第03章光波系统中光信号的传输特性.ppt

第3章 光波系统中光信号的传输特性 3.1 色散影响下光信号的传输特性 3.2 光纤带宽与色散对通信能力的限制 3.3 光纤非线性影响下光信号的传输特性 3.4 非线性光波系统中的自相位调制和频率啁啾 回顾 通信的目的：信息准确传送。 光纤通信系统设计的基本要求：能将任何信息无失真或逼真地从发送端传送到用户终端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，是一种无损、无色散的线性系统，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。 实际光纤通信系统中存在损耗、色散、非线性。 问题的提出： 在这种系统中信号到底如何传输，其传输特性、传输能力究竟如何？ 影响光纤系统信号传输特性的主要因素除损耗、色散和非线性外。还与光源的脉宽与谱宽和信号本身的速率与带宽有关。 损耗的影响导致传输距离的缩短，可用中继器或光放大增益克服。 色散将导致脉冲展宽，上一章已进行了直观形象的分析，对于谱宽由光源光谱决定而不是由脉冲傅里叶频谱决定的脉冲，给出了色散影响的一阶估计。 通常脉冲展宽的程度不仅决定于色散和光源谱宽，而且还与输入脉冲的宽度和形状有关。 非线性对信号传输的影响不仅引起损耗，也将引起信号脉冲展宽，在多信道系统中还会引起信道间串音。 本章将对色散和非线性这两个基本因素对信号传输的影响进行分析。 3.1色散影响下光信号的传输特性  3.1.1 光脉冲传输的基本方程 在单模光纤中传播的光场的每一个频率分量都是平面波，可写成 式中，G(0,?) 为初始振幅；β为模式传播常数， F(x，y)为模式场分布，通常F(x，y)也与频率和非线性有关，但对谱宽Δ? ?0的光脉冲和弱非线性近似下，其依存关系可忽略不计。这里?0是脉冲频谱的中心频率，称为载频。 在Δω范围的不同谱分量的光场在光纤中传输关系 对上式作傅氏逆变换，得 脉冲展宽是由β的频率依赖性引起的，不同频率分量的光场将以不同的β(ω)传输 对Δωω0的准单色光脉冲，其不同频率分量的β(ω)可在ω=ω0附近作泰勒展开求得 式中， Δω=ω-ω0； βm=(dmβ／dωm)；β1=1／vg，vg为群速度；β2为群速色散(GVD)；β3为高阶色散，与色散斜率S有关。这样即可求得G(z,t)。 将G(z,t)分解为按载频ω0变化的快变部分exp(-jωt)和按Δω=ω-ω0而变化的慢变部分A(z,t)，可得 G(z,t)=A(z,t)exp[j(β0z-ω0t)] 则可发现慢变振幅A(z,t)为 式中，A(0, Δω)= G(0, Δω)，为A(0,t)的傅氏变换。慢变部分亦叫慢变包络。这样的分析方法称为慢变包络近似。 为分析慢变包络随距离的演化规律，对上式求导，并将Δω用?/?t代替，则时域慢变包络方程可写为 上式表明，在光脉冲传输过程中，其波形是如何受光纤色散的影响。 3.1.2 光脉冲参数与色散展宽 1．高斯形光脉冲的脉宽与谱宽 光波通信系统中大都采用半导体激光器作为光源，一般它产生的光脉冲信号是高斯形的，而且均伴随不同程度的啁瞅分量，可写为 啁啾 是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语，是指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频地，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。 后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。 频率啁啾 这是因为当激光器被调制时载流子浓度被调制从而引起折射率随时间变化导致纵模频率发生变化称为频率啁啾。 频率啁啾在时间上平均的结果是使单个纵模的谱宽展宽在接近张弛振荡频率处展宽最为明显。 当不考虑光源啁啾时，C=0，其波形如图所示。图3-1中Ao为峰值振幅；T0代表在l／e强度点的半宽。实际上常用半极大值全宽度或半高全宽(FWHM )表示。T0与半高全宽TFWHM的关系为 TFWHM=2(ln2)1/2 T0 图3-1 高斯脉冲特征参数 有啁啾的脉冲，其傅氏频谱比无啁啾脉冲的宽。振幅l／e处的频谱的半宽度为 Δω=(1+C2)1/2/T0 通常谱宽Δω和T0可用仪器测出，由此可求得C。 C值可正可负（代表产生光脉冲时引入的附加线性调频） C0表示从脉冲前沿到后沿变化时，瞬时频率线性增加，称为正啁啾或上啁啾; C0则相反，称为负啁啾或下啁啾。 2．光脉冲的色散展宽 带啁啾的光脉冲在光纤中传输时将会加剧色散展宽，这是不希望的，应设法消除。 无啁啾(C=0)的光脉冲，其脉宽谱宽积满足关系：ΔωT0=1，这种脉冲谱宽最窄，称为变换限制脉冲。 出现啁啾时，谱宽增加(1+C2)1/2倍。 为分析色散对啁啾高斯脉冲在光纤中传输的影响，在以群速移动的新坐标系中