光纖通信(第版)王輝電子教案（ 精品）

2光纖〔標(biāo)準(zhǔn)單模光纖〕

是零色散波長在1310nm處的單模光纖，它的傳輸距離一般只受光纖衰減的限制。在1310nm處，該光纖的衰減率到達(dá)。目前已經(jīng)鋪設(shè)的光纜線路絕大局部都采用這種光纖，該光纖也可用于波段、的干線傳輸，雖然在1550nm處的色散較大，為20 ，但如果采用高性能的電吸收調(diào)制器，傳輸距離可達(dá)600公里。但如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率達(dá)10Gb/s，只能傳輸50公里。

光纖的新產(chǎn)品還有、C和D，其中G.625B 光纖具有低PMD值，成纜光纖的最大PMD為 ，可支持?jǐn)?shù)據(jù)速率10GBb/s，達(dá)3000公里，如數(shù)據(jù)速率為40Gb/s，那么可傳輸80km。光纖為無水峰光纖，原水峰處13833nm處的衰減可做到不大于1310nm處的值，所以系統(tǒng)可工作在E波段和S波段，見表。同時，水峰的消除使在1550nm處的損耗更低，從而可傳輸速率為10Gb/s的數(shù)據(jù)。光纖在波長和帶寬上與光纖類似，支持CWDM和O/E/S/C/L/U 波段應(yīng)用，在數(shù)據(jù)速率上與光纖類似。

表2.5單模光纖波段劃分

光纖〔色散位移光纖〕

光纖由于零色散與低衰減不在同一波長上，使工程應(yīng)用受到很大限制，而那么把零色散點(diǎn)從1.31 處移到了處，所以也稱為色散移位光纖DSF(dispersion-shifterfiber)。它是單波長傳輸?shù)淖钫_選擇，但是對多信道應(yīng)用而言，由于各信道光波之間的相位匹配很好，四波混頻效應(yīng)較強(qiáng)，會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的干擾產(chǎn)物，所以不適合于WDM系統(tǒng)，目前已不再鋪設(shè)。

光纖〔衰減最小光纖〕

這種光纖是為了滿足海底光纜長距離通信的需求而研制的，其特點(diǎn)是在的衰減很小，僅為，但在該波長處的色散較大，約為17~20

，其零色散點(diǎn)在處。

光纖〔非零色散光纖〕

光纖是一種改進(jìn)型的色散移位光纖，與相比，其零色散點(diǎn)不在處，而是在或者處，處有適當(dāng)?shù)奈⒘可?。光纖適用于密集波分復(fù)用DWDM系統(tǒng)中，光纖中存在少量色散，四波混頻反而減少。

光纖目前可劃分為A,B,C三個子類。光纖在C波段支持10Gb/s的波長速率、200GHz及以上間隔的DWDM系統(tǒng)應(yīng)用，C波段最大色散為6 ；光纖在C和L波段支持10Gb/s波長速率、100GHz及以下間隔的DWDM應(yīng)用。C波段最大色散為10 ；光纖在的根底上將PMD降低到0.2 ，可支持10Gb/s波長速率DWDM系統(tǒng)傳輸距離達(dá)3000km以上。

光纖

這種光纖零色散點(diǎn)在S波段的短波側(cè)。在1460至1565nm波長范圍內(nèi)，色散系數(shù)D有2、和15 三個待定值，并且在S、C及L三個波段都有DWDM適應(yīng)的色散。

41．色散位移單模光纖常規(guī)的石英單模光纖在處損耗最??；在時色散系數(shù)趨于零，稱為單模光纖材料零色散波長。色散位移光纖〔DSF〕就是將零色散點(diǎn)移到處的光纖。1．色散位移單模光纖對于單模光纖，只存在材料色散和波導(dǎo)色散。目前采用的主要方法是通過改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，加大波導(dǎo)色散值，實現(xiàn)處的低損耗與零色散。非零色散光纖〔NZDF〕。561．色散位移單模光纖圖2-17色散位移光纖的色散

72．非零色散光纖在色散位移光纖線路中采用光纖放大器會使得光纖中的光功率密度加大，引起非線性效應(yīng)。為了提高多波長WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，考慮將零色散點(diǎn)移動，移到一個低色散區(qū)，保證WDM系統(tǒng)的應(yīng)用。非零色散光纖是指光纖的工作波長不是在的零色散點(diǎn)，而是移到～范圍內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)的色散值較小，約為～4.0PS/km·nm。83．色散平坦光纖為了挖掘光纖的潛力，充分利用光纖的有效帶寬，最好使光纖在整個光纖通信的長波段〔～〕都保持低損耗和低色散，即研制了一種新型光纖——色散平坦光纖〔DFF〕。為了實現(xiàn)在一個比較寬的波段內(nèi)得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纖的不同折射率分布來到達(dá)目的。93．色散平坦光纖圖2-18色散平坦光纖的折射率分布103．色散平坦光纖圖2-19色散平坦光纖的色散114．色散補(bǔ)償光纖色散補(bǔ)償又稱為光均衡，它主要是利用一段光纖來消除光纖中由于色散的存在使得光脈沖信號發(fā)生的展寬和畸變。能夠起這種均衡作用的光纖稱為色散補(bǔ)償光纖〔DCF〕。如果常規(guī)光纖的色散在波長區(qū)為正色散值，那么DCF應(yīng)具有負(fù)的色散系數(shù)。使得光脈沖信號在此工作窗口波形不產(chǎn)生畸變。DCF的這一特性可以比較好地到達(dá)高速率長距離傳輸?shù)哪康摹?22.5光纖的傳輸特性1．光纖的損耗特性2．光纖的色散特性131．光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。光纖每單位長度的損耗，直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短。光纖本身損耗的原因大致包括兩類：吸收損耗和散射損耗。141．光纖的損耗特性〔1〕吸收損耗吸收作用是光波通過光纖材料時，有一局部光能變成熱能，從而造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，但都與光纖材料有關(guān)，下面主要介紹本征吸收和雜質(zhì)吸收。1．光纖的損耗特性本征吸收是光纖根本材料〔例如純SiO2〕固有的吸收，并不是由雜質(zhì)或者缺陷所引起的。因此，本征吸收根本上確定了任何特定材料的吸收的下限。吸收損耗的大小與波長有關(guān)，對于SiO2石英系光纖，本征吸收有兩個吸收帶，一個是紫外吸收帶，一個是紅外吸收帶。15161．光纖的損耗特性〔2〕散射損耗由于光纖的材料、形狀及折射指數(shù)分布等的缺陷或不均勻，光纖中傳導(dǎo)的光散射而產(chǎn)生的損耗稱為散射損耗。散射損耗包括線性散射損耗和非線性散射損耗。線性散射損耗主要包括瑞利散射和材料不均勻引起的散射，非線性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里淵散射等。171．光纖的損耗特性①瑞利散射損耗瑞利散射損耗也是光纖的本征散射損耗。這種散射是由光纖材料的折射率隨機(jī)性變化而引起的。瑞利散射損耗與1/λ4成正比，它隨波長的增加而急劇減小，所以在長波長工作時，瑞利散射會大大減小。。1．光纖的損耗特性②材料不均勻所引起的散射損耗結(jié)構(gòu)的不均勻性以及在制作光纖的過程中產(chǎn)生的缺陷也可能使光線產(chǎn)生散射18192．光纖的色散特性〔1〕什么是光纖的色散一般將光功率降到峰值一半時所對應(yīng)的波長范圍稱為光源的譜線寬度，用Δλ表示。一個理想的光源發(fā)出的應(yīng)是單色光，即譜線寬度應(yīng)為零。光纖中傳送的信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分構(gòu)成的，它們有不同的傳播速度，將會引起脈沖波形的形狀發(fā)生變化。也可以從波形在時間上展寬的角度去理解，也就是光脈沖在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的加大，脈沖波形在時間上發(fā)生了展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。202．光纖的色散特性圖2-20光源的譜線寬度212．光纖的色散特性〔2〕光纖中的色散模式色散：光纖中的不同模式，在同一波長下傳輸，各自的相位常數(shù)βmn不同，它所引起的色散稱為模式色散。材料色散：由于光纖材料本身的折射指數(shù)n和波長λ呈非線性關(guān)系，從而使光的傳播速度隨波長而變化，這樣引起的色散稱為材料色散。波導(dǎo)色散：光纖中同一模式在不同的頻率下傳輸時，其相位常數(shù)不同，這樣引起的色散稱為波導(dǎo)色散。222.6光纖的非線性效應(yīng)2.6.1受激光散射效應(yīng)2.6.2光纖折射率隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)2.6.3光孤子通信232.6.1受激光散射效應(yīng)1．受激喇曼散射如設(shè)入射光的頻率為f0，介質(zhì)分子振動頻率為fv，那么散射光的頻率為fs=f0±fv，這種現(xiàn)象稱為受激喇曼散射。

2．受激布里淵散射受激布里淵散射所產(chǎn)生的斯托克斯波在聲頻范圍，其波的方向和泵浦波方向相反，即在光纖中只要到達(dá)受激布里淵散射的閾值，就會產(chǎn)生大量的后向傳輸?shù)乃雇锌怂共ā?42.6.2光纖折射率隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)光纖在強(qiáng)光作用下折射率的表達(dá)式。此時光纖的折射率不再是常數(shù)，而是與光波電場E有關(guān)的非線性參量。式中n2稱為非線性克爾系數(shù)。折射率隨強(qiáng)度的變化引起的非線性效應(yīng)，最重要的是自相位調(diào)制〔SPM〕，交叉相位調(diào)制〔XPM〕及四波混頻〔FWM〕。252.6.2光纖折射率隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)1．自相位調(diào)制〔SPM〕2．交叉相位調(diào)制〔XPM〕3．四波混頻〔FWM〕261．自相位調(diào)制〔SPM〕在強(qiáng)光場的作用下，光纖的折射率出現(xiàn)非線性，這個非線性的折射率使得光纖中所傳光脈沖的前、后沿的相位相對漂移。這種相位的變化，必對應(yīng)于所傳光脈沖的頻譜發(fā)生變化。把光脈沖在傳輸過程中由于自身引起的相位變化而導(dǎo)致光脈沖頻譜展寬的這種現(xiàn)象稱為自相位調(diào)制。272．交叉相位調(diào)制〔XPM〕當(dāng)光纖中有兩個或兩個以上不同波長的光波同時傳輸時，由于光纖非線性效應(yīng)的存在，它們之間將相互作用。光纖中由于自相位調(diào)制的存在，因此一個光波的幅度調(diào)制將會引起其它光波的相位調(diào)制。這種由光纖中某一波長的光強(qiáng)對同時傳輸?shù)牧硪徊煌ㄩL的光強(qiáng)所引起的非線性相移，稱為交叉相位調(diào)制。283．四波混頻〔FWM〕四波混頻是一種參量過程，是由三階電極化率x參與的三階參量過程。當(dāng)多個頻率的光波以較大的功率在光纖中同時傳輸時，由于光纖中非線性效應(yīng)的存在，光波之間會產(chǎn)生能量交換。3．四波混頻〔FWM〕第四個光波的頻率可以是三個入射光波頻率的各種組合，把這種現(xiàn)象稱之為是非線性介質(zhì)引發(fā)多個光波之間出現(xiàn)能量交換的一種響應(yīng)現(xiàn)象。四波混頻現(xiàn)象對系統(tǒng)的傳輸性能影響很大。29302.6.3光孤子通信1．光孤子2．光孤立子的產(chǎn)生機(jī)理3．光纖損耗對光孤子傳輸?shù)挠绊?．光孤子通信系統(tǒng)的根本組成311．光孤子從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，光孤立子是光非線性光學(xué)的一個特殊產(chǎn)物。孤立子又稱孤子、孤立波，它是一種可以長距離、無畸變傳輸?shù)碾姶挪?。光脈沖波就像一個個孤立的粒子一樣，因此稱其為孤立子。322．光孤立子的產(chǎn)生機(jī)理折射率n與相位φ之間存在確定的關(guān)系。一個光脈沖的前沿光強(qiáng)的增大將會引起光纖中光信號的相位增大，隨之造成光信號的頻率降低，進(jìn)而使光纖中光脈沖信號的脈沖前沿傳輸速度降低。2．光孤立子的產(chǎn)生機(jī)理如果所傳信號是強(qiáng)的光脈沖，那么光纖非線性效應(yīng)使脈沖變窄的作用正好補(bǔ)償了色散效應(yīng)使脈沖展寬的影響。那么，可以想像這種光脈沖信號在光纖的傳輸過程中將不會產(chǎn)生畸變，脈沖波就像一個一個孤立的粒子那樣傳輸，故稱孤立子〔Soliton〕33343．光纖損耗對光孤子傳輸?shù)挠绊憽?〕損耗對光孤子寬度的影響即使光孤子發(fā)生展寬，但與不存在非線性影響情況下的展寬相比要小的多，因此對光纖通信系統(tǒng)來說，非線性影響是有益的。如果使用高階光孤子來分析的話，也可以得到同樣的結(jié)論。而且在8Gbit/s傳輸速率、光孤子的峰值功率為3mW條件下，預(yù)計中繼距離可增加兩倍。353．光纖損耗對光孤子傳輸?shù)挠绊憟D2-21一階光孤子發(fā)射進(jìn)光纖時，有損耗光纖中的光孤子展寬363．光纖損耗對光孤子傳輸?shù)挠绊憽?〕利用光孤子放大補(bǔ)償光損耗為克服光纖損耗的影響，需要對光孤子周期性地放大，以便恢復(fù)其最初的寬度和峰值功率。①集中光孤子放大②分布放大373．光纖損耗對光孤子傳輸?shù)挠绊憟D2-22光孤子通信系統(tǒng)