光纤色散损耗和非线性对通信系统的传输特性的影响

1、光纤色散损耗和非线性 对通信系统的传输特性的影响摘要：光纤通信是以激光作为载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。与电缆与微波等电通信相比，光纤 通信具有传输频带宽、传输衰减小、信号串扰弱、抗电磁干扰等优点。因此，当今全世界通信方式中已构 成了一个以光纤通信为主，微波、卫星通信为辅的格局。 现在，以光纤放大器和波分复用技术共同组成的 密集波分复用光纤传输系统已普及到全世界的核心网以及城域网。由光纤构筑的网络拓扑已延伸到地球的 各个角落，光缆的敷设正向着光纤到家庭、到桌面的方向发展。本文主要介绍光纤通信系统以及光纤色散 损耗和非线性对其的影响的计算方法。 一、 光纤通信系统 1、 光纤通信系统 光纤

2、通信系统与其他通信系统的区别从原理上讲只是载波频率的不同，光载波的频率在 约100THz 的数量级，而微波载频范围在1 到10GHz，由于光载波频率与微波频率之间的差 别，光通信等的信息容量可以比微波系统高出10000 倍，调制带宽可以达到约1Tbps 的量级， 正是由于光通信系统具有如此大的宽带潜力，才使得人们不断研究和开发光通信系统。 图 1 示出了 IMDD 光纤通信系统的组成框图。它由发送端机、光纤传输信道，接收 端机三个主耍部分组成。 图1 光纤通信系统组成框图 光源产生的光信号耙合到光纤中，经光纤传输到接收端机。在接收端机，由光检测器 直接检测光纤中传来的光信号并进行光电转换，形成

3、电信号，再由电接收机恢复成原来的信 号。在光纤通信系统中，除光源、光纤和光俭测器外，都是电子线路。这些电子线路基本上 由功率放大器、低噪声放大器、编码、整形、控制及保护等电路构成，与电通信所用的技术 相同。光源、光纤和光检测器则完成电光转换、光的传输和光电转换的功能，正是这一功能 实现了光纤通信系统大容量、高质量的传输特性。 光纤是光纤通信系统中最重要的组成部分，它是(载有信号的)光波的传输媒介，其 传输特性直接影响系统的通信质量。光纤的主要传输待性是损耗与色散。光纤的传输损耗特 性用衰减系数表示它与光波频率和光纤中的杂质浓度等因素有关。目前，在波长为 1.55 微米波段可以得到衰减系数小于

4、0.2dBkm 的光纤。光纤的色散特性是指光纤中因不同频 率、不同模式的光波的传输速度不同而使已调信号失真的现象。色散影响传输带宽，从而限 制了通信容量和传输距离(无中继)。目前的光纤主要为石英光纤，其典型结构如图2 所示。 内部圆柱由折射率为M的石英材料组成(称为纤芯)，外部圆柱完由折射率为nz 的石英材料 组成(称为包层）。当在两种介质分界面上满足全反射条件时，可将光波限制在纤芯区域经多 次全反射传输到目的地。 图2 光纤结构 2、光纤通信的发展趋势 （1）举例：光纤到家庭(FTTH)的发展 FTTH 可向用户提供极丰富的带宽,所以一直被认为是理想的接入方式,对于实现 信息社会有重要作用,

5、还需要大规模推广和建设。FTTH 所需要的光纤可能是现有已敷 光纤的 23 倍。过去由于 FTTH 成本高,缺少宽带视频业务和宽带内容等原因,使 FTTH 还未能提到日程上来,只有少量的试验。近来,由于光电子器件的进步,光收发模块和 光纤的价格大大降低;加上宽带内容有所缓解,都加速了 FTTH 的实用化进程。 发达国家对 FTTH 的看法不完全相同:美国 AT&T 认为 FTTH 市场较小,在 0F62003 宣称:FTTH 在 20-50 年后才有市场。美国运行商 Verizon 和 Sprint 比较积极,要在 1012 年内采用 FTTH 改造网络。日本 NTT 发展 FTTH 最早,现

6、在已经有近 200 万用户。 目前中国 FTTH 处于试点阶段。 FTTH 遇到的挑战:现在广泛采用的 ADSL 技术提供宽带业务尚有一定优势。 与 FTTH 相比:价格便宜利用原有铜线网使工程建设简单对于目前 1Mbps500kbps 影视节目的传输可满足需求。FTTH 目前大量推广受制约。 FTTH 的解决方案:通常有 P2P 点对点和 PON 无源光网络两大类。 （2）结论 对于不久的将来要发展的宽带业务,如:网上教育,网上办公,会议电视,网上游 戏,远程诊疗等双向业务和 HDTV 高清数字电视,上下行传输不对称的业务,AD8L 就难 以满足。由此可以看出光通信系统的巨大发展潜力。 二、

7、 光纤损耗对通信系统传输特性的影响的计算方法 1、 光纤损耗特性的测量方法 （1） 剪断测量法 在图 3 中，示出了用剪断法测量光纤损耗特性的测量原理图。 图 3 剪断法原理图 A测量原理 首先在被测光纤的输出端(远端)用光功率计测得光纤的输出功率(记为 E P )。然 后，在不改变输入条件的条件下，在距远端 L(km)处把光纤剪断，并用光功率计测得 此处(称为近端)光纤的输出功率(记为 N P )，则该光纤的平均损耗系数 由下式绘出 10 lg ( / ) N E p dB km L P （1） B误差分析 剪断法是一种破坏性的测量方法。影响其测量精度的主要原因如下： 光源的稳定性。本测量方

8、法对光源的最重要的要求是，光源发射的光功率必须稳 定。这种稳定性要求除了包括光源发射的光功率的数值保持稳定(不变)之外，还包括 光源发射光波的光斑尺寸及其在光纤入光端面的数值孔径的稳定，并要求光斑尺寸小 于纤芯尺寸。否则。入射光束投射在纤芯以外，以及位于光纤数值孔径以外的那部分 光功率将被损失掉加之高次模的功率损耗等都将影响测量的精度。为此必须对半 导体光源辅加一定的稳定其输出功率的有效措施。此外，为了测量光纤损耗的频谱特 性，还必须设计一个能改变发射波长的稳定光源，图 4 示出了一个典型的可变波长的 光束发射装置。 图 4 典型的可变波长的光束发射装置 （2）光学时域反射法 A. 光学时域反

9、射法的工作原理 与测量光纤损耗特性所采用的剪断法不同，光学时域反射法(OTDR)没有破坏性， 而且还可以给出光纤各段损耗的详细情况。光学时域反射法的工作原理如图 5 所示。 图 5 光学时域反射法的工作原理 测量时，利用分光器(或定向招合器)把窄激光脉冲功率(如图 5 中虚线所示)注入 被测光纤的一端，该端而的反射波(如图 5 中实线所示)再经分光器注入光检测(放大) 器，并由示波器显示与反射光波成线性关系的电信号的幅度时间特性曲线。由此， 可以分析获得光纤的损耗特性参数。 B. 光学时域反射法的误差分析 影响光学时域反射法测量精度的主要因素为系统的噪声、光源输出脉冲的起伏和 外界干扰。 由于

10、返回到光检测(放大)器的后向散射允很微弱，噪声和干扰的影响将使示波器 上观察到的后向散射光功率波形产生随机起伏，从而影响测量精度。为了提高测量精 度，可以来用“取样积分平均器”，以便消除围噪声和干扰而导致的示波器输出的后 向散射光功率波形的随机起伏，从而保证用该方法推各地、可重复地、且非破坏性地 测量光纤的损耗特性(参数)。 2、光纤损耗特性的远程测量 在工程实际中，常需测量已经敷设的光缆的损耗恃性。此时、光源与光检测器相 隔很远。在采用剪断法时，两次功率测量常常需要两台光功率计，仪表的差别将会带 来相应的测量误差。在图 6 中，示出了一种消除仪表差别带来的相应远程测量误差的 方法的测量原理示

11、意图。 在甲地，光源的输出功率为 1 S ，耦合系数为 1 k ，光功率计 1 D 的功率(增益)系数为 1 R ；在乙地(与甲地相距为 L(km)，光源的输出功率为 2 S ，耦合系数为 2 k ，光功率 计 2 D 的功率(增益)系数为 2 R 。 首先，在甲地用 1 S 作光源，在乙地用光功率计 2 D 测得的光功率 12 P 为 12 1 1 2 l P S k e R (2) 图6 远程（甲乙两地）测量光纤损耗的原理图 然后，在甲地将被测光纤剪断，用光功率汁 1 D 测得的光功率 11 P ，为 11 1 1 1 l P S k e R (3) 接下来，在乙地用 2 S 作光源，在甲

12、地用 1 D 侧很的光功率 21 P 为 21 2 2 1 l P S k e R （4） 然后，在乙地将被测光纤剪断，用 2 D 得的光功率为 22 P 22 2 2 2 l P S k e R （5） 利用式（2）（3）（4）（5）进行下面的运算，可得 1 2 12 21 11 22 exp P P L l P P （6） 即 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 2 1 5 l g l n / l n 2 P P P P e N p k m L l P P L l P P （7） 三、 光纤色散对通信系统的传输特性影响的计算方法 色散是影响光纤传输质量的另重要特性，

13、它将导致光脉冲波形在传输过程中畸 变称为脉冲展宽，这种展宽将使相邻两个光脉冲发生重叠严重时将难以区分。 脉冲的展宽程度决定了光纤的信息承载容量(或称最大码速率)。在数字光纤通信系统 中，为了不使脉冲展宽对信息传输质量产生较大的影响，常对光纤的色散特性提出如 F 技术要求：光纤传递函数的 3dB 带宽不得小于系统的码速率之半；光纤的冲击 响应的均方根脉冲宽度必须小于四分之码元间隔。 造成脉冲展宽的原因有三种：模式色散；材料色散；波导色散。从测量的 角度而言，光纤色散的测量方法大致可分为两大类： (1)时域测量法。直接测量光脉冲在光纤出光端面处的波形畸变应或传递函数。 (2)频域测量法。在频域中直

14、接测量光纤的基带领率特性。再反推出光纤的冲击 响。 对于多模光纤而言，从模式色散和频率色散(材料色散与波导色散的统称)是否 分开单独测量的方式出发，色散的测量方法又分为两大类： (1)全色散测量法。这种方法只能测量光纤的总色散特性参量。 (2)单独测量频率色散(或模式色散)的方法。 1、时域中光纤色散特性的测量(脉冲法) A测量原理 在时域中测量光纤总色散特性的最简单的方法是，用窄的光脉种注入光纤的入光 端面，并在光纤的出光端面检测发冷了展宽的输出脉冲，进而得到对应光纤的均方根 脉冲展宽其汁算公式为 2 2 f f t th t dt h t dt （8） 式中， f h t 为光纤的时域响应

15、函数。 B误差分析 测量的精度取决于光纤的输出脉冲较输入脉冲展宽的明显程度，一般来讲，两者 的均方根脉冲展宽(或半宽)的差别越大，测量的精度就越高。而两者的脉宽差别的大 小主要受下面两个因素的影响。 (1)光源发射脉冲的宽度。光源发射脉冲阂合到被测光纤中形成输入脉冲光源 发射脉冲越窄，光纤输出脉冲的展宽(相对)越明显，测量精度越高。理想情况：光源 发射冲击脉冲时，光纤输出脉冲的均方根展宽就是光纤的均方根脉冲展宽。 (2)光纤中光脉冲传输的距离。如果被测光纤较短，则光纤输出脉冲较输入脉冲 展宽的程度将很不明显，导致测量不准确。为了提高测量精度，必须尽可能增加光脉 冲在被测光纤中传输的距离(或称为

16、行程)，采用下面介绍的往复脉冲法，可以达到此 目的。 2、多模光纤频率色散分离测量法 团 7 为多模光纤频率色散分离测量装置的原理框图。 图 7 频率色散分离测量装置的原理框图 本测量装置与图 6 所示的扫描调制法的装置的一个主要不同之处就在光路中被测 光纤与光检测器之间有一个可以随意插入或取出的滤光片，这个滤光片的通带宽度 1 比 LED 的谱线宽度 0 窄得多但它的通带中心波长与 LED 的螃值波长 0 相同。 正是由于滤光片的加入，才使本装置可以单独测量多模光纤的频率色散特性。 设由正弦波调制的光源的归一化频谱函数为 0 G ，它在被测光纤中激发起 N 个 模式删光纤中第 n 个模式在波

17、长 处单位波长范围内所携带的功率为 0 , , , 1 cos , n z n n n P z t A G e m t z （9） 将 , n z 在光源的螃值波长 0 处展开，并忽略高次项，可得 0 0 , , n n d z z d （10） 被测光纤中传输的总功率为 0 1 , , , , , N n n P z t P z t d （11） 未描人滤光片时，光检测器检测并转换成的交变光生电流 0 , 0 0 0 0 1 , exp n n N j z z n n d I z B e e G j d d （12） 在插入滤光片之后，设滤光之后光束的归一化频谱函数为 1 G 0 , 1 1

18、 0 0 1 , exp n n N j z z n n d I z B e e G j d d （13） 将式(12)与式(13)相除，即可消掉模式色散制约项而保留频率色散制约项，即有 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 exp , , , exp d G j d I d d M d d I G j d d (14) 在光纤通信系统中，大多数光源都可以近似认为具有高斯型的频谱函数，即有 2 2 0,1 0 0,1 0,1 2 ln 2 2 exp ln 2 G （15） 把式(15)代人式(14)中，经推导可得 2 2 2 0 1 0 1 , , , exp 16ln 2 d d M d

19、 d （16） 或者 1 2 2 2 0 1 4 ln ln 2 d M d （17） 式(17)即为光纤的频率色散系数。 四、 光纤的非线性对通信系统传输特性的影响 任何介质都是非线性的。因为它们在强电磁场作用下，都呈现 Q4k 线性效应。当 然，光学非线性本身极其微弱，是一种具有阐值的物理效应，其大小取决于介质的非 线性系数、光场强度以及光场与介质的有效作用长度等因素。在光纤通信中，光纤的 低损耗使传输距离很长，加上密集波分复用技术和掺钨光纤放大器技术的不断进步， 将使相当强的光场限制在芯径很小的单模光纤中传输，非线性效应对光纤通信的影响 变得不可忽视。 非线性光学效应是光和物质相互作用时存在的一种物理现象。光纤 作为电介质，束缚在原子或分子内部的电子在光场作用下产生非简谐运动