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光纤通信技术第三章 光纤中的信号劣化 有感辛稼轩 出处从来自不齐，后车方载太公归。谁知寂寞空山里，却有高人赋采薇。黄菊嫩，晚香枝，一般同是采花时，蜂儿辛苦多官府，蝴蝶花间自在飞。 胶胶扰扰几时休，一出山来不自由。秋水观中秋月夜，停云堂下菊花秋。随缘道理应须会，过分功名莫强求。先自一身愁不了，那堪愁上更添愁。 第三章 光纤中的信号劣化 光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，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，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。 ?但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 ？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。 3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性及色散限制 示例 对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损失50％，2km后损失达75％(损失了6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有可加性。 光纤的损耗机理(1)材料吸收 紫外、红外、OH离子、金属离子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收损耗 OH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73 ?m，与Si-O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峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 ?m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 减低OH离子浓度，减低这些吸收峰---全波光纤（AllWave 康宁） 光纤的损耗机理(2) 瑞利散射是一种基本损耗机理。 由于制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起的，导致折射率本身的起伏，使光向各个方向散射。 大小与?4成反比， ?R＝C/ ?4（dB/km）因而主要作用在短波长区。 光纤的损耗机理(3) 辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。 定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。 第三章 光信号的传输特性 3.1 光纤的损耗特性 3.2 光纤的色散特性及色散限制 群速色散(GVD) 由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速色散（GVD）、模内色散或简言之光纤色散。包括材料色散和波导色散。 群速度 沿z方向传输的单色波： ?是角频率（弧度/秒）；?是传播常数（m-1）。 群速度：表征光信号包络的传输速度 光脉冲展宽(1) 光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展宽，不再同时到达光纤输出端。 光脉冲展宽(2) 以色散参数D[ps/(nm. km)]表达脉冲展宽 D的定义为： 单模光纤的色散 材料色散DM，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。 单模光纤的色散 波导色散DW对D(?2)的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯－包层折射率差?。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移。 单模光纤的发展与演变总结(1) 在光纤通信发展的近30年中，单模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。 最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤)，零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演者重要的角色。 对光纤损耗机理的研究表明，光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗的极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了色散位移光纤DSF(G.653光纤)。设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm。 单模光纤的发展与演变总结(2) 90年代后，DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容量极大地提高。然而，四波混频FWM会引起复用信道之间的串扰，严重影响WDM的性能。FWM是一种非线性效应，其效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散增加，混频效率迅速下降。这种性质使DSF光纤在WDM系统中失去了魅力。非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655光纤