千万不能删光纤通信第一章导论

非线性光纤光学

原理及应用Overallgoalsof

thiscourse掌握光脉冲在光纤中传播的规律：现象；现象背后的物理机制；这些现象对通信系统的影响及其控制方法。掌握光脉冲在光纤中的传播特性及其在光纤通信中的应用传播特性器件原理器件本课程基础《大学物理》课程有关振动和波,电磁学和光学部分;《高等数学》;《光纤通信》;一门编程语言(我们用CPP)，或一种数学工具如Matlab，Mathematica;一种绘图软件如Origin.教和学讲授（4次）自学与讨论相结合课后消化至关重要做练习、使用软件或程序、编程序、绘图…专题报告（每人一个专题）

第一章导论Aboutopticalfibers

〇认识光纤；

〇了解光纤特性:

☆线性特性:吸收(损耗,衰减),色散;

☆非线性特性:自相位调制,受激散射,四波混频.〇了解光纤通信

Aboutlight(nextlecture)

Remembersomeusefulnumbers玻璃中的光速v=c/n其中c=3x108m/s,n~1.5频率x波长=光速e.g.for1.5mm,frequency=200THz波长用microns(微米mm)andnanometres(纳米nm)来衡量频率用吉赫兹（GHz，109Hz）来衡量AWDMchannelspacingat1.55mmmightbe1nm-whatisthisinfrequency?About125GHz0.8nm~100GHz-wellworthremembering!Anopticalamplifierhasapassbandof30-40nmie~4THz脉冲宽度用皮秒(ps,10-12s)或飞秒(fs,10-15s)来衡量protectivepolymersheath光纤是什么？silicacladdingn~1.45Today,morecomplexprofilestotunedispersion“high”indexdoped-silicacoren~1.46“LP01”confinedmodefielddiameter~8µmlosses~0.2dB/km(amplifiersevery50–100km)butthisis~asgoodasitgets…[R.Ramaswami&K.N.Sivarajan,OpticalNetworks:APracticalPerspective]

光纤就是玻璃丝几种单模光纤G.652单模光纤满足ITU-T.G.652要求的单模光纤，常称为非色散位移光纤(NDSF)，其零色散位于1．3um窗口低损耗区，工作波长为1310nm（损耗为0．36dB／km）。我国已敷设的光纤光缆绝大多数是这类光纤。随着光纤光缆工业和半导体激光技术的成功推进，光纤线路的工作波长可转移到更低损耗（0.22dB／km）的1550nm光纤窗口。

G.653单模光纤满足ITU-T.G.653要求的单模光纤，常称色散位移光纤（DSF＝DispersionShifledFiber），其零色散波长移位到损耗极低的1550nm处。这种光纤在有些国家，特别在日本被推广使用，我国京九干线上也有所采纳。美国AT＆T早期发现DSF的严重不足，在1550nm附近低色散区存在有害的四波混频等光纤非线性效应，阻碍光纤放大器在1550nm窗口的应用。但在日本，将色散补偿技术*用于G.653单模光纤线路，仍可解决问题，而且未见有日本的G.655光纤，似属个谜。

G.655单模光纤满足ITU-T.G.655要求的单模光纤，常称非零色散位移光纤或NZDSF（＝NonZeroDispersionShiftedFiber）。属于色散位移光纤，不过在1550nm处色散不是零值（按ITU-T.G.655规定，在波长1530-1565nm范围对应的色散值为0.1-6.0ps／nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应。商品光纤有如AT&T的TrueWave光纤，Corning的SMF-LS光纤（其零色散波长典型值为1567.5nm，零色散典型值为0.07ps／nm2.km）以及Corning的LEAF光纤。我国的“大宝实”光纤等。

LEAF光纤商品名为LEAF（＝LargeEffectiveAreaFiber）的单模非零色散位移光纤，工作在1550nm窗口；与标准的非零色散位移光纤相比，具有较大的“有效面积”，因而较大的功率承受能力，适于使用高输出功率掺饵光纤放大器，即EDFA和密集波分复用（DWDM）技术的网络之用。

FiberTypesNDSFNZ-DSFLEAFCoreoDispersion(tolerance)XPMCrossPhaseModulation(tolerance)PMDPolarizationModeDispersion(tolerance)FWMFourWaveMixing(tolerance)LaunchPower80m250-55m280m21310nm>1560nm<1530nmor>1560nmbetterworse50-55m2DSF1550nm<1530nmCorningLSFLucent’sTruewave(criticalproblemwithWDM)模式(mode)是什么?传输介质中电磁波的一种电磁场分布样式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊的场图形所表征。光纤中的传播模的传播常数不能为任意值，它们是特征方程的一些解，取分离值，而特征方程是由这些模场必须满足的Maxwell方程组和一定的边界条件所决定的。光纤模式光纤模式线性偏振模(LPmn):m是角坐标在从0到2π弧度间变化时出现最大（或最小）强度值次数的一半；n是径坐标从0到无穷远变化时出现的最大强度值的次数。单模光纤和多模光纤单模条件：单模光纤:传播一个模多模光纤:可传播多个模光纤特性线性特性

损耗（loss）色散(dispersion)编振(polarization)非线性特性自相位调制（SPM）

交叉相位调制（XPM）

四波混频（FWM）

受激Raman散射（SRS）光能走多远?吸收(损耗)&色散AttenuationeffectAttenuation

+

chromaticdispersionLighttransmissionislimitedbyattenuationanddispersionDistancePerfectpulseRealpulse光能走多远取决于几个参数:

吸收(损耗),色散,非线性光纤损耗波长

(nm)衰减

(dB/km)1200110016001700140013001500CSLS:1440~1530nmC:1530~1565nmL:1565~1625nmITU-T定义L,C,S波段由于HO引起的吸收(1385nm)光纤色散正常色散

D<0,β2>0反常色散

D>0,β2<0零色散点

λD=1,31μm在正常色散区,光脉冲的较高的频率分量(蓝移)比较低的频率分量(红移)传输得慢在反常色散区,光脉冲的较高的频率分量(蓝移)比较低的频率分量(红移)传输得快单模光纤(SMF:Single-ModeFiber),色散位移光纤(DSF:DispersionShiftedFibre)和非零色散位移光纤(NZDSF:Non-ZeroDispersionShiftedFiber)的色散图Dispersion(ps/nm/km)Wavelength(nm)WDMbandBlueandredshiftedlightoverlapswithneighbouringpulse-givingintersymbolinterference(i.s.i.)penaltyPenaltyincreaseswithbitrateas:pulsesareclosertogetherandlinewidthincreaseswithbitrateLaserLinewidthandDispersionAllopticalsignalshaveanon-zeroopticalbandwidthFibredispersioninteractswithsignalspectrumtocausepulsebroadening:HigherBit-ratesarelessrobusttoChromaticDispersion60KMSMF-284KMSMF-2810Gb/s40Gb/s色散效应对高速通信系统的影响CDofSMFtt偏振模色散(PMD:PolarizationModeDispersion)光纤纤芯形变导致两个分量以不同的速度传播光场由两个分量组成

(2polarizationmodes)WavelengthOriginalpulsePMDmeasurementsonoldfibersvalidated10Gbit/sfeasibilityPulsespreading光纤通信选择哪些波长窗口?Attenuation(dB/km)1600170014001300120015001100Wavelength(nm)Dispersion-unshiftedFiberDispersion-shiftedFiber20100-10-20Dispersion(ps/nm×km)EDFAbandTrueWaveFiberAttenuation(allFibertypes)+DispersionInputPulseOutputPulseFiberAttenuationandChromaticDispersion光纤通信选择哪些波长窗口?ThelightsentinpulseshasacertainrangeoffrequencyLight1310nm1550nmWavelengthSilicacharacteristicsgiveminimumfiberattenuationin2windowsLighttravelsfurtherat1550nmWavelengthsoutsidethesewindowsdonottravelwell!1310nm1550nmAttenuation光纤特性线性特性损耗（loss）色散(dispersion)编振(polarization)非线性特性

自相位调制（SPM）

交叉相位调制（XPM）

四波混频（FWM）

受激Raman散射（SRS）Selfphasemodulation(SPM)Crossphasemodulation(XPM)StimulatedRamanScattering(SRS)

StimulatedBrillouinScattering(SBS)Fourwavemixing(FWM)光纤非线性(Fibernon-linearities)光在光纤中能走多远取决于如下几个参数:

-损耗(attenuation),

-色散(dispersion)and

-光纤非线性(fibernon-linearities)amongwhich:光纤非线性的产生机制最主要的机制是光纤玻璃的折射率与通过其中的光功率有关。n0=Therefractiveindexofthefibercoreatlowopticalpowerlevels.

n2=Thenonlinearrefractiveindexcoefficient(2.35x10-20m2/Wforsilica).

P=TheopticalpowerinWatts.

Aeff=Effectiveareaofthefibercoreinsquaremeters.LeadingtoSPM,XPM,FWMQuestion:howtoeliminatethenonlinearitiesproducedbyrefractiveindexpowerdependence?TheRefractiveIndexofSilicaversusOpticalPower

第二种机制是光纤玻璃中的光散射现象，如受激Raman散射(SRS)和Brillouin散射(SBS)。非线性效应在高速通信系统中的危害性

Importanttoconsidernonlineareffectsathigherrates(10Gb/sandabove)athighertransmittedpowersInDWDM,importantevenatmoderatepowersandbitratesSPMRefractionindexvariationinduceschirpinachannel-dispersionpenaltySignificantathighpowerlevelsCPMInWDMsystemwithmultiplechannels,theinducedchirpinonechanneldependsontherefractiveindexvariationwiththeintensityonotherchannel!FWMNewsignalsatcombinedfrequencyDWDMsystemwithDSF:crosstalkSelf-phasemodulation单通道相位效应信号功率改变介质折射率脉冲串通过光纤某点的功率随时间变化，P(t)功率随时间变化导致折射率随时间变化，从而导致瞬时频率改变（频率啁啾）产生的频率啁啾使信号谱加宽从而增加色散效应因而减少了比特率-距离积Cross-phas