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(zhǎng)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(wú)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(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)傳輸?shù)淖钫_選擇，但是對(duì)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(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)子類。光纖在C波段支持10Gb/s的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)，色散系數(shù)D有2、和15 三個(gè)待定值，并且在S、C及L三個(gè)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小；在時(shí)色散系數(shù)趨于零，稱為單模光纖材料零色散波長(zhǎng)。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(duì)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(guò)改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，加大波導(dǎo)色散值，實(shí)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(huì)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(zhǎng)WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，考慮將零色散點(diǎn)移動(dòng)，移到一個(gè)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(zhǎng)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(gè)光纖通信的長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)在一個(gè)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(lái)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(lái)消除光纖中由于色散的存在使得光脈沖信號(hào)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(zhǎng)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(hào)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(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)度的損耗，直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長(zhǎng)短。光纖本身?yè)p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(guò)光纖材料時(shí)，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(zhǎng)有關(guān)，對(duì)于SiO2石英系光纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶，一個(gè)是紫外吸收帶，一個(gè)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(zhǎng)的增加而急劇減小，所以在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作時(shí)，瑞利散射會(huì)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(guò)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(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍稱為光源的譜線寬度，用Δλ表示。一個(gè)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(hào)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(huì)引起脈沖波形的形狀發(fā)生變化。也可以從波形在時(shí)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)λ呈非線性關(guān)系，從而使光的傳播速度隨波長(zhǎng)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(shí)，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(dòng)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(huì)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(shí)光纖的折射率不再是常數(shù)，而是與光波電場(chǎng)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(chǎng)的作用下，光纖的折射率出現(xiàn)非線性，這個(gè)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(duì)漂移。這種相位的變化，必對(duì)應(yīng)于所傳光脈沖的頻譜發(fā)生變化。把光脈沖在傳輸過(guò)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(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光波同時(shí)傳輸時(shí)，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(gè)光波的幅度調(diào)制將會(huì)引起其它光波的相位調(diào)制。這種由光纖中某一波長(zhǎng)的光強(qiáng)對(duì)同時(shí)傳輸?shù)牧硪徊煌ㄩL(zhǎng)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(guò)程，是由三階電極化率x參與的三階參量過(guò)程。當(dāng)多個(gè)頻率的光波以較大的功率在光纖中同時(shí)傳輸時(shí)，由于光纖中非線性效應(yīng)的存在，光波之間會(huì)產(chǎn)生能量交換。3．四波混頻〔FWM〕第四個(gè)光波的頻率可以是三個(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)特殊產(chǎn)物。孤立子又稱孤子、孤立波，它是一種可以長(zhǎng)距離、無(wú)畸變傳輸?shù)碾姶挪ā９饷}沖波就像一個(gè)個(gè)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(gè)光脈沖的前沿光強(qiáng)的增大將會(huì)引起光纖中光信號(hào)的相位增大，隨之造成光信號(hào)的頻率降低，進(jìn)而使光纖中光脈沖信號(hào)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(hào)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(hào)在光纖的傳輸過(guò)程中將不會(huì)產(chǎn)生畸變，脈沖波就像一個(gè)一個(gè)孤立的粒子那樣傳輸，故稱孤立子〔Soliton〕33343．光纖損耗對(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊憽?〕損耗對(duì)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(duì)光纖通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，非線性影響是有益的。如果使用高階光孤子來(lái)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(jì)中繼距離可增加兩倍。353．光纖損耗對(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊憟D2-21一階光孤子發(fā)射進(jìn)光纖時(shí)，有損耗光纖中的光孤子展寬363．光纖損耗對(duì)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(duì)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(duì)光孤子傳輸?shù)挠绊憟D2-22光孤子通信系統(tǒng)