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1、光纤传输特性第 1 部分 衰减和色散一、衰减特性1、衰减定义光在光纤中传播时，光功率在光纤中的减少。 )10()(LP衰减系数：单位长度光功率衰减。(dB/km)(lg)(L2、光纤典型衰减谱：3、光纤在常用波长窗口的典型衰减值(dB/km)光纤类别 1310nm 衰减 1550nm 衰减G.652 0.36 0.22G.653 0.45 0.25G.654 0.45 0.20G.655 0.50 0.24色散平坦光纤（DFF） 0.50 0.40色散补偿光纤（DCF） 1.00注： G.652非色散位移单模光纤；G.653色散位移单模光纤；G.654截止波长位移单模光纤；G.655非零色散位
2、移单模光纤；波 长衰 减 普通单模光纤 无水峰单模光纤第 1 工作窗口 第 2 工作窗口 第 3 工作窗口DFF Dispersion-Flattened Fiber；DCF Dispersion Compensating Fiber。4、衰减机理损耗 本征 非本征紫外吸收 金属离子（杂质吸收）吸收红外吸收 OH 离子（杂质吸收）瑞利散射 波导缺陷米氏散射受激布里渊散射散射受激拉曼散射引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射。二、色散特性1、基本概念1.1 群时延差在同一介质中，不同频率的信号，传输相同的距离，需要时间不同。这些不同频率信号之间的传输时间差就是群时延差。1.2 色散光信号是由不同频率成
3、分和不同模式组成，在光纤中传输速度不同，从而引起色散。其实质就是光信号群时延差。色散具体表现：在传送一个光脉冲信号时，光脉冲将随着传输距离的延长，脉冲宽度逐渐展宽。1.3 色散系数波长相隔 1nm 的 2 个光脉冲传输 1km 距离的时延差。单位：ps/（nm .km）2、光纤色散2.1 分类：模式色散、材料色散、波导色散。2.2 模式色散在多模光纤中，不同模式在 同一频率 下传输，由于各自的相位常数不同，群速不同，模式之间存在时延差。 在单模光纤中只有基模传输，因此不存在模式色散。2.3 材料色散光纤材料本身的折射率随频率变化，造成光纤中光信号各种频率成分的群速率不同。 2.4 波导色散又称
4、结构色散。由于光纤形状、几何结构等方面的不完善，使得光波的一部分在纤芯中传输，一部分在包层中传输。由于纤芯的折射率不同于包层的折射率，这样造成光脉冲展宽。 单模光纤的色散主要由材料色散和波导色散组成。由于该色散与波长（即光的色彩）有关，故又称为波长色散或色度色散。3、光纤典型色散谱：4、光纤在常用波长窗口的典型色散值(ps/(nm.km)光纤类别 1310nm 色散 1550nm 色散G.652 0 +18G.653 -18 0G.654 0 +18G.655 -18 绝对值：1 4色散平坦光纤 0 0色散补偿光纤 -80 -1505、偏振模色散5.1 定义 又称光的双折射 单模光纤的基模实际
5、上是由两个正交线偏振模构成，由于光纤存在纤芯不圆、内部残余应力等不对称因素（内部因素）和诸如弯曲、扭绞、随即应力、振动等外界因素，从而导致两个正交线偏振模的传播常数不等，在光纤中经过一段时间的传播就会造成两个偏振模的群时延差。5.2 偏振模色散与色度色散的区别色散类别 单位 补偿方式 存在范围 最佳取值范围色度色散 ps/(nm.km) DCF 高、低速系统 16偏振模色散 ps/ km不能补偿 高速长距系统 05.3 随即性与统计值 由于在光纤实际传输过程中存在许多随即因素，因而存在随即双折射效应，所以得到的偏振模色散是在统计分布意义下的时延值。5.4 单模光纤的偏振模色散值13101550
6、G.652(G.654) 光纤正色散系数 G.655 光纤 G.653 光纤负色散系数 G.655 光纤波长（nm）18色散系数（ps/nm.km）ITU-T 规定： kmps/5.0实际制造水平： 15.5 实际过程对 PMD 值的影响（1）生产过程 PMD 变化00.050.10.150.20.250.3裸 纤 着 色 套 塑 成 缆（2）链路 PMD 变化一般情况下，链路 PMD 值要小于单盘 PMD 值。6、WDM 系统的色散要求(G.652 光纤)应用编码 L V U nV3-y.2 nL5-y.2 nV5-y.2 nL8-y.2目标传输距离（km） 80 120 160 3120
7、580 5120 880最大色散(ps/nm) 1600 2400 3200 7200 8000 12000 12800第 2 部分 非线性效应一、受激散射1、受激拉曼散射（SRS： Simulated Raman Scattering）1.1、 概念：是光信号与石英玻璃光纤中的分子振动的相互作用而引起的非线性效应。1.2、 物理表象：在 DWM 系统中，使中短波长通路产生过大的信号衰减，从而限制了通路数。1.3、 两个方向的散射：前向散射和后向散射1.4、 对于单波长系统，SRS 影响很小1.5、 对于多波长系统，在 1dB 光功率代价下的通路与间隔关系为： ).(50)1(WGHzfNP其
8、中：N光通路数；P每个通路允许的功率（W） ； 通路间隔（GHz） 。f1.6、 后向散射的功率可以通过光隔离器消除。1.7、 拉曼放大器（FRA）当一定强度的光入射到光纤中时，会引起光纤材料的分子振动，低频边带称斯托克斯线，高频边带称反斯托克斯线，两者之间的频差称为斯托克斯频率。当两个频率间隔恰好为斯托克斯频率的光波入射到光纤时，低频波将获得增益，高频波将衰减，高频波的能量将转移到低频波上。如果一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并且弱信号波长位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，则此弱信号可以被放大。2、受激布里渊散射（SBS：Simulated Brillouin Scatterin
9、g）2.1、概念：由光纤中的光信号和声波之间的相互作用所引起的非线性效应。2.2、只出现在后向散射方向上，其影响大于 SRS。2.3、产生 SBS 效应的理论门限功率近似公式为： 03.thP其中：P th门限功率（mW） ；激光器发射光谱的线宽（MHz ）2.4、在所有光纤非线性效应中，SBS 门限值最小（即最容易发生） ，但却最容易消除。二、折射率效应（也称克尔效应）1、折射率效应1.1、 概念：是光纤折射率 n 随着光强的变化而变化的非线性现象。1.2、 表达式： AP/20其中：n光纤正常折射率；P是光功率；A光纤有效截面面积；n 2折射率变化系数。1.3、 折射率效应引起的非线性效应
10、自相位调制（SPM：Self Phase Modulation）交叉相位调制（XPM：Cross Phase Modulation）四波混频（FWM：Four Wave Mixing）2、自相位调制2.1、定义：由于光波的相位随折射率和传播距离而变，而折射率又是光强的函数，因而光波的相位也随光强而变化。当相位变化结合光纤色散将导致频谱展宽或变窄，这种现象称为自相位调制。2.2、SPM 对系统的影响主要是导致光频率的变化。在光脉冲前沿和后沿处，光频率变化最大，因而 SPM 的影响取决于光脉冲前后沿的陡峭程度，其影响主要是窄脉冲的高速系统。2.3、SPM 引起的非线性影响有两种：（1） 当使用色散
11、系数为正的光纤工作区时，系统色散受限距离延长；（2） 当使用色散系数为负的光纤工作区时，系统色散受限距离变短。2.4、SPM 的效果与输入信号的光强度成正比，当传输一段距离后光功率已经衰减至不足以产生非线性的水平。因此，SPM 影响主要发生在靠近发送机侧的一定距离内。3、交叉相位调制3.1、概念：在多波长系统中，折射率效应会导致信号的相位受其它通路功率的调制，这种现象称为交叉相位调制。是一个光脉冲对其它信道 光脉冲相位的作用。3.2、XPM 产生方式与 SPM 相同。但 SPM 可以在单信道和多信道系统中产生；XPM 只发生在多信道系统。 3.3、G.652 光纤 WDM 系统中最小通路间隔估
12、计式： MDBW2其中：W 最小通路间隔；a 光纤衰减系数；M光纤放大器间隔数； B比特率（Tbps） ；D光纤色散系数。4、四波混频4.1、概念：当多个光波在光纤中混合时，光纤的非线性会导致产生新的波长。4.2、原理图4.3、FWM 对 WDM 系统影响（1）将原始波长的部分能量转换为新生波长，从而损耗光信号的功率；（2）新波长可能与系统某些波长相同或重叠，造成信号干扰。4.4、FWM 与最小通路间隔的关系 DPMW25.01 2 22-121-2初始波长新波长频率 其中：W 最小通路间隔；M光纤放大器间隔数； P单通路平均功率； D光纤色散系数。上式表明： (1)D 越小，W 越大，则 F
13、WM 影响越严重；(2)增大光纤色散有利于克服 FWM 效应。4.5、G.655 光纤设计思想G.655 的设计思想是使零色散点不落在 1550nm 附近，而是向长波长或短波长方向偏移，有意使 1550nm 附近呈现一定大小的色散。这样，一方面可以减轻 FWM 影响，保证多波长传输；另一方面控制 1550nm 附近的色散不要太大，以免限制 10Gbps 信号的传输，保证 10Gbps 信号至少能传输 300km 以上。补充：单模光纤常识1、分类表 1. 单模光纤的分类IEC 分类编号 GB/T 9771 命名 ITU-T 建议编号B1.1 非色散位移单模光纤 G.652A，G.652BB1.2
14、 截止波长位移单模光纤 G.654B1.3 波长扩展的非色散位移单模光纤 G.652CB2 色散位移单模光纤 G.653B4 非零色散位移单模光纤 G.655注：G.652C 又称无水峰光纤或全波光纤。ITU-T 将 G.655 光纤又分成 A、B 两子类，应用区别如下表：G.655A G.655B中等注入功率（5dBm） 更高注入功率通路间隔200GHz （1.6nm） 通路间隔100GHz（0.8nm）除非 PMD 进行规定，会对10Gbps 系统传输有所限制对 400km 长的 10Gbps 系统，没有PMD 问题适用于 G.691 具有光放大器的单通道 SDH 系统和 G.692 具有
15、光放大器的多通道 WDM 系统2、线路设计典型值2.1、G.652 光纤项 目 线路设计典型值衰减系数 1260nm1360nm 0.5dB/km1530nm1565nm 0.28dB/km1565nm1625nm 0.35dB/km色散系数 D 1550nm 17 ps/(nm.km)S 1550nm 0.056 ps/(nm2.km)差分群时延(DGD) 参考线路长度 400km典型最大光缆长度 10km最大 DGD 25ps最大概率 6.510-81550nm 非线性系数 典型值 (待定)2.2、G.655 光纤项 目 线路设计典型值衰减系数 1530nm1565nm 0.28dB/km1565nm1625nm 0.35dB/km差分群时延(DGD) 参考线路长度 400km典型最大光缆长度 10km最大 DGD 25ps最大概率 6.510-8
