光信號的傳輸特性(第二部分)光纖通信系統課件

1、第二章 光信號的傳輸特性（第二部分）光纖通信系統王 翀光信息科學與技術專業(yè)西安郵電學院光電子技術系第1頁，共51頁。2.1光纖概述2.2 光纖的損耗特性2.3光纖的色散特性及色散限制2.4光纖中的非線性光學效應第二章 光信號的傳輸特性第2頁，共51頁。2.3.1 光纖的色散特性光纖色散：信號能量中的各種分量由于在光纖中傳輸速度不同，而引起的信號畸變。將引起光脈沖展寬和碼間串擾，最終影響通信距離和容量。 色散類型模間色散：不同模式對應有不同的模折射率，導致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導色散 ()：傳播常數隨頻率變化材料色散 n()：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD波長色散第3頁，共51

2、頁。群速色散(GVD)由光源發(fā)射進入光纖的光脈沖能量包含許多不同的頻率分量，脈沖的不同頻率分量將以不同的群速度傳播，因而在傳輸過程中必將出現脈沖展寬，這種現象稱為群速色散（GVD）、模內色散或簡言之光纖色散。包括材料色散和波導色散。Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to travel at different speeds in fiber, resulting in pulse spreading第4頁，共51頁。群速度沿z方向傳輸的單色波： 是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數（m-1）。群速度

3、：表征光信號包絡的傳輸速度 第5頁，共51頁。群時延是頻率的函數，因此任意頻譜分量傳播相同距離所需的時間都不一樣。這種時延差所造成的后果就是光脈沖傳播時延隨時間的推移而展寬。而我們所關心的就是由群時延引入的脈沖展寬程度。群時延：頻率為的光譜分量經過長為L的單模光纖時的時延。群時延第6頁，共51頁。光脈沖展寬(1)光脈沖展寬：由于光脈沖包含許多頻率分量，因而群速度的頻率相關性導致了脈沖傳輸過程中展寬，不再同時到達光纖輸出端。為群速色散（GVD）脈沖展寬同2、光纖長度L和信號譜寬成正比2決定了脈沖在光纖中的展寬程度第7頁，共51頁。光脈沖展寬(2)以色散參數Dps/(nm. km)表達脈沖展寬 D

4、的定義為：D代表兩個波長間隔為1nm的光波傳輸1km距離后的時延脈沖展寬：以波長單位表達的光信號譜寬第8頁，共51頁。單模光纖的色散材料色散DM，纖芯材料的折射率隨波長變化導致了這種色散，這樣即使不同波長的光經歷過完全相同的路徑，也會發(fā)生脈沖展寬。波導色散DW ，由于單模光纖中只有約80的光功率在纖芯中傳播，20在包層中傳播的光功率其速率要更大一些，這樣就出現了色散。波導色散的大小取決于光纖的設計，因為模式傳播常數是a/的函數(a纖芯半徑， a/是光纖相當于波長的尺度).第9頁，共51頁。SMF, G.652, 標準單模光纖DSF, G.653, 色散位移光纖NZ-DSF, G.655, 非零

5、色散位移光纖DFF, 色散平坦光纖LEAF, 大有效面積光纖DCF, 色散補償光纖NDF, 負色散光纖第10頁，共51頁。Large Effective-Area Fiber: 如LEAF Fiber(康寧) Aeff:SMF80m2NZ-DSF55 m2LEAF72 m2Dispersion Compensating Fiber: -100ps/nm.km & 0.5dB 芯徑小，非線性嚴重 雙折射，PMD嚴重第11頁，共51頁。單模光纖的發(fā)展與演變總結(1)在光纖通信發(fā)展的近30年中，單模光纖的結構和性能也在不斷發(fā)展和演變。最早實用化的是常規(guī)單模光纖SMF(G.652光纖)，零色散波長在1

6、310nm，曾大量敷設，在光纖通信中扮演者重要的角色。對光纖損耗機理的研究表明，光纖在1550nm窗口損耗更低，可以低于0.2dB/km，幾乎接近光纖本征損耗的極限。如果零色散移到1550nm，則可以實現零色散和最低損耗傳輸的性能，為此，人們研制了色散位移光纖DSF(G.653光纖)。設計思路是通過結構和尺寸的適當選擇來加大波導色散，使零色散波長從1310nm移到1550nm。第12頁，共51頁。單模光纖的發(fā)展與演變總結(2)90年代后，DWDM和EDFA的迅速發(fā)展，1550nm波段的幾十個波長的信號同時在一根光纖中傳輸，使光纖的傳輸容量極大地提高。然而，四波混頻FWM會引起復用信道之間的串擾

7、，嚴重影響WDM的性能。FWM是一種非線性效應，其效率與光纖的色散有關，零色散時混頻效率最高，隨著色散增加，混頻效率迅速下降。這種性質使DSF光纖在WDM系統中失去了魅力。非零色散位移光纖NZ-DSF(G.655光纖)應運而生。 NZ-DSF在15301565nm(EDFA的工作波長)區(qū)具有小的但非零的色散，既適應高速系統的需要，又使FWM效率不高。 NZ-DSF的纖芯采用三角形或梯形折射率分布，其色散可正可負。若零色散波長小于1530nm則色散為正；若零色散波長大于1565nm則色散為負。從而實現長距離的色散管理。第13頁，共51頁。單模光纖的發(fā)展與演變總結(3)NZ-DSF光纖的缺點是模場

8、直徑小，容易加劇非線性效應的影響，為此人們又研究了大有效面積NZ-DSF光纖。如康寧公司研制的三角形外環(huán)結構和雙環(huán)結構光纖，三角形和內環(huán)纖芯的作用是將零色散波長移向1550nm，外環(huán)的作用是把光從中心吸引出來一部分，增大有效面積。各種光纖性能不斷提高，各種新型光纖層出不窮，無所謂好壞，應根據實際應用情況選擇最合適的光纖。第14頁，共51頁。 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。偏振模色散(PMD)單模光纖中的偏振模色散第15頁，共51頁。本征光纖雙折射隨機的偏振模耦合雙

9、折射的光通信器件 偏振模色散產生的原因？+ 外界的擠壓 光纖的彎曲、扭轉 外界環(huán)境溫度的變化等 EDFA ，FBG ，DCF Isolators , Couplers , Filters etc.第16頁，共51頁。三、光纖色散對系統的限制光纖通信系統中，信息是通過編碼脈沖序列在光纖中傳輸的，光脈沖的寬度由系統的比特率B決定，因而不希望色散展寬而產生誤碼。但實際上群速度色散GVD總是會引起脈沖展寬，脈沖展寬會導致相鄰比特周期的信號重疊，產生ISI（Intersymbol Interference），從而限制了光纖通信系統的比特率B和傳輸距離L，而BL積是評價系統傳輸性能的基本參數（稱為通信容量

10、）。第17頁，共51頁。系統對脈沖寬度的限制(判據)：為防止色散展寬導致相鄰脈沖重疊，展寬脈沖應限制在所分配的比特時隙（TB）內，而TB 1/B。B-傳輸碼率-與所允許的功率代價有關第18頁，共51頁。2.1光纖概述2.2 光纖的損耗特性2.3光纖的色散特性及色散限制2.4光纖中的非線性光學效應第二章 光信號的傳輸特性第19頁，共51頁。2.4光纖中的非線性光學效應2.4.1 概述2.4.2 受激非彈性散射受激布里淵散射(SBS)受激喇曼散射(SRS)2.4.3 非線性折射率自相位調制(SPM)互相位調制(XPM)四波混頻(FWM)第20頁，共51頁。2.4.1 概述盡管用于光纖的玻璃材料的非

11、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足夠的強度，導致對信號的嚴重干擾和對系統傳輸性能的限制。反之，可以利用非線性現象產生有用的效應。 導致新的學科分支非線性光纖光學。第21頁，共51頁。 光纖中的非線性效應可分為兩類:一、受激非彈性散射：光場經過非彈性散射將能量傳遞給介質產生的效應。包括： 受激布里淵散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)二、非線性折射率：光纖折射率與光強的相關性產生的效應。包括：自相位調制(SPM)、互相位調制(XPM)和四波混頻(FWM)第22頁，共51頁。非線性效應概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗

12、與光信號的強度有關。這些非線性過程對某些信道提供增益而對另一些信道則產生功率損耗，從而使各個波長間產生串擾。SPM和XPM都只影響信號的相位，從而使脈沖產生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統中。第23頁，共51頁。 所有這些非線性中的任意一種效應引起信號損傷時，需要獲得一些附加功率，以維持BER與原先無非線性效應時一樣。這部分附加功率（以分貝為單位）就是相應非線性效應的功率代價。非線性效應與傳輸距離和纖芯內場強有著密切的關系，為此引入兩個基本參量：有效長度和有效面積。非線性效應概述第24頁，共51頁。1. 有效長度Leff：當L很大時，對于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff

13、約20km 非線性對信號的影響完全隨距離增加而增加。但是，由于光纖損耗而帶來信號功率連續(xù)下降，需要對上述說法進行修正。實際上，可以采用一個簡單而足夠精確的模型來假定功率在一段光纖長度內為常數。LLeffP(0)實際傳輸距離第25頁，共51頁。2. 有效面積Aeff:模場分布為高斯分布時,Aeff=W2普通單模光纖的Aeff80m2色散位移光纖的Aeff55m2色散補償光纖的Aeff20m2Aeff非線性效應隨光纖中光強的增大而增大。對于一個給定的光纖，光強反比于光纖纖芯的橫截面積。由于光功率在光纖纖芯內不是均勻分布的，為簡單起見，采用有效面積Aeff表示。第26頁，共51頁。2.4.2 受激非

14、彈性散射一、概述受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場把部分能量傳遞給介質。一個高能量光子（通常稱為泵浦）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SBS參與的能量子為聲學聲子，只有后向散射SRS參與的能量子為光學聲子，以前向散射為主，但也有后向散射第27頁，共51頁。在高功率傳輸時，光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射能導致相當大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強將指數增長。是一種閾值行為。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受激非彈性散射第28頁，共51頁。二、受激布里淵散射（SBS）（1）2、功率閾值1、機理SBS可描述

15、為泵浦光、斯托克斯波和聲波之間的參量互作用。可看作是一個泵浦光子的湮滅，同時產生一個斯托克斯光子和一個聲學聲子。閾值功率Pth與光纖的衰減系數、光纖有效長度Leff、布里淵增益系數gB和光纖的有效面積Aeff有關，可近似寫為：L足夠長時，Leff 1/，而Aeff可用w2代替，w為模場半徑第29頁，共51頁。峰值增益gB510-11m/W，這樣Pth可低至1mW，特別是在1550nm最低損耗處，將極大地限制光波系統的注入功率。但以上估計忽略了與入射光有關的譜寬效應，在典型系統中閾值功率可增大至10mW或更高。不過還應注意消除。二、受激布里淵散射（SBS）（2）3、特點增益帶寬窄（約10GHz）

16、，這說明SBS效應被約束在WDM系統的單個波長信道內。功率閾值與光源線寬有關，光源線寬越窄，功率閾值越低第30頁，共51頁。4、減小SBS對系統影響的主要措施減低入纖功率（減小中繼間隔）增加光源線寬（色散限制）5、一般情況下，SBS在光纖通信系統中是一種有害的因素，應注意減小。但由于它能通過將具有合適波長的泵浦場的能量傳遞給另一波長的光場，使該光場得到放大，所以能用于制造布里淵放大器。但由于其增益譜寬窄，放大器的帶寬也很窄。二、受激布里淵散射（SBS）（3）第31頁，共51頁。三、受激喇曼散射（SRS）（1）SRS：入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍

17、遷。SRS是非線性光纖光學中一個很重要的非線性過程，它可使光纖成為寬帶喇曼放大器和可調諧喇曼激光器，也可使某信道中的能量轉移到相鄰信道中，從而嚴重影響多信道光通信系統的性能。第32頁，共51頁。三、受激喇曼散射（SRS）（2）1、功率閾值gR-喇曼增益SRS的閾值功率較高。由于光波系統中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般對光纖損耗不起作用。第33頁，共51頁。1 2 3 4 1 2 3 4fiber2、特點增益帶寬寬（約125nm），影響其它信道功率WDM系統中，較高頻率的信號成為所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大。三、受激喇曼散射（SRS）（3）第34頁，共51頁。

18、3、減小SRS對系統影響的主要措施減低入纖功率（減小中繼間隔）減小信道間隔4、利用：喇曼光纖放大器高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，為FRA的實現奠定了堅實的基礎。FRA可以提供整個波長波段的放大。通過適當改變泵浦激光波長，就可以達到在任意波段進行寬帶光放大。三、受激喇曼散射（SRS）（4）第35頁，共51頁。2.4.3 非線性折射率在較高入射光功率下，纖芯折射率應表示為：(光場線偏振，光脈沖寬度1ps)光場幅度的有效值或均方根線性折射率非線性折射率或Kerr系數折射率的非線性影響一般很小。但光纖中大部分非線性效應都起源于非線性折射率。第36頁，共51頁。一、自相位調制SPM折射率非線性分量的

19、出現將引起導模傳播常數的變化，使傳播常數增加了一附加項：光纖有效截面積由模場自己產生的非線性效應而引起的非線性相移稱為自相位調制，信號光強的瞬間變化引起其自身的相位調制。線性傳輸時的傳播常數非線性系數光纖中傳輸的功率第37頁，共51頁。 非線性相移非線性相移與信號功率成比例增大，輸入信號功率越大，非線性效應越強。SPM不僅隨光強而變，而且隨時間變化，這種瞬時變化相移將引起光脈沖的頻譜展寬，導致在光脈沖的中心兩側出現不同的瞬時光頻率，即出現頻率啁啾。第38頁，共51頁。 頻率啁啾 相位調制導致的頻率啁啾為：頻率啁啾隨傳輸距離增大而增大，因此隨著光脈沖沿光纖傳輸將不斷產生新的頻率分量，頻譜將不斷展

20、寬。脈沖頻譜的展寬程度還與脈沖形狀有關。第39頁，共51頁。 非線性相移和頻率啁啾 實線超高斯脈沖；虛線高斯脈沖1、非線性相移在時域的形狀與光強相同。2、對于高斯脈沖，中心附近較大的范圍內，有正的、線性啁啾。3、對于前后沿較陡的脈沖，啁啾量顯著增大。4、超高斯脈沖的啁啾僅發(fā)生在脈沖沿附近，且不是線性變化的，而中心頻率附近為零。第40頁，共51頁。 SPM影響下的頻譜結構增大峰值功率就依次顯現出頻譜多峰的結構第41頁，共51頁。 色散對SPM效應的影響 (1)前面的討論只考慮了SPM效應對脈沖傳輸的影響，其結果只適合于脈寬較寬（大于100ps），色散長度大于非線性長度（LDLNL）的情況。T0：

21、初始脈寬 P0：峰值功率第42頁，共51頁。為此定義N： N決定脈沖在傳播過程中，是SPM還是GVD效應起主要作用: N1時，SPM起支配作用；N 1時，GVD和SPM共同作用，光脈沖的傳輸特性將出現許多新的特點。 色散對SPM效應的影響 (2)第43頁，共51頁。反常色散區(qū)，z4LD時，脈寬基本達到穩(wěn)定態(tài)。由于SPM引起正啁啾，GVD引起負啁啾，在高斯脈沖中心基本相互抵消。GVD和SPM共同作用來保持無啁啾脈沖。對應孤子演變過程。正常色散區(qū)，SPM加速了脈沖展寬速度反常色散區(qū)，SPM降低了脈沖展寬速度第44頁，共51頁。SPM對高斯脈沖展寬因子的影響無SPM (N=0) 的情況SPM改變了G

22、VD引起的脈沖展寬速度。 正常色散區(qū)，SPM加速了脈沖展寬速度； 反常色散區(qū)，SPM降低了脈沖展寬速度。 過于強烈的 SPM效應會使脈沖過分窄化，甚至出現光波分裂，這會使系統性能嚴重惡化，是必須避免的。第45頁，共51頁。SPM特點SPM導致頻率啁啾，正比于光強對時間的微分頻率啁啾將導致脈沖譜寬增加SPM與色散共同作用，在正常色散區(qū)，加劇脈沖展寬速度；在反常色散區(qū)減低脈沖展寬速度(但SPM將導致脈沖畸變)，在一定條件下，可以使色散效應與SPM效應互相抵消，實現脈沖無畸變傳輸-孤子第46頁，共51頁。二、互相位調制XPM在多波長系統中（WDM），光強的變化引起相位的變化，由于相鄰信道間的相互作用，引起交叉相位調制。 XPM是不同波長的光脈沖在光纖中共同傳輸時引起的一種光場的非線性相移。特點：信道光信號產生的非線性相移不僅取決于其自