光纤传输原理与基本特性.ppt

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1、关于光纤传输原理与基本特性现在学习的是第1页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性 光信号经光纤传输后要产生光信号经光纤传输后要产生损耗损耗和和畸变畸变( (失真失真) )，因而输出，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，损耗限制系统的传输距离，色散则限制

2、系统的传输容量。色散则限制系统的传输容量。 现在学习的是第2页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性1.3.1 1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗 光纤的损耗在很大程度上决定了系统的光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离传输距离。 在最一般的条件下，在光纤内传输的在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率光功率P P随随距离距离z z的变化，可以用下式的变化，可以用下式表示表示 PadzdPpaoP)exp(0LaPPp)/(343. 4)(110kmdBaPzPgLapo习惯上光纤的损耗用下式计算，用习惯上光纤的损耗用下式计

3、算，用dBdBkmkm来表示，来表示，式中，式中， 是损耗系数。设长度为是损耗系数。设长度为L(km)L(km)的光纤，输入光功率为的光纤，输入光功率为 ，根输出，根输出光功率应为光功率应为 现在学习的是第3页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.1 1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗1.1.损耗机理损耗机理 1)1)吸收损耗吸收损耗.(.(原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征吸收原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征吸收) )2322212143nnnRc临界曲率半径临界曲率半径3)3)辐射损耗辐射损耗 ( (弯曲弯曲) )2)2)散射损耗散射损耗. .（瑞利散

4、射、波导散射、非线性散射）（瑞利散射、波导散射、非线性散射）现在学习的是第4页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.1 1.3.1 光纤的损耗光纤的损耗2.2.在路光纤损耗谱在路光纤损耗谱 下图是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗下图是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。 0.010.050.50.11510501000.81.01.21.41.61.8瑞利散射紫外吸收波导缺陷实验红外吸收损 耗 /（dBkm 1）现在学习的是第5页，共

5、47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽 1.1.色散分类色散分类 色散色散(Dispersion)(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。材料色散和波导色散总称为材料色散和波导色散总称为色度色散色度色散或或波长色散波长色散色散一般包括色散一般包括 模式色散模式色散、材料色散材料色散、波导色散波导色散和和偏振色散偏振色散。现在学习的是第6页，

6、共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽1.1.色散分类（色散分类（模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散）模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散）模式色散模式色散（模间色散模间色散）：）： 在多模光纤中，由于不同模式的时间延迟（群速度）不同而产生的，它取决于光在多模光纤中，由于不同模式的时间延迟（群速度）不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。材料色散材料色散（色度色散）色度色散）： 由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不

7、同波长成分的光由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光( (实际光实际光源不是纯单色光源不是纯单色光) )，其时间延迟不同（群速度）而产生的。这种色散取决于光纤，其时间延迟不同（群速度）而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。现在学习的是第7页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽1.1.色散分类（色散分类（模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散）模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散）波导色散波导色散（色度色散色度色散 ）：）

8、： 由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起的色散（由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起的色散（ 不是常不是常数），与波导效应有关，即波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和数），与波导效应有关，即波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。纤芯与包层的相对折射率差。1gvdd偏振色散偏振色散： 实际应用的单模光纤由于存在少量的不对称性，使得两个偏振模的群时延不同而实际应用的单模光纤由于存在少量的不对称性，使得两个偏振模的群时延不同而形成的色散。形成的色散。模内色散模内色散：发生在单个模式中的色散，与波长有关的发生在单个模式中的色散，与

9、波长有关的色度色散是材料色度色散是材料 色散和波导色散之和色散和波导色散之和。现在学习的是第8页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽2 2、群时延群时延光纤光纤单位长度单位长度传播的延迟时间传播的延迟时间00220dd11ddddkcddvg ddcdkdcgg2112 ddDg)(3 3 、色散系数色散系数描述光纤色散程度描述光纤色散程度 定义为：定义为： 单位是单位是:ps/nmkm:ps/nmkm现在学习的是第9页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.

10、2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽4 4 、时延差与色散系数的关系时延差与色散系数的关系 光信号中，传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传光信号中，传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传输时延之差称为输时延之差称为时延差。时延差。时延差越大，脉冲展宽越严重，因此常用时延差表示光纤色时延差越大，脉冲展宽越严重，因此常用时延差表示光纤色散的程度。散的程度。 22222ddddcddgg 22dndcddDgmat 222dndcDmatmat时延差：时延差：材料色散系数材料色散系数：在光源谱宽在光源谱宽 范围内，范围内，D D一般为常数，则一般为常数，

11、则单位长度的时延差单位长度的时延差为为: :现在学习的是第10页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽4 4 、时延差与色散系数的关系时延差与色散系数的关系波导色散波导色散 归一化传播常数归一化传播常数 bnkbnnnk1202122212202221202220222221nnknkVwVUb dVVbdnncdkbkdnncdkdcwg2200220111 222dVVbdVcnddDwgwg在多模光纤中，波导色散比材料色散小的多，可以忽略。在多模光纤中，波导色散比材料色散小的多，可以忽略。在单模光纤中，

12、波导色散常数为：在单模光纤中，波导色散常数为：波导色散引起的单位长度的群时延为波导色散引起的单位长度的群时延为: :解出解出现在学习的是第11页，共47页max2minmaxmin11maxminmaxmodsin21) 1(sec/sin/ttncLncLtt1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽4 4 、时延差与色散系数的关系时延差与色散系数的关系 模间时延差模间时延差 （阶跃光纤）（阶跃光纤） 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性2222modcNcNeffeff22 为有效群折射率。当为有效群折射率。当 时，脉冲展宽最小。时，脉冲展宽最小。2ef

13、fN多模渐变折射率分布光纤单位长度的脉冲展宽（近似估算）多模渐变折射率分布光纤单位长度的脉冲展宽（近似估算）现在学习的是第12页，共47页1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 色散对光纤传输系统的影响，在色散对光纤传输系统的影响，在时域时域和和频域频域的表示方法不同。如果信号是模的表示方法不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽拟调制的，色散限制带宽(Bandwith)(Bandwith)；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽(Pulsebroadening)(Pulsebroadeni

14、ng)。所以，色散通常用。所以，色散通常用3dB3dB光带宽光带宽 或脉冲展宽或脉冲展宽 表示。表示。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性cf2122modgwmatgwmat,mod式中式中 分别为模间色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽。分别为模间色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成现在学习的是第13页，共47页dtftithfH)2exp()()(第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展

15、宽色散、带宽和脉冲展宽 光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率线性系统处理，其输入光脉冲功率 和输出光脉冲功率和输出光脉冲功率 的一般关系为的一般关系为dttPtthtPinout)()()()()(ttPin)(t)(th)()(thtPout)(th当输入光脉冲当输入光脉冲 时，输出光脉冲时，输出光脉冲 ，式中，式中 为为 函数，函数， 称为光纤冲击响应。冲击响应称为光纤冲击响应。冲击响应 的傅里叶的傅里叶(Fourier)(Fourier)变换为变换为现在学习的是第14页，共4

16、7页21)0(/ )(3HfHdB第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽 5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 模拟信号色散限制带宽模拟信号色散限制带宽(Bandwith)(Bandwith)，通常用，通常用3dB3dB光带宽表示光带宽表示 )( fH)0(/ )(HfH3)0(/ )(lg10)(33HfHfTdBdB或或一般，频率响应一般，频率响应 随频率的增加而下降，这表明输入信号的高频成分被光随频率的增加而下降，这表明输入信号的高频成分被光纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。将归一化频

17、率响应纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。将归一化频率响应 下降一半或减小下降一半或减小3dB3dB的频率定义为光纤的频率定义为光纤3dB3dB光带宽光带宽 ，由此得到，由此得到现在学习的是第15页，共47页)(440122ln23MHzfdB第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光源的频谱宽度一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光源的频谱宽度 比信号频比信号频谱宽度谱宽度 大得多，光纤就可以近似为线性系统。光纤

18、传输系统通常满足这个条大得多，光纤就可以近似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设件。光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设s2exp)()(2tthtPout21)2exp()0(/ )(23223dBdBfHfH355. 22ln22高斯脉冲半极大全宽度高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)(FWHM)3dB3dB光带宽为光带宽为式中，式中， 为均方根为均方根(rms)(rms)脉冲宽度。对上式进行傅里叶变换，代入公式得到脉冲宽度。对上式进行傅里叶变换，代入公式得到现在学习的是第16页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输

19、原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽3dB3dB光带宽光带宽 、均方根（、均方根（rmsrms）脉冲宽度）脉冲宽度 、脉冲半极大全宽度、脉冲半极大全宽度(FWHM) (FWHM) 定义如定义如下图下图 cf输入脉冲输出脉冲tPi（t）（ t ）H 1（ f ）= 1 ff3dB03光纤10lgH（ f ）/ d B11/e1/21/22tPo（ t） = h（ t）H 2（ f ）=H f ） 现在学习的是第17页，共47页第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性1.3.2 1.3.2 光纤的

20、色散和带宽光纤的色散和带宽5 5 、色散、带宽和脉冲展宽色散、带宽和脉冲展宽 输入脉冲一般不是输入脉冲一般不是 函数。设输入脉冲和输出脉冲为高斯函数，其均方根（函数。设输入脉冲和输出脉冲为高斯函数，其均方根（rmsrms）脉冲宽度分别为脉冲宽度分别为 和和 ，频率响应分别为，频率响应分别为 和和 ，根据傅里叶变换特性，根据傅里叶变换特性得到得到 12)(1fH)(2fH)()()(12fHfHfH2122212212由此得到，信号通过光纤后产生的脉冲展宽由此得到，信号通过光纤后产生的脉冲展宽 或或 和和 分别为输入脉冲和输出脉冲的分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHMFWHM。现在学习的是第18页

21、，共47页avyxavyxavnnnBBLavB221.3 1.3 光纤传输特性光纤传输特性 1.3.31.3.3光纤双折射及偏振特性光纤双折射及偏振特性 实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数使两个偏振模具有不同的传输常数 1 1）定义归一化双折射系数：）定义归一化双折射系数： 2 2）拍长：）拍长： 3 3）偏振色散：）偏振色散： 两个正交模式在光纤中传播两个正交模式在光纤中传播单位长度单位长度的时延差为的时延差为 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输

22、原理和传输特性yx)(11yxyxpnncdkdcdd现在学习的是第19页，共47页1.3.31.3.3光纤双折射及偏振特性光纤双折射及偏振特性 产生双折射原因产生双折射原因凡使光纤介质出现光学各向异性的物理因素凡使光纤介质出现光学各向异性的物理因素 都将使光纤产生双折射。都将使光纤产生双折射。 单模光纤截面椭圆度单模光纤截面椭圆度 单模光纤应力、应变单模光纤应力、应变 单模光纤弯曲单模光纤弯曲 单模光纤扭曲单模光纤扭曲 外场引起（电光、磁光、弹光效应等）外场引起（电光、磁光、弹光效应等）保偏光纤保偏光纤 高双折射光纤：高双折射光纤： 比较大，相位不匹配，两个正交模弱耦合。比较大，相位不匹配，

23、两个正交模弱耦合。 低双折射光纤：低双折射光纤： 减小纤芯的剩余应力，降低各向异性。减小纤芯的剩余应力，降低各向异性。yx第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性现在学习的是第20页，共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 使用过程中的弯曲，以及光纤耦合损耗是主要损耗。使用过程中的弯曲，以及光纤耦合损耗是主要损耗。一、弯曲引起的损耗一、弯曲引起的损耗1 1、宏弯曲多模光纤：、宏弯曲多模光纤：临界半径临界半径第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性RwwaRT23322exp2222VweakT, 1e, 2e

24、混合模时，模时，或当TMTE2wa347. 0w23R32c现在学习的是第21页，共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗一、弯曲引起的损耗一、弯曲引起的损耗2 2、宏弯曲单模光纤：、宏弯曲单模光纤：当当 时，临界半径可用下式表示，误差小于时，临界半径可用下式表示，误差小于1010临界半径临界半径第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性URRAccexp21323c996. 0748. 220Rcn 21213221wwKUwAc22334naVnwU28 . 0c现在学习的是第22页，共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引

25、起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 3 3、多模光纤的微弯曲损耗、多模光纤的微弯曲损耗 理论分析表明，一般情况下，微弯只能使相邻模式之间产生损耗。相邻模理论分析表明，一般情况下，微弯只能使相邻模式之间产生损耗。相邻模式之间传播常数差值越大，耦合越强烈，微弯损耗也越大，而且和光纤微弯式之间传播常数差值越大，耦合越强烈，微弯损耗也越大，而且和光纤微弯形状密切相关。例如：形状密切相关。例如：微弯损耗微弯损耗 为微弯空间频率为微弯空间频率第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性 0sinzkAzfd为其它值zLz 022sin22sin4LkkLkkLkkLkkLAccc

26、cdakc/2 k现在学习的是第23页，共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 3 3、多模光纤的微弯曲损耗、多模光纤的微弯曲损耗 结论：结论： （1 1）光纤微弯空间频率）光纤微弯空间频率 （微弯周期（微弯周期 ），损耗最大），损耗最大（2 2）光纤损耗谱在）光纤损耗谱在 处的主衰减峰的谱宽处的主衰减峰的谱宽 ，主衰减峰两，主衰减峰两侧还有次级大出现。侧还有次级大出现。（3 3）损耗与微弯振幅）损耗与微弯振幅 成正比。对传感器应用有利。成正比。对传感器应用有利。（4 4）损耗与微弯总长度）损耗与微弯总长度L L成正比。成正比。 第一章第一章

27、光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性ckk cll cll Llc/22dA现在学习的是第24页，共47页1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 3 3、单模光纤的微弯曲损耗、单模光纤的微弯曲损耗 为归一化径向变量为归一化径向变量 为标量场分布为标量场分布第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性 ppsnksnkA2210201028 ssps021kmdBA/106799. 9192 . 3p020322202RdRdRRas2220224nksarR/现在学习的是第25页，共47页 1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光

28、纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 二二、光源与光纤耦合损耗、光源与光纤耦合损耗 光源与光纤连接时，为获得最佳耦合效率，主要考虑两者的特性参量相互匹配问光源与光纤连接时，为获得最佳耦合效率，主要考虑两者的特性参量相互匹配问题。题。 光纤光纤：纤芯直径、数值孔径、截止波长和偏振特性：纤芯直径、数值孔径、截止波长和偏振特性 光源光源：发光面积、发光角分布、光谱特性、输出功率及偏振特性：发光面积、发光角分布、光谱特性、输出功率及偏振特性 通用光源为半导体激光器和半导体发光二极管，耦合方式分为直接耦合和透镜耦通用光源为半导体激光器和半导体发光二极管，耦合方式分为直接耦合和透镜耦合。显然采合。显然

29、采用透镜耦合效率更高。用透镜耦合效率更高。采用直接耦合时，半导体激光器优于半导体发光二采用直接耦合时，半导体激光器优于半导体发光二极管，因为自发辐射光发射的方向性差。极管，因为自发辐射光发射的方向性差。 半导体发光二极管与多模光纤直接耦合的最大效率为半导体发光二极管与多模光纤直接耦合的最大效率为第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性22maxsinNAc现在学习的是第26页，共47页 1.3.4 1.3.4 外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗 二、光纤与光纤耦合损耗二、光纤与光纤耦合损耗 多模光纤之间连接时，为获得最佳耦合效率，在多模光纤之间连接时，为

30、获得最佳耦合效率，在同种类光纤同种类光纤中，主要考虑以下几方面问题：中，主要考虑以下几方面问题： 1 1、轴偏离对耦合损失影响、轴偏离对耦合损失影响 2 2、两光纤端面之间的间隙对耦合损失影响、两光纤端面之间的间隙对耦合损失影响 3 3、两光纤轴之间的倾斜对耦合损失影响、两光纤轴之间的倾斜对耦合损失影响 4 4、光纤端面不完整对耦合损失影响、光纤端面不完整对耦合损失影响 在在不同种类光纤不同种类光纤中，主要考虑：中，主要考虑：1 1、光纤芯径、光纤芯径 2 2、折射率不同、折射率不同 单模光纤之间连接时，也是考虑：轴偏离、轴倾斜、端面间隙和不同种类光纤引起的损耗。单模光纤之间连接时，也是考虑：

31、轴偏离、轴倾斜、端面间隙和不同种类光纤引起的损耗。 光纤和透镜耦合主要考虑数值孔径的匹配和透镜的像差。光纤和透镜耦合主要考虑数值孔径的匹配和透镜的像差。第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性现在学习的是第27页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 在光纤通信系统中，光纤中的非线性效应，一方面引起传输信号的附加损在光纤通信系统中，光纤中的非线性效应，一方面引起传输信号的附加损耗，通信之间的串话，信号频率的移动；另一方面又可以被用来开发新型器耗，通信之间的串话，信号频率的移动；另一方面又可以被用来开发新型器件，如激光器、放大器、调制器等。件，如激光

32、器、放大器、调制器等。 光孤子通信就是利用光纤中的非线性效应克服色散的影响，压缩后光孤子通信就是利用光纤中的非线性效应克服色散的影响，压缩后的脉冲已达到的脉冲已达到6fs( 6fs( 飞秒飞秒) )的窄脉冲，使通信速率极大提的窄脉冲，使通信速率极大提高，传输距离极大延长。因此要了解和掌握光纤非线性效应的基本原高，传输距离极大延长。因此要了解和掌握光纤非线性效应的基本原理及应用。理及应用。第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性sfs15101现在学习的是第28页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 一、一、 非线性效应非线性效应 任何介质（如玻璃

33、光纤）对光功率的响应都是非线性的。由于光注入光纤介质产生了电任何介质（如玻璃光纤）对光功率的响应都是非线性的。由于光注入光纤介质产生了电偶极子，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。在光功率小时引起小的振电偶极子反过来与光波会产生相互调制的相互作用。在光功率小时引起小的振荡即线性响应，在荡即线性响应，在光功率大时振荡产生非线性响应光功率大时振荡产生非线性响应。电偶极子的极化强度。电偶极子的极化强度P P与光场与光场E E的关系的关系为为 式中式中, , 为真空中的电介常数；为真空中的电介常数； 是介质的电极化率，是介质的电极化率， 为系统二阶非线性系数，为系统二阶非线性系数，

34、 为三为三阶非线性系数。阶非线性系数。 对于各向同性介质如光纤，第二项是正交的，因而该项消失，第三项引起的非线性效应很大，对于各向同性介质如光纤，第二项是正交的，因而该项消失，第三项引起的非线性效应很大， 它常称为它常称为克尔效应克尔效应，主要有两类：一类是由于光纤的折射率随输入光功率的变化引起的，主要有两类：一类是由于光纤的折射率随输入光功率的变化引起的，另一类是由散射产生的。另一类是由散射产生的。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性3)3(2042),(EEdEtrP0)3(d现在学习的是第29页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 当

35、光纤中光功率保持低电平时，当光纤中光功率保持低电平时， 玻璃光纤的折射率一直为常数。玻璃光纤的折射率一直为常数。 当光当光纤中的光功率提高后，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光纤的折射率受到传输信号光强度的调制而发生变化。化。 非线性折射率波动效应可分为三大类：非线性折射率波动效应可分为三大类： 自相位调制自相位调制(SPM)(SPM)、 交叉相位交叉相位调制调制(XPM)(XPM)以及以及四波混频四波混频(FWM)(FWM)。 在光强度调制系统中，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，当光信号与声波或光纤材料中振动的分子相互作

36、用时， 会散射光并把能量向更长的波长转移。会散射光并把能量向更长的波长转移。 非线性受激散射可分为布里渊散射和拉曼散非线性受激散射可分为布里渊散射和拉曼散射两种形式。射两种形式。第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性现在学习的是第30页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应（一）非线性折射（一）非线性折射 两个最广泛的应用是自相位调制两个最广泛的应用是自相位调制(SPM) (SPM) 和交叉相位调制和交叉相位调制(XPM) (XPM) 1 1、自相位调制、自相位调制(SPM)(SPM)光脉冲自身引起相位变化，导致光脉冲频谱展宽。光脉冲自身引起相位

37、变化，导致光脉冲频谱展宽。 当有一光波信号在光纤中传输时，其相位随距离而变化，方程为当有一光波信号在光纤中传输时，其相位随距离而变化，方程为 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性222)(),(EnnEnNLzkEnnzkn00220)()3(283nn 现在学习的是第31页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 前一项是线性相移，前一项是线性相移， 后一项为非线性相移。后一项为非线性相移。 如果输入的光信号是强度调制，如果输入的光信号是强度调制， 则非线性相移引起相位调制，则非线性相移引起相位调制， 这种效应称这种效应称为自相位调制为自相位调

38、制(SPM)(SPM)。 SPMSPM的相位调制能够产生新的频率，的相位调制能够产生新的频率， 同时展宽了光脉冲的频谱，同时展宽了光脉冲的频谱， 在波分复用系统中在波分复用系统中如果这种调制现象较严重，如果这种调制现象较严重， 展宽的光谱会覆盖到相邻的信道。展宽的光谱会覆盖到相邻的信道。 另外另外, , 自相位调制能自相位调制能带来好处，带来好处， 它能够与光纤的正色散作用它能够与光纤的正色散作用, , 从而暂时压缩传输的光脉冲。从而暂时压缩传输的光脉冲。第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性NLzkEnnzkn00220)(202EzknNL现在学习的是第32页，共47页

39、1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 2 2 、交叉相位调制交叉相位调制(XPM/CPM)(XPM/CPM) 交叉相位调制交叉相位调制(XPM/CPM)(XPM/CPM)准确地讲是与自相位调制产生方式准确地讲是与自相位调制产生方式相同的另一种非线性效应。然而自相位调制是光脉冲对自身相位相同的另一种非线性效应。然而自相位调制是光脉冲对自身相位的影响，交叉相位调制是用来描述光脉冲对其他信道信号光脉冲的影响，交叉相位调制是用来描述光脉冲对其他信道信号光脉冲相位的影响，仅在多信道系统中才发生。相位的影响，仅在多信道系统中才发生。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传

40、输特性)2(222102EEzknNL现在学习的是第33页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 2 2 、交叉相位调制、交叉相位调制(XPM/CPM)(XPM/CPM) 第一项为自相位调制，第二项为交叉相位调制（产生频谱不对第一项为自相位调制，第二项为交叉相位调制（产生频谱不对称展宽），可以利用此效应制作称展宽），可以利用此效应制作“光克尔开关光克尔开关”。 相位调制主要影响相干技术解调系统，对直接检测相位调制主要影响相干技术解调系统，对直接检测、非相干、非相干调制、幅度调制传输系统影响不严重。调制、幅度调制传输系统影响不严重。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特

41、性光纤传输原理和传输特性)2(222102EEzknNL现在学习的是第34页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应（二）受激非弹性散射（二）受激非弹性散射 1 1、受激喇曼散射（、受激喇曼散射（SRSSRS）介质中分子振动对入射光（泵浦光）介质中分子振动对入射光（泵浦光）的调制的调制 当一个强光信号在光纤中引发了分子共振时，产生喇曼非当一个强光信号在光纤中引发了分子共振时，产生喇曼非线性效应，线性效应， 这些分子振动调制信号光后产生了新的光频（正这些分子振动调制信号光后产生了新的光频（正向传播），向传播）， 除此之外还将放大新产生的光。除此之外还将放大新产生的光。

42、斯托克斯波斯托克斯波 反斯托克斯波反斯托克斯波 分子振动频率。分子振动频率。 在室温下，在室温下， 大部分新产生的频率都处于光大部分新产生的频率都处于光载波的低频区。载波的低频区。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性lslassas现在学习的是第35页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 喇喇曼增益与阈值曼增益与阈值 为喇曼增益系数（为喇曼增益系数（ ） 为泵浦波光强为泵浦波光强 喇曼散射阈值泵浦功率为：喇曼散射阈值泵浦功率为：纤芯有效面积纤芯有效面积 光纤有效作用长度光纤有效作用长度 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输

43、特性spRsIIgdzdIRgpIReffeffRgLAP1620sAeffLLeffexp1wmgR/1013现在学习的是第36页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 喇喇曼增益与阈值曼增益与阈值超低损耗单模光纤超低损耗单模光纤 预测预测 泵浦到斯托克斯波的转换效率很高，一阶斯托克斯波足够强泵浦到斯托克斯波的转换效率很高，一阶斯托克斯波足够强时，还可以再产生二阶斯托克斯波时，还可以再产生二阶斯托克斯波 应用应用：光纤喇曼激光器：光纤喇曼激光器 光纤喇曼放大器光纤喇曼放大器 影响影响：各信道之间串话，单信道系统阈值功率大：各信道之间串话，单信道系统阈值功率大 于光

44、源入纤功率，不会产生严重影响。于光源入纤功率，不会产生严重影响。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性m55. 1250 mAeffmwPR600kmLeff20现在学习的是第37页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应（二）受激非弹性散射（二）受激非弹性散射 2 2、受激布里渊散射（、受激布里渊散射（SBSSBS） 当一个窄线宽、当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时，高功率信号沿光纤传输时， 将产生一个与输入光信号同向将产生一个与输入光信号同向的声波，的声波， 此声波波长为光波长的一半，此声波波长为光波长的一半， 且以声速传输。且以声速传输

45、。 理解非线理解非线性布里渊效应的一个简单方法是将声波想象为一个把入射光反射回去的移动布性布里渊效应的一个简单方法是将声波想象为一个把入射光反射回去的移动布拉格光栅，拉格光栅， 由于光栅向前移动，由于光栅向前移动， 因此反射光经多普勒频移到一个较低的频率因此反射光经多普勒频移到一个较低的频率值。值。 对于工作于对于工作于1.55 m1.55 m的二氧化硅光纤，的二氧化硅光纤， 布里渊频偏约为布里渊频偏约为 11 GHz 11 GHz， 且决且决定于光纤中的声速，定于光纤中的声速， 反射光线宽，反射光线宽， 还取决于声波的损耗，还取决于声波的损耗， 它可在几十至几百它可在几十至几百兆赫兹的范围内

46、变动。兆赫兹的范围内变动。 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性sp现在学习的是第38页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 布里渊增益与阈值布里渊增益与阈值 为布里渊增益系数为布里渊增益系数 布里渊散射阈值泵浦功率为：布里渊散射阈值泵浦功率为： 对于窄脉冲，因其频谱较宽，对于窄脉冲，因其频谱较宽， 很高，可以忽略布里渊散很高，可以忽略布里渊散射。对于一般情况，例如射。对于一般情况，例如 第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性BgBeffeffBgLAP21BBfg1BPm55. 1250 mAeffkmLeff20wmg

47、B/10511mwPB1现在学习的是第39页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 应用应用：光纤布里渊激光器：光纤布里渊激光器 光纤布里渊放大器光纤布里渊放大器 影响影响： 1 1）因阈值较低，一旦光信号达到阈值，大部分能量将转化成反向传输的斯托克斯散）因阈值较低，一旦光信号达到阈值，大部分能量将转化成反向传输的斯托克斯散射光，减少信号功率，反馈给激光器，使其工作不稳定。解决办法：加宽输入信号射光，减少信号功率，反馈给激光器，使其工作不稳定。解决办法：加宽输入信号的频带宽度，增大阈值。的频带宽度，增大阈值。 2 2）有利的应用：低的阈值功率，提供了布里渊放大，利用

48、与信号传输相反方向注入连续）有利的应用：低的阈值功率，提供了布里渊放大，利用与信号传输相反方向注入连续泵浦，补偿传输损耗，延长传输距离。窄线宽可用于选择放大载波，不放大调制边带，基泵浦，补偿传输损耗，延长传输距离。窄线宽可用于选择放大载波，不放大调制边带，基本原理与外差检测类似。本原理与外差检测类似。第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性现在学习的是第40页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 ( (三三) )参量放大（四波混频参量放大（四波混频FWMFWM） 当有三个不同波长的光波同时注入光纤时，当有三个不同波长的光波同时注入光纤时， 由于三

49、者的相互作用，由于三者的相互作用， 产生产生了一个新的波长或频率，了一个新的波长或频率， 即第四个波，即第四个波， 新波长的频率是由入射波长组合产生新波长的频率是由入射波长组合产生的新频率。的新频率。 这种现象称为四波混频效应。这种现象称为四波混频效应。 四波混频效应能够将原来各个波长信号的光功率转移到新产生的波长上，四波混频效应能够将原来各个波长信号的光功率转移到新产生的波长上， 从而对传输系统性能造成破坏。从而对传输系统性能造成破坏。 在波分复用系统中，在波分复用系统中， 混合产生的新波长会与混合产生的新波长会与其他信号信道的波长完全一样，严重地破坏信号的眼图并产生误码。其他信号信道的波长

50、完全一样，严重地破坏信号的眼图并产生误码。第一章第一章 光纤传输原理和传输特性光纤传输原理和传输特性现在学习的是第41页，共47页1.3.5 1.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 ( (三三) )参量放大（四波混频参量放大（四波混频FWMFWM）第四个波的频率是由入射波长组合产生的新频率第四个波的频率是由入射波长组合产生的新频率 要有显著的四波混频现象发生，必须满足频率和波矢匹配，即满足相位匹配条要有显著的四波混频现象发生，必须满足频率和波矢匹配，即满足相位匹配条件。件。 组合为组合为 的形式，相位匹配条件相对容易满足，而其它组合不易发生。的形式，相位匹配条件相对容易满足，而其它组合不