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1、第二章第二章第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆光纤与光缆光纤与光缆(2)(2) 光纤的非线性效应光纤的非线性效应光纤的非线性效应光纤的非线性效应 光纤的色散光纤的色散光纤的色散光纤的色散 光纤的损耗光纤的损耗光纤的损耗光纤的损耗本节内容：光纤的传输特性本节内容：光纤的传输特性光纤的损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗 。 即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于：1. 吸收损耗2. 散射损耗3. 弯曲损耗吸收损耗吸收损耗v原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构原子缺陷吸收：
2、由于光纤材料的原子结构的不完整造成。的不完整造成。v非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子子 (OH (OH) )等杂质对光的吸收而产生的损耗。等杂质对光的吸收而产生的损耗。v本征吸收损耗：由制造光纤材料本身本征吸收损耗：由制造光纤材料本身 ( (如如SiO2) SiO2) 的特性所决定，包括紫外吸收、红外的特性所决定，包括紫外吸收、红外吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收。任何杂质也会存在本征吸收。原子缺陷吸收原子缺陷吸收 在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励造成结构的不完善或在使用时暴露
3、在强粒子的光辐射下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630 nm左右。1 rad(Si) = 0.01 J/kg非本征吸收非本征吸收 原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH。OHOH吸收峰吸收峰解决方法：解决方法：(1)(1)对制造光纤的材料进对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，比行严格的化学提纯，比如材料达到如材料达到99.9999999%99.9999999%的纯度的纯度(2)(2)制造工艺上改进，如制造工艺上改进，如避
4、免使用氢氧焰加热避免使用氢氧焰加热( (汽汽相轴向沉积法相轴向沉积法) )本征吸收本征吸收(1) (1) 紫外吸收紫外吸收 光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。(2) (2) 红外吸收红外吸收 由于光纤中传播由于光纤中传播的光波与晶格相互作的光波与晶格相互作用时，一部分光波能用时，一部分光波能量传递给晶格，使其量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起振动加剧，从而引
5、起的损耗。的损耗。z晶格晶格光传播方向光传播方向kEx光纤吸收损耗曲线光纤吸收损耗曲线掺掺GeO2GeO2的低损耗、低的低损耗、低OHOH含量石英光纤含量石英光纤OH0.154 dB/km几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较散射损耗散射损耗 光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上的不完善，会发生散射现象。瑞利散射：尺度小于光波长的材料密度的不均匀对入射光产生的本征散射，短波长的光容易发生这种散射 造成原因分子密度分布不均匀；掺杂分子导致折射率不均匀波导散射：由波导缺陷导致的散射造成原因纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀以及残留气泡和裂痕等引起的散射目前的制造工艺
6、基本可以克服波导散射）本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值产品级典型的光纤损耗谱产品级典型的光纤损耗谱多模光纤的损耗大于单模光纤：多模光纤的损耗大于单模光纤：- - 为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高- - 由于纤芯由于纤芯- -包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗模式损耗多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤弯曲损耗弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲高阶模比低阶模容易发生宏弯损
7、耗，因此有时可用弯曲的办法高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模滤掉高阶模消逝场消逝场q qq qq q q qcq qRCladdingCore场分布场分布宏弯：当曲率半径减小时，宏弯：当曲率半径减小时， 辐射损耗呈指数增加辐射损耗呈指数增加微弯损耗微弯损耗微弯的原因：微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：导致的后果：造成能量辐射损耗造成能量辐射损耗高阶模功率损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模低阶模功率
8、耦合到高阶模减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯和微弯对损耗的附加影响弯曲损耗随模场直径增加显著增加弯曲损耗随模场直径增加显著增加光纤弯曲带来额外损耗光纤弯曲带来额外损耗宏弯损耗宏弯损耗微弯微弯损耗损耗基本损耗基本损耗l l增加，增加，V V减少减少 前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离 L 的增加呈指数衰减：那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的损耗系数定义为：其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般标准单模光纤在1550 nm
9、的损耗系数为0.2 dB/km。光纤损耗的计算光纤损耗的计算第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km) (dB/km)波波 长长 (nm) (nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰第三传输窗口第三传输窗口在在1.551.55m m处最小损耗处最小损耗约为约为0.2dB/km0.2dB/km常用单模光纤的损耗常用单模光纤的损耗常用单模光纤的损耗常用单模光纤的损耗光纤的色散光纤的色散光纤的色散光纤的色散色散引起的信号失真色散引起的信号失真模内色散模内色散
10、( (群速率色散群速率色散) ) - - 材料色散：每种光源都有一定的谱宽，而光纤材料对不同材料色散：每种光源都有一定的谱宽，而光纤材料对不同 的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成 分在光纤中传播的群速度不同。分在光纤中传播的群速度不同。 - - 波导色散：信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有波导色散：信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有 不同的传播速度，从而导致色散。它的大小取不同的传播速度，从而导致色散。它的大小取 决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。模间色散：不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和模间色
11、散：不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和速率，造成模间色散。速率，造成模间色散。偏振模色散：环境因素造成光不同偏振态的传播时延差。偏振模色散：环境因素造成光不同偏振态的传播时延差。fA(1) (1) 光源输出都有一光源输出都有一定的谱宽定的谱宽l1l1l2l2l3l3l1l1l2l2l3l3(2)(2)单模光纤中传播模单模光纤中传播模80%80%能量在纤芯能量在纤芯 20% 20%能量在包层能量在包层色散的直接后果是色散的直接后果是产生码间干扰，给产生码间干扰，给信号的最后判决造信号的最后判决造成困难成困难模内色散模内色散 信号分量的群速率是频率/波长的函数：即不同的频率分量间存在群时延差
12、。信号在传输了距离L，频率分量w经历的延时为：假设输入脉冲的谱宽Dw不太宽，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：群速率色散群速率色散 (GVD)GVD 参数参数 通常光源的谱宽用Dl来表示。根据w和l之间的关系代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数： ps/(kmnm)群时延色散群时延色散1. 1. 色散系数色散系数D D为正：负色散为正：负色散v v高频光高频光 v v低频光低频光2. 2. 色散系数色散系数D D为负：正色散为负：正色散v v高频光高频光 v |Dw| |Dm| |Dw|模间色散模间色散 多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了模间色散。对于子午光纤，经过
13、长度对于子午光纤，经过长度L L后模间色散可能产生的最大脉冲后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为：展宽为：DLDL为两种模式的光程差。为两种模式的光程差。偏振模色散偏振模色散 (PMD)双折射效应导致了偏振模色散双折射效应导致了偏振模色散PMD PMD 受环境受环境( (如振动、温度、应力等如振动、温度、应力等) )影响非常显著，跟模内影响非常显著，跟模内色散相比具有不稳定性和突发性。因而，色散相比具有不稳定性和突发性。因而，PMDPMD补偿的难度比补偿的难度比较大，关于补偿的方法目前尚无定论。较大，关于补偿的方法目前尚无定论。PMD 对传输的影响对传输的影响色散对传输带宽的影响：宽谱光源色散对
14、传输带宽的影响：宽谱光源DlDl比较大的时候，单模光纤带宽：比较大的时候，单模光纤带宽：例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用标准单模光纤D = 17 ps/kmnm，那么系统带宽和距离乘积： BL 1 (Gb/s)km假设1550 nm为系统的零色散波长，系统的BL值为： BL 40 40 Gb/sGb/s高速系统的应用场合，色散成为首要考虑的因素之一。高速系统的应用场合，色散成为首要考虑的因素之一。色散对传输带宽的影响：窄谱光源色散对传输带宽的影响：窄谱光源DlDl比较小的时候，单模光纤带宽：比较小的时候，单模光纤带宽：不同线宽下的系统色散所允不同线宽下的系统色
15、散所允许的带宽与传输距离的关系许的带宽与传输距离的关系0 nm：展宽远小于一个比特：展宽远小于一个比特 时的光源线宽时的光源线宽结论：结论：1) 光源线宽越宽色散越严重光源线宽越宽色散越严重2) 零色散光纤对提高系统性零色散光纤对提高系统性 能作用明显能作用明显光纤的非线性效应光纤的非线性效应v在线性光学中，物质对光场的响应与光的场强成线在线性光学中，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。性关系。光的独立性原理和叠加原理都成立。v尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤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，使得光芯
16、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。号的严重干扰和对系统传输性能的限制。v反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。 导导致新的学科分支致新的学科分支非线性光纤光学。非线性光纤光学。v受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递受激非弹性散射：光场经过非弹性散射将能量传递给介质产生的效应给介质产生的效应给介质产生的效应给介质产生的效应v受激布
17、里渊散射受激布里渊散射受激布里渊散射受激布里渊散射(SBS)(SBS)v受激喇曼散射受激喇曼散射受激喇曼散射受激喇曼散射(SRS)(SRS)v非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的非线性折射率：光纤折射率与光强的相关性产生的效应。效应。效应。效应。v自相位调制自相位调制自相位调制自相位调制(SPM)(SPM)v互相位调制互相位调制互相位调制互相位调制(XPM)(XPM)v四波混频四波混频四波混频四波混频(FWM)(FWM)光纤非线性效应分类光纤非线性效应分类光纤非线性效应分类光纤非线性效应分类非线性效
18、应概述非线性效应概述vSBS、SRS及及FWM过程所引起的波长信道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道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。串扰。vSPM和和XPM都只影响信号的相位，从而使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。展宽，尤其在高速系统中。光纤的非线性效应v单信道系统，功率水平单信道系统，功率水平10mw,速率不超过速
19、率不超过2.5Gb/s时，光纤可以作为线性介质处理，即：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光纤的损耗和折射率都与信号功率无关vWDM系统中，即使在中等功率水平和比特率系统中，即使在中等功率水平和比特率下，非线性效应也很显著。下，非线性效应也很显著。v非线性效应的产生的原因是：光纤传输损耗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。增益和折射率以及光功率相关。v非线性相互作用取决于传输距离和光纤的横截非线性相互作用取决于传输距离和光纤的横截面积。面积。折射率非线性变化v光纤折射率随光功率变化：光纤折射率随光功率变化：vn=n0 + n2P/
20、Aev其中其中P 是光功率，是光功率， Ae 是光纤有效是光纤有效截面积截面积v折射率变化引起光波相位变化，导致折射率变化引起光波相位变化，导致光脉冲展宽光脉冲展宽 ，形成，形成 SPM, XPM and FWM v在负色散区导致色散代价；在正色散在负色散区导致色散代价；在正色散区，导致色散补偿。区，导致色散补偿。v 自相位调制(SPM)v自相位调制自相位调制SPM的产生是由于本信道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，相移，因此脉冲
21、的不同部分有不同的相移，并由此产生脉冲的啁啾并由此产生脉冲的啁啾vSPM效应在高传输功率或高比特率的系统效应在高传输功率或高比特率的系统中更为突出。中更为突出。vSPM会增强色散的脉冲展宽效应。从而大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。大增加系统的功率代价。SPM的特点vE(Z,t)=Ecos(wot-Boz)v自相位调制自相位调制SPM）：电场）：电场Ez,t的相位随的相位随E2z变化，即：变化，即：SPM引起的相引起的相位变化正比于电场强度位变化正比于电场强度E2与传播距离与传播距离z。交叉相位调制(XPM)v交叉相位调制交叉相位调制XPM的产生是由于外信道光的产生是由于
22、外信道光功率引起的折射率非线性变化，导致相位变化功率引起的折射率非线性变化，导致相位变化v相位正比于相位正比于 ，其中第一项来源于，其中第一项来源于SPM，第二项即交叉相位调制，第二项即交叉相位调制(XPM)。v若若E1=E2 则则XPM的效果将是的效果将是SPM的两倍。因此的两倍。因此XPM将加剧将加剧WDM系统中系统中SPM的啁啾及相应的的啁啾及相应的脉冲展宽效应。脉冲展宽效应。v增加信道间隔可以抑制增加信道间隔可以抑制XPMvDSF高速高速(10Gb/s)WDM系统中，系统中，XPM将成为一将成为一个显著的问题。个显著的问题。四波混频(FWM)v折射率对于光强的相关性，不仅引起信道中的折
23、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，这种现象相移，而且产生新频率分量的信号，这种现象称为四波混频称为四波混频FWM）v 三光子混频：三光子混频： w4= w1+w2+w3v两光子混频：两光子混频： w4+w3= w1+w2v单光子混频：单光子混频： w4+w3= 2wp (wp=w1=w2)v两束光产生混频两个边带：两束光产生混频两个边带：v斯托克斯频率：斯托克斯频率： wS= 2w1- w2v反斯托克斯频率：反斯托克斯频率： wA= 2w2- w1四波混频的特点vFWM的影响有赖于相互作用的信号之间的相位关系。的影响有赖于相互作用的信号之间的相位关系。如果相
24、互作用的信号以同样的群速度传播无色散时就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），则是这种情况），则FWM的影响加强，另一方面，如果的影响加强，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，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。群速度的差异就越大。v色散位移光纤中的色散值很低，色散位移光纤中的色散值很低，FWM效率要高得多。效率要高得多。v在
25、色散位移光纤中，信道数增加时，会产生更多的在色散位移光纤中，信道数增加时，会产生更多的FWM项项v信道间隔减小时，相位失配减小，信道间隔减小时，相位失配减小，FWM效率增加效率增加v信号功率增加，信号功率增加，FWM呈指数增加呈指数增加降低FWM的措施v仔仔细细选选择择各各信信道道的的位位置置，使使得得那那些些拍拍频频项项不不与与信信道道带带宽宽范范围围重重叠叠。这这对对于于较较少少信信道道数数的的WDM系系统统是是可可能能的的，但必须仔细计算信道的确切位置。但必须仔细计算信道的确切位置。v增增加加信信道道间间隔隔，增增加加信信道道之之间间的的群群速速度度不不匹匹配配。但但缺缺点点是是增增加加
26、了了总总的的系系统统带带宽宽，从从而而要要求求放放大大器器在在较较宽宽的的带带宽宽范围内有平坦的增益谱，另外还增加了范围内有平坦的增益谱，另外还增加了SRS引起的代价。引起的代价。v增加光纤的有效截面，降低光纤中光功率密度。增加光纤的有效截面，降低光纤中光功率密度。v对对于于DSF使使用用大大于于1560nm的的波波长长。这这种种方方法法的的思思路路是是：即即使使对对于于DSF，这这一一范范围围内内也也存存在在显显著著的的色色散散量量，从从而而可以减小可以减小FWM的效率。这依赖于的效率。这依赖于L-band的的EDFA。v针针对对不不同同的的波波长长信信道道引引入入延延时时，从从而而扰扰乱乱
27、不不同同波波长长信信道道的相位关系。的相位关系。受激布里渊散射(SBS)v受激布里渊散射受激布里渊散射SBS是由于光子受到声学声子的散是由于光子受到声学声子的散射所产生的射所产生的,形成斯托克斯波与反斯托克斯波。形成斯托克斯波与反斯托克斯波。vSBS产生频移，只发生在很窄的线宽内，在产生频移，只发生在很窄的线宽内，在1.55mm处，处，WB=11.1GHZ。v斯托克斯波和泵浦波沿反方向传播。只要波长间隔比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），大得多这是典型的情况），SBS不引起不同不引起不同波长之间的相互作用。波长之间的相互作用。vSBS在朝向光源的方
28、向上产生增益，会引起光源不稳定在朝向光源的方向上产生增益，会引起光源不稳定vSBS阈值功率低阈值功率低(单波长信道：单波长信道：9dBm). 增加光源线宽能增加光源线宽能够提高够提高SBS阈值功率阈值功率 (100MHz光源光源:16 dBm ） vSBS的增益系数的增益系数gB约为约为410-11m/W，且与波长无关。，且与波长无关。降低SBS的措施v使使单单信信道道功功率率保保持持在在SBS阈阈值值以下。以下。v增增加加光光源源的的线线宽宽,大大于于100MHz0.1nm)。v采用相位调制。采用相位调制。受激喇曼散射(SRS)vSRS是光子受到振动分子散射所产生的。是光子受到振动分子散射所
29、产生的。SRS同时存同时存在于在光传输方向或者与之相反的方向在于在光传输方向或者与之相反的方向 v阈值比阈值比SBS高高3个数量级，具有个数量级，具有100nm频移间隔频移间隔vSRS 引起引起 DWDM不同信道之间发生耦合，导致串扰。不同信道之间发生耦合，导致串扰。v长波长信号被短波长信号放大，引起信道功率不平衡长波长信号被短波长信号放大，引起信道功率不平衡v仅当两个波长信号都处于高电平状态才会发生仅当两个波长信号都处于高电平状态才会发生SRS. v色散可以减小色散可以减小SRS。因为这时不同信道的信号以不同。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一点处都重合的概率v波长间隔大容易产生波长间隔大容易产生SRS降低SRS的措施v使信道间隔减小；使信道间隔减小；v传输功率保持在传输功率保持在SRS阈值以下；阈值以下；v引入一定的色散。引入一定的色散。
