光纤传输特性对通信影响

光纤传输特性对通信影响第一页，共52页。第二讲光纤传输特性对通信的影响

？什么是？如何减小?如何定量——损耗、色散、非线性？光纤传输线路中是否存在的零损耗,零色散和零非线性？他们在通信系统中的影响第二页，共52页。一、损耗/衰减

概念：信号强度随距离增加而变弱。第三页，共52页。主要来源：吸收，散射，光泄漏。吸收损耗：由制造材料本身及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生。散射损耗：以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。弯曲损耗：由于光纤弯曲使光从纤芯逸散到包层中产生的光泄漏。第四页，共52页。吸收损耗：1、本征吸收材料本身(如SiO2)的特性决定，即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在。 （1）紫外吸收：光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围（2）红外吸收

光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗晶格第五页，共52页。本

征

吸

收

曲

线第六页，共52页。吸收损耗：2杂质吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)光纤材料中含有过渡金属离子如铁、钴、镍、铜、锰、铬等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由跃迁金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度。另外，OH－存在也产生吸收损耗，OH－的基本吸收极峰在2.7μm附近，吸收带在0.5～1.0μm范围。第七页，共52页。光纤材料制造过程中，受热或强烈的光辐射将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗。其峰值吸收波长约为630nm。原子缺陷吸收损耗，可以通过选用合适的制造工艺、不同的摻杂材料及含量使之减小到可以忽略不计的程度

吸收损耗：3原子缺陷吸收损耗第八页，共52页。散射损耗第九页，共52页。光纤在制作过程中，由于材料在加热过程中使原子受到压缩性的不均匀或起伏，造成材料密度微观的不均匀，并在冷却过程中被固定下来。这种密度不均匀的尺度比光波波长短，从而折射率不均匀将引起散射，这就是所谓的瑞利散射。这是一种固有的散射，它与波长的四次方成反比。在纤芯中制造过程的缺陷，如杂质、气泡、不溶解离子等，也会引起散射损耗。降低这种衰减的办法是在制作光纤预制棒和拉丝时，选择合适的工艺，以避免上述现象的出现。

散射损耗：1瑞利散射散射损耗：2结构缺陷散射第十页，共52页。光纤中微观不均匀尺寸比波长小得多引起瑞利散射其损耗与波长的四次方成反比是光纤的固有损耗瑞利散射曲线第十一页，共52页。工程应用中造成的损耗：

弯曲损耗（宏弯）、微弯损耗、接头损耗第十二页，共52页。宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q¢

<qqq

>qcq¢RqqCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加

为了减少这种损耗，施工中严格规定了光纤光缆的允许弯曲半径，使弯曲损耗降低到可以忽略不计的程度。第十三页，共52页。微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：

光纤的生产过程中的受到侧压力和套塑光纤温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起

如何避免： 光纤结构合理设计高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模第十四页，共52页。宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon公司的光纤计划：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减第十五页，共52页。新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber康宁公司帮助Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装NTT（日本电报电话公司）也完成了这种光纤的研制第十六页，共52页。柔性光纤的优点对光的约束增强在任意波段均可实现单模传输：调节空气孔径之间的距离可以实现光纤色散的灵活设计减少光纤中的非线性效应抗侧压性能增强第十七页，共52页。损耗的度量通信中习惯上用单位dB/km来表示光纤的损耗损耗系数损耗的计算：

第十八页，共52页。单模通信光纤的损耗曲线①三个低损耗窗口：0.85um，1.31um，1.55um②水峰：1.38um③单模通信光纤的波长范围：1.28um－1.65um（除1.38um）第十九页，共52页。二、色散第二十页，共52页。概念：由于光纤中光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度的不同而使得传播时间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。表示方法：时延差分类：模式色散，频率色散（材料色散，波导色散）第二十一页，共52页。1、模式色散（路径色散）

在多模光纤中，不同模式在同一频率下传输，由于传输路径不同，模式之间存在时延差，这种单位时间的时延差称为模式色散。单位是ps/km

2、频率色散（波长色散，色度色散）由于光纤中传输的光信号含有的不同的频率成份有着不同的传输速度，经过一段距离传输后，这些频率成份之间产生相对时间延迟，被称为频率色散。通常用单位波长间隔内频谱成份通过单位长度光纤所产生的色散表示色散大小的程度，称为波长色散系数，用D表示，单位是ps/(nm.km)。频率色散由材料色散和波导色散组成。

第二十二页，共52页。材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速不同，引起的色散称为材料色散。波导色散所谓波导色散，是对于光纤某一个模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。

第二十三页，共52页。3偏振模色散(PMD)双折射效应导致了偏振模色散光纤对传播模式的两个偏振分量的传播速度不同第二十四页，共52页。PMD的外部因素及其特点外部因素：环境变化如振动、温度、应力等特点：具有很强的不稳定性和突发性因此，PMD补偿的难度比较大，补偿方法目前尚无定论第二十五页，共52页。如何补偿单模光纤中的色散？思路一：将两根色散系数相反的光纤熔接起来，实现信号传输一段距离后的零色散。色散补偿光纤DCF思路二：利用波导色散抵消材料色散，在特定工作波长得到低频率色散

色散位移光纤DSF第二十六页，共52页。正色散、负色散和零色散1.色散系数D为正：负色散b2<0v高频光

>v低频光2.色散系数D为负：正色散b2>0v高频光

<v低频光3.色散系数D为零：零色散第二十七页，共52页。色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/km·nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零缺点：(1)高损耗；(2)短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于WDM系统第二十八页，共52页。三、非线性效应

光波间或光波与其中传输的材料之间的相互作用，从而对光信号产生影响。能引起噪声和串扰。第二十九页，共52页。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。非线性效应的产生的原因是：光纤传输损耗（增益）和折射率以及光功率相关。非线性相互作用取决于传输距离和光纤的横截面积。第三十页，共52页。第一类非线性效应：光波与声子相互作用产生的散射效应受激拉曼散射(SRS)受激布里渊散射(SRS：StimulateBrillouinScattering)第二类非线性效应：折射率对光功率的依赖关系四波混频(FWM：Four-WaveMixing)自相位调制(SPM：Self-PhaseModulation)交叉相位调制(CPM：Cross-PhaseModulation)第三十一页，共52页。受激喇曼散射(SRS)SRS是光子受到振动分子散射所产生的。SRS同时存在于在光传输方向或者与之相反的方向阈值比SBS高3个数量级，具有100nm频移间隔SRS引起DWDM不同信道之间发生耦合，导致串扰。长波长信号被短波长信号放大，引起信道功率不平衡仅当两个波长信号都处于高电平状态才会发生SRS.色散可以减小SRS。因为这时不同信道的信号以不同的速度传播，从而减小了不同波长的脉冲在光纤中任一点处都重合的概率波长间隔大容易产生SRS第三十二页，共52页。降低SRS的措施使信道间隔减小传输功率保持在SRS阈值以下。引入一定的色散第三十三页，共52页。受激布里渊散射(SBS)受激布里渊散射（SBS）是由于光子受到声学声子的散射所产生的,形成斯托克斯波与反斯托克斯波。SBS产生频移，只发生在很窄的线宽内，在1.55mm处，WB=11.1GHZ。斯托克斯波和泵浦波沿反方向传播。只要波长间隔比20MHZ大得多（这是典型的情况），SBS不引起不同波长之间的相互作用。SBS在朝向光源的方向上产生增益，会引起光源不稳定SBS阈值功率低(单波长信道：9dBm).增加光源线宽能够提高SBS阈值功率(100MHz光源:16dBm）SBS的增益系数gB约为4×10-11m/W，且与波长无关。第三十四页，共52页。降低SBS的措施使单信道功率保持在SBS阈值以下。增加光源的线宽,大于100MHz（0.1nm)。采用相位调制。第三十五页，共52页。四波混频(FWM)折射率对于光强的相关性，不仅引起信道中的相移，而且产生新频率分量的信号，这种现象称为四波混频（FWM）三光子混频： w4=w1+w2+w3两光子混频： w4+w3=w1+w2单光子混频： w4+w3=2wp

(wp=w1=w2)两束光产生混频两个边带： 斯托克斯频率： wS=2w1-w2

反斯托克斯频率： wA=2w2-w1第三十六页，共52页。FourWaveMixingEffects第三十七页，共52页。四波混频的特点FWM的影响有赖于相互作用的信号之间的相位关系。如果相互作用的信号以同样的群速度传播（无色散时就是这种情况），则FWM的影响加强，另一方面，如果存在色散，不同的信号以不同的群速度传播，因此不同光波之间的交替地同相叠加和反相叠加，其净效果是减小了混频的效率。在有色散的系统中，信道间隔越大，群速度的差异就越大。色散位移光纤中的色散值很低，FWM效率要高得多。在色散位移光纤中，信道数增加时，会产生更多的FWM项信道间隔减小时，相位失配减小，FWM效率增加信号功率增加，FWM呈指数增加第三十八页，共52页。降低FWM的措施仔细选择各信道的位置，使得那些拍频项不与信道带宽范围重叠。这对于较少信道数的WDM系统是可能的，但必须仔细计算信道的确切位置。增加信道间隔，增加信道之间的群速度不匹配。但缺点是增加了总的系统带宽，从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增益谱，另外还增加了SRS引起的代价。增加光纤的有效截面，降低光纤中光功率密度。对于DSF使用大于1560nm的波长。这种方法的思路是：即使对于DSF，这一范围内也存在显著的色散量，从而可以减小FWM的效率。这依赖于L-band的EDFA。针对不同的波长信道引入延时，从而扰乱不同波长信道的相位关系。第三十九页，共52页。自相位调制(SPM)自相位调制（SPM）的产生是由于本信道光功率引起的折射率非线性变化，这一非线性折射率引起与脉冲强度成正比的感生相移，因此脉冲的不同部分有不同的相移，并由此产生脉冲的啁啾SPM效应在高传输功率或高比特率的系统中更为突出。SPM会增强色散的脉冲展宽效应。从而大大增加系统的功率代价。第四十页，共52页。SPM的特点E(Z,t)=Ecos(wot-Boz) 自相位调制（SPM）：电场E（z,t）的相位随E2z变化，即：SPM引起的相位变化正比于电场强度E2与传播距离z。第四十一页，共52页。交叉相位调制(XPM)交叉相位调制（XPM）的产生是由于外信道光功率引起的折射率非线性变化，导致相位变化相位正比于，其中第一项来源于SPM，第二项即交叉相位调制(XPM)。若E1=E2

则XPM的效果将是SPM的两倍。因此XPM将加剧WDM系统中SPM的啁啾及相应的脉冲展宽效应。增加信道间隔可以抑制XPMDSF高速(≥10Gb/s)WDM系统中，XPM将成为一个显著的问题。第四十二页，共52页。？对通信系统的影响损耗——信号能量减弱，中继器的个数增多；限制了无中继传输的距离。色散——信号畸变，产生码间干扰，增大系统误码率和信噪比。非线性——产生新的频率成份，系统噪声增大，干扰信号。第四十三页，共52页。衰减、色散对脉冲的影响示意第四十四页，共52页。？色散与带宽的关系第四十五页，共52页。光纤技术第四十六页，共52页。传输使用的三种不同类型的单模光纤