光纖傳輸原理和基本特性

1、關于光纖傳輸原理與基本特性第1頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3 光纖傳輸特性 光信號經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而輸出信號和輸入信號不同。對于脈沖信號，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。 第2頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3 光纖傳輸特性1.3.1 光纖的損耗 光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。 在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β?/p>

2、P隨距離z的變化，可以用下式表示 習慣上光纖的損耗用下式計算，用dBkm來表示，式中， 是損耗系數(shù)。設長度為L(km)的光纖，輸入光功率為 ，根輸出光功率應為 第3頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.1 光纖的損耗1.損耗機理 1)吸收損耗.(原子缺陷、雜質(zhì)非本征吸收、原子本征吸收)臨界曲率半徑3)輻射損耗 (彎曲)2)散射損耗.（瑞利散射、波導散射、非線性散射）第4頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.1 光纖的損耗2.在路光纖損耗譜 下圖是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機理產(chǎn)生

3、的損耗與波長的關系，這些機理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 0.010.050.50.11510501000.81.01.21.41.61.8瑞利散射紫外吸收波導缺陷實驗紅外吸收損耗/（dBkm 1）第5頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3 光纖傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬 1.色散分類 色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應。材料色散和波導色散總稱為色度色散或波長色散色散一般包括 模式色散、材料色散、波導色散和偏振色散。第6頁，共47頁，2022年，5月20日，9點

4、42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬1.色散分類（模式色散、材料色散、波導色散和偏振色散）模式色散（模間色散）： 在多模光纖中，由于不同模式的時間延遲（群速度）不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關。材料色散（色度色散）： 由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光(實際光源不是純單色光)，其時間延遲不同（群速度）而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。第7頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬1.色散分類（

5、模式色散、材料色散、波導色散和偏振色散）波導色散（色度色散 ）： 由于導波模具有不同的波長而導致的群速度不同引起的色散（ 不是常數(shù)），與波導效應有關，即波導結構參數(shù)與波長有關而產(chǎn)生的，它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。偏振色散： 實際應用的單模光纖由于存在少量的不對稱性，使得兩個偏振模的群時延不同而形成的色散。模內(nèi)色散：發(fā)生在單個模式中的色散，與波長有關的色度色散是材料 色散和波導色散之和。第8頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬2、群時延光纖單位長度傳播的延遲時間3 、色散系數(shù)描述光纖色散程度 定義為：

6、單位是:ps/nmkm第9頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬4 、時延差與色散系數(shù)的關系 光信號中，傳播速度最慢的頻率成分的傳輸時延與傳播速度最快的頻率成分的傳輸時延之差稱為時延差。時延差越大，脈沖展寬越嚴重，因此常用時延差表示光纖色散的程度。 時延差：材料色散系數(shù)：在光源譜寬 范圍內(nèi)，D一般為常數(shù)，則單位長度的時延差為:第10頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬4 、時延差與色散系數(shù)的關系波導色散 歸一化傳播常數(shù) 在多模光纖中，波導色散

7、比材料色散小的多，可以忽略。在單模光纖中，波導色散常數(shù)為：波導色散引起的單位長度的群時延為:解出第11頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.2 光纖的色散和帶寬4 、時延差與色散系數(shù)的關系 模間時延差 （階躍光纖） 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性 為有效群折射率。當 時，脈沖展寬最小。多模漸變折射率分布光纖單位長度的脈沖展寬（近似估算）第12頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.2 光纖的色散和帶寬5 、色散、帶寬和脈沖展寬 色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時域和頻域的表示方法不同。如果信號是模擬調(diào)制的，色散限制帶寬(Bandwith)；如果信號

8、是數(shù)字脈沖，色散產(chǎn)生脈沖展寬(Pulsebroadening)。所以，色散通常用3dB光帶寬 或脈沖展寬 表示。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性式中 分別為模間色散、材料色散和波導色散所引起的脈沖展寬。用脈沖展寬表示時，光纖色散可以寫成第13頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬5 、色散、帶寬和脈沖展寬 光纖帶寬的概念來源于線性非時變系統(tǒng)的一般理論。如果光纖可以按線性系統(tǒng)處理，其輸入光脈沖功率 和輸出光脈沖功率 的一般關系為當輸入光脈沖 時，輸出光脈沖 ，式中 為 函數(shù)， 稱為光纖沖擊響應。沖擊響應 的傅里葉(Fou

9、rier)變換為第14頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬 5 、色散、帶寬和脈沖展寬 模擬信號色散限制帶寬(Bandwith)，通常用3dB光帶寬表示 或一般，頻率響應 隨頻率的增加而下降，這表明輸入信號的高頻成分被光纖衰減了。受這種影響，光纖起了低通濾波器的作用。將歸一化頻率響應 下降一半或減小3dB的頻率定義為光纖3dB光帶寬 ，由此得到第15頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬5 、色散、帶寬和脈沖展寬 一般，光纖不能按線性系統(tǒng)處理

10、，但如果系統(tǒng)光源的頻譜寬度 比信號頻譜寬度 大得多，光纖就可以近似為線性系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)通常滿足這個條件。光纖實際測試表明，輸出光脈沖一般為高斯波形，設高斯脈沖半極大全寬度(FWHM)3dB光帶寬為式中， 為均方根(rms)脈沖寬度。對上式進行傅里葉變換，代入公式得到第16頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬5 、色散、帶寬和脈沖展寬3dB光帶寬 、均方根（rms）脈沖寬度 、脈沖半極大全寬度(FWHM) 定義如下圖 輸入脈沖輸出脈沖tPi（t）（ t ）H 1（ f ）= 1 ff3dB03光纖10lgH（ f

11、）/ d B11/e1/21/22tPo（ t） = h（ t）H 2（ f ）=H f ） 第17頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性1.3.2 光纖的色散和帶寬5 、色散、帶寬和脈沖展寬 輸入脈沖一般不是 函數(shù)。設輸入脈沖和輸出脈沖為高斯函數(shù)，其均方根（rms）脈沖寬度分別為 和 ，頻率響應分別為 和 ，根據(jù)傅里葉變換特性得到 由此得到，信號通過光纖后產(chǎn)生的脈沖展寬 或 和 分別為輸入脈沖和輸出脈沖的FWHM。第18頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3 光纖傳輸特性 1.3.3光纖雙折射及偏振特性 實際光纖難以避免

12、的形狀不完善或應力不均勻，必定造成折射率分布各向異性，使兩個偏振模具有不同的傳輸常數(shù) 1）定義歸一化雙折射系數(shù)： 2）拍長： 3）偏振色散： 兩個正交模式在光纖中傳播單位長度的時延差為 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第19頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.3光纖雙折射及偏振特性 產(chǎn)生雙折射原因凡使光纖介質(zhì)出現(xiàn)光學各向異性的物理因素 都將使光纖產(chǎn)生雙折射。 單模光纖截面橢圓度 單模光纖應力、應變 單模光纖彎曲 單模光纖扭曲 外場引起（電光、磁光、彈光效應等）保偏光纖 高雙折射光纖： 比較大，相位不匹配，兩個正交模弱耦合。 低雙折射光纖： 減小纖芯的剩余應力，降低各向

13、異性。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第20頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗 使用過程中的彎曲，以及光纖耦合損耗是主要損耗。一、彎曲引起的損耗1、宏彎曲多模光纖：臨界半徑第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第21頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗一、彎曲引起的損耗2、宏彎曲單模光纖：當 時，臨界半徑可用下式表示，誤差小于10臨界半徑第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第22頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗 3、多模光纖的

14、微彎曲損耗 理論分析表明，一般情況下，微彎只能使相鄰模式之間產(chǎn)生損耗。相鄰模式之間傳播常數(shù)差值越大，耦合越強烈，微彎損耗也越大，而且和光纖微彎形狀密切相關。例如：微彎損耗 為微彎空間頻率第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第23頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗 3、多模光纖的微彎曲損耗 結論： （1）光纖微彎空間頻率 （微彎周期 ），損耗最大（2）光纖損耗譜在 處的主衰減峰的譜寬 ，主衰減峰兩側還有次級大出現(xiàn)。（3）損耗與微彎振幅 成正比。對傳感器應用有利。（4）損耗與微彎總長度L成正比。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第24頁，共47

15、頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗 3、單模光纖的微彎曲損耗 為歸一化徑向變量 為標量場分布第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第25頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四 1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗 二、光源與光纖耦合損耗 光源與光纖連接時，為獲得最佳耦合效率，主要考慮兩者的特性參量相互匹配問題。 光纖：纖芯直徑、數(shù)值孔徑、截止波長和偏振特性 光源：發(fā)光面積、發(fā)光角分布、光譜特性、輸出功率及偏振特性 通用光源為半導體激光器和半導體發(fā)光二極管，耦合方式分為直接耦合和透鏡耦合。顯然采用透鏡耦合效率更高。采用直接耦合時，

16、半導體激光器優(yōu)于半導體發(fā)光二極管，因為自發(fā)輻射光發(fā)射的方向性差。 半導體發(fā)光二極管與多模光纖直接耦合的最大效率為第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第26頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四 1.3.4 外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗 二、光纖與光纖耦合損耗 多模光纖之間連接時，為獲得最佳耦合效率，在同種類光纖中，主要考慮以下幾方面問題： 1、軸偏離對耦合損失影響 2、兩光纖端面之間的間隙對耦合損失影響 3、兩光纖軸之間的傾斜對耦合損失影響 4、光纖端面不完整對耦合損失影響 在不同種類光纖中，主要考慮：1、光纖芯徑 2、折射率不同 單模光纖之間連接時，也是考慮：軸偏離、軸傾斜、端面

17、間隙和不同種類光纖引起的損耗。 光纖和透鏡耦合主要考慮數(shù)值孔徑的匹配和透鏡的像差。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第27頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中的非線性效應，一方面引起傳輸信號的附加損耗，通信之間的串話，信號頻率的移動；另一方面又可以被用來開發(fā)新型器件，如激光器、放大器、調(diào)制器等。 光孤子通信就是利用光纖中的非線性效應克服色散的影響，壓縮后的脈沖已達到6fs( 飛秒)的窄脈沖，使通信速率極大提高，傳輸距離極大延長。因此要了解和掌握光纖非線性效應的基本原理及應用。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第28頁，共47頁，

18、2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 一、 非線性效應 任何介質(zhì)（如玻璃光纖）對光功率的響應都是非線性的。由于光注入光纖介質(zhì)產(chǎn)生了電偶極子， 電偶極子反過來與光波會產(chǎn)生相互調(diào)制的相互作用。在光功率小時引起小的振蕩即線性響應，在光功率大時振蕩產(chǎn)生非線性響應。電偶極子的極化強度P與光場E的關系為 式中, 為真空中的電介常數(shù)； 是介質(zhì)的電極化率， 為系統(tǒng)二階非線性系數(shù)， 為三階非線性系數(shù)。 對于各向同性介質(zhì)如光纖，第二項是正交的，因而該項消失，第三項引起的非線性效應很大， 它常稱為克爾效應，主要有兩類：一類是由于光纖的折射率隨輸入光功率的變化引起的，另一類是由散射產(chǎn)

19、生的。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第29頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 當光纖中光功率保持低電平時， 玻璃光纖的折射率一直為常數(shù)。 當光纖中的光功率提高后， 光纖的折射率受到傳輸信號光強度的調(diào)制而發(fā)生變化。 非線性折射率波動效應可分為三大類： 自相位調(diào)制(SPM)、 交叉相位調(diào)制(XPM)以及四波混頻(FWM)。 在光強度調(diào)制系統(tǒng)中， 當光信號與聲波或光纖材料中振動的分子相互作用時， 會散射光并把能量向更長的波長轉(zhuǎn)移。 非線性受激散射可分為布里淵散射和拉曼散射兩種形式。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第30頁，共47頁，2022年，5月2

20、0日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應（一）非線性折射 兩個最廣泛的應用是自相位調(diào)制(SPM) 和交叉相位調(diào)制(XPM) 1、自相位調(diào)制(SPM)光脈沖自身引起相位變化，導致光脈沖頻譜展寬。 當有一光波信號在光纖中傳輸時，其相位隨距離而變化，方程為 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第31頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 前一項是線性相移， 后一項為非線性相移。 如果輸入的光信號是強度調(diào)制， 則非線性相移引起相位調(diào)制， 這種效應稱為自相位調(diào)制(SPM)。 SPM的相位調(diào)制能夠產(chǎn)生新的頻率， 同時展寬了光脈沖的頻譜， 在波分復用系統(tǒng)中

21、如果這種調(diào)制現(xiàn)象較嚴重， 展寬的光譜會覆蓋到相鄰的信道。 另外, 自相位調(diào)制能帶來好處， 它能夠與光纖的正色散作用, 從而暫時壓縮傳輸?shù)墓饷}沖。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第32頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 2 、交叉相位調(diào)制(XPM/CPM) 交叉相位調(diào)制(XPM/CPM)準確地講是與自相位調(diào)制產(chǎn)生方式相同的另一種非線性效應。然而自相位調(diào)制是光脈沖對自身相位的影響，交叉相位調(diào)制是用來描述光脈沖對其他信道信號光脈沖相位的影響，僅在多信道系統(tǒng)中才發(fā)生。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第33頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，

22、星期四1.3.5 光纖的非線性效應 2 、交叉相位調(diào)制(XPM/CPM) 第一項為自相位調(diào)制，第二項為交叉相位調(diào)制（產(chǎn)生頻譜不對稱展寬），可以利用此效應制作“光克爾開關”。 相位調(diào)制主要影響相干技術解調(diào)系統(tǒng)，對直接檢測、非相干調(diào)制、幅度調(diào)制傳輸系統(tǒng)影響不嚴重。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第34頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應（二）受激非彈性散射 1、受激喇曼散射（SRS）介質(zhì)中分子振動對入射光（泵浦光）的調(diào)制 當一個強光信號在光纖中引發(fā)了分子共振時，產(chǎn)生喇曼非線性效應， 這些分子振動調(diào)制信號光后產(chǎn)生了新的光頻（正向傳播）， 除此之外還將放

23、大新產(chǎn)生的光。 斯托克斯波 反斯托克斯波 分子振動頻率。 在室溫下， 大部分新產(chǎn)生的頻率都處于光載波的低頻區(qū)。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第35頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 喇曼增益與閾值 為喇曼增益系數(shù)（ ） 為泵浦波光強 喇曼散射閾值泵浦功率為：纖芯有效面積 光纖有效作用長度 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第36頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 喇曼增益與閾值超低損耗單模光纖 預測 泵浦到斯托克斯波的轉(zhuǎn)換效率很高，一階斯托克斯波足夠強時，還可以再產(chǎn)生二階斯托克斯波 應用：光纖喇曼

24、激光器 光纖喇曼放大器 影響：各信道之間串話，單信道系統(tǒng)閾值功率大 于光源入纖功率，不會產(chǎn)生嚴重影響。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第37頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應（二）受激非彈性散射 2、受激布里淵散射（SBS） 當一個窄線寬、 高功率信號沿光纖傳輸時， 將產(chǎn)生一個與輸入光信號同向的聲波， 此聲波波長為光波長的一半， 且以聲速傳輸。 理解非線性布里淵效應的一個簡單方法是將聲波想象為一個把入射光反射回去的移動布拉格光柵， 由于光柵向前移動， 因此反射光經(jīng)多普勒頻移到一個較低的頻率值。 對于工作于1.55 m的二氧化硅光纖， 布里淵頻偏

25、約為 11 GHz， 且決定于光纖中的聲速， 反射光線寬， 還取決于聲波的損耗， 它可在幾十至幾百兆赫茲的范圍內(nèi)變動。 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第38頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 布里淵增益與閾值 為布里淵增益系數(shù) 布里淵散射閾值泵浦功率為： 對于窄脈沖，因其頻譜較寬， 很高，可以忽略布里淵散射。對于一般情況，例如 第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第39頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 應用：光纖布里淵激光器 光纖布里淵放大器 影響： 1）因閾值較低，一旦光信號達到閾值，大部分能量將

26、轉(zhuǎn)化成反向傳輸?shù)乃雇锌怂股⑸涔?，減少信號功率，反饋給激光器，使其工作不穩(wěn)定。解決辦法：加寬輸入信號的頻帶寬度，增大閾值。 2）有利的應用：低的閾值功率，提供了布里淵放大，利用與信號傳輸相反方向注入連續(xù)泵浦，補償傳輸損耗，延長傳輸距離。窄線寬可用于選擇放大載波，不放大調(diào)制邊帶，基本原理與外差檢測類似。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第40頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 (三)參量放大（四波混頻FWM） 當有三個不同波長的光波同時注入光纖時， 由于三者的相互作用， 產(chǎn)生了一個新的波長或頻率， 即第四個波， 新波長的頻率是由入射波長組合產(chǎn)生的新頻率

27、。 這種現(xiàn)象稱為四波混頻效應。 四波混頻效應能夠?qū)⒃瓉砀鱾€波長信號的光功率轉(zhuǎn)移到新產(chǎn)生的波長上， 從而對傳輸系統(tǒng)性能造成破壞。 在波分復用系統(tǒng)中， 混合產(chǎn)生的新波長會與其他信號信道的波長完全一樣，嚴重地破壞信號的眼圖并產(chǎn)生誤碼。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第41頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 (三)參量放大（四波混頻FWM）第四個波的頻率是由入射波長組合產(chǎn)生的新頻率 要有顯著的四波混頻現(xiàn)象發(fā)生，必須滿足頻率和波矢匹配，即滿足相位匹配條件。 組合為 的形式，相位匹配條件相對容易滿足，而其它組合不易發(fā)生。 雖然四波混頻的閾值比喇曼散射低，但長距離光纖中，喇曼散射占優(yōu)，因為不易保持四波混頻的相位匹配條件。第一章 光纖傳輸原理和傳輸特性第42頁，共47頁，2022年，5月20日，9點42分，星期四1.3.5 光纖的非線性效應 二、光孤子與光孤子通信 一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，不同的頻率， 在介質(zhì)中的傳播速度不同。因此，光