演示文稿光纖的色散與非線性效應(yīng)

演示文稿光纖的色散與非線性效應(yīng)現(xiàn)在是1頁\一共有49頁\編輯于星期五（優(yōu)選）光纖的色散與非線性效應(yīng)現(xiàn)在是2頁\一共有49頁\編輯于星期五隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大決定了電中繼器之間的距離光纖的色散模間色散(ModeDispersion)

色度色散(CromaticDispersion)

偏振色散(PolarizationModeDispersion)現(xiàn)在是3頁\一共有49頁\編輯于星期五色散對傳輸?shù)南拗片F(xiàn)在是4頁\一共有49頁\編輯于星期五現(xiàn)在是5頁\一共有49頁\編輯于星期五Material(Chromatic)DispersionThisiscausedbythefactthattherefractiveindexoftheglassweareusingvaries(slightly)withthewavelength.Somewavelengthsthereforehavehighergroupvelocitiesandsotravelfasterthanothers.Sinceeverypulseconsistsofarangeofwavelengthsitwillspreadouttosomedegreeduringitstravel.現(xiàn)在是6頁\一共有49頁\編輯于星期五GroupVelocityDispersion”(GVD)NormalDispersionRegime:thelongwavelengthstravelfasterthantheshortones!Thusaftertravellingonafibrewavelengthsattheredendofthepulsespectrumwillarrivefirst.Thisiscalledapositivechirp!AnomalousDispersionRegime:theshortwavelengths(blueendofthespectrum)travelfasterthanthelongwavelengths(redend).Aftertravelonafibretheshorterwavelengthswillarrivefirst.Thisisconsideredanegativechirp.現(xiàn)在是7頁\一共有49頁\編輯于星期五PolarisationModeDispersion(PMD)ThereisusuallyaveryslightdifferenceinRIforeachpolarisation.Itcanbeasourceofdispersion,usuallylessthan.5ps/nm/km.Theeffectistocauseacircularorellipticalpolarisationtoformasthesignaltravelsalongthefibre.Dispersionresultingfromthebirefringentpropertiesoffibreiscalled“PolarisationModeDispersion”(PMD).現(xiàn)在是8頁\一共有49頁\編輯于星期五WaveguideDispersion

Theshape(profile)ofthefibrehasaverysignificanteffectonthegroupvelocity.Thisisbecausetheamountthatthefieldsoverlapbetweencoreandcladdingdependsstronglyonthewavelength.Thelongerthewavelengththefurtherthetheelectromagneticwaveextendsintothecladding.sinceagreaterproportionofthewaveatshorterwavelengthsisconfinedwithinthecore,theshorterwavelengths“see”ahigherRIthandolongerwavelengths.Thereforeshorterwavelengthstendtotravelmoreslowlythanlongerones.現(xiàn)在是9頁\一共有49頁\編輯于星期五傳輸使用的三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.653單模光纖（DSF）G.655單模光纖（NZ-DSF）常規(guī)G.655大有效面積G.655現(xiàn)在是10頁\一共有49頁\編輯于星期五大多數(shù)已安裝的光纖低損耗大色散分布大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴容成本高結(jié)論:

不適用于10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652單模光纖（NDSF）現(xiàn)在是11頁\一共有49頁\編輯于星期五低損耗零色散小有效面積長距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論:

適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于DWDM應(yīng)用，處于被市場淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖（DSF）現(xiàn)在是12頁\一共有49頁\編輯于星期五在1530－1565nm窗口有較低的損耗工作窗口較低的色散，一定的色散抑制了非線性效應(yīng)（四波混頻）的發(fā)生。可以有正的或負(fù)的色散——海底傳輸系統(tǒng)正色散SPM效應(yīng)壓縮脈沖，負(fù)色散SPM效應(yīng)展寬脈沖。為DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計的G.655單模光纖（NZ-DSF）結(jié)論:適用于10Gb/s以上速率DWDM傳輸，是未來大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇?，F(xiàn)在是13頁\一共有49頁\編輯于星期五三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)現(xiàn)在是14頁\一共有49頁\編輯于星期五CalculatingDispersioninatypicalsingle-modefibreusingalaserwithaspectralwidthof6nmoveradistanceof10km:Dispersion=17ps/nm/km×6nm×10km=1020psAt1Gbpsapulseis1nslong.Sothesystemwouldnotwork.(20%isagoodguidelinefortheacceptablelimit.)Butitwouldprobablyworkquitewellatadatarateof155Mbps(apulselengthof6.5ns).Anarrowspectralwidthlasermightproduceonlyonelinewithalinewidthof300MHz.Modulatingitat1Gbpswilladd2GHz.2,300MHzisjustlessthan.02nm(at1500nm).Sonow:Dispersion=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4psInthiscase,dispersionjustceasedtobeaproblem.現(xiàn)在是15頁\一共有49頁\編輯于星期五色散補償技術(shù)控制光源線寬色散位移光纖色散補償光纖中途譜反轉(zhuǎn)啁啾光纖光柵現(xiàn)在是16頁\一共有49頁\編輯于星期五ControlofSpectralWidthSimpleFPlaser:over5nm;ExternalcavityDBRlaser:<.01nmModulationaddstothebandwidthofthesignal,bytwicethehighestfrequencypresentinthemodulatingsignal(1Gbps,.04nm)!UsingmorecomplexsignalcodingratherthansimpleOOK.UsingWDM(a2.5Gbpssignalhas1/4oftheproblemwithdispersionasa10Gbpssignal).現(xiàn)在是17頁\一共有49頁\編輯于星期五DispersionShiftedFibredispersionshiftedfibreisdesignedwithadispersionzeropointataround1550nm.However,itisnotalwayspossibleorindeeddesirable：Inmanycaseswecan'thaveDSFbecausethefibrewemustuseisalreadyinstalled.four-wavemixingeffectivelyprohibittheuseofDSF.現(xiàn)在是18頁\一共有49頁\編輯于星期五DispersionCompensatingFibre現(xiàn)在是19頁\一共有49頁\編輯于星期五BalancingDispersiononaLink現(xiàn)在是20頁\一共有49頁\編輯于星期五DCF存在的問題

高損耗(0.5dB/km)小截面積(DCF:20mm2G-652:80mm2),比標(biāo)準(zhǔn)光纖的非線性系數(shù)高2-4個數(shù)量級非線性閾值低3-6dB較大的色散斜率(DCF:-15~-20ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波長過補償，長波長欠補償?，F(xiàn)在是21頁\一共有49頁\編輯于星期五Mid-SpanSpectralInversionTheconcepthereistouseadeviceinthemiddleofthelinktoinvertthespectrum.Thisprocesschangestheshortwavelengthstolongonesandthelongwavelengthstoshortones.Whenthepulsearrivesithasbeenre-builtexactly-compensatedforbythesecondhalfofthefibre.現(xiàn)在是22頁\一共有49頁\編輯于星期五PrincipleThisspectralinversionisperformedbyaprocesscalled“opticalphaseconjugation”.Devicesthatchangethewavelengthusingeither4-WaveMixingorDifferencerequencyGenerationinvertthespectrumasabiproductoftheirwavelengthconversionfunction.Thesecanbeusedasspectralinvertersifwecantoleratethewavelengthshiftinvolved.現(xiàn)在是23頁\一共有49頁\編輯于星期五ChirpedFibreBraggGratingsChirped

Bragggrating??

?

llonglshortTocompensatefor100kmofstandard(17ps/nm/km)fibrethechirpedgratingneedstobe17cmlongforeverynmofsignalbandwidth!InthisinstanceaWDMsystemwithchannelsspreadover(say)20nmwouldneedachirpedFBG(20x17)340cmlong!現(xiàn)在是24頁\一共有49頁\編輯于星期五啁啾光柵用作色散補償啁啾光柵的色散：(2neffL/c)(1/Dlc) neff

：有效折射率；c：光速

Dlc

光柵兩邊緣反射波長之差.5cm長的線性啁啾光柵可以補償300km的10Gb/(光譜寬度0.1nm)傳輸線的色散(~5100ps/nm)現(xiàn)在是25頁\一共有49頁\編輯于星期五

單信道

多信道

折射率效應(yīng)光強度波動引起的折射率的調(diào)制

自相位調(diào)制

(SPM)

交叉相位調(diào)制

(XPM)

四波混頻

(FWM)

散射效應(yīng)

受激布里淵散射

(SBS)

受激拉曼散射

(SRS)

光纖的非線性效應(yīng)現(xiàn)在是26頁\一共有49頁\編輯于星期五WhathappenIncreaseinsignificanceexponentiallywiththelevelofopticalpowerinthefibre.“Elastic”effects:noenergyexchangebetweentheopticalwaveandthematter(four-wavemixing).“InelasticScattering”:thereisanenergytransferbetweenthematterinvolvedandtheopticalwave.現(xiàn)在是27頁\一共有49頁\編輯于星期五光纖非線性的形成單信道系統(tǒng)，功率水平<10mw,速率不超過2.5Gb/s時，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：光纖的損耗和折射率都與信號功率無關(guān)WDM系統(tǒng)中，即使在中等功率水平和比特率下，非線性效應(yīng)也很顯著。非線性效應(yīng)的產(chǎn)生的原因是：光纖傳輸損耗（增益）和折射率以及光功率相關(guān)。非線性相互作用取決于傳輸距離和光纖的橫截面積?，F(xiàn)在是28頁\一共有49頁\編輯于星期五折射率非線性變化光纖折射率隨光功率變化：

n=n0+n2P/Ae

其中P是光功率，Ae

是光纖有效截面積折射率變化引起光波相位變化，導(dǎo)致光脈沖展寬，形成SPM,XPMandFWM在負(fù)色散區(qū)導(dǎo)致色散代價；在正色散區(qū)，導(dǎo)致色散補償

現(xiàn)在是29頁\一共有49頁\編輯于星期五Carrier-InducedPhaseModulationThepresenceoflightinafibrecausesa(tiny)changeintherefractiveindexofthefibre.Thisisbecausetheelectromagneticfieldthatconstitutesthelightactsontheatomsandmoleculesthatmakeuptheglass.Thisiscalledthe“KerrEffect”.Atlowintensitiestheeffectislinear;thatis,theamountofRIchangevarieslinearlywiththeintensityofthelight.Athighintensitiestheeffectishighlynon-linear.Thisiscalledthe“NonlinearKerrEffect”.現(xiàn)在是30頁\一共有49頁\編輯于星期五HowitworksAtveryhighpowersKerrnonlinearitiescanbeusedtobalancetheeffectsofchromaticdispersioninthefibreanda“soliton”isformed.Atmediumpowerlevels(belowthelevelneededtoformsolitons)Kerreffecthasbeenusedtoconstructdevicesthatcompressandre-formpulsesandhence“undo”theeffectsofchromaticdispersion.AtlowpowerlevelstheresultsofKerreffectare“self-phasemodulation”and“cross-phasemodulation”.現(xiàn)在是31頁\一共有49頁\編輯于星期五自相位調(diào)制(SPM)自相位調(diào)制（SPM）的產(chǎn)生是由于本信道光功率引起的折射率非線性變化，這一非線性折射率引起與脈沖強度成正比的感生相移，因此脈沖的不同部分有不同的相移，并由此產(chǎn)生脈沖的啁啾SPM效應(yīng)在高傳輸功率或高比特率的系統(tǒng)中更為突出。SPM會增強色散的脈沖展寬效應(yīng)。從而大大增加系統(tǒng)的功率代價?，F(xiàn)在是32頁\一共有49頁\編輯于星期五SPM的特點E(Z,t)=Ecos(wot-Boz) 自相位調(diào)制（SPM）：電場E（z,t）的相位隨E2z變化，即：SPM引起的相位變化正比于電場強度E2與傳播距離z?，F(xiàn)在是33頁\一共有49頁\編輯于星期五交叉相位調(diào)制(XPM)交叉相位調(diào)制（XPM）的產(chǎn)生是由于外信道光功率引起的折射率非線性變化，導(dǎo)致相位變化相位正比于，其中第一項來源于SPM，第二項即交叉相位調(diào)制(XPM)。若E1=E2

則XPM的效果將是SPM的兩倍。因此XPM將加劇WDM系統(tǒng)中SPM的啁啾及相應(yīng)的脈沖展寬效應(yīng)。增加信道間隔可以抑制XPMDSF高速(≥10Gb/s)WDM系統(tǒng)中，XPM將成為一個顯著的問題?，F(xiàn)在是34頁\一共有49頁\編輯于星期五四波混頻(FWM)折射率對于光強的相關(guān)性，不僅引起信道中的相移，而且產(chǎn)生新頻率分量的信號，這種現(xiàn)象稱為四波混頻（FWM）三光子混頻： w4=w1+w2+w3兩光子混頻： w4+w3=w1+w2單光子混頻： w4+w3=2wp

(wp=w1=w2)兩束光產(chǎn)生混頻兩個邊帶： 斯托克斯頻率： wS=2w1-w2

反斯托克斯頻率： wA=2w2-w1現(xiàn)在是35頁\一共有49頁\編輯于星期五FourWaveMixingEffects現(xiàn)在是36頁\一共有49頁\編輯于星期五四波混頻的特點FWM的影響有賴于相互作用的信號之間的相位關(guān)系。如果相互作用的信號以同樣的群速度傳播（無色散時就是這種情況），則FWM的影響加強，另一方面，如果存在色散，不同的信號以不同的群速度傳播，因此不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。在有色散的系統(tǒng)中，信道間隔越大，群速度的差異就越大。色散位移光纖中的色散值很低，F(xiàn)WM效率要高得多。在色散位移光纖中，信道數(shù)增加時，會產(chǎn)生更多的FWM項信道間隔減小時，相位失配減小，F(xiàn)WM效率增加信號功率增加，F(xiàn)WM呈指數(shù)增加現(xiàn)在是37頁\一共有49頁\編輯于星期五降低FWM的措施仔細(xì)選擇各信道的位置，使得那些拍頻項不與信道帶寬范圍重疊。這對于較少信道數(shù)的WDM系統(tǒng)是可能的，但必須仔細(xì)計算信道的確切位置。增加信道間隔，增加信道之間的群速度不匹配。但缺點是增加了總的系統(tǒng)帶寬，從而要求放大器在較寬的帶寬范圍內(nèi)有平坦的增益譜，另外還增加了SRS引起的代價。增加光纖的有效截面，降低光纖中光功率密度。對于DSF使用大于1560nm的波長。這種方法的思路是：即使對于DSF，這一范圍內(nèi)也存在顯著的色散量，從而可以減小FWM的效率。這依賴于L-band的EDFA。針對不同的波長信道引入延時，從而擾亂不同波長信道的相位關(guān)系?，F(xiàn)在是38頁\一共有49頁\編輯于星期五受激布里淵散射(SBS)受激布里淵散射（SBS）是由于光子受到聲學(xué)聲子的散射所產(chǎn)生的,形成斯托克斯波與反斯托克斯波。SBS產(chǎn)生頻移，只發(fā)生在很窄的線寬內(nèi)，在1.55mm處，WB=11.1GHZ。斯托克斯波和泵浦波沿反方向傳播。只要波長間隔比20MHZ大得多（這是典型的情況），SBS不引起不同波長之間的相互作用。SBS在朝向光源的方向上產(chǎn)生增益，會引起光源不穩(wěn)定SBS閾值功率低(單波長信道：9dBm).增加光源線寬能夠提高SBS閾值功率(100MHz光源:16dBm）SBS的增益系數(shù)gB約為4×10-11m/W，且與波長無關(guān)?，F(xiàn)在是39頁\一共有49頁\編輯于星期五SBSThresholdVariationwithWavelength現(xiàn)在是40頁\一共有49頁\編輯于星期五MajorproblemwithSBSInlongdistancesystemswherethespanbetweenamplifiersisgreatandthebitratelow(belowabout2.5Gbps).InWDMsystems(uptoabout10Gbps)wherethespectralwidthofthesignalisverynarrow.Inremotepumpingofanerbiumdopedfibreamplifier(EDFA)throughaseparatefibre.EDFApumpstypicallyputoutaboutfourlinesofaroundonly80MHzwide.EachoftheselinesislimitedbySBSintheamountofpowerthatcanbeused.現(xiàn)在是41頁\一共有49頁\編輯于星期五降低SBS的措施使單信道功率保持在SBS閾值以下。增加光源的線寬,大于100MHz（0.1nm)。采用相位調(diào)制?，F(xiàn)在是42頁\一共有49頁\編輯于星期五受激喇曼散射(SRS)SRS是光子受到振動分子散射所產(chǎn)生的。SRS同時存在于在光傳輸方向或者與之相反的方向閾值比SBS高3個數(shù)量級，具有100nm頻移間隔SRS引起DWDM不同信道之間發(fā)生耦合，導(dǎo)致串?dāng)_。長波長信號被短波長信號放大，