光纖通信與光纖網(wǎng)絡_chapter1

1、光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡 閆娟娟閆娟娟新主樓新主樓F1014， Tel: 82317220Email: 光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡?基本結構基本結構 纖芯：纖芯：材料為玻璃材料為玻璃(SiO2)，折射率為，折射率為n1，直徑為，直徑為2a 包層：包層：材料為玻璃或塑料，折射率為材料為玻璃或塑料，折射率為n2 (n2 n2（光密（光密光疏媒質）光疏媒質） 階躍型階躍型(SI，Step index) 梯度型梯度型(漸變型漸變型) (GI，Graded Index)arn

2、arnrn21)(arnnararnrn22112112121)( =1 當當 10時，趨近階躍型時，趨近階躍型當當 =1時，三角型（色散位移）時，三角型（色散位移）當當 =2時，平方律分布時，平方律分布 -相對折射率差相對折射率差光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡n 光纖的光纖的模式模式：指能夠獨立存在的電磁場的場結構形式，：指能夠獨立存在的電磁場的場結構形式， 許多模式的線性組合構成了光波導中總許多模式的線性組合構成了光波導中總 的場分布。的場分布。 一個模式，實際上是光波導的光場沿橫截面分布的一種一個模式，實際上是光波導的光場沿橫截面分布的一種場圖。從幾何光學角度看，多模光纖的每一個模

3、式是與光場圖。從幾何光學角度看，多模光纖的每一個模式是與光纖軸成一定角度傳輸?shù)墓馐嗦?lián)系的，不同的模式對應不纖軸成一定角度傳輸?shù)墓馐嗦?lián)系的，不同的模式對應不同的角度。同的角度。 光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡 按照光纖傳輸模式的多少分：按照光纖傳輸模式的多少分： 單模光纖單模光纖 多模光纖多模光纖 按照光纖截面折射率分布分：按照光纖截面折射率分布分： 階躍型光纖階躍型光纖 梯度型光纖梯度型光纖 雙包層（雙包層（W型）型） 三角分布三角分布-色散位移光纖色散位移光纖(DSF G.653), 非零色散位移光纖非零色散位移光纖(NZ-DSF G.655) 光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡

4、ITU-T 標準光纖標準光纖 G.652：普通單模光纖：普通單模光纖(SSMF) G.653：色散位移光纖：色散位移光纖(DSF) G.655：非零色散位移光纖：非零色散位移光纖(NZ-DSF) 產品：康寧產品：康寧LEAF；長飛：大保實；長飛：大保實特種光纖特種光纖 保偏光纖保偏光纖(PMF) 色散補償光纖色散補償光纖(DCF) 摻鉺光纖摻鉺光纖(EDF)等等光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡損耗損耗：光波損耗是限制無中繼通信距離的重要因素之一。：光波損耗是限制無中繼通信距離的重要因素之一。色散色散：不同頻率的光波在光纖中具有不同的傳播速度，色：不同頻率的光波在光纖中具有不同的傳播速度，色

5、 散引起傳輸脈沖展寬，產生碼間干擾，從而限制了散引起傳輸脈沖展寬，產生碼間干擾，從而限制了 通信容量和通信距離。通信容量和通信距離。非線性效應：非線性效應：由光強引起折射率變化而產生的，也可以引由光強引起折射率變化而產生的，也可以引 起傳輸信號的畸變，與色散的共同作用是限制高起傳輸信號的畸變，與色散的共同作用是限制高 速速WDM系統(tǒng)性能的主要因素。系統(tǒng)性能的主要因素。光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的損耗光纖的損耗 定義定義 損耗類型與損耗譜損耗類型與損耗譜inoutPPLkmdB10log10L-光纖長度，光纖長度，Pout-出纖光功率，出纖光功率， Pin-入纖光功率入纖光功率 引

6、起光纖損耗的主要機理：引起光纖損耗的主要機理： 光能量的吸收損耗、散射損耗、輻射損耗光能量的吸收損耗、散射損耗、輻射損耗Pin, Pout以以W或或mW為單位為單位光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的損耗光纖的損耗 損耗類型損耗類型:吸收損耗吸收損耗散射損耗散射損耗輻射損耗輻射損耗紅外和紫外吸收損耗紅外和紫外吸收損耗 OH離子吸收損耗離子吸收損耗 金屬離子吸收損耗金屬離子吸收損耗瑞利散射損耗瑞利散射損耗 波導散射損耗波導散射損耗 非線性散射損耗非線性散射損耗光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡 光纖材料的吸收損耗包括：材料本身所固有的紫外、紅外吸收光纖材料的吸收損耗包括：材料本身所固有的

7、紫外、紅外吸收-本本征吸收損耗征吸收損耗; OH離子、金屬離子等離子、金屬離子等-非非本征吸收損耗本征吸收損耗紫外吸收紫外吸收: 低能級電子吸收光能量躍遷至高能級，吸收峰在低能級電子吸收光能量躍遷至高能級，吸收峰在0.16 m, 尾巴延伸至光纖通信波段尾巴延伸至光纖通信波段, 在短波長區(qū)達在短波長區(qū)達1dB/km,長波長長波長 區(qū)約區(qū)約0.05 dB/km。紅外吸收紅外吸收: Si-O鍵振動吸收鍵振動吸收,諧振吸收峰在諧振吸收峰在9.1、12.5、21 m，尾巴延，尾巴延 伸至伸至1.51.7 m，造成光纖工作波長的上限。，造成光纖工作波長的上限。OH離子吸收：離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長

8、為鍵的基本諧振波長為2.73 m，與，與Si-O鍵的諧振波鍵的諧振波 長相互影響，在光纖通信波段內產生一系列的吸收長相互影響，在光纖通信波段內產生一系列的吸收 峰，影響較大的是在峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之間的，峰之間的 低損耗區(qū)構成了光纖通信的三個窗口。低損耗區(qū)構成了光纖通信的三個窗口。 減小減小OH離子濃度，降低這些吸收峰離子濃度，降低這些吸收峰-全波光纖（康寧）全波光纖（康寧）金屬離子吸收：金屬離子吸收：金屬雜質的電子結構產生的邊帶吸收峰（金屬雜質的電子結構產生的邊帶吸收峰（0.51.1 m)，目前雜質含量低于，目前雜質含量低于10-9，其影響已可忽略。，其影

9、響已可忽略。光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的散射損耗光纖的散射損耗瑞利散射損耗瑞利散射損耗光纖在加熱制造過程中的熱騷動，造成材料密度光纖在加熱制造過程中的熱騷動，造成材料密度不均勻（比光波長小的尺度上的隨機變化），不均勻（比光波長小的尺度上的隨機變化）， 進進而造成折射率的不均勻，引起光的散射而造成折射率的不均勻，引起光的散射-瑞利散瑞利散射。大小與射。大小與 4成反比。成反比。波導散射損耗波導散射損耗光纖芯徑沿軸向不均勻（大于光波長尺度）造成光纖芯徑沿軸向不均勻（大于光波長尺度）造成導模和輻射模間的能量耦合，使能量從導模轉移導模和輻射模間的能量耦合，使能量從導模轉移到輻射模，造成波

10、導散射損耗（又稱米氏散射），到輻射模，造成波導散射損耗（又稱米氏散射），目前的光纖制造水平，可將芯徑的變動控制到目前的光纖制造水平，可將芯徑的變動控制到1%，相應的散射損耗，相應的散射損耗Ez的解，稱為的解，稱為HEvm模模對于對于Hz 0,D0)：紅快藍慢：紅快藍慢 負負色散區(qū)色散區(qū)( 20)：藍快紅慢：藍快紅慢 色散位移：利用模場半徑色散位移：利用模場半徑W與與V的關系，可導出：的關系，可導出：作業(yè)作業(yè)：簡述色散位移光纖的設計思想簡述色散位移光纖的設計思想光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡 在理想的單模光纖中，基模是由兩個相互垂直的簡并偏振模組在理想的單模光纖中，基模是由兩個相互垂直的簡

11、并偏振模組成。如果由于某種因素使這兩個偏振模有不同的群速度，出纖后成。如果由于某種因素使這兩個偏振模有不同的群速度，出纖后兩偏振模的迭加使得信號脈沖展寬，從而形成偏振模色散。兩偏振模的迭加使得信號脈沖展寬，從而形成偏振模色散。 偏振模色散偏振模色散(PMD) PMD產生原因：產生原因： 光纖不同偏振態(tài)的雙折光纖不同偏振態(tài)的雙折射；光纖幾何形狀不規(guī)則射；光纖幾何形狀不規(guī)則或內部應力不均勻；外界或內部應力不均勻；外界因素如彎曲、扭曲和擠壓因素如彎曲、扭曲和擠壓或溫度的變化等?；驕囟鹊淖兓取９饫w的色散光纖的色散分類分類 光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡按照國際標準技術規(guī)范小組的觀點：為保證按照

12、國際標準技術規(guī)范小組的觀點：為保證PMD導致導致的系統(tǒng)功率代價在的系統(tǒng)功率代價在1dB以下，偏振模色散的平均值必須小以下，偏振模色散的平均值必須小于一比特周期的十分之一于一比特周期的十分之一(10ps for a 10Gb/s system) 。 當當大于這一規(guī)定值時，需對系統(tǒng)偏振模色散進行補償！大于這一規(guī)定值時，需對系統(tǒng)偏振模色散進行補償！我國信息產業(yè)部對已鋪設光纖傳輸線路的測試結果我國信息產業(yè)部對已鋪設光纖傳輸線路的測試結果表明，線路偏振模色散大于表明，線路偏振模色散大于20ps，不能直接在線路上進，不能直接在線路上進行行10Gb/s高速信號的傳輸。高速信號的傳輸。 polgxgyLLvv

13、polPMDDL EDPMD: :微分群時延，微分群時延， 典型值在典型值在0.1到到1.0 之間。之間。ps/km光纖的色散光纖的色散分類分類 光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡E概述概述E光纖的傳輸理論光纖的傳輸理論E光纖的色散光纖的色散E光纖的非線性光纖的非線性E光纖制造及光纜光纖制造及光纜光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內場強非常高，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應會積累到場強非常高，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應會積累到足夠的強度，導致對信號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能

14、的限制。足夠的強度，導致對信號的嚴重干擾和對系統(tǒng)傳輸性能的限制。反之，可以利用非線性現(xiàn)象產生有用的效應。反之，可以利用非線性現(xiàn)象產生有用的效應。光纖中的非線性效應可分為兩類光纖中的非線性效應可分為兩類:非線性折射率：非線性折射率：光纖折射率與光強的相關性，產生的效應光纖折射率與光強的相關性，產生的效應（克爾效應）。包括：自相位調制（克爾效應）。包括：自相位調制(SPM)、互相位調制、互相位調制(XPM)和四波混頻和四波混頻(FWM)受激非彈性散射：受激非彈性散射：光場經過非彈性散射將能量傳遞給介質光場經過非彈性散射將能量傳遞給介質產生的效應。包括：產生的效應。包括： 受激布里淵散射受激布里淵散

15、射(SBS)和受激喇曼散射和受激喇曼散射(SRS)光纖的非線性光纖的非線性光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 克爾效應克爾效應 在電場的作用下，光纖介質的極化強度在電場的作用下，光纖介質的極化強度p可表示為：可表示為：(1)(2)(3)0:.pEEEEEE 其中，其中，0為真空中的介電常數(shù)，為真空中的介電常數(shù)， (i) 為為i階電極化率，階電極化率， (1)為線性為線性極化率，主要影響介質的折射率和衰減。對于極化率，主要影響介質的折射率和衰減。對于SiO2材料制成的光材料制成的光纖，具有對稱分子結構，所以纖，具有對稱分子結構，所以 (2)0（摻雜后的光纖摻雜后的光纖

16、(2)0）。）。光光纖的非線性主要起源于纖的非線性主要起源于 (3) ， (3)與電場相互作用產生非線性折射與電場相互作用產生非線性折射率或克爾系數(shù)率或克爾系數(shù) 。由此引起導模傳播常數(shù)發(fā)生變化。由此引起導模傳播常數(shù)發(fā)生變化。PP為光纖中傳輸?shù)墓β?，為光纖中傳輸?shù)墓β剩?為非線性系數(shù)，為非線性系數(shù)，Aeff光纖有光纖有效截面積效截面積2n2eff/knA光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 自相位調制自相位調制（SPM）非線性折射率的存在引入了傳播常數(shù)的非線性分量，導致模場非線性折射率的存在引入了傳播常數(shù)的非線性分量，導致模場相位隨距離線性增加。由模場自身產生的克爾效應而

17、引起的非線相位隨距離線性增加。由模場自身產生的克爾效應而引起的非線性相移稱為自相位調制（性相移稱為自相位調制（SPM）?？紤]光纖衰減時有：）?？紤]光纖衰減時有：inin00()exp()LLNLeffdzPz dzP LLeff為考慮光纖衰減時的有效傳播長度為考慮光纖衰減時的有效傳播長度為光纖的衰減系數(shù)為光纖的衰減系數(shù), 以以N(奈培奈培)/km為單位為單位1 exp() /effLL SPM會導致光脈沖的頻譜展寬或頻率啁啾，影響系統(tǒng)性能。但會導致光脈沖的頻譜展寬或頻率啁啾，影響系統(tǒng)性能。但在光纖的負色散區(qū)，在光纖的負色散區(qū)，SPM與色散相互作用能支持超短光孤子脈沖與色散相互作用能支持超短光孤

18、子脈沖傳播，實現(xiàn)光孤子通信。傳播，實現(xiàn)光孤子通信。1(/km)()dPNP dz inexp()P zPzJ 作業(yè)：作業(yè)：推導以推導以N( (奈奈培培)/km和和dB/km為單位為單位的衰減系數(shù)之間的關系的衰減系數(shù)之間的關系光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 交叉相位調制交叉相位調制（XPM）當使用不同載波的兩個或兩個以上信號在光纖中同時傳播時，當使用不同載波的兩個或兩個以上信號在光纖中同時傳播時，折射率與光強的相關性會導致交叉相位調制（折射率與光強的相關性會導致交叉相位調制（XPM），也就是一），也就是一個特定信道光信號產生的非線性相移不僅取決于其自身的場強或個特定

19、信道光信號產生的非線性相移不僅取決于其自身的場強或功率，也取決于其它信道信號的功率，第功率，也取決于其它信道信號的功率，第j信道的相移可寫為：信道的相移可寫為：(2)NjNLeffjiijLPP其中，其中，N為信道數(shù)，為信道數(shù)，Pi為信道功率。為信道功率。XPM所導致的非線性相移與所有信道的總功率有關，并根據(jù)相所導致的非線性相移與所有信道的總功率有關，并根據(jù)相鄰信道比特圖形而變化。在各信道功率相等且所有信道同時承載鄰信道比特圖形而變化。在各信道功率相等且所有信道同時承載比特比特“1”時產生的影響最壞。時產生的影響最壞。光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 四波混頻四波混

20、頻（FWM） FWM是當多個波長信號在光纖中共同傳輸時，由于是當多個波長信號在光纖中共同傳輸時，由于 (3)的作用，的作用，產生新的頻率成分的非線性效應。這些新生的頻率分量能對系統(tǒng)產生新的頻率成分的非線性效應。這些新生的頻率分量能對系統(tǒng)性能造成影響的主要是：性能造成影響的主要是：ijkijkn對于等間隔的對于等間隔的WDM系統(tǒng)，由系統(tǒng)，由FWM產生的頻率分量將與信號產生的頻率分量將與信號頻率重疊，形成信道之間的串擾頻率重疊，形成信道之間的串擾(同頻串擾同頻串擾)，嚴重影響系統(tǒng)的，嚴重影響系統(tǒng)的性能。性能。在在n信道的信道的WDM系統(tǒng)中，可能的組合有系統(tǒng)中，可能的組合有2/12nn種種(, )i

21、jkijkki jE 相位匹配條件相位匹配條件光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 受激非彈性散射受激非彈性散射 一個高能量光子被散射成一個低能量的光子（斯托克斯光），一個高能量光子被散射成一個低能量的光子（斯托克斯光）， 同時產生能量為兩光子能量差的另一個能量子同時產生能量為兩光子能量差的另一個能量子 受激布里淵散射受激布里淵散射（SBS）參與的能量子為聲學聲子，只有后向參與的能量子為聲學聲子，只有后向散射散射 受激拉曼散射受激拉曼散射（SRS）參與的能量子為光學聲子，以前向散射參與的能量子為光學聲子，以前向散射為主，但也有后向散射為主，但也有后向散射 閾值功率：在光

22、纖輸出端有一半功率被損失到斯托克斯光時的閾值功率：在光纖輸出端有一半功率被損失到斯托克斯光時的入射功率入射功率 散射光一般會對信號光產生串擾。散射光一般會對信號光產生串擾。 選擇合適波長的泵浦，可以將其能量傳遞給信號光，使選擇合適波長的泵浦，可以將其能量傳遞給信號光，使信號光得到放大，制成布里淵放大器或拉曼放大器。信號光得到放大，制成布里淵放大器或拉曼放大器。光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 SBS的特點的特點 增益帶寬窄（約增益帶寬窄（約20MHz），只影響本信道功率），只影響本信道功率 閾值功率與光源線寬有關，光源線寬越窄，功率閾值越低閾值功率與光源線寬有關，光

23、源線寬越窄，功率閾值越低布里淵放大器的增益帶寬很窄，放大帶寬也很窄，主要布里淵放大器的增益帶寬很窄，放大帶寬也很窄，主要用于多信道系統(tǒng)選擇信道，提高接收機靈敏度。用于多信道系統(tǒng)選擇信道，提高接收機靈敏度。 SBS產生機理產生機理：在在外加光場的作用下，光纖介質的外加光場的作用下，光纖介質的密度因電致收縮效應而發(fā)生變化，導致光波散射，并在密度因電致收縮效應而發(fā)生變化，導致光波散射，并在介質內產生頻率為入射光與散射光頻率差的聲學聲子。介質內產生頻率為入射光與散射光頻率差的聲學聲子。光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖通信與光纖網(wǎng)絡光纖的非線性光纖的非線性 SRS產生機理產生機理：入射光進入光纖介質后，光子被介質

24、吸入射光進入光纖介質后，光子被介質吸收，介質分子由基能級激發(fā)到高能級，高能級不穩(wěn)定，在躍收，介質分子由基能級激發(fā)到高能級，高能級不穩(wěn)定，在躍遷到較低能級的亞穩(wěn)態(tài)能級的過程中，發(fā)射散射光子，在馳遷到較低能級的亞穩(wěn)態(tài)能級的過程中，發(fā)射散射光子，在馳豫到基態(tài)過程中產生光學聲子豫到基態(tài)過程中產生光學聲子。SRS的特點的特點增益帶寬寬（約增益帶寬寬（約40THz），影響其它信），影響其它信道功率道功率在在WDM系統(tǒng)中，較高頻率的信號成為系統(tǒng)中，較高頻率的信號成為所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大的信道功率消耗最大應用：應用：利用利用SRS可制成拉曼激光器和拉曼放大器，放大器的增益帶可制成拉曼激光器和拉曼放大器，放大器的增益帶寬寬，泵浦光與信號光可