光纤通信(第版)王辉电子教案（ 精品）

2光纤〔标准单模光纤〕

是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤的衰减率到达。目前已经铺设的光缆线路绝大局部都采用这种光纤，该光纤也可用于波段、的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为20 ，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输距离可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只能传输50公里。

光纤的新产品还有、C和D，其中G.625B 光纤具有低PMD值，成缆光纤的最大PMD为 ，可支持数据速率10GBb/s，达3000公里，如数据速率为40Gb/s，那么可传输80km。光纤为无水峰光纤，原水峰处13833nm处的衰减可做到不大于1310nm处的值，所以系统可工作在E波段和S波段，见表。同时，水峰的消除使在1550nm处的损耗更低，从而可传输速率为10Gb/s的数据。光纤在波长和带宽上与光纤类似，支持CWDM和O/E/S/C/L/U 波段应用，在数据速率上与光纤类似。

表2.5单模光纤波段划分

光纤〔色散位移光纤〕

光纤由于零色散与低衰减不在同一波长上，使工程应用受到很大限制，而那么把零色散点从1.31 处移到了处，所以也称为色散移位光纤DSF(dispersion-shifterfiber)。它是单波长传输的最正确选择，但是对多信道应用而言，由于各信道光波之间的相位匹配很好，四波混频效应较强，会产生非常严重的干扰产物，所以不适合于WDM系统，目前已不再铺设。

光纤〔衰减最小光纤〕

这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研制的，其特点是在的衰减很小，仅为，但在该波长处的色散较大，约为17~20

，其零色散点在处。

光纤〔非零色散光纤〕

光纤是一种改进型的色散移位光纤，与相比，其零色散点不在处，而是在或者处，处有适当的微量色散。光纤适用于密集波分复用DWDM系统中，光纤中存在少量色散，四波混频反而减少。

光纤目前可划分为A,B,C三个子类。光纤在C波段支持10Gb/s的波长速率、200GHz及以上间隔的DWDM系统应用，C波段最大色散为6 ；光纤在C和L波段支持10Gb/s波长速率、100GHz及以下间隔的DWDM应用。C波段最大色散为10 ；光纤在的根底上将PMD降低到0.2 ，可支持10Gb/s波长速率DWDM系统传输距离达3000km以上。

光纤

这种光纤零色散点在S波段的短波侧。在1460至1565nm波长范围内，色散系数D有2、和15 三个待定值，并且在S、C及L三个波段都有DWDM适应的色散。

41．色散位移单模光纤常规的石英单模光纤在处损耗最小；在时色散系数趋于零，称为单模光纤材料零色散波长。色散位移光纤〔DSF〕就是将零色散点移到处的光纤。1．色散位移单模光纤对于单模光纤，只存在材料色散和波导色散。目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，实现处的低损耗与零色散。非零色散光纤〔NZDF〕。561．色散位移单模光纤图2-17色散位移光纤的色散

72．非零色散光纤在色散位移光纤线路中采用光纤放大器会使得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效应。为了提高多波长WDM系统的传输质量，考虑将零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系统的应用。非零色散光纤是指光纤的工作波长不是在的零色散点，而是移到～范围内，在此区域内的色散值较小，约为～4.0PS/km·nm。83．色散平坦光纤为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段〔～〕都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤——色散平坦光纤〔DFF〕。为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来到达目的。93．色散平坦光纤图2-18色散平坦光纤的折射率分布103．色散平坦光纤图2-19色散平坦光纤的色散114．色散补偿光纤色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发生的展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤〔DCF〕。如果常规光纤的色散在波长区为正色散值，那么DCF应具有负的色散系数。使得光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。DCF的这一特性可以比较好地到达高速率长距离传输的目的。122.5光纤的传输特性1．光纤的损耗特性2．光纤的色散特性131．光纤的损耗特性光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。光纤本身损耗的原因大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。141．光纤的损耗特性〔1〕吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一局部光能变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。1．光纤的损耗特性本征吸收是光纤根本材料〔例如纯SiO2〕固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收根本上确定了任何特定材料的吸收的下限。吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。15161．光纤的损耗特性〔2〕散射损耗由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射，非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。171．光纤的损耗特性①瑞利散射损耗瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的增加而急剧减小，所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。。1．光纤的损耗特性②材料不均匀所引起的散射损耗结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射18192．光纤的色散特性〔1〕什么是光纤的色散一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为光源的谱线宽度，用Δλ表示。一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度应为零。光纤中传送的信号是由不同的频率成分和不同的模式成分构成的，它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散。202．光纤的色散特性图2-20光源的谱线宽度212．光纤的色散特性〔2〕光纤中的色散模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数βmn不同，它所引起的色散称为模式色散。材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长λ呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。222.6光纤的非线性效应2.6.1受激光散射效应2.6.2光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应2.6.3光孤子通信232.6.1受激光散射效应1．受激喇曼散射如设入射光的频率为f0，介质分子振动频率为fv，那么散射光的频率为fs=f0±fv，这种现象称为受激喇曼散射。

2．受激布里渊散射受激布里渊散射所产生的斯托克斯波在声频范围，其波的方向和泵浦波方向相反，即在光纤中只要到达受激布里渊散射的阈值，就会产生大量的后向传输的斯托克斯波。242.6.2光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应光纤在强光作用下折射率的表达式。此时光纤的折射率不再是常数，而是与光波电场E有关的非线性参量。式中n2称为非线性克尔系数。折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是自相位调制〔SPM〕，交叉相位调制〔XPM〕及四波混频〔FWM〕。252.6.2光纤折射率随光强度变化而引起的非线性效应1．自相位调制〔SPM〕2．交叉相位调制〔XPM〕3．四波混频〔FWM〕261．自相位调制〔SPM〕在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频谱发生变化。把光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。272．交叉相位调制〔XPM〕当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，由于光纤非线性效应的存在，它们之间将相互作用。光纤中由于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其它光波的相位调制。这种由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。283．四波混频〔FWM〕四波混频是一种参量过程，是由三阶电极化率x参与的三阶参量过程。当多个频率的光波以较大的功率在光纤中同时传输时，由于光纤中非线性效应的存在，光波之间会产生能量交换。3．四波混频〔FWM〕第四个光波的频率可以是三个入射光波频率的各种组合，把这种现象称之为是非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。四波混频现象对系统的传输性能影响很大。29302.6.3光孤子通信1．光孤子2．光孤立子的产生机理3．光纤损耗对光孤子传输的影响4．光孤子通信系统的根本组成311．光孤子从物理学的观点看，光孤立子是光非线性光学的一个特殊产物。孤立子又称孤子、孤立波，它是一种可以长距离、无畸变传输的电磁波。光脉冲波就像一个个孤立的粒子一样，因此称其为孤立子。322．光孤立子的产生机理折射率n与相位φ之间存在确定的关系。一个光脉冲的前沿光强的增大将会引起光纤中光信号的相位增大，随之造成光信号的频率降低，进而使光纤中光脉冲信号的脉冲前沿传输速度降低。2．光孤立子的产生机理如果所传信号是强的光脉冲，那么光纤非线性效应使脉冲变窄的作用正好补偿了色散效应使脉冲展宽的影响。那么，可以想像这种光脉冲信号在光纤的传输过程中将不会产生畸变，脉冲波就像一个一个孤立的粒子那样传输，故称孤立子〔Soliton〕33343．光纤损耗对光孤子传输的影响〔1〕损耗对光孤子宽度的影响即使光孤子发生展宽，但与不存在非线性影响情况下的展宽相比要小的多，因此对光纤通信系统来说，非线性影响是有益的。如果使用高阶光孤子来分析的话，也可以得到同样的结论。而且在8Gbit/s传输速率、光孤子的峰值功率为3mW条件下，预计中继距离可增加两倍。353．光纤损耗对光孤子传输的影响图2-21一阶光孤子发射进光纤时，有损耗光纤中的光孤子展宽363．光纤损耗对光孤子传输的影响〔2〕利用光孤子放大补偿光损耗为克服光纤损耗的影响，需要对光孤子周期性地放大，以便恢复其最初的宽度和峰值功率。①集中光孤子放大②分布放大373．光纤损耗对光孤子传输的影响图2-22光孤子通信系统