光纤通信概论第二章2

满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统：是各分量互不相干的独立贡献一分耕耘，一分收获！否则称为非线性系统！非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不同于线性叠加的增益或亏损。在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功率依赖。如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非线性的线性与非线性光信号在线性系统中传输各频率成分独立传输信号畸变来自于色散频谱不变，只是对脉冲所包含的频率成分重新安排信号功率衰减主要来自于吸收损耗和瑞利散射损耗光信号在非线性系统中传输信号畸变来自于色散和非线性有新频率产生不同频率之间相互作用影响:信号光功率损失WDM信道串音应用:波长转换、信号的整形与再生光纤中非线性的重要性光纤非线性的形成单信道系统，功率水平10mw,速率不超过2.5Gb/s时，光纤可以作为线性介质处理，即：光纤的损耗和折射率都与信号功率无关WDM系统中，即使在中等功率水平和比特率下，非线性效应也很显著。非线性相互作用取决于传输距离和光纤横截面积光纤本身不是一种良好的非线性材料,其非线性折射率系数很小,但是由于光纤的低损耗、小光斑尺寸，使得光纤中的光功率密度大,作用距离长，非线性效应显著。石英光纤中的非线性现象起因表现影响应用非线性折射率波动效应(光子与光子之间)光纤折射率与光强的相关性产生的效应自相位调制(SPM)交叉相位调制(XPM)四波混频(FWM)脉冲畸变啁啾串音复用/解复用波长变换信号再生散射效应(光子与声子之间)光信号与声波或光纤材料中振动的分子相互作用，经过非弹性散射将能量传递给介质或其它波长产生的效应受激布里渊散射(SBS，声学声子)受激拉曼散射(SRS，光学声子)信号光能量损失串音传感分布放大四波混频(FWM)效应的影响FWM过程新产生频率的数量=N2(N-1)/2，N为原始信号的频率（波长）数。对于等间隔的WDM系统，这些频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰(同频串扰)，严重影响系统的性能。四波混频(FWM)效应的影响FWM效率依赖于：信道间隔(f)有效面积(Aeff)色度色散D()信号功率(P)信道数增加时，会产生更多的FWM项22DAfPPPFWMratioeffFWM光纤的色散特性色散的一般概念色散对信号的影响光纤色散的概念及分类模式色散概念模式色散的克服色度色散概念几种常用的不同色散特性的光纤单模光纤色散的克服偏振模色散自然光的色散自然光色散：不同波长光经历的有效折射率不同折射角不同空间光色散光纤的传输特性——色散色散定义：物质对不同波长光表现出不同折射率大小（n(λ)），从而使不同波长光具有不同传输速度！色散引起的脉冲展宽示意图光纤的传输特性——色散光纤色散：光信号能量中的各种分量在光纤中具有不同传输速度！影响：由于光脉冲中的不同分量在光纤中的速度不同，它们到达光纤终端有先有后，将引起光脉冲展宽和码间干扰，最终影响通信距离和容量。起因：不只是材料折射率的波长依赖性还有波导效应（波导各区域的折射率不同）……色散对信号的影响相当于信号中的不同分量由于色散的存在，各分量到达传输终点的时间不同，引起信号的时域展宽色散对光通信系统的影响信号畸变引起误码色散是限制光纤传输容量和距离的重要因素之一！12色散对光通信系统传输性能的影响0km60km后120km后180km后10Gb/s非归零码(NRZ)经过普通单模光纤传输后的眼图(D=17ps/nm/km)叠加13色散容限按常用的普通单模光纤色散系数D=17ps/nm/km计算，色散容限分别为940km,58km,3km内容回顾损耗起源，影响损耗系数，相关计算光纤的低损耗接续方式：熔接，损耗最低跳线(带有连接器的光纤)+法兰盘非线性影响：信号光功率损失；WDM信道串音分类：自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)，受激散射(SBS，SRS)对WDM系统影响最大的一种非线性效应——FWM22DAfPPPFWMratioeffFWM色散的分类模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有色度色散(ChromaticDispersion)：材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同，传输速度不同波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同)引起的色散效应偏振模色散：不同偏振态不同传输速度通常简称的色散概念！模式色散：以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽模式色散的表示单位长度光纤上，模式的最大时延差，即传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding模式色散关于多模光纤的NANA越大越好吗？NA越大，越容易耦合，微弯敏感性越小NA越大，能够在多模光纤中传输的模式越多，（不同路径传输的光束为不同的模式）模式色散越严重，影响传输光线中的子午线和斜射线z模式色散的计算——几何光学①②c包层n2芯区n1①传输最快的子午线②传输最慢的子午线对于①，单位长度光纤传输的时延：对于②，单位长度光纤传输的时延：cnncV1111/11121122sinsinsin)/(11nncnncVccc2212cnncnnnncncncnn12211122112多模光纤的模式色散为：仅考虑子午线的情况常用单位是ps/km对模式色散的第一种解决方案——渐变折射率光纤通过改变纤芯的折射率使传输距离最长的光束以最高速度传播，而传输距离最短的光束以最低速度传播在制作时，一层层的沉积具有给定折射率的薄层，每一薄层可以引起光传播方向的微小变化，如果薄层越做越薄，就可以近似实现折射率的渐变对模式色散的第二种解决方案——单模光纤单模光纤没有模式色散，但仍有其他色散——色度色散！色度色散——光信号的不同频率分量在光纤中传播速度不同引起的现象色度色散的表示色散系数：D，单位：ps/nm/kmD代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延色度色散引起的脉冲展宽：其中L表示以km为单位的光纤长度,表示以nm为单位的光信号的光谱宽度包括材料色散和波导色散DLt任何光源发出的光都不是单一频率的，都是由一定频率分量构成的。激光经调制成为信号脉冲光以后，光谱宽度会进一步的增加，光谱宽度用来衡量光信号对应频域上的光波长范围的大小色度色散(一)——材料色散材料色散DM纤芯材料折射率随波长的变化导致了这种色散即使不同波长的光经历完全相同的路径传输，也会发生脉冲展宽色度色散(二)——波导色散波导色散DW由于单模光纤中只有约80％的光功率在纤芯中传播，20％在包层中传播，包层较低的折射率，使在其中传播的光信号分量速率更大一些，这样就出现了色散波导色散的大小取决于光纤的设计200127013101550波长(nm)色散(ps/nm.km)波导色散材料色散G652光纤色散G653光纤色散材料色散与波导色散零色散点零色散点在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范围内，材料色散和波导色散符号相反材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消制造色散补偿光纤或色散位移光纤的原理！单模光纤的色散D=DM+DW色散位移波导色散DW对D的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移NZ-DSFDFFDSF光纤分类标准(ITU-T)G.651多模光纤G.652普通单模光纤(SMF)D=17ps/km/nm@1550nmG.653色散位移单模光纤(DSF)G.654截止波长位移单模光纤（海缆）G.655非零色散位移单模光纤(NZ-DSF)G.656低色散斜率NZ-DSF0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)EDFA频带20100-10-20色散(ps/nm.km)损耗与色散谱G.652&G.654G.653G.655G.652单模光纤在已安装光纤中所占比例最高色散大，损耗较低，有效面积较大色散受限距离短结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。升级扩容需要解决的关键问题：克服色散的影响——色散补偿G.653单模光纤（DSF）损耗较低，1550nm处零色散，有效面积小1550nm处同时具有低损耗和零色散适用于长距离、单信道超高速EDFA系统用于多通道系统时，四波混频（FWM）是主要问题，不利于DWDM技术结论:适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。22DAfPPPFWMratioeffFWMG.655单模光纤（NZ-DSF）在1530－1565nm窗口有较低的损耗工作窗口具有较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。兼顾色散和非线性,为DWDM系统的应用而设计纤芯的折射率分布多为多包层结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，但在长距离、高速率传输系统中仍然需要进行色散补偿。10Gb/sNRZ信号在G.655光纤无色散补偿传输240km后SumitomoPureGuideLucentTruewaveAlcatelTeralight武汉长飞大保实光纤几种G.655光纤的折射率剖面G.652&G.655光纤比较理想目标SMFLEAFTRUEWAVEPUREGUIDETERALIGHTG.652G.655G.655G.655G.655有效面积Aeff(μm2)最大8072526565衰减(dB/km)最低0.190.2030.2000.2000.200色散(ps/nm/km)1530~1620nm最佳14~232.0~11.22.6~8.65.0~105.5~10信道间隔(GHz)最窄50100100100100长距离光传输系统必须补偿光纤色散！色散补偿技术常用的色散补偿方法：利用具有负色散的色散补偿光纤或色散补偿模块来抵消传输光纤的正色散！色散补偿光纤啁啾光纤光栅色散补偿模块2.5Gb/s光脉冲色散补偿前后的波形对比激光光源发出的原始光脉冲，脉冲宽度为36.78ps：光信号传输100公里后的脉冲形状,未加补偿，脉冲宽度为150ps：光信号传输100公里后的脉冲形状,加补偿，脉冲宽度为38.23ps：色散补偿技术一——色散补偿光纤DCF-DispersionCompensatedfiberDCF——具有大的负色散的光纤。DCF是目前使用较普遍和较实用化的一种在线补偿方案，其技术日趋成熟DCF法是指在标准单模光纤(SMF-SingleModeFiber)中插入一段或几段与其色散相反的DCF，传输一定距离后色散达到一定的均衡，从而把系统色散限制于规定范围内DCF的长度、位置与系统需要补偿色散的量和其自身性能有关。DCF的典型参量1.长度、色散关系DCFSMFDCFSMFSMFDCFDDDDLL''光纤长度色散2.品质因数FOM(ps/nm.dB))/()/(kmdBkmnmpsDFOM负色散值传输损耗系数色散补偿光纤（DCF）的应用以模块式插入线路中信号两次通过DCF,色散补偿量加倍色散补偿光纤（DCF）的应用直接铺设到线路中色散补偿光纤的应用色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/km·nm)TXRX补偿原则（不考虑非线性的情况下）：正负色散搭配使系统累积色散为零0SMFSMFDCFDCFLDDL三包层型DCF光纤折射率剖面示意图制作：通过纤芯与包层折射率分布以及尺寸大小的变化来改变光纤色散，主要是包层尺寸与折射率分布的改变DCF的制作