01模式截止，V为截止频率Vc，对应的波长为截止波长c。HE11模在V=0的时候，照样存在。因此，截止波长无穷大。22122() ()ccannV光纤模式：HE/EH模解释 光纤中，不在子午面的光线被称为斜光线。它们和光纤的中心轴线既不平行，也不相交，光路轨迹是空间螺旋折线。可以是左旋，也可以是右旋，但是和光纤中心轴线是等距的。 非子午面光线不具有纯横电场或纯横磁场的特性，是电场分量和磁场分量混合在一起的杂化模。用EH模
7、和HE模表示。 EH表示在电磁场传播方向上EzHz； HE表示在电磁场传播方向上HzEz。最低阶模HE11模注意：传输延时只和q有关。子午光线和非子午光线，只要q相同，则同时到达输出端。光纤模式：弱导近似实际光纤的纤芯层、包层折射率差很小图中，画圈的每个模式簇，有相同的传输常数。这些具有相同传输常数模式簇，组成所谓的简并模，称之为LP模(用LPjm表示)。LP：线偏振模（线性极化模）的Linear Polarization英文简写。弱导情况下，LP几乎无纵向分量。LPjmj： 该模式的场分量沿光纤圆周方向的最大值有几对 m：该模式的场分量沿光纤直径方向的最大值有几对 单模光纤1222.405c
8、nLP11模的 Vc=2.405光波长大于此截止波长时，光在光纤中才能是单模传输。此时的光纤被称为单模光纤。由于在单模光纤中只能传输一种模式，从时域观点看，不存在模式间的时延差，因此信号在传输过程中展宽较少；对应的频域观点来看，即带宽要比多模光纤宽得多，有利于高码速，长距离的传输，单模光纤的带宽一般在几十GHZ以上。 单模光纤的特征参数截止波长模场半径衰减系数色散与非线性系数。 模场半径 对于阶跃型单模光纤，基模场强在光纤横截面近似为。 通常将纤芯中场分布曲线最大值的1/e处，所对应的宽度定义为模场直径，用2W表示。模场直径E0E0/e2aE(r)623879.21619.169.0+VVaW
9、模场半径基模半径和光纤的结构参数有关。衰减系数衰减系数，单位dB/km0lg10PPLi L：以公里为单位表示的光纤长度；Pi：输入光纤的光功率；P0：光纤输出的光功率；它是线路上决定中继距离长短的主要因素。衰减系数：标准单模光纤（SSMF）G.652 光纤的本征损耗主要来源于： 吸收损耗、散射损耗衰减系数：新型单模光纤-全波光纤160017001400130012001500Attenuation (dB/km)Wavelength (nm)0.10.20.30.40.50.6Conventional Fiber （14401625nm）AllWave Fiber（13351625nm）5t
10、hAllWaveeliminates the 1385 nm water peakAllWave offers 50%more channels!3rd4th5thAllWave vs. Conventional FiberMore Usable Optical Spectrum1550nm附近，0.1nm12.5GHzSSMF：可以的带宽185nm23THz全波光纤：290nm36THz这些带宽的全部利用，技术上已可行。衰减系数：模场半径的关系Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模 Loss高阶模模式剥离器：将光纤缠绕成环衰减系数：使用时损耗的增加 光纤柔软、易弯曲。 宏弯：曲
11、率半径比光纤的直径大得多的弯曲 微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲 弯曲光纤会增加光纤的损耗。宏弯情况衰减系数：微弯损耗 微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均，使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 导致的后果： 造成能量辐射损耗衰减系数：弯曲总损耗NAannaV222/12221增加，V减少，W越大长波长处附加损耗显著623879.21619.169.0+VVaW光纤色散 色散：一般指某个物理量和频率（波长）之间的关系。 光纤的色散：光纤中模式的传输常数和光波频率（波长）的关系。 典型地，有两个参数描述光纤的色散。 群速度参数（GVD参数）： 色散系数D：光纤色散
12、：参数的定义 群速度参数（GVD参数）： 频率间隔为w的两个光波，在长度为L的单模光纤中传输，光纤色散导致的延时差T有GVD 系数 色散系数D： 波长间隔为的两个光波，在长度为L的单模光纤中传输，光纤色散导致的延时差T有 TLD色散系数，ps/(kmnm)222)(cD光纤色散：正色散、负色散和零色散222)(cD1. 色散系数D为正：负色散 2 V低频光2. 色散系数D为负：正色散 2 0V高频光 为了满足横向谐振条件，横向传输常数u（波导内）和w（包层）应保持不变。当波导尺寸确定以后，对于一个确定的模式，由于波长变化，其传播常数k0也变化。在材料折射率n不变的情况下，这是只有改变入射角度才
13、能实现这个要求。由于不同波长的光，其入射角不同，这样它们的纵向传播常数也不一样。纵向传播速度小的光线，其传输时间就长，因而造成不同频率成分的分散。此即为波导色散产生的机理。一级近似条件下：单模光纤的色散单模光纤的色散= =材料色散波导色材料色散波导色散散标准单模光纤色散曲线光纤色散：对通信的影响定性色散使信号在接收端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难。光纤色散：对通信的影响定量 色散受限带宽-带宽距离积 一般取脉冲展宽量达脉冲宽度1/4时的光谱宽度作为光纤的最大带宽。 LDTB4/14/1SMF例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为0.15 nm，使用标准单模光纤D = 17
14、ps/kmnm，那么系统带宽和距离乘积带宽和距离乘积： BL 40 Gb/s)，色散成为首要考虑的因素之一偏振模色散 引起脉冲展宽的另外一个因素是偏振模色散LP01模是偏振方向正交的简并模。双折射效应使得光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同，导致偏振模色散偏振模色散：特点 双折射受外部因素影响：环境变化如振动、温度、应力等 特点：具有很强的不稳定性和突发性 因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法是研究的热点偏振模色散：对数据信号的影响PMD对40-Gb/s传输系统的影响将更加显著光纤色散：色散影响的消除（1） G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm。光纤色散：色散
15、影响的消除（2） 色散平坦光纤： 在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统光纤色散：色散影响的消除（3） 色散补偿器件：正负色散率搭配使系统累积色散为零光纤色散：色散影响的消除（4） 高速率信号传输系统中，光纤的色散容限小。光纤色散随温度的漂移足够让系统的误码升高。 光纤色散的影响流行采用：色散补偿器件+信号处理的方式解决。 具体的信号处理算法作为作业。光纤中的非线性 光纤中光信道的功率受光放大器饱和功率的钳制，最高一般在16-17dBm。但是由于纤芯直径很小 8mm，因此纤芯内的能量密度非常大，电场强度非常大。电场诱导的光纤极化强度和电场之间的关系不在是线性的，而是非线性的：(1)
16、(3)0+PEEEE使得光纤信道不再是线性信道，而是一个非线性信道。影响光信号质量的光纤非线性的主要来源。(3)0NLPEEE非线性项光纤中的非线性：特殊性（1） 光纤非线性的特点： 光纤存在损耗，属于有损媒质中的非线性 场强是随距离的增加而下降，非线性降低。 0110LLeffezP z dzP 为简化此类非线性的分析复杂度，人们假设光纤中的损耗为零。在此假设下，用有效长度替代光纤的真实长度。光纤中的非线性：特殊性（2）rreffrdrdrIrdrdrIAqqqqqq,22模场分布为高斯分布时，Aeff=W2普通单模光纤:250effAmmLEAF光纤:280effAmm 光纤非线性的特点：
17、 光波能量在光纤横截面上的分布是非均匀的 非线性会随光纤横截面位置不同，而不同 为简化此类问题的分析，假设非线性在横截面上是均匀的。此时，用有效面积代替光纤的芯层横截面面积。光纤中的非线性 光纤因 而产生的、影响信号传输质量的非线性效应主要有： 非线性折射率，及其相关的相位调制 四波混频 受激布里渊散射，受激拉曼散射(3)0NLPEEE光纤中的非线性：非线性折射率(1)0PE(1)(3)00+PEEEE(1)01Ren+2(1)(3)31ReRe4n+E2(3)003Re8nn+E非线性折射率n单一光波在光纤中传输时：2038nnn 非线性折射率系数光纤中的非线性：自相位调制0nnn+微扰光纤
18、导模的传播常数，一级近似下有：线性传输时的传播常数光纤中传输的功率由模场自己产生的非线性效应而引起的非线性相移称为自相位调制：信号光强的瞬间变化引起其自身的相位调制。非线性相移与信号功率成比例增大，输入信号功率越大，非线性效应越强。光纤中的非线性：信号光频啁啾正啁啾：脉冲的前沿，频率红移；脉冲的后沿，频率蓝移。SPM本身不会影响信号的传输质量。SPM+色散是影响信号质量的关键。SPM随时间变化，这种瞬时变化相移将引起光脉冲的频谱展宽，导致在光脉冲的中心两侧出现不同的瞬时光频率，即出现频率啁啾。光纤中的非线性：交叉相位调制 当两个当两个或多不或多不同波长同波长的的光光在光纤中在光纤中同时传播同时
19、传播时，它们之间会产生相时，它们之间会产生相互作用互作用。 各自的折各自的折射射率：与率：与该波的强度有该波的强度有关（自调制）；也与关（自调制）；也与其其它光波它光波的强的强度有度有关（交叉调制）。关（交叉调制）。 交交叉相位调制叉相位调制(XPM)(XPM)就就是是指指光光纤中某光波的相位受到另一个光波调制纤中某光波的相位受到另一个光波调制的现象。的现象。光纤中的非线性：交叉相位调制 对于N个光信道的光纤传输系统，第j个信道的非线性相移N：信道总数；Pj：信道功率（j1N）；因子2表明在同样功率下XPM的影响是SPM的两倍高速(10Gb/s)WDM系统中，XPM将成为一个显著的问题。光纤中
20、的非线性：四波混频(FWM) 折射率对于光强的相关性，不仅引起信道中的相移，而且产生新频率分量的信号，这种现象称为四波混频（FWM）。FWM的影响有赖于相互作用的信号之间的相位关系。如果相互作用的信号以同样的群速度传播（无色散时就是这种情况），则FWM的影响加强；如果存在色散，不同的信号以不同的群速度传播，因此不同光波之间的交替地同相叠加和反相叠加，其净效果是减小了混频的效率。在有色散的系统中，信道间隔越大，群速度的差异就越大。光纤中的非线性：四波混频(FWM)的抑制1、色散管理2、新型光纤3、信道非均匀光纤中的非线性：受激拉曼散射(SRS)短波长光信号的能量向长波长光信号上转移。长波长光信号
21、受到来自SRS的增益。光纤中的非线性：受激拉曼散射(SRS)信号光功率由于SRS效应而降低3dB时，允许的信号光功率为： 2133lim()3245.72 10( )effeffdBited SRSRamaneffeffAAmWPGLmLm130.7 10/RamanGm W光纤中的非线性：受激拉曼散射(SRS)例：对于1550nm的波长， 0.2/dB km/4.340.046pumpL=30km 1 exp()16.27pumpeffpumpLLkm250effAmm3lim32effdBited SRSRamaneffAPGL1.4W一般情况下，就单信道而言，不可能出现因SRS引起的功率
22、代价。因为信道的功率一般在数mW；就是孤子系统，其功率也不过为50mW左右。 光纤中的非线性：受激拉曼散射(SRS)短波长信道可作为长波长信道的泵浦源，将一部分能量转移到长波长的信道中。因此信道中长波长的功率受到放大，短波长的功率受到衰减。 光纤中的非线性：受激拉曼散射(SRS)对于N个信道，频率间隔为 spacingf，信道功率由于SRS引起的 1dB下降情况下，其允许的功率为： 1lim(1)500chdBited SRSspacingNPNfGHz W光纤中的非线性：受激布里渊散射(SBS)2、SBS只能是后向传输，而SRS与泵浦光可以是同方向也可以是反方向。1、在单模光纤中， SBS是
23、一个常见的非线性现象。增益系数:115 10/BrillouinGm W 130.7 10/RamanGm W3、受激布里渊散射的增益与波长无关，与调制格式有关：linewidth BBrillouin PSKBrillouinlinewidth BGGB+比特率高速率调制下，信号的GB将显著降低。 1Gbit/s的调制速率，SBS的阈值为12mW。增益线宽光纤中的非线性：受激布里渊散射(SBS)光纤中的非线性：受激布里渊散射(SBS)4、对于光纤，增益带宽积 (G )比较小，在1550nm处只有2050MHz。在一些直接调制的激光器中，线宽远大于这个积。布里渊增益因此将降低 (比如1/20)
24、。 Raman放大的带宽高达15THz，因此线宽宽的激光器对 没有影响。5、频率短移量：linewidth Blinewidth Blinewidth laserRamanG22acousticacousticbrillouinpumpnfw光纤中的非线性：受激布里渊散射(SBS)例：设声波的速度为5.95km/s，光纤的折射率n=1.45，：则频率偏移1550pumpnnm92 1.45 5950/1550/1011.1brillouinfGHz光纤中的非线性：受激布里渊散射(SBS)信号功率因SBS而降低3dB时的输入功率：2113lim()428.4 10 ()( )effeffdBited SBSBrillouineffeffAAmWPGLmLm115 10/BrillouinGm W 250effAmm对于1550nm的波长， L=30km， 0.2/dB km/4.340.046pump1 exp()16.27pumpeffpumpLLkm3lim2.58dBited SBSPmW受激散射受激散射