WDM原理新員工培訓(xùn)教材

1、資料編碼產(chǎn)品名稱使用對象產(chǎn)品版本編寫部門資料版本W(wǎng)DM原理專題-B擬制日期：審核日期：審核日期：批準(zhǔn)日期：HUAWGI華為技術(shù)有限公司版權(quán)所有侵權(quán)必究日期修訂版本作者描述目錄1 內(nèi)容說明 51.1 內(nèi)容介紹 51.2 內(nèi)容結(jié)構(gòu) 52 波分復(fù)用技術(shù)概述 52.1波分復(fù)用光傳輸技術(shù) 62.1.1 波分復(fù)用的基本概念 62.1.2 WDM 技術(shù)的發(fā)展背景 62.2 DWDM 原理概述 82.3 WDM 設(shè)備的傳輸方式 92.3.1 單向 WDM92.3.2 雙向 WDM 102.4開放式與集成式系統(tǒng) 102.5 WDM系統(tǒng)組成 112.6 WDM的優(yōu)勢 122.7 CWDM 簡介 132.8 思考題

2、 . 133 WDM 傳輸媒質(zhì) 143.1 光纖的結(jié)構(gòu) 143.2 光纖的模式 153.2.1 傳播模式概念 153.2.2 多模光纖 163.2.3 單模光纖 173.3模場直徑和有效面積 183.4 光纖的種類 183.5光纖的基本特性 193.5.1 光纖的損耗 193.5.2 光纖中的色散 213.5.3 單模光纖的非線性效應(yīng) 253.6 思考題 . 284 DWDM 關(guān)鍵技術(shù) 284.1 光源 294.1.1激光器的調(diào)制方式 304.1.2激光器的波長的穩(wěn)定 324.2 光電檢測器 344.2.1 PIN 光電二極管 344.2.2 雪崩光電二極管（ APD ） 344.3 光放大器

3、 354.3.1 光放大器概述 354.3.2 摻鉺光纖（ EDF ） 364.3.3 EDFA 增益平坦控制 374.3.4 EDFA 的增益鎖定 384.3.5摻鉺光纖放大器的優(yōu)缺點 394.3.6 拉曼光纖放大器 404.3.7有關(guān)光放大器的技術(shù)指標(biāo) 414.4光復(fù)用器和光解復(fù)用器 424.4.1 光柵型波分復(fù)用器 424.4.2介質(zhì)薄膜型波分復(fù)用器 444.4.3熔錐型波分復(fù)用器 454.4.4集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用器 454.4.5波分復(fù)用器件性能比較 464.4.6對光復(fù)用器件的基本要求 464.5 光監(jiān)控信道 474.5.1 光監(jiān)控通路要求 474.5.2監(jiān)控通路接口參數(shù) 484.

4、5.3監(jiān)控通路的幀結(jié)構(gòu) 494.6 新技術(shù) . 494.6.1 碼型技術(shù) 494.6.2 FEC 技術(shù) 564.7 思考題 . 585 DWDM 光傳輸系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范 595.1 ITU-T 有關(guān) WDM 系統(tǒng)的建議 595.2 傳輸通道參考點的定義 605.3 光波長區(qū)的分配 605.4 思考題 . 62636 專用詞匯及縮略語關(guān)鍵詞：摘 要：縮略語清單：參考資料清單：WDM DWDM 光纖 光源 光放大 復(fù)用和解復(fù)用 光監(jiān)控信道本課程主要介紹了波分復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)知識，并對 DWDM 的主要關(guān)鍵技 術(shù)、 DWDM 光傳輸技術(shù)規(guī)范進行了講解。通過本課程，您可以對 WDM 知識 以及光傳輸網(wǎng)絡(luò)的

5、發(fā)展方向，有一個較全面的了解。無。（ 1 ）光纖通信基礎(chǔ)（ 2 ）密集波分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)論（ 3 ） DWDM 傳輸系統(tǒng)原理與測試（ 4 ）高速光纖通信 ITU-T 規(guī)范與系統(tǒng)設(shè)計（ 5 ）城域光網(wǎng)絡(luò)（ 6 ） TA052401 光監(jiān)控信道及其在 DWDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用 ISSUE1.0 （ 7）光纖與光器件專題 -B8）光放大器專題 -B 1內(nèi)容說明1.1內(nèi)容介紹1.2 內(nèi)容結(jié)構(gòu)WDM原理專題-B本文主要介紹了波分復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)知識，并對DWDM的主要關(guān)鍵技術(shù)、DWDM光傳輸技術(shù)規(guī)范進行了講解。通過本課程，您可以對WDM知識以及光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，有一個較全面的了解。內(nèi)容分為四章：第一章波分復(fù)

6、用技術(shù)概述這一章內(nèi)容告訴你什么是波分復(fù)用技術(shù)，WDM如何發(fā)展而來，WDM的工作方式和組成形式以及 WDM的特點。通過本章的學(xué)習(xí)，可以使我們對于光傳 輸網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)一一 WDM有一個基本的了解。第二章WDM專輸媒質(zhì)這一章主要介紹光纖的結(jié)構(gòu)、種類和特性。通過這一章的學(xué)習(xí)使我們對于G.652、G.653、G.654、G.655光纖有一個基本的認(rèn)識，同時對于色散、非 線性等概念有一個基本的了解。第三章 DWDM的關(guān)鍵技術(shù)如果要把 DWDM 這種新型技術(shù)轉(zhuǎn)化為商品，在硬件上如何實現(xiàn)呢？帶著這 個疑問從本節(jié)內(nèi)容中可以了解到DWDM的關(guān)鍵技術(shù)以及實現(xiàn)方法，包括光源、光放大和波分復(fù)用器件等內(nèi)容。第四章DWDM

7、光傳輸系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范本章內(nèi)容主要介紹了ITU-T對于 WD隠統(tǒng)的一些建議以及規(guī)范，使我們對于在WD係統(tǒng)中涉及的到的ITU-T 一些知識有一個基本的了解。2波分復(fù)用技術(shù)概述目標(biāo):掌握WDM的基本概念。空分復(fù)用 SDM ( Space Division Multiplexer )2.1波分復(fù)用光傳輸技術(shù)2.1.1波分復(fù)用的基本概念光通信系統(tǒng)可以按照不同的方式進行分類。如果按照信號的復(fù)用方式來進行分類，可分為頻分復(fù)用系統(tǒng)(FDM-Freque ncyDivisio n Multiplexi ng )、時分復(fù)用系統(tǒng)( TDM-Time Division Multiplexing )、波分復(fù)用系統(tǒng)( W

8、DM- Wavelength Division Multiplexing )和空分復(fù)用系統(tǒng)(SDM-Space Division Multiplexing )。所謂頻分、時分、波分和空分復(fù)用，是指按頻率、時間、波 長和空間來進行分割的光通信系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)說，頻率和波長是緊密相關(guān)的，頻 分也即波分，但在光通信系統(tǒng)中，由于波分復(fù)用系統(tǒng)分離波長是采用光學(xué)分 光元件，它不同于一般電通信中采用的濾波器，所以我們?nèi)詫烧叻殖蓛蓚€ 不同的系統(tǒng)。波分復(fù)用是光纖通信中的一種傳輸技術(shù)，它利用了一根光纖可以同時傳輸多 個不同波長的光載波的特點，把光纖可能應(yīng)用的波長范圍劃分成若干個波 段，每個波段作一個獨立的通道傳輸一種

9、預(yù)定波長的光信號。光波分復(fù)用的 實質(zhì)是在光纖上進行光頻分復(fù)用(OFDM )，只是因為光波通常采用波長而不用頻率來描述、監(jiān)測與控制。隨著電-光技術(shù)的向前發(fā)展，在同一光纖中波長的密度會變得很高。因 而，使用術(shù)語密集波分復(fù)用(DWDM-Dense Wavele ngth Divisio n Multiplex ing)，與此對照，還有波長密度較低的WDM系統(tǒng)，較低密度的就稱為稀疏波分復(fù)用(CWDM-Coarse Wave DivisionMultiplexing )。這里可以將一根光纖看作是一個“多車道”的公用道路，傳統(tǒng)的TDM系統(tǒng)只不過利用了這條道路的一條車道，提高比特率相當(dāng)于在該車道上加快行駛速

10、 度來增加單位時間內(nèi)的運輸量。而使用DWDM技術(shù)，類似利用公用道路上尚未使用的車道，以獲取光纖中未開發(fā)的巨大傳輸能力。2.1.2 WDM技術(shù)的發(fā)展背景隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信領(lǐng)域的信息傳送量正以一種加速度的形式膨 脹。信息時代要求越來越大容量的傳輸網(wǎng)絡(luò)。近幾年來，世界上的運營公司 及設(shè)備制造廠家把目光更多地轉(zhuǎn)向了WDM技術(shù)，并對其投以越來越多的關(guān)注，增加光纖網(wǎng)絡(luò)的容量及靈活性，提高傳輸速率和擴容的手段可以有多 種，下面對幾種擴容方式進行比較。空分復(fù)用是靠增加光纖數(shù)量的方式線性增加傳輸?shù)娜萘?，傳輸設(shè)備也線性增加。在光纜制造技術(shù)已經(jīng)非常成熟的今天，幾十芯的帶狀光纜已經(jīng)比較普遍，而 且先進的光纖

11、接續(xù)技術(shù)也使光纜施工變得簡單，但光纖數(shù)量的增加無疑仍然 給施工以及將來線路的維護帶來了諸多不便，并且對于已有的光纜線路，如 果沒有足夠的光纖數(shù)量，通過重新敷設(shè)光纜來擴容，工程費用將會成倍增 長。而且，這種方式并沒有充分利用光纖的傳輸帶寬，造成光纖帶寬資源的 浪費。作為通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，不可能總是采用敷設(shè)新光纖的方式來擴容，事 實上，在工程之初也很難預(yù)測日益增長的業(yè)務(wù)需要和規(guī)劃應(yīng)該敷設(shè)的光纖 數(shù)。因此，空分復(fù)用的擴容方式是十分受限。時分復(fù)用 TDM ( Time Division Multiplexer )時分復(fù)用也是一項比較常用的擴容方式，從傳統(tǒng) PDH 的一次群至四次群的 復(fù)用，到如今 SDH

12、 的 STM-1 、 STM-4 、 STM-16 乃至 STM-64 的復(fù)用。通 過時分復(fù)用技術(shù)可以成倍地提高光傳輸信息的容量，極大地降低了每條電路 在設(shè)備和線路方面投入的成本，并且采用這種復(fù)用方式可以很容易在數(shù)據(jù)流 中抽取某些特定的數(shù)字信號，尤其適合在需要采取自愈環(huán)保護策略的網(wǎng)絡(luò)中 使用。但時分復(fù)用的擴容方式有兩個缺陷：第一是影響業(yè)務(wù)，即在“全盤”升級至 更高的速率等級時，網(wǎng)絡(luò)接口及其設(shè)備需要完全更換，所以在升級的過程 中，不得不中斷正在運行的設(shè)備；第二是速率的升級缺乏靈活性，以 SDH 設(shè)備為例，當(dāng)一個線路速率為 155Mbit/s 的系統(tǒng)被要求提供兩個 155Mbit/s 的通道時，就

13、只能將系統(tǒng)升級到 622Mbit/s ，即使有兩個 155Mbit/s 將被閑 置，也沒有辦法。對于更高速率的時分復(fù)用設(shè)備，目前成本還較高，并且 40Gbit/s 的 TDM 設(shè) 備已經(jīng)達到電子器件的速率極限，即使是 10Gbit/s 的速率 , 在不同類型光纖 中的非線性效應(yīng)也會對傳輸產(chǎn)生各種限制。現(xiàn)在，時分復(fù)用技術(shù)是一種被普遍采用的擴容方式，它可以通過不斷地進行 系統(tǒng)速率升級實現(xiàn)擴容的目的，但當(dāng)達到一定的速率等級時，會由于器件和 線路等各方面特性的限制而不得不尋找另外的解決辦法。不管是采用空分復(fù)用還是時分復(fù)用的擴容方式，基本的傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用傳統(tǒng) 的 PDH 或 SDH 技術(shù)，即采用單一波長

14、的光信號傳輸，這種傳輸方式是對光 纖容量的一種極大浪費，因為光纖的帶寬相對于目前我們利用的單波長信道 來講幾乎是無限的。我們一方面在為網(wǎng)絡(luò)的擁擠不堪而憂心忡忡，另一方面 卻讓大量的網(wǎng)絡(luò)資源白白浪費。波分復(fù)用 WDM ( Wavelength Division Multiplexing )WDM 波分復(fù)用是利用單模光纖低損耗區(qū)的巨大帶寬，將不同速率（波長） 的光混合在一起進行傳輸，這些不同波長的光信號所承載的數(shù)字信號可以是 相同速率、相同數(shù)據(jù)格式，也可以是不同速率、不同數(shù)據(jù)格式?？梢酝ㄟ^增 加新的波長特性，按用戶的要求確定網(wǎng)絡(luò)容量。對于 2.5Gb/s 以下的速率的 WDM, 目前的技術(shù)可以完全

15、克服由于光纖的色散和光纖非線性效應(yīng)帶來的限 制，滿足對傳輸容量和傳輸距離的各種需求。 WDM 擴容方案的缺點是需要 較多的光纖器件，增加失效和故障的概率。TDM 和 WDM 技術(shù)合用利用 TDM 和 WDM 兩種技術(shù)的優(yōu)點進行網(wǎng)絡(luò)擴容是應(yīng)用的方向?？梢愿鶕?jù) 不同的光纖類型選擇 TDM 的最高傳輸速率，在這個基礎(chǔ)上再根據(jù)傳輸容量 的大小選擇 WDM 復(fù)用的光信道數(shù)，在可能情況下使用最多的光載波。毫無 疑問，多信道永遠(yuǎn)比單信道的傳輸容量大，更經(jīng)濟。2.2 DWDM 原理概述DWDM 技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載 波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時傳輸。與通用的單信道系統(tǒng)

16、相比，密集 WDM （ DWDM ）不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖 的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點，特別是它可以直接接 入多種業(yè)務(wù)更使得它的應(yīng)用前景十分光明。在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容 量，通常利用頻分復(fù)用的方法。即在同一根電纜中同時傳輸若干個頻率不同 的信號，接收端根據(jù)各載波頻率的不同利用帶通濾波器濾出每一個信道的信 號。同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光的頻分復(fù)用的方法來提高系統(tǒng)的傳輸 容量。事實上，這樣的復(fù)用方法在光纖通信系統(tǒng)中是非常有效的。與模擬的 載波通信系統(tǒng)中的頻分復(fù)用不同的是，在光纖通信系統(tǒng)中是用光波作為

17、信號 的載波，根據(jù)每一個信道光波的頻率（或波長）不同將光纖的低損耗窗口劃 分成若干個信道，從而在一根光纖中實現(xiàn)多路光信號的復(fù)用傳輸。由于目前一些光器件（如帶寬很窄的濾光器、相干光源等）還不很成熟，因 此，要實現(xiàn)光信道非常密集的光頻分復(fù)用（相干光通信技術(shù)）是很困難的， 但基于目前的器件水平，已可以實現(xiàn)相隔光信道的頻分復(fù)用。人們通常把光 信道間隔較大（甚至在光纖不同窗口上）的復(fù)用稱為光波分復(fù)用 （ WDM ），再把在同一窗口中信道間隔較小的DWDM 稱為密集波分復(fù)用（ DWDM ）。 隨著科技的進步，現(xiàn)代的技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)波長間隔為納米級的復(fù)用，甚至可以實現(xiàn)波長間隔為零點幾個納米級的復(fù)用，只是在器

18、件的技術(shù)要求上更加嚴(yán)格而已，因此把波長間隔較小的16個波、40個波、80乃至更多個波長的復(fù)用稱為 DWDM 。DWDM系統(tǒng)的構(gòu)成及光譜示意圖如圖1-1所示。發(fā)送端的光發(fā)射機發(fā)出波長不同而精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的光信號，經(jīng)過光波長復(fù)用器復(fù)用在一起 送入摻鉺光纖功率放大器（摻鉺光纖放大器主要用來彌補合波器引起的功率 損失和提高光信號的發(fā)送功率），再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸， 中間可以根據(jù)情況決定有或沒有光線路放大器，到達接收端經(jīng)光前置放大器（主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大以后，送入光波長分 波器分解出原來的各路光信號。mirFT|_光找路放主光住踣植大2.3 WDM設(shè)備的

19、傳輸方式2.3.1 單向 WDM如圖1-2所示，單向波分復(fù)用系統(tǒng)采用兩根光纖，一根光纖只完成一個方向 光信號的傳輸，反向光信號的傳輸由另一根光纖來完成。2N I檢測器 X N1'光源X 1N 光源X n波分復(fù)用波分復(fù)用N+1J 光源X 1N+1檢測器X 1X 1 X N光源X N圖1-2 WDM的單向傳輸方式這種 WDM系統(tǒng)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量 擴大幾倍至幾十倍。在長途網(wǎng)中，可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)量的需要逐步增加波長 來實現(xiàn)擴容，十分靈活。在不清楚實際光纜色散的前提下，也是一種暫時避 免采用超高速光系統(tǒng)而利用多個2.5Gbit/s系統(tǒng)實現(xiàn)超大量傳輸?shù)氖侄巍?.

20、3.2 雙向 WDM如圖1-3所示，雙向波分復(fù)用系統(tǒng)則只用一根光纖，在一根光纖中實現(xiàn)兩個方向光信號的同時傳輸，兩個方向光信號應(yīng)安排在不同波長上。單纖雙向 WDM傳輸方式允許單根光纖攜帶全雙工通路，通?？梢员葐蜗騻?輸節(jié)約一半的光纖器件，由于兩個方向傳輸?shù)男盘柌唤换ギa(chǎn)生FWM （四波混頻）產(chǎn)物，因此其總的FWM產(chǎn)物比雙纖單向傳輸少很多，但缺點是該系統(tǒng)需要采用特殊的措施來對付光反射（包括由于光接頭引起的離散反射和光 纖本身的瑞利后向反射），以防多徑干擾；當(dāng)需要將光信號放大以延長傳輸 距離時，必須采用雙向光纖放大器以及光環(huán)形器等元件，但其噪聲系數(shù)稍 差。N+1-檢測器入- 光源入2N檢測器X波分復(fù)用

21、波分復(fù)用X 1.-X NX N+1 X 2N單根光纖j檢測器X 1檢測器入N N+1光源X N+1-光源 X 2_2N圖1-3 WDM的雙向傳輸方式ITU-T建議G.692文件對于單纖雙向 WDM和雙纖單向 WDM傳輸方式的優(yōu) 劣并未給出明確的看法。實用的WDM系統(tǒng)大都采用雙纖單向傳輸方式。2.4開放式與集成式系統(tǒng)DWDM通常有兩種應(yīng)用形式：開放式DWDM集成式DWDM開放式DWDM系統(tǒng)的特點是對復(fù)用終端光接口沒有特別的要求，只要求這 些接口符合ITU-T建議的光接口標(biāo)準(zhǔn)。DWDM系統(tǒng)采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，將復(fù)用終端的光信號轉(zhuǎn)換成指定的波長，不同終端設(shè)備的光信號轉(zhuǎn)換成不同的 符合ITU-T建議的波

22、長，然后進行合波。集成式 DWDM 系統(tǒng)沒有采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)，它要求復(fù)用終端的光信號的波 長符合 DWDM 系統(tǒng)的規(guī)范，不同的復(fù)用終端設(shè)備發(fā)送不同的符合 ITU-T 建 議的波長，這樣他們在接入合波器時就能占據(jù)不同的通道，從而完成合波。 根據(jù)工程的需要可以選用不同的應(yīng)用形式。在實際應(yīng)用中，開放式 DWDM 和集成式 DWDM 可以混合使用。2.5 WDM 系統(tǒng)組成N 路波長復(fù)用的 WDM 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由發(fā)送和接收光復(fù)用終端（ OMT ）單元與中繼線路放大（ ILA ）單元三部分組成，如果按組成模塊來 分有：光波長轉(zhuǎn)換單元（ OTU ）；波分復(fù)用器：分波 /合波器（ ODU/OMU ）；光

23、放大器（ BA/LA/PA ）；光監(jiān)控信道 /通路（ OSC）；光波長轉(zhuǎn)換單元（ OTU ）將非標(biāo)準(zhǔn)的波長轉(zhuǎn)換為 ITU-T 所規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)波長， 系統(tǒng)中應(yīng)用光/電/光（0/E/0）的變換，即先用光電二極管PIN或APD把接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后該電信號對標(biāo)準(zhǔn)波長的激光器進行調(diào)制， 從而得到新的合乎要求的光波長信號。波分復(fù)用器可分為發(fā)端的光合波器。光合波器用于傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，是一種具有多個輸入端口和一個輸出端口的器件，它的每一個輸入端口輸入一個預(yù)選波長的光信號，輸入的不同波長的光波由同一輸出端口輸出。光分波器 用于傳輸系統(tǒng)的接收端，正好與光合波器相反，它具有一個輸入端口和多個 輸出端口

24、，將多個不同波長信號分類開來。光放大器不但可以對光信號進行直接放大，同時還具有實時、高增益、寬帶、在線、低噪聲、低損耗的全光放大器，是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可 少的關(guān)鍵器件。在目前實用的光纖放大器中主要有摻鉺光纖放大器（EDFA ）、半導(dǎo)體光放大器（SOA ）和光纖拉曼放大器（FRA ）等，其中摻鉺光纖放大器以其優(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的光 纖通信系統(tǒng)中，作為前置放大器、線路放大器、功率放大器使用。光監(jiān)控信道是為 WDM 的光傳輸系統(tǒng)的監(jiān)控而設(shè)立的。 ITU-T 建議優(yōu)選采用1510nm 波長，容量為 2Mbit/s ?？康退俾氏赂叩慕邮侦`敏度（ -48dBm ）仍 能正

25、常工作。但必須在 EDFA 之前下光路，而在 EDFA 之后上光路。2.6 WDM 的優(yōu)勢光纖的容量是極其巨大的，而傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)都是在一根光纖中傳輸一 路光信號，這樣的方法實際上只使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。為了充 分 利 用 光 纖 的 巨 大 帶 寬 資 源 ， 增 加 光 纖 的 傳 輸 容 量 ， 以 密 集 WDM （ DWDM ）技術(shù)為核心的新一代的光纖通信技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生。WDM 技術(shù)具有如下特點：超大容量 目前使用的普通光纖可傳輸?shù)膸捠呛軐挼?，但其利用率還很低。使用 DWDM 技術(shù)可以使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍、幾十倍 乃至幾百倍?，F(xiàn)在商用最高容量光纖

26、傳輸系統(tǒng)為 3.2Tbit/s 系統(tǒng)，華為公司波 分系統(tǒng)可實現(xiàn) 192x10Gbit/s 或者 80x40Gbit/s 方案結(jié)構(gòu)。對數(shù)據(jù)的“透明”傳輸由于 DWDM 系統(tǒng)按光波長的不同進行復(fù)用和解復(fù)用，而與信號的速率和電 調(diào)制方式無關(guān)，即對數(shù)據(jù)是“透明”的。一個 WDM 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)可以承載多 種格式的“業(yè)務(wù)”信號，如 ATM 、IP 或者將來有可能出現(xiàn)的信號。 WDM 系 統(tǒng)完成的是透明傳輸，對于“業(yè)務(wù)”層信號來說， WDM 系統(tǒng)中的各個光波 長通道就像“虛擬”的光纖一樣。系統(tǒng)升級時能最大限度地保護已有投資 在網(wǎng)絡(luò)擴充和發(fā)展中，無需對光纜線路進行改造，只需更換光發(fā)射機和光接 收機即可實現(xiàn)，是理

27、想的擴容手段，也是引入寬帶業(yè)務(wù)（例如 CATV 、 HDTV 和 B-ISDN 等）的方便手段，而且利用增加一個波長即可引入任意想 要的新業(yè)務(wù)或新容量。高度的組網(wǎng)靈活性、經(jīng)濟性和可靠性利用 WDM 技術(shù)構(gòu)成的新型通信網(wǎng)絡(luò)比用傳統(tǒng)的電時分復(fù)用技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)要大大簡化，而且網(wǎng)絡(luò)層次分明，各種業(yè)務(wù)的調(diào)度只需調(diào)整相應(yīng)光信號 的波長即可實現(xiàn)。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化、層次分明以及業(yè)務(wù)調(diào)度方便，由此而 帶來的網(wǎng)絡(luò)的靈活性、經(jīng)濟性和可靠性是顯而易見的?？杉嫒萑饨粨Q 可以預(yù)見，在未來可望實現(xiàn)的全光網(wǎng)絡(luò)中，各種電信業(yè)務(wù)的上/下、交叉連接等都是在光上通過對光信號波長的改變和調(diào)整來實現(xiàn)的。因此， WDM 技術(shù) 將是

28、實現(xiàn)全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且 WDM 系統(tǒng)能與未來的全光網(wǎng)兼容， 將來可能會在已經(jīng)建成的 WDM 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)透明的、具有高度生存性 的全光網(wǎng)絡(luò)。2.7 CWDM 簡介DWDM （密集波分復(fù)用）無疑是當(dāng)今光纖應(yīng)用領(lǐng)域的首選技術(shù)，但其也存在 著價格比較昂貴的一面。有沒有可能以較低的成本享用波分復(fù)用技術(shù)呢？面 對這一需求， CWDM（ 稀疏波分復(fù)用 ）應(yīng)運而生。稀疏波分復(fù)用，顧名思義，是密集波分復(fù)用的近親，它們的區(qū)別有兩點：（ 1 ） CWDM 載波通道間距較寬，因此一根光纖上只能復(fù)用2 到 16 個左右波長的光波，“稀疏”與“密集”稱謂的差別就由此而來；（2） CWDM 調(diào)制激光采用非冷卻

29、激光，而 DWDM 采用的是冷卻激光，它需要冷卻技術(shù)來 穩(wěn)定波長，實現(xiàn)起來難度很大，成本也很高。 CWDM 避開了這一難點， CWDM 系統(tǒng)采用的 DFB 激光器不需要冷卻，因而大幅降低了成本，整個 CWDM 系統(tǒng)成本只有 DWDM 的 30% 。隨著越來越多的城域網(wǎng)運營商開始尋 求更合理的傳輸解決方案， CWDM 越來越廣泛地被業(yè)界接受。在同一根光纖中傳輸?shù)牟煌ㄩL之間的間距是區(qū)分 DWDM 和 CWDM 的主要 參數(shù)。目前的稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)一般工作在從 1260nm 到 1620nm 波段，間 隔為 20nm ，可復(fù)用 16 個波長通道，其中 1400nm 波段由于損耗較大，一般 不用。相

30、對于密集波分復(fù)用系統(tǒng)，稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)在提供一定數(shù)量的波長和 100 公里以內(nèi)的傳輸距離的同時，大大降低了系統(tǒng)的成本，并具有非常強的靈活 性。因此稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)主要應(yīng)用于城域網(wǎng)中。 CWDM 用很低的成本提供 了很高的接入帶寬，適用于點對點、以太網(wǎng)、 SONET 環(huán)等各種流行的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)，特別適合短距離、高帶寬、接入點密集的通信場合，如大樓內(nèi)或大樓 之間的網(wǎng)絡(luò)通信。但是， CWDM 是成本與性能折衷的產(chǎn)物，不可避免地存在一些性能上的局 限。業(yè)內(nèi)專家指出， CWDM 目前主要存在以下三點不足：（ 1） CWDM 在單 根光纖上支持的復(fù)用波長個數(shù)較少，導(dǎo)致日后擴容成本較高；（2 ）復(fù)用器、復(fù)用調(diào)

31、制器等設(shè)備的成本還應(yīng)進一步降低，這些設(shè)備不能只是 DWDM 相應(yīng)設(shè)備的簡單改型；（ 3） CWDM 還未形成標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，波分復(fù)用系統(tǒng)從 20 世紀(jì) 90 年代中期開始，受市場需要和技術(shù)發(fā) 展的驅(qū)動，在國內(nèi)外都呈現(xiàn)出了飛速發(fā)展的態(tài)式，主要應(yīng)用于長途傳輸網(wǎng)的 密集波分復(fù)用系統(tǒng)和應(yīng)用于城域網(wǎng)以及以太網(wǎng)的稀疏波分復(fù)用系統(tǒng)都有了很 大的突破并得到了大量的商用，同時，系統(tǒng)的發(fā)展主要取決于關(guān)鍵技術(shù)的突 破和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，過去數(shù)年的發(fā)展都證明了這一點。2.8 思考題什么是 WDM 、 DWDM 以及 CWDM ？ 簡述WDM設(shè)備的兩種傳輸方式?什么是開放式與集成式系統(tǒng)？簡述WDM系統(tǒng)的組成？3 WDM傳

32、輸媒質(zhì)目標(biāo)：掌握光纖的基本結(jié)構(gòu)和種類。了解光纖的基本特性。3.1 光纖的結(jié)構(gòu)通信中使用的光纖，其核心部分是由圓柱形玻璃纖芯和玻璃包層構(gòu)成，最外 層是一種彈性耐磨的塑料護套，整根光纖呈圓柱形。光纖的典型結(jié)構(gòu)如圖 1-4所示。圖1-4光纖的典型結(jié)構(gòu)圖1-5三種典型光纖纖芯的粗細(xì)、材料和包層材料的折射率，對光纖的特性起著決定性的影響。圖1-5所示為三種典型光纖的情況。從圖中可看出，纖芯和包層橫截面上， 折射率剖面有兩種典型的分布。一種是纖芯和包層折射率沿光纖徑向分布都 是均勻的，而在纖芯和包層的交界面上，折射率呈階梯形突變，這種光纖稱 為階躍折射率光纖。另一種是，纖芯的折射率不是均勻常數(shù)，而是隨纖芯

33、徑 向坐標(biāo)增加而逐漸減少，一直漸變到等于包層折射率值，因而將這種光纖稱 為漸變折射率光纖。這兩種光纖剖面的共同特點是：纖芯的折射率n1大于包層折射率n2,這也是光信號在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件。對階躍折射率光纖 而言，它可以使光波在纖芯和包層的交界面形成全反射，引導(dǎo)光波沿纖芯向 前傳播；對于漸變折射率光纖而言，它可以使光波在纖芯中產(chǎn)生連續(xù)折射， 形成穿過光纖軸線的類似于正弦波的光射線，引導(dǎo)光波沿纖芯向前傳播，兩 種光射線軌跡如圖1-5所示。3.2光纖的模式3.2.1傳播模式概念光是一種頻率極高的電磁波，根據(jù)波動光學(xué)和電磁場理論，通過繁瑣地求解 麥克斯韋方程組之后就會發(fā)現(xiàn)：當(dāng)光在光纖中傳播時，如果光

34、纖纖芯的幾何 尺寸遠(yuǎn)大于光波波長時，光在光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播模式進行傳 播。事實上，光在光纖中只能以一組獨立的光線傳播。換句話說，如果我們能夠看到光纖的內(nèi)部的話，我們會發(fā)現(xiàn)一組光束以不同的角度傳播，傳播的角度從零到臨界角 a,傳播的角度大于臨界角 a的光線穿過纖芯進入包層（不滿足全反射的條件），最終能量被涂敷層吸收，見圖1-6。這些不同的光束稱為模式。通俗的講，模式的傳播角度越小，模式的級越低。所以，嚴(yán)格按 光纖中心軸傳播的模式稱為零級模式，或基模；其它與光纖中心軸成一定角 度傳播的光束皆稱為高次模。322多模光纖隨著纖芯直徑的粗細(xì)不同，光纖中傳輸模式的數(shù)量多少也不同。因此，階躍 折

35、射率光纖或漸變折射率光纖又都可以按照傳輸模式的數(shù)量多少，分為單模 光纖和多模光纖。圖1-7光在階躍折射率多模光纖中的傳播當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑di）遠(yuǎn)大于光波波長時（約 1微米），光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳播模式。這樣的光纖稱為多模光纖。光在階躍折射率多模光纖中的傳播軌跡如圖 多模光纖中的傳播軌跡如圖1-8所示。1-9所示，光在漸變折射率圖1-8光在漸變折射率多模光纖中的傳播由于不同的傳播模式具有不同的傳播速度與相位，因此經(jīng)過長距離傳輸之后 會產(chǎn)生時延差，導(dǎo)致光脈沖變寬，這種現(xiàn)象稱為模式色散。模式色散會使多 模光纖的帶寬變窄，降低了其傳輸容量，因此多模光纖僅適用于低速率、

36、短 距離的光纖通信。323單模光纖當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑 d1）較小，與光波長在同一數(shù)量級，如芯徑 di在510微米范圍，這時，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。光在單模光纖中的傳播軌 跡，簡單地講是以平行于光纖中心軸線的形式以直線方式傳播，如圖1-9所示。圖1-9光在單模光纖中的傳播軌跡因為光在單模光纖中僅以一種模式（基模）進行傳播，其余的高次模全部截 止，從而避免了模式色散的問題，故單模光纖特別適用于大容量長距離傳 輸。3.3模場直徑和有效面積在光纖中，光能量不完全集中在纖芯中傳輸，部分能量在包層中傳輸，纖芯 的直徑不能反映光纖中光能

37、量的分布（如圖1-10），于是提出了模場直徑的概念。模場直徑就是描述單模光纖中光能集中程度的參量。有效面積與模場 直徑的物理意義相同。通過模場直徑可以利用圓面積公式計算出有效面積。模場直徑與有效面積主要對通過光纖的能量密度有關(guān)。模場直徑越小，通過 光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖 的非線性效應(yīng)，造成系統(tǒng)的光信噪比降低，大大影響系統(tǒng)性能。因此，對于 傳輸光纖而言，模場直徑（或有效面積）越大越好。3.4光纖的種類由于單模光纖具有內(nèi)部損耗低、帶寬大、易于升級擴容和成本低的優(yōu)點，國際上已一致認(rèn)同 DWDM系統(tǒng)將只使用單模光纖作為傳輸媒質(zhì)。目前， ITU-T 已經(jīng)在 G

38、.652、G.653、G.654和G.655建議中分別定義了 4種不同設(shè)計的 單模光纖。其中G.652光纖是目前已廣泛使用的單模光纖，稱為1310nm性能最佳的單模光纖，又稱為色散未移位的光纖。按纖芯折射率剖面，又可分為匹配包層 光纖和下陷包層光纖兩類，兩者的性能十分相近，前者制造簡單，但在1550nm波長區(qū)的宏彎損耗和微彎損耗稍大；而后者連接損耗稍大。G.653光纖稱為色散移位光纖或 155Onm性能最佳光纖。這種光纖通過設(shè)計 光纖折射率的剖面，使零色散點移到155Onm窗口，從而與光纖的最小衰減窗口獲得匹配，使超高速超長距離光纖傳輸成為可能。G.654光纖是截止波長移位的單模光纖。這類光纖

39、的設(shè)計重點是降低 1550nm的衰減，其零色散點仍然在 1310nm附近，因而1550nm的色散較 高，可達 18ps/(nm.km)，必須配用單縱模激光器才能消除色散的影響。G.654光纖主要應(yīng)用于需要很長再生段距離的海底光纖通信。G.655光纖是非零色散移位單模光纖，與G.653光纖相近，從而使 1550nm附近保持了一定的色散值，避免在 DWDM 傳輸時發(fā)生四波混頻現(xiàn)象，適合 于DWDM系統(tǒng)應(yīng)用。除上述所講的四種已正式標(biāo)準(zhǔn)化的光纖外，還有一種適合于更大容量和更長 傳輸距離的大有效面積光纖也已經(jīng)問世。其零色散點在1510nm左右，但有效面積增大到72平方以上，因而可以更有效地克服非線性影響

40、，最適合 以10Gbit/s為基礎(chǔ)的DWDM系統(tǒng)應(yīng)用。在我國，大面積敷設(shè)的是哪一種光纖?3.5 光纖的基本特性3.5.1光纖的損耗光纖的衰減或損耗是一個非常重要的、對光信號的傳播產(chǎn)生制約作用的特性。光纖的損耗限制了沒有光放大的光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取 決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗三種損耗。3.5.1.1 吸收損耗光纖吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。紅外和紫外吸收損耗光纖材料組成的原子系統(tǒng)中，一些處于低能的電子會吸收光波能量而躍遷到高能級狀態(tài)，這種吸收的中心波長在紫外的0.16呵 處，吸收峰很強，其尾巴延伸到光纖通信波段，在短波長區(qū)，吸收峰值達

41、1dB/km，在長波長區(qū)則小得多，約 0.05dB/km。在紅外波段光纖基質(zhì)材料石英玻璃的Si-O鍵因振動吸收能量，這種吸收帶損耗在9.1呵、12.5呵 及21呵 處峰值可達10dB/km 以上，因此構(gòu)成了石英光 纖工作波長的上限。紅外吸收帶的帶尾也向光纖通信波段延伸。但影響小于紫外吸收帶。在 R.55呵時，由紅外吸收引起的損耗小于0.01dB/km 。氫氧根離子（ OH- ）吸收損耗在石英光纖中，0-H鍵的基本諧振波長為 2.73呵，與Si-0鍵的諧振波長相互影響，在光纖的傳輸頻帶內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39 、1.24及0.95呵波長上，在峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三

42、個傳輸窗 口。目前，由于工藝的改進，降低了氫氧根離子（0H-）濃度，這些吸收峰的影響已很小。金屬離子吸收損耗光纖 材料中的金屬 雜質(zhì)，如 ：金屬離子鐵 （ Fe3+） 、銅（ Cu2+ ）、 錳（皿門3+）、鎳（皿3+）、鈷（。03+）、鉻（Cr3+ ）等，它們的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生邊帶吸收峰（0.51.1），造成損耗?，F(xiàn)在由于工藝的改進，使這些雜質(zhì)-9的含量低于 10 -9 以下，因此它們的影響已很小。在光纖材料中的雜質(zhì)如氫氧根離子（ 0H-）、過渡金屬離子（銅、鐵、鉻 等）對光的吸收能力極強，它們是產(chǎn)生光纖損耗的主要因素。因此要想獲得 低損耗光纖，必須對制造光纖用的原材料二氧化硅等進行十分嚴(yán)格的化

43、學(xué)提 純，使其純度達 99.9999% 以上。3.5.1.2 散射損耗由于材料的不均勻使光散射而引起的損耗稱為瑞利散射損耗。瑞利散射損耗 是光纖材料二氧化硅的本征損耗。它是由材料折射指數(shù)小尺度的隨機不均勻 性所引起的。在光纖制造過程中，二氧化硅材料處于高溫熔融狀態(tài)，分子進 行無規(guī)則的熱運動。在冷卻時，運動逐漸停息。當(dāng)凝成固體時，這種隨機的 分子位置就在材料中“凍結(jié)”下來，形成物質(zhì)密度的不均勻，從而引起折射 指數(shù)分布不均勻。這些不均勻，像在均勻材料中加了許多小顆粒，其尺度很 小，遠(yuǎn)小于波長。當(dāng)光波通過時，有些光子就要受到它的散射，從而造成了 瑞利散射損耗，這正像大氣中的塵粒散射了光，使天空變藍(lán)一

44、樣。瑞利散射 的大小與光波長的四次方成反比。因此對短波長窗口的影響較大。另外，在制造光纖的過程中，在纖芯和包層交界面上出現(xiàn)某些缺陷、殘留一些氣泡和氣痕等。這些結(jié)構(gòu)上有缺陷的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波，引起與波長無 關(guān)的散射損耗，并且將整個光纖損耗增加。3.5.1.3 彎曲損耗光纖的彎曲會引起輻射損耗。實際中，光纖可能出現(xiàn)兩種情況的彎曲：一種 是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲。（例如，在敷設(shè)光纜時可能出現(xiàn)這種 彎曲）；一種是微彎曲，產(chǎn)生微彎曲的原因很多，光纖和光纜的生產(chǎn)過程 中，限于工藝條件，都可能產(chǎn)生微彎曲。不同曲率半徑的微彎曲沿光纖隨機分布。大曲率半徑的彎曲光纖比直光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量要少，有一部分

45、模 式輻射到光纖外引起損耗；隨機分布的光纖微彎曲，將使光纖中產(chǎn)生模式耦 合，造成能量輻射損耗。光纖的彎曲損耗不可避免，因為不能保證光纖和光 纜在生產(chǎn)過程中或是在使用過程中，不產(chǎn)生任何形式的彎曲。彎曲損耗與模場直徑有關(guān)。G.652光纖在1550nm波長區(qū)的彎曲損耗應(yīng)不大于1dB，G.655光纖在1550nm 波長區(qū)的彎曲損耗應(yīng)不大于0.5dB。彎曲損耗對光纖衰減常數(shù)的影響不大；決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收 損耗和散射損耗。衰減系數(shù)損耗是光纖的主要特性之一，描述光纖損耗的主要參數(shù)是衰減系數(shù)。nLaunpTA1550C_band7rnK nnrs!6DRD入(nm)1310L_ba nd圖1-1

46、1光纖的特性光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長度光纖中傳輸時的衰耗量，單位一般用dB/km。衰減系數(shù)是光纖最重要的特性參數(shù)之一。因為在很大程度上它決定了光纖通信的傳輸距離。在單模光纖中有兩個低損耗區(qū)域，分別在1310 nm和1550nm 附近，也就是我們通常說的1310nm 窗口和1550nm 窗口，1550nm 窗 口又可 以分為 C-band ( 1525nm1562nm) 和 L-band( 1565nm 1610 nm )。3.5.2光纖的色散光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，因而這些頻率成分和模 式到達光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散。色散 一般用時延差來

47、表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距 離所需要的時間之差。pulsenA2Fiber cl addrrgFiber claddingFiber coreVl pulse圖1-12色散引起的脈沖展寬示意圖光纖中的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。色度色散、也稱為 模內(nèi)色散，又可以分為材料色散和波導(dǎo)色散，模式色散也稱為模間色散。一 般情況下單模光纖中不存在模式色散。3.521 模式色散對于多模中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過程中，不同模式的光 束的時間延遲不同而產(chǎn)生色散，稱模式色散。模式色散主要存在于多模光纖 中。3.522 色度色散由于光源的不同頻率（或波長）成分

48、具有不同的群速度，在傳輸過程中，不 同頻率的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生色散稱為色度色散。色度色散包括材料 色散和波導(dǎo)色散。材料色散：由于材料折射率隨光信號頻率（波長）的變化而不同，光信號不 同頻率（波長）成分所對應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱材料色散。波導(dǎo)色散：由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱波導(dǎo)色散，它的大小可以和材料 色散相比擬。一般在單模光纖中只考慮材料色散和波導(dǎo)色散。色散系數(shù)就是單位波長間隔內(nèi)光波長信號通過單位長度光纖所產(chǎn)生的時延 差，用 D表示，單位是 ps/nm.km 。3.5.2.3偏振模色散（PMD）光纖剖面呈橢圓纖芯慢時延差圖1-13偏振模色散由于信號光的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有

49、不同的傳播速度而引起的色散稱偏 振模色散，它也是光纖的重要參數(shù)之一。在實際的光纖中，由于光纖制造工藝造成纖芯截面一定程度的橢圓度，或者 是由于材料的熱漲系數(shù)的不均勻性造成光纖截面上各向異性的應(yīng)力而導(dǎo)致光 纖折射率的各向異性，這兩者均能造成兩個偏振模傳播速度的差異，從而產(chǎn)生群時延的不同，形成了偏振模色散，見圖1-13。由于引起偏振模色散的因素是隨機產(chǎn)生的，因而偏振模色散是一個隨機量。3.524碼間干擾（ISI）在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，色散將導(dǎo)致14碼間干擾，下面將解釋碼間干擾現(xiàn)象。入3入1入3入1I尸'I I”LT+ T入3 入3入1 入1圖1-14碼間干擾光纖通信都采用脈沖編碼形式，即傳

50、輸一系列的“1 ”，“ 0”光脈沖。實際光源是非零譜寬的，光源輸出的光信號被電脈沖進行強度調(diào)制。所謂光的強 度（光強）是指單位面積上的光功率。強度調(diào)制即是使光波的強度與調(diào)制信 號電流成正比地變化。調(diào)制信號具有調(diào)制光源的每一波長成分。圖1-14中描述的是兩個光脈沖的情況，光脈沖寬度為T,光纖的輸入脈沖波形較窄。設(shè)光譜的最快和最慢波長為X1、冷，其光脈沖譜寬為？入=肚乃。不同波長在光纖中的傳輸速度不同，設(shè)入 1和X3分別是最快和最慢的波長。其它波長的傳輸速度介于這兩個極端情況之間。當(dāng)經(jīng)過長距離傳輸后，各個波長以稍有差 別的時間到達光纖終端，即有時延差 T。由于各波長成分到達的時間先后不一致，因而使

51、得光脈沖加長了 （T+ T），這叫作脈沖展寬。光脈沖傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，脈沖展寬越嚴(yán)重。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，稱為碼間干擾。碼間干擾將引起誤碼， 因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。偏振模色散也會產(chǎn)生碼間干擾，不過其影響一般在 10GBit/s 及以上的速率才 表現(xiàn)出來。3.5.3 光纖的非線性效應(yīng)從本質(zhì)上講，所有介質(zhì)都是非線性的，只是一般情況下非線性特征很小，難以表現(xiàn)出來。當(dāng)光纖的入纖功率不大時，光纖呈現(xiàn)線性特征，當(dāng)光放大器和高功率激光器在光纖通信系統(tǒng)中使用后，光纖的非線性特征愈來愈顯著。原 因是在單模光纖指的光信號被約束的模場內(nèi)，而單模光纖有效面積非常?。ㄈ鏕.652光纖的有效面積大約

52、為 80 pm2），因而光功率密度非常高，低損 耗又使得高光功率可以維持很長的距離。單模光纖的非線性效應(yīng)一般可以分：受激非彈性散射、克爾效應(yīng)。3.5.3.1 受激非彈性散射效應(yīng)受激非彈性散射是指從入射波到散射波的能量轉(zhuǎn)移，之所以稱之為非彈性， 是因為入射波與散射波的波長（頻率）不相同，入射光子的頻率高（能量 高），波長較短，散射光子的頻率低（能量低），波長較長，入射光子與散 射光子的能量差以聲子的形式釋放。受激拉曼散射和受激布里淵散射屬于受 激非彈性散射。受激拉曼散射 （SRS ）受激拉曼散射是光纖中很重要的非線性過程，它可看作是介質(zhì)中分子振動對 入射光（稱為泵浦光）的調(diào)制，對入射光產(chǎn)生散射作

53、用。設(shè)入射光的頻率為W1 ,介質(zhì)的分子振動頻率為3v，則散射光的頻率為3s=3 1- 3V和3as = 3i + 3v，這種現(xiàn)象叫受激拉曼散射。所產(chǎn)生的頻率為3S的散射光叫斯托克斯波（Stokes ），頻率為 3as的散射光叫反斯托克斯波。對斯托克斯波可用物理圖像描述如下：一個入射的光子消失，產(chǎn)生了一個頻率下移的光子（即 Stokes 波）和一個有適當(dāng)能量和動量的光子，使能量和動量守恒。受激拉曼散射對多信道光纖通信的影響是，當(dāng)一定強度的光入射到光纖中時會引起光纖材料的分子振動，調(diào)制入射光強產(chǎn)生了間隔恰好為分子振動頻率的邊帶。低頻邊帶的斯托克斯線強于高頻邊帶的反司托克斯線，當(dāng)兩個頻率間隔恰好為斯

54、托克斯頻率的光波同時入射到光纖時，低頻波（長波長）將獲得光增益，高頻波（短波長）將衰減，其能量轉(zhuǎn)移到低頻波上去了，其結(jié)果將 導(dǎo)致系統(tǒng)中短波長光信號（即高頻波）產(chǎn)生信號衰減，長波長光信號（即低 頻波）產(chǎn)生信號增強。在多信道系統(tǒng)中 ,受激拉曼散射效應(yīng)使短波長的信道充當(dāng)泵浦源而將能量轉(zhuǎn)移 給長波長的信道，從而引起系統(tǒng)中各信道之間的串話，對通信性能帶來不良 影響；另一方面，受激拉曼散射效應(yīng)可以利用來制作拉曼光纖激光器和拉曼 光纖放大器等。對于單信道光纖系統(tǒng)，入纖光功率遠(yuǎn)小于光纖中受激拉曼效應(yīng)的閾值功率， 因而受激拉曼效應(yīng)不會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。受激布里淵散射( SBS )受激布里淵散射與受激拉曼

55、散射在物理過程上十分相似，入射的頻率為3P的泵浦波將一部分能量轉(zhuǎn)移給頻率為3S的斯托克斯波，并發(fā)出頻率為Q的聲子。Q= co p- cosSBS 頻移 (1013GHz) 和增益帶寬 (20100MHz) 遠(yuǎn)小于 SRS 的相應(yīng)值。其次 峰值 SBS 增益比 SRS 大兩個量級。另外，光纖中的受激拉曼散射發(fā)生在前 向，即斯托克斯波和泵浦波傳播方向相同，而受激布里淵散射發(fā)生在后向， 其斯托克斯波和泵浦波傳播方向相反。光纖中的受激布里淵散射的闌值功率 比受激拉曼散射的低得多。在光纖中，一旦達到受激布里淵散射闕值，將產(chǎn) 生大量的后向傳輸?shù)乃雇锌怂共?。這將對光通信系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。另一方 面，它又可用來構(gòu)成布里淵放大器和激光器等光纖元件。在連續(xù)波的情況 下，受激布里淵射易于產(chǎn)生，因為它的閾值相對較低。脈沖工作情況下有所 不同，如果脈沖寬度 T0<10ns ，受激布