光纤通信与光纤网络_chapter1

1、光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络 闫娟娟闫娟娟新主楼新主楼F1014， Tel: 82317220Email: 光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络?基本结构基本结构 纤芯：纤芯：材料为玻璃材料为玻璃(SiO2)，折射率为，折射率为n1，直径为，直径为2a 包层：包层：材料为玻璃或塑料，折射率为材料为玻璃或塑料，折射率为n2 (n2 n2（光密（光密光疏媒质）光疏媒质） 阶跃型阶跃型(SI，Step index) 梯度型梯度型(渐变型渐变型) (GI，Graded Index)arn

2、arnrn21)(arnnararnrn22112112121)( =1 当当 10时，趋近阶跃型时，趋近阶跃型当当 =1时，三角型（色散位移）时，三角型（色散位移）当当 =2时，平方律分布时，平方律分布 -相对折射率差相对折射率差光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络n 光纤的光纤的模式模式：指能够独立存在的电磁场的场结构形式，：指能够独立存在的电磁场的场结构形式， 许多模式的线性组合构成了光波导中总许多模式的线性组合构成了光波导中总 的场分布。的场分布。 一个模式，实际上是光波导的光场沿横截面分布的一种一个模式，实际上是光波导的光场沿横截面分布的一种场图。从几何光学角度看，多模光纤的每一个模

3、式是与光场图。从几何光学角度看，多模光纤的每一个模式是与光纤轴成一定角度传输的光束相联系的，不同的模式对应不纤轴成一定角度传输的光束相联系的，不同的模式对应不同的角度。同的角度。 光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络 按照光纤传输模式的多少分：按照光纤传输模式的多少分： 单模光纤单模光纤 多模光纤多模光纤 按照光纤截面折射率分布分：按照光纤截面折射率分布分： 阶跃型光纤阶跃型光纤 梯度型光纤梯度型光纤 双包层（双包层（W型）型） 三角分布三角分布-色散位移光纤色散位移光纤(DSF G.653), 非零色散位移光纤非零色散位移光纤(NZ-DSF G.655) 光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络

4、ITU-T 标准光纤标准光纤 G.652：普通单模光纤：普通单模光纤(SSMF) G.653：色散位移光纤：色散位移光纤(DSF) G.655：非零色散位移光纤：非零色散位移光纤(NZ-DSF) 产品：康宁产品：康宁LEAF；长飞：大保实；长飞：大保实特种光纤特种光纤 保偏光纤保偏光纤(PMF) 色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF) 掺铒光纤掺铒光纤(EDF)等等光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络损耗损耗：光波损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一。：光波损耗是限制无中继通信距离的重要因素之一。色散色散：不同频率的光波在光纤中具有不同的传播速度，色：不同频率的光波在光纤中具有不同的传播速度，色

5、 散引起传输脉冲展宽，产生码间干扰，从而限制了散引起传输脉冲展宽，产生码间干扰，从而限制了 通信容量和通信距离。通信容量和通信距离。非线性效应：非线性效应：由光强引起折射率变化而产生的，也可以引由光强引起折射率变化而产生的，也可以引 起传输信号的畸变，与色散的共同作用是限制高起传输信号的畸变，与色散的共同作用是限制高 速速WDM系统性能的主要因素。系统性能的主要因素。光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的损耗光纤的损耗 定义定义 损耗类型与损耗谱损耗类型与损耗谱inoutPPLkmdB10log10L-光纤长度，光纤长度，Pout-出纤光功率，出纤光功率， Pin-入纤光功率入纤光功率 引

6、起光纤损耗的主要机理：引起光纤损耗的主要机理： 光能量的吸收损耗、散射损耗、辐射损耗光能量的吸收损耗、散射损耗、辐射损耗Pin, Pout以以W或或mW为单位为单位光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的损耗光纤的损耗 损耗类型损耗类型:吸收损耗吸收损耗散射损耗散射损耗辐射损耗辐射损耗红外和紫外吸收损耗红外和紫外吸收损耗 OH离子吸收损耗离子吸收损耗 金属离子吸收损耗金属离子吸收损耗瑞利散射损耗瑞利散射损耗 波导散射损耗波导散射损耗 非线性散射损耗非线性散射损耗光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络 光纤材料的吸收损耗包括：材料本身所固有的紫外、红外吸收光纤材料的吸收损耗包括：材料本身所固有的

7、紫外、红外吸收-本本征吸收损耗征吸收损耗; OH离子、金属离子等离子、金属离子等-非非本征吸收损耗本征吸收损耗紫外吸收紫外吸收: 低能级电子吸收光能量跃迁至高能级，吸收峰在低能级电子吸收光能量跃迁至高能级，吸收峰在0.16 m, 尾巴延伸至光纤通信波段尾巴延伸至光纤通信波段, 在短波长区达在短波长区达1dB/km,长波长长波长 区约区约0.05 dB/km。红外吸收红外吸收: Si-O键振动吸收键振动吸收,谐振吸收峰在谐振吸收峰在9.1、12.5、21 m，尾巴延，尾巴延 伸至伸至1.51.7 m，造成光纤工作波长的上限。，造成光纤工作波长的上限。OH离子吸收：离子吸收：O-H键的基本谐振波长

8、为键的基本谐振波长为2.73 m，与，与Si-O键的谐振波键的谐振波 长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收 峰，影响较大的是在峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的，峰之间的 低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 减小减小OH离子浓度，降低这些吸收峰离子浓度，降低这些吸收峰-全波光纤（康宁）全波光纤（康宁）金属离子吸收：金属离子吸收：金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰（0.51.1 m)，目前杂质含量低于，目前杂质含量低于10-9，其影响已可忽略。，其影

9、响已可忽略。光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的散射损耗光纤的散射损耗瑞利散射损耗瑞利散射损耗光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度光纤在加热制造过程中的热骚动，造成材料密度不均匀（比光波长小的尺度上的随机变化），不均匀（比光波长小的尺度上的随机变化）， 进进而造成折射率的不均匀，引起光的散射而造成折射率的不均匀，引起光的散射-瑞利散瑞利散射。大小与射。大小与 4成反比。成反比。波导散射损耗波导散射损耗光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成光纤芯径沿轴向不均匀（大于光波长尺度）造成导模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移导模和辐射模间的能量耦合，使能量从导模转移到辐射模，造成波

10、导散射损耗（又称米氏散射），到辐射模，造成波导散射损耗（又称米氏散射），目前的光纤制造水平，可将芯径的变动控制到目前的光纤制造水平，可将芯径的变动控制到1%，相应的散射损耗，相应的散射损耗Ez的解，称为的解，称为HEvm模模对于对于Hz 0,D0)：红快蓝慢：红快蓝慢 负负色散区色散区( 20)：蓝快红慢：蓝快红慢 色散位移：利用模场半径色散位移：利用模场半径W与与V的关系，可导出：的关系，可导出：作业作业：简述色散位移光纤的设计思想简述色散位移光纤的设计思想光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络 在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简

11、并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。 偏振模色散偏振模色散(PMD) PMD产生原因：产生原因： 光纤不同偏振态的双折光纤不同偏振态的双折射；光纤几何形状不规则射；光纤几何形状不规则或内部应力不均匀；外界或内部应力不均匀；外界因素如弯曲、扭曲和挤压因素如弯曲、扭曲和挤压或温度的变化等。或温度的变化等。光纤的色散光纤的色散分类分类 光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络按照国际标准技术规范小组的观点：为保证按照

12、国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导致导致的系统功率代价在的系统功率代价在1dB以下，偏振模色散的平均值必须小以下，偏振模色散的平均值必须小于一比特周期的十分之一于一比特周期的十分之一(10ps for a 10Gb/s system) 。 当当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！我国信息产业部对已铺设光纤传输线路的测试结果我国信息产业部对已铺设光纤传输线路的测试结果表明，线路偏振模色散大于表明，线路偏振模色散大于20ps，不能直接在线路上进，不能直接在线路上进行行10Gb/s高速信号的传输。高速信号的传输。 polgxgyLLvv

13、polPMDDL EDPMD: :微分群时延，微分群时延， 典型值在典型值在0.1到到1.0 之间。之间。ps/km光纤的色散光纤的色散分类分类 光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络E概述概述E光纤的传输理论光纤的传输理论E光纤的色散光纤的色散E光纤的非线性光纤的非线性E光纤制造及光缆光纤制造及光缆光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能

14、的限制。足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。光纤中的非线性效应可分为两类光纤中的非线性效应可分为两类:非线性折射率：非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性，产生的效应光纤折射率与光强的相关性，产生的效应（克尔效应）。包括：自相位调制（克尔效应）。包括：自相位调制(SPM)、互相位调制、互相位调制(XPM)和四波混频和四波混频(FWM)受激非弹性散射：受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应。包括：产生的效应。包括： 受激布里渊散射受激布里渊散

15、射(SBS)和受激喇曼散射和受激喇曼散射(SRS)光纤的非线性光纤的非线性光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 克尔效应克尔效应 在电场的作用下，光纤介质的极化强度在电场的作用下，光纤介质的极化强度p可表示为：可表示为：(1)(2)(3)0:.pEEEEEE 其中，其中，0为真空中的介电常数，为真空中的介电常数， (i) 为为i阶电极化率，阶电极化率， (1)为线性为线性极化率，主要影响介质的折射率和衰减。对于极化率，主要影响介质的折射率和衰减。对于SiO2材料制成的光材料制成的光纤，具有对称分子结构，所以纤，具有对称分子结构，所以 (2)0（掺杂后的光纤掺杂后的光纤

16、(2)0）。）。光光纤的非线性主要起源于纤的非线性主要起源于 (3) ， (3)与电场相互作用产生非线性折射与电场相互作用产生非线性折射率或克尔系数率或克尔系数 。由此引起导模传播常数发生变化。由此引起导模传播常数发生变化。PP为光纤中传输的功率，为光纤中传输的功率， 为非线性系数，为非线性系数，Aeff光纤有光纤有效截面积效截面积2n2eff/knA光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 自相位调制自相位调制（SPM）非线性折射率的存在引入了传播常数的非线性分量，导致模场非线性折射率的存在引入了传播常数的非线性分量，导致模场相位随距离线性增加。由模场自身产生的克尔效应而

17、引起的非线相位随距离线性增加。由模场自身产生的克尔效应而引起的非线性相移称为自相位调制（性相移称为自相位调制（SPM）。考虑光纤衰减时有：）。考虑光纤衰减时有：inin00()exp()LLNLeffdzPz dzP LLeff为考虑光纤衰减时的有效传播长度为考虑光纤衰减时的有效传播长度为光纤的衰减系数为光纤的衰减系数, 以以N(奈培奈培)/km为单位为单位1 exp() /effLL SPM会导致光脉冲的频谱展宽或频率啁啾，影响系统性能。但会导致光脉冲的频谱展宽或频率啁啾，影响系统性能。但在光纤的负色散区，在光纤的负色散区，SPM与色散相互作用能支持超短光孤子脉冲与色散相互作用能支持超短光孤

18、子脉冲传播，实现光孤子通信。传播，实现光孤子通信。1(/km)()dPNP dz inexp()P zPzJ 作业：作业：推导以推导以N( (奈奈培培)/km和和dB/km为单位为单位的衰减系数之间的关系的衰减系数之间的关系光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 交叉相位调制交叉相位调制（XPM）当使用不同载波的两个或两个以上信号在光纤中同时传播时，当使用不同载波的两个或两个以上信号在光纤中同时传播时，折射率与光强的相关性会导致交叉相位调制（折射率与光强的相关性会导致交叉相位调制（XPM），也就是一），也就是一个特定信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的场强或个特定

19、信道光信号产生的非线性相移不仅取决于其自身的场强或功率，也取决于其它信道信号的功率，第功率，也取决于其它信道信号的功率，第j信道的相移可写为：信道的相移可写为：(2)NjNLeffjiijLPP其中，其中，N为信道数，为信道数，Pi为信道功率。为信道功率。XPM所导致的非线性相移与所有信道的总功率有关，并根据相所导致的非线性相移与所有信道的总功率有关，并根据相邻信道比特图形而变化。在各信道功率相等且所有信道同时承载邻信道比特图形而变化。在各信道功率相等且所有信道同时承载比特比特“1”时产生的影响最坏。时产生的影响最坏。光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 四波混频四波混

20、频（FWM） FWM是当多个波长信号在光纤中共同传输时，由于是当多个波长信号在光纤中共同传输时，由于 (3)的作用，的作用，产生新的频率成分的非线性效应。这些新生的频率分量能对系统产生新的频率成分的非线性效应。这些新生的频率分量能对系统性能造成影响的主要是：性能造成影响的主要是：ijkijkn对于等间隔的对于等间隔的WDM系统，由系统，由FWM产生的频率分量将与信号产生的频率分量将与信号频率重叠，形成信道之间的串扰频率重叠，形成信道之间的串扰(同频串扰同频串扰)，严重影响系统的，严重影响系统的性能。性能。在在n信道的信道的WDM系统中，可能的组合有系统中，可能的组合有2/12nn种种(, )i

21、jkijkki jE 相位匹配条件相位匹配条件光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 受激非弹性散射受激非弹性散射 一个高能量光子被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），一个高能量光子被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光）， 同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子 受激布里渊散射受激布里渊散射（SBS）参与的能量子为声学声子，只有后向参与的能量子为声学声子，只有后向散射散射 受激拉曼散射受激拉曼散射（SRS）参与的能量子为光学声子，以前向散射参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射为主，但也有后向散射 阈值功率：在光

22、纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的阈值功率：在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率入射功率 散射光一般会对信号光产生串扰。散射光一般会对信号光产生串扰。 选择合适波长的泵浦，可以将其能量传递给信号光，使选择合适波长的泵浦，可以将其能量传递给信号光，使信号光得到放大，制成布里渊放大器或拉曼放大器。信号光得到放大，制成布里渊放大器或拉曼放大器。光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 SBS的特点的特点 增益带宽窄（约增益带宽窄（约20MHz），只影响本信道功率），只影响本信道功率 阈值功率与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低阈值功率与光源线宽有关，光

23、源线宽越窄，功率阈值越低布里渊放大器的增益带宽很窄，放大带宽也很窄，主要布里渊放大器的增益带宽很窄，放大带宽也很窄，主要用于多信道系统选择信道，提高接收机灵敏度。用于多信道系统选择信道，提高接收机灵敏度。 SBS产生机理产生机理：在在外加光场的作用下，光纤介质的外加光场的作用下，光纤介质的密度因电致收缩效应而发生变化，导致光波散射，并在密度因电致收缩效应而发生变化，导致光波散射，并在介质内产生频率为入射光与散射光频率差的声学声子。介质内产生频率为入射光与散射光频率差的声学声子。光纤通信与光纤网络光纤通信与光纤网络光纤的非线性光纤的非线性 SRS产生机理产生机理：入射光进入光纤介质后，光子被介质

24、吸入射光进入光纤介质后，光子被介质吸收，介质分子由基能级激发到高能级，高能级不稳定，在跃收，介质分子由基能级激发到高能级，高能级不稳定，在跃迁到较低能级的亚稳态能级的过程中，发射散射光子，在驰迁到较低能级的亚稳态能级的过程中，发射散射光子，在驰豫到基态过程中产生光学声子豫到基态过程中产生光学声子。SRS的特点的特点增益带宽宽（约增益带宽宽（约40THz），影响其它信），影响其它信道功率道功率在在WDM系统中，较高频率的信号成为系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大的信道功率消耗最大应用：应用：利用利用SRS可制成拉曼激光器和拉曼放大器，放大器的增益带可制成拉曼激光器和拉曼放大器，放大器的增益带宽宽，泵浦光与信号光可