第2章 光纖2教材

2.2光纖的損耗特性第二章光信號的傳輸特性2.2光纖的損耗特性

光纖損耗成為限制光纖傳輸容量（BL積）的另一因素，它是通信距離L

的固有限制。給定發(fā)送功率和接收機靈敏度條件下，損耗決定了從光發(fā)送機到光接收機之間的最大距離。損耗過大會影響通信系統(tǒng)的性能。光纖損耗的度量總的來說，光信號在光纖中傳播的時候，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：那么，評價光纖損耗特性可以通過損耗系數(shù)來衡量。光纖的損耗系數(shù)定義為：其中L為光纖長度，Pin和Pout分別為輸入和輸出光功率。一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km。光纖的損耗

即便是在理想的光纖中都存在損耗——本征損耗。

光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。這些損耗主要包括：

1.吸收損耗2.散射損耗3.彎曲損耗損耗第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機理：吸收、散射和彎曲損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖損耗譜特性

由石英光纖的損耗譜曲線自然地顯示光纖通信系統(tǒng)的三個低損耗窗口：

①第一低損耗窗口短波長0.85μm附近； ②第二低損耗窗口長波長1.31μm附近； ③第三低損耗窗口長波長1.55μm附近；實驗上曲線的損耗值為：對于單模光纖，在0.85μm時約為2.5dB/km；在1.31μm時約為0.4dB/km；在1.55μm時僅為0.2dB/km，已接近理論值(理論極限為0.15dB/km)。光纖通信的低損耗窗口吸收損耗原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成非本征吸收：由過渡金屬離子和氫氧根離子

(OH－)等雜 質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗本征吸收：由制造光纖材料本身

(如SiO2)的特性所決 定，即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含 任何雜質(zhì)也會存在本征吸收 本征吸收(1)紫外吸收

光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時引起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍z晶格光傳播方向kEx(2)紅外吸收光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗本征吸收曲線非本征吸收光纖制造過程引入的有害雜質(zhì)帶來較強的非本征吸收OH－吸收峰

~2dB解決方法：(1)光纖材料化學(xué)提純，比如達到99.9999999%的純度OH－和過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等(2)制造工藝上改進，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)原子缺陷吸收光纖晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動光纖制造->材料受到熱激勵

->結(jié)構(gòu)不完善強粒子輻射

->材料共價鍵斷裂->原子缺陷吸收光能，引起損耗散射損耗光纖的密度和折射率分布不均及結(jié)構(gòu)上的不完善導(dǎo)致散射現(xiàn)象1.瑞利散射2.波導(dǎo)散射瑞利散射波導(dǎo)在小于光波長尺度上的不均勻：-分子密度分布不均勻-摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻?qū)е虏▽?dǎo)對入射光產(chǎn)生本征散射。瑞利散射一般發(fā)生在短波長本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值瑞利散射是一種基本損耗機理。由于制造過程中沉積到熔石英中的隨機密度變化引起的，導(dǎo)致折射率本身的起伏，使光向各個方向散射。大小與

4成反比，

R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長區(qū)。瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達0.12~0.16dB/km

，是該段損耗的主要原因。瑞利散射波導(dǎo)散射導(dǎo)致的原因是波導(dǎo)缺陷-纖芯和包層的界面不完備-圓度不均勻-殘留氣泡和裂痕等 目前的制造工藝基本可以克服波導(dǎo)散射彎曲損耗輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠大于光纖直徑，宏彎；二是光纖成纜時軸向產(chǎn)生的隨機性微彎。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場拖尾）于纖芯中的場一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時，離中心較遠的消失場尾部須以較大的速度行進，以便與纖芯中的場一同前進。這有可能要求離纖芯遠的消失場尾部以大于光速的速度前進，由于這是不可能的，因此這部分場將輻射出去而損耗掉。彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲消逝場q￠<qqq>qcq￠RqqCladdingCore場分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數(shù)增加微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的高頻彎曲彎曲損耗與模場直徑的關(guān)系光功率P包層1<P包層2Loss模場直徑小

<Loss模場直徑大Loss低階模

<Loss高階模微彎損耗微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過程中的帶來的不均 成纜時受到壓力不均

使用過程中由于光纖各個部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果： 造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模與宏彎的情況相同，模場直徑大的模式容易發(fā)生宏彎損耗宏彎和微彎對損耗的附加影響宏彎損耗微彎

損耗基本損耗l增加，V減少，W0越大長波長處附加損耗顯著損耗的補償辦法電放大 光

電光全光放大

EDFA

拉曼放大器摻鉺光纖放大器2.3 光纖的色散特性及色散限制第二章光信號的傳輸特性2.3.2光纖的色散特性光纖色散Dispersion：模內(nèi)色散（波長色散）波導(dǎo)色散材料色散模式色散（模間色散）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?dāng)_，最終影響通信距離和容量。偏振模色散不同的頻率、模式、偏振分量MMF模式中：以模式色散為主，SMF：以材料色散為主色散的描述光纖色散描述：最大時延差

，光纖3dB帶寬B時延：光信號在光纖中傳輸所需要的時間。最大時延差：光纖中速度最快和速度最慢的光波成分傳輸同樣距離的時延之差時延差與色散有關(guān)，時延差越大，色散就越嚴(yán)重。色散系數(shù)單位ps/(nm·km)：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。

時延差Δ

可以表示光纖的色散程度：

Δ

=DLΔλ

D為色散系數(shù)，單位為ps/(nm·km)，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

Δλ為光源譜寬，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應(yīng)的波長范圍

L為傳輸?shù)木嚯x色散的描述色散的描述光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對于調(diào)制信號而言，光纖可以看作是一個低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號的高頻分量通過光纖時，就會受到嚴(yán)重衰減。色散的描述通常把調(diào)制信號經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時的頻率(νc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬。色散的描述光纖的帶寬(ν為調(diào)制信號頻率)相速與群速相速vp：與行波光場保持固定相位觀察者前進的速度或等相位面前進的速度。一列單色波沿著z軸方向傳播，其波動方程可寫為：

A：振幅；

：角頻率；

：光纖軸向傳播常數(shù)。k0：真空中的波數(shù)相速與群速光纖中傳輸?shù)男盘栆话悴皇菃我活l率的波，而是一群不同頻率的波，是一個“波群”，不同頻率的波，其相速不同，很難用相速來描述一個波群的速度，波群運動的速度只能由它們共同的速度——群速來描述。信號在光纖中傳輸?shù)娜核俣x為vg群速vg表示脈沖的能量沿光纖傳播的速率。相速與群速群時延當(dāng)單色光在光纖中傳輸時，上式中第二項為零，群時延

由第一項決定，這一項是由不同模式群速度不同而引起的，屬多模色散。群時延

也可表示成：k0真空中的波數(shù)信號通過單位長度光纖的群時延為

群時延群時延是波長的函數(shù)，因此任何特定模式的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(guān)心的就是由群時延差引入的脈沖展寬的程度。群速率色散(GVD)信號在傳輸了距離L后，頻率分量w經(jīng)歷的延時為：GVD參數(shù)由于群速與頻率的依賴關(guān)系，光脈沖的不同分量的傳播速度不同，到達光纖的輸出端有先有后，因而光脈沖被展寬了。假設(shè)對于一個譜寬為Dw的脈沖，光纖的長度為L，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：群時延色散

通常在波長域習(xí)慣用Dl來表示譜寬。根據(jù)w和l之間的關(guān)系：材料色散波導(dǎo)色散代入D

中，那么可以得到：其中D(l)稱為色散系數(shù)：

ps/(km·nm)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550nm處色散系數(shù)為~17ps/km·nm正色散、負色散和零色散1.色散系數(shù)D為正：負色散b2<0v高頻光

>v低頻光2.色散系數(shù)D為負：正色散b2>0v高頻光

<v低頻光3.色散系數(shù)D為零：零色散材料色散光纖的折射率是波長的函數(shù)n(l)，則不同的波長的傳播函數(shù)b不同：減小材料色散：選擇譜寬窄的光源可以得到傳播了L后由Dl所帶來的群延時差為：Dm為材料色散系數(shù)。fA光源輸出都有一定的譜寬

>0.001nml1l2l3l1l2l3模內(nèi)色散：材料色散光纖材料對不同的頻率成份折射率(傳播速率)不同圖SiO2折射率（a）及材料色散系數(shù)（b）與波長的關(guān)系1.27材料色散長波長的色散較短波長小，在λD=1.27μm時，d2n/dλ

2=0，是材料的零色散波長。當(dāng)摻雜其他元素時，λ

D稍有變化。

材料色散具有波譜寬度Dl的光信號，由材料色散引起的單位長度的時延差為：

時延差與譜寬成正比，光源的譜寬越大，時延差越大，材料色散越大。LD：2nmLED：33nm單模光纖中傳播模80%能量在纖芯

20%能量在包層波導(dǎo)色散信號光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有不同的傳播速度注意：即使光纖材料沒有色散特性，波導(dǎo)色散也會發(fā)生。純波導(dǎo)色散僅因為將光限制在一個特定的結(jié)構(gòu)中而產(chǎn)生。波導(dǎo)色散

假設(shè)纖芯和包層的折射率與波長無關(guān)，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，傳播函數(shù)b近似等于：其中可以得到傳播了L后波長l所經(jīng)歷的群延時延為：其中V為歸一化頻率。進一步可以得到波導(dǎo)色散導(dǎo)致的脈沖展寬：b：歸一化傳播常數(shù)波導(dǎo)色散Vb的一階及二階微分與V的關(guān)系波導(dǎo)色散<0波導(dǎo)色散具有波譜寬度Dl的光信號，由波導(dǎo)色散引起的單位長度的時延差為：

Δ

w與歸一化傳播常數(shù)b和歸一化頻率V有關(guān)，而b和V是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)、纖芯尺寸、相對折射率差等因素決定的，因此Δ

w代表了波導(dǎo)效應(yīng)引起的色散，這種色散稱為波導(dǎo)色散。模內(nèi)色散：波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散與芯徑、折射率差等光纖參數(shù)有關(guān)。偏振模色散單模光纖中實際上傳輸?shù)氖莾蓚€正交的基模，它們的電場分別沿x、y方向偏振。在完善的圓柱形光纖中，由于折射率對稱分布，這兩個正交模式有相同的傳播常數(shù)，即兩個模式是完全簡并的。圖偏振模色散由于光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。實際光纖制備時存在一定的橢圓度；光纖在使用過程中受到外界條件影響

圓柱對稱性被破壞—雙折射PMD的外部因素及其特點外部因素：環(huán)境變化如振動、溫度、應(yīng)力等特點：具有很強的不穩(wěn)定性和突發(fā)性因此，PMD補償?shù)碾y度比較大，補償方法目前尚無定論。PMD的外部因素及其特點PMD的外部因素及其特點PMD的外部因素及其特點模間色散

多模光纖中不同導(dǎo)波模具有不同的傳播路徑和速度導(dǎo)致了模間色散。

對于子午光線，經(jīng)過單位長度后模間色散可能產(chǎn)生的最大脈沖展寬為：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖總的模內(nèi)色散-材料色散的影響一般大于波導(dǎo)色散：|Dm|>|Dw|-波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負值總色散系數(shù)D

≈

Dm+Dw1310材料色散波導(dǎo)色散總色散標(biāo)準(zhǔn)單模光纖G.652對于普通的單模光纖，全色散為零的波長為1.31μm。這種光纖為最早實用的單模光纖，國際電信聯(lián)盟命名為G.652光纖。

G.652光纖的主要缺點是最小損耗波長（1.55μm）與零色散波長不一致，影響系統(tǒng)性能。1.波導(dǎo)色散項是由傳播常數(shù)隨波長的變化引起的，它與歸一化頻率和歸一化傳播常數(shù)的變化有關(guān)。2.在感興趣的波長區(qū)域內(nèi)，波導(dǎo)色散均為負值。3.在一定的波長范圍內(nèi)，波導(dǎo)色散與材料色散具有相反的符號。4.改變光纖的折射率分布和剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變波導(dǎo)色散的值，從而在所希望的波長上實現(xiàn)零色散，如上圖所示。單模光纖的色散波導(dǎo)色散DW依賴于光纖設(shè)計參數(shù)，如纖芯半徑和芯－包層折射率差。根據(jù)光纖的這種特性，可改變光纖的色散情況，進行色散位移。通過改變折射率分布及包層結(jié)構(gòu)，可將零色散波長從1.3μm移到1.55μm。色散位移單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計1550nm13101550nmG.653色散位移光纖：讓損耗和色散最低點都在1550nm辦法：材料色散不變，通過改變 折射率剖面形狀來增大波 導(dǎo)色散，使零色散點往長 波長方向移動普通商用光纖色散位移光纖G.656色散平坦光纖20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030l(mm)普通光纖l1總色散l2色散平坦光纖修正單模光纖的包層結(jié)構(gòu)也可使零色散波長左移，甚至進一步在兩個波長上優(yōu)化，構(gòu)成色散平坦光纖（DFF）在較大的范圍內(nèi)保持相近的色散值，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)普通商用光纖色散平坦光纖色散平坦可使在1.3~1.6μm范圍內(nèi)的全色散小于2ps/nm?km。G.655非零色散位移光纖

如果色散為零，四波混頻干擾十分嚴(yán)重，如有微量色散，四波混頻反而減少。因此研制了非零位移色散，G.655光纖，零色散波長在1.525μm或1.585μm。NZ-DSFDFFDSF色散位移光纖色散平坦光纖非零色散位移光纖常用光纖1、G.651光纖多模漸變光纖（GIF）工作窗口：850nm

應(yīng)用：接入網(wǎng)，局域網(wǎng)缺點：不能用于大容量，長距離通信2、G.652光纖常規(guī)單模光纖或色散未位移光纖（第一代單模光纖）工作窗口：1310nm（零色散）——PDH1550nm(最小損耗)——SDH3、G.653光纖色散位移光纖（第二代單模光纖）工作窗口：1550nm

通過制造工藝將零色散轉(zhuǎn)移到1550nm處，使得光纖在1550處同時具有零色散和最小損耗。應(yīng)用：長距離全光中繼傳輸，光孤子通信。缺點：1550nm的零色散帶來嚴(yán)重的非線形效應(yīng)，

不利于密集波分復(fù)用。常用光纖4、G.654光纖最低損耗單模光纖(在G.652光纖的基礎(chǔ)上將1550nm處的損耗進一步降低)

工作窗口：1550nm

應(yīng)用：海底長距離無中繼傳輸5、G.655光纖非零色散光纖（NRDSF）色散移位光纖在1550nm處的色散為零，采用密集波分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)；將1550nm處的零色散向1525或1585nm處轉(zhuǎn)移，1550處的微小色散來控制非線形效應(yīng)。工作波長：1550nm應(yīng)用：DWDM系統(tǒng)，光孤子通信常用光纖

名稱工作窗口特點應(yīng)用G.651多模漸變光纖850nm便宜中小容量、短距離G.652常規(guī)單模光纖1310nm零色散PDH1550nm最低損耗SDHG.653色散位移光纖1550nm零色散和最低損耗長途干線G.654最低損耗單模光纖1550nm進一步降低最低損耗海底長途干線G.655非零色散光纖1550nm零色散在1550附近DWDM光孤子通信1、色散補償光纖（DCF）：針對G.652光纖設(shè)計，解決色散問題特點：在1550nm具有較大的負色散G.652光纖色散補償光纖1km25m2、保偏光纖保持光纖中兩個偏振模的偏振態(tài)。以減少偏振模色散。其它光纖3、全波光纖

1310nm

1550nm850nm12801625工作波長：1280~1625nm應(yīng)用：城域網(wǎng)其它光纖4、大有效面積光纖（LEAF）LEAF產(chǎn)生的原因：光纖通信的發(fā)展趨勢：超高密集波分復(fù)用（64×2.5G）超高速傳輸（40Gb/s）

高功率注入（5~8dBm/波道）全光化單位光場面積的光強度加大，急劇增加的非線性效應(yīng)。只有增大有效面積——大有效面積光纖LEAF的特點：是G.655的一種，為了在色散位移的基礎(chǔ)上進一步減少非線性效應(yīng)。其它光纖光纖色散對系統(tǒng)的限制光纖通信系統(tǒng)中，信息是通過編碼脈沖序列在光纖中傳輸?shù)?，光脈沖的寬度由系統(tǒng)的比特率B決定，因而不希望色散展寬而產(chǎn)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(dǎo)致相鄰比特周期的信號重疊，從而限制了光纖通信系統(tǒng)的比特率B和傳輸距離L，而BL積是評價系統(tǒng)傳輸性能的基本參數(shù)（稱為通信容量）。模內(nèi)色散對傳輸帶寬的影響不同線寬下的系統(tǒng)色散所允許的帶寬與傳輸距離的關(guān)系0nm：光源線寬非常小結(jié)論：1)光源線寬越寬色散越嚴(yán)重2)零色散光纖對提高系統(tǒng)性能作用明顯對于高速光鏈路(>40Gb/s)，色散成為首要考慮的因素之一色散補償光纖(DCF)色散補償光纖傳輸光纖010050100150200傳播長度總色散(ps/nm)TXRX正負色散率搭配使系統(tǒng)累積色散為零存在的問題：(1)高損耗；(2)短波長過補償、長波長欠補償利用光纖光柵(FBG)進行色散補償注：FBG是一種可以反射特定波長的光柵器件色散補償色散補償色散補償2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)第二章光信號的傳輸特性2.4 光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)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(diào)制(SPM)互相位調(diào)制(XPM)四波混頻(FWM)2.4.1概述盡管用于光纖的玻璃材料的非線性很弱，但由于纖芯小，纖芯內(nèi)場強非常高，且作用距離長，使得光纖中的非線性效應(yīng)會積累到足夠的強度，導(dǎo)致對信號的嚴(yán)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(chǎn)生有用的效應(yīng)。導(dǎo)致新的學(xué)科分支—非線性光纖光學(xué)。線性或非線性指的是光在其中傳輸?shù)慕橘|(zhì)的性質(zhì)，而非光本身的性質(zhì)。當(dāng)介質(zhì)受到光場的作用時，組成介質(zhì)的原子或分子內(nèi)的電子相對于原子核發(fā)生微小的位移或振動，使介質(zhì)產(chǎn)生極化，也就是說光場的存在使得介質(zhì)的特性發(fā)生了變化。極化后介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)了偶極子，這些偶極子能輻射出相應(yīng)頻率的電磁波。這種感生的輻射場疊加到原入射場上，便是介質(zhì)內(nèi)的總光場。這一過程由極化強度矢量P與電場強度矢量E的關(guān)系來描述。光纖的非線性光纖的非線性線性介質(zhì)：X：電極化率非線性介質(zhì)（強場）：

d：二階非線性系數(shù)，對半導(dǎo)體、介質(zhì)晶體等中的典型值為

三階非線性系數(shù)，對半導(dǎo)體、介質(zhì)晶體等中的典型值為在強電場作用下任何介質(zhì)對光的響應(yīng)都會變成非線性的，光纖也不例外。光纖的非線性當(dāng)光場較弱時，線性極化率對P的貢獻是主要的，其余高階項可忽略，此時介質(zhì)表現(xiàn)為線性。主要影響介質(zhì)的折射率和介質(zhì)的損耗。當(dāng)光場較強時，高階項不可忽略，介質(zhì)的非線性才可能表現(xiàn)出來。二階非線性系數(shù)將產(chǎn)生如二次諧波及和頻等一系列非線效應(yīng)。只在某些分子結(jié)構(gòu)不對稱的介質(zhì)中才不為零。因為SiO2是對稱分子，因而光纖通常不表現(xiàn)出二階非線性。

光纖主要討論三階非線性。光纖的非線性三階非線性效應(yīng)很大，常稱為克爾效應(yīng)，主要有兩大類：一類是由于光纖的折射率隨輸入光功率的變化引起的，另一類是由散射產(chǎn)生的。光纖中的非線性效應(yīng)可分為兩類:概述二、非線性折射率：光纖折射率與光強的相關(guān)性產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：自相位調(diào)制(SPM)、互相位調(diào)制(XPM)一、受激非彈性散射：光場經(jīng)過非彈性散射將能量傳遞給介質(zhì)產(chǎn)生的效應(yīng)。包括：受激布里淵散射(SBS)和受激喇曼散射(SRS)非線性效應(yīng)概述SBS、SRS及FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強度有關(guān)。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(chǎn)生功率損耗，從而使各個波長間產(chǎn)生串?dāng)_。SPM和XPM都只影響信號的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。所有這些非線性中的任意一種效應(yīng)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(yīng)時一樣。這部分附加功率（以分貝為單位）就是相應(yīng)非線性效應(yīng)的功率代價。非線性效應(yīng)概述非線性效應(yīng)與傳輸距離和纖芯內(nèi)場強有著密切的關(guān)系，為此引入兩個基本參量：有效長度和有效面積。1.有效長度Leff：當(dāng)L很大時，

對于損耗為0.2dB/km的光纖,Leff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(nèi)為常數(shù)。LLeffP(0)實際傳輸距離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(yīng)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(nèi)不是均勻分布的，為簡單起見，采用有效面積Aeff表示。2.4.2受激非彈性散射受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場把部分能量傳遞給介質(zhì)。一個高能量光子（通常稱為泵浦光）被散射成一個低能量的光子（斯托克斯光子），同時產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個能量子SBS產(chǎn)生的能量子為聲學(xué)聲子，只有后向散射SRS產(chǎn)生的能量子為光學(xué)聲子，以前向散射為主，但也有后向散射

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(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強將呈指數(shù)增長---散射是一種閾值行為。受激非彈性散射

閾值功率：在光纖輸出端有一半功率轉(zhuǎn)換成斯托克斯光時的入射功率二、受激布里淵散射（SBS）

入射頻率為

p的泵浦波將一部分能量轉(zhuǎn)移給頻率為

s的斯拖克斯波，并發(fā)出頻率為Ω的聲波，可表示為：

Ω=

p-

s受激布里淵散射的頻移量在聲頻范圍內(nèi)，屬聲學(xué)分支。散射發(fā)生在后向，即斯托克斯波和泵浦光波傳播方向相反。受激布里淵散射的閾值功率比受激喇曼散射的低得多。在光纖中，一旦達到受激布里淵散射的閾值功率，將產(chǎn)生大量的后向傳輸?shù)乃雇锌怂共ā?/p>

光輸入功率超過5mW時，會有65%的功率轉(zhuǎn)換成斯托克斯波。

在1.55μm系統(tǒng)，受激布里淵散射的閾值很低，設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)考慮。二、受激布里淵散射（SBS）特點增益帶寬窄（約10GHz，幾個納米），SBS效應(yīng)被約束在WDM系統(tǒng)的單個波長信道內(nèi)。功率閾值與光源線寬有關(guān)，光源線寬越窄，功率閾值越低（幾個mW）減小SBS對系統(tǒng)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？）一般情況下，SBS在光纖通信系統(tǒng)中是一種有害的因素，應(yīng)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）三、受激喇曼散射（SRS）可看作是介質(zhì)中分子振動對入射光（稱泵浦光）的調(diào)制。

設(shè)入射光的頻率為

l，介質(zhì)的分子振動頻率為

v，則散射光頻率為

s

，這種現(xiàn)象叫做受激喇曼散射。斯托克斯波(Stokes)：反斯托克斯波(Stokes)：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，在這個過程中能量和動量守恒。室溫下，對于二氧化硅玻璃，新峰值頻率比光載頻低13THz。如，當(dāng)信號波長為1.55μm時，將在1.65μm處產(chǎn)生新的波長。三、受激喇曼散射（SRS）受激喇曼散射的頻移量在光頻范圍內(nèi)，屬光學(xué)分支。散射發(fā)生在前向，即斯托克斯波和泵浦光波傳播方向相同。WDM中，短波長信道充當(dāng)泵浦源將能量轉(zhuǎn)移給長波長的信道，引起信道間的串話。

對于單信道系統(tǒng)，光纖中受激喇曼入大效應(yīng)的閾值功率（1W）遠大于目前通信系統(tǒng)使用的光源入纖功率（一般低于10mW），因而不會對系統(tǒng)的特性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1

2

3

4

1

2

3

4fiber特點增益帶寬寬（約125nm），影響其它信道功率WDM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，頻率最高的信道功率消耗最大。三、受激喇曼散射（SRS）（3）3、減小SRS對系統(tǒng)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(FRA)高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。FRA可以提供整個波長波段的放大。通過適當(dāng)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）2.4.3非線性折射率在較高入射光功率下，纖芯折射率應(yīng)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(shù)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(yīng)都起源于非線性折射率。一、自相位調(diào)制SPM折射率非線性分量的出現(xiàn)將引起導(dǎo)模傳播常數(shù)的變化，使傳播常數(shù)增加了一附加項：光纖有效截面積由模場自己產(chǎn)生的非線性效應(yīng)而引起的非線性相移稱為自相位調(diào)制，信號光強的瞬間變化引起其自身的相位調(diào)制。線性傳輸時的傳播常數(shù)非線性系數(shù)光纖中傳輸?shù)墓β?/p>