第二章 光纤的传输特性.ppt

《XXXXXXXXX课程名称》 第二章 光纤与光缆(2) 本节内容：光纤的传输特性 光纤的损耗 吸收损耗 原子缺陷吸收 非本征吸收 本征吸收 光纤吸收损耗曲线 散射损耗 产品级典型的光纤损耗谱 弯曲损耗 微弯损耗 宏弯和微弯对损耗的附加影响 光纤损耗的计算 色散引起的信号失真 模内色散 群速率色散 (GVD) 群时延色散 正色散、负色散和零色散 材料色散 波导色散 波导色散系数一般为负值 标准单模光纤总的模内色散 模间色散 偏振模色散 (PMD) PMD 对传输的影响 色散对传输带宽的影响：宽谱光源 色散对传输带宽的影响：窄谱光源 光纤的非线性效应 在线性光学中，物质对光场的响应与光的场强成线性关系。光的独立性原理和叠加原理都成立。 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。 反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。 导致新的学科分支—非线性光纤光学。 非线性效应概述 SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。 SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。 光纤的非线性效应 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。 折射率非线性变化 光纤折射率随光功率变化： n=n0 + n2P/Ae 其中P 是光功率， Ae 是光纤有效截面积 折射率变化引起光波相位变化，导致光脉冲展宽 ，形成 SPM, XPM and FWM 在负色散区导致色散代价；在正色散区，导致色散补偿。 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。 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。 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XPM DSF高速(≥10Gb/s)WDM系统中，XPM将成为一个显著的问题。 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 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 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