光纤通信系统 第三讲 光信号的传输特性(第二部分).ppt

第二章 光信号的传输特性 （第二部分）光纤通信系统王王 翀翀 cw72@cw72@光信息科学与技术专业 光信息科学与技术专业西安邮电学院光电子技术系 西安邮电学院光电子技术系2.1 光纤概述2.2 光纤的损耗特性2.3 光纤的色散特性及色散限制2.4 光纤中的非线性光学效应第二章 光信号的传输特性2.3.1 2.3.1 光纤的色散特性光纤的色散特性光纤色散：光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中信号能量中的各种分量由于在光纤中 传输速度不同，而引起的信号畸变传输速度不同，而引起的信号畸变将引起光脉将引起光脉 冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量• • 色散类型色散类型• •模间色散模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）（仅多模光纤有） • •波导色散波导色散  ( ( ) )：传播常数随频率变化：传播常数随频率变化• •材料色散材料色散 n(n( ) )：：折射率随频率变化折射率随频率变化• •偏振模色散偏振模色散PMDPMD波长色散波长色散群速色散(GVD)n由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同 的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群 速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽 ，这种现象称为群速色散（GVD）、模内色散或 简言之光纤色散。

包括材料色散和波导色散Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse Chromatic dispersion causes different wavelengths of a light pulse to travel at different speeds in fiber, resulting in pulse spreadingto travel at different speeds in fiber, resulting in pulse spreading群速度n沿z方向传输的单色波：是角频率（弧度/秒）；是传播常数（m-1）n群速度：表征光信号包络的传输速度 群时延是频率的函数群时延是频率的函数，因此任意频谱分量传播，因此任意频谱分量传播 相同距离所需的时间都不一样相同距离所需的时间都不一样这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延这种时延差所造成的后果就是光脉冲传播时延 随时间的推移而展宽而我们所关心的就是由随时间的推移而展宽而我们所关心的就是由 群时延引入的脉冲展宽程度群时延引入的脉冲展宽程度。

群时延：群时延：频率为频率为 的光谱分量经过长为的光谱分量经过长为L L的单模光的单模光 纤时的时延纤时的时延群群时延时延光脉冲展宽(1)n光脉冲展宽：由于光脉冲包含许多频率分量，因 而群速度的频率相关性导致了脉冲传输过程中展 宽，不再同时到达光纤输出端为为群速色散（群速色散（GVDGVD））脉冲展宽同脉冲展宽同 2 2、光纤长度、光纤长度L L和信号谱宽和信号谱宽成正比成正比 2 2决定了脉冲在光纤中的展宽程度决定了脉冲在光纤中的展宽程度光脉冲展宽(2)n以色散参数D[ps/(nm. km)]表达脉冲展宽D的定义为：DD代表两个波长间隔为代表两个波长间隔为1nm1nm的光波传输的光波传输1km1km距离后的时延距离后的时延脉冲展宽：脉冲展宽：以波长单位表达以波长单位表达 的光信号谱宽的光信号谱宽单模光纤的色散n材料色散DM，纤芯材料的折射率随波长变化导 致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完 全相同的路径，也会发生脉冲展宽n波导色散DW ，由于单模光纤中只有约80％的 光功率在纤芯中传播，20％在包层中传播的光 功率其速率要更大一些，这样就出现了色散波 导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播 常数是a/的函数(a纤芯半径， a/是光纤相当 于波长的尺度).• •SMF,SMF, G.652, G.652, 标准单模光纤标准单模光纤• •DSF,DSF, G.653, G.653, 色散位移光纤色散位移光纤• •NZ-DSF,NZ-DSF, G.655, G.655, 非零色散位移光纤非零色散位移光纤• •DFF,DFF, 色散平坦光纤色散平坦光纤• •LEAF,LEAF, 大有效面积光纤大有效面积光纤• •DCF, DCF, 色散补偿光纤色散补偿光纤• •NDF, NDF, 负色散光纤负色散光纤• •Large Effective-Area Fiber:Large Effective-Area Fiber: 如如LEAF Fiber(LEAF Fiber(康宁康宁) )A Aeffeff: :SMF80m2 NZ-DSF55 m2 LEAF72 m2• •Dispersion Compensating Fiber:Dispersion Compensating Fiber:  -100ps/nm.km & 0.5dB-100ps/nm.km & 0.5dB  芯径小，非线性严重芯径小，非线性严重  双折射，双折射，PMDPMD严重严重单模光纤的发展与演变总结(1)n在光纤通信发展的近30年中，单模光纤的结构和性能 也在不断发展和演变。

n最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤)，零 色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮 演者重要的角色n对光纤损耗机理的研究表明，光纤在1550nm窗口损 耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损 耗的极限如果零色散移到1550nm，则可以实现零 色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了色散 位移光纤DSF(G.653光纤)设计思路是通过结构和 尺寸的适当选择来加大波导色散，使零色散波长从 1310nm移到1550nm单模光纤的发展与演变总结(2)n90年代后，DWDM和EDFA的迅速发展，1550nm波段的 几十个波长的信号同时在一根光纤中传输，使光纤的传输容 量极大地提高然而，四波混频FWM会引起复用信道之间的 串扰，严重影响WDM的性能FWM是一种非线性效应，其 效率与光纤的色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散 增加，混频效率迅速下降这种性质使DSF光纤在WDM系 统中失去了魅力非零色散位移光纤NZ-DSF(G.655光纤) 应运而生 NZ-DSF在1530~1565nm(EDFA的工作波长 )区具有小的但非零的色散，既适应高速系统的需要，又使 FWM效率不高。

NZ-DSF的纤芯采用三角形或梯形折射率 分布，其色散可正可负若零色散波长小于1530nm则色散 为正；若零色散波长大于1565nm则色散为负从而实现长 距离的色散管理单模光纤的发展与演变总结(3)nNZ-DSF光纤的缺点是模场直径小，容易加剧非 线性效应的影响，为此人们又研究了大有效面积 NZ-DSF光纤如康宁公司研制的三角形＋外环 结构和双环结构光纤，三角形和内环纤芯的作用 是将零色散波长移向1550nm，外环的作用是把 光从中心吸引出来一部分，增大有效面积n各种光纤性能不断提高，各种新型光纤层出不穷 ，无所谓好坏，应根据实际应用情况选择最合适 的光纤在理想的单模光纤中，基模是由两个相互在理想的单模光纤中，基模是由两个相互 垂直的简并偏振模组成如果由于某种因素使这垂直的简并偏振模组成如果由于某种因素使这 两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的 迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散• •偏振模色散偏振模色散(PMD)(PMD)单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散本征光纤双折射本征光纤双折射随机的偏振模耦合随机的偏振模耦合双折射的光通信器件双折射的光通信器件偏振模色散产生的原因？偏振模色散产生的原因？+ +• • 外界的挤压外界的挤压 • • 光纤的弯曲、扭转光纤的弯曲、扭转 • • 外界环境温度的变化等外界环境温度的变化等EDFA EDFA ，，FBG FBG ，，DCFDCFIsolators , Couplers , Isolators , Couplers , Filters etc.Filters etc.三、光纤色散对系统的限制三、光纤色散对系统的限制• •光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤光纤通信系统中，信息是通过编码脉冲序列在光纤 中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率中传输的，光脉冲的宽度由系统的比特率BB决定，因决定，因 而不希望色散展宽而产生误码。

但实际上群速度色而不希望色散展宽而产生误码但实际上群速度色 散散GVDGVD总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻总是会引起脉冲展宽，脉冲展宽会导致相邻 比特周期的信号重叠，产生比特周期的信号重叠，产生ISIISI（（IntersymbolIntersymbol InterferenceInterference），），从而限制了光纤通信系统的比特从而限制了光纤通信系统的比特 率率BB和传输距离和传输距离L L，而，而BLBL积是评价系统传输性能的基积是评价系统传输性能的基 本参数（称为通信容量）本参数（称为通信容量）系统对脉冲宽度的限制系统对脉冲宽度的限制( (判据判据) )：： 为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲应限制在所为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲应限制在所 分配的比特时隙（分配的比特时隙（T TB B））内，而内，而T TB B＝＝1/B1/BB--B--传输码率传输码率  ------与所允许的功率代价有关与所允许的功率代价有关2.1 光纤概述2.2 光纤的损耗特性2.3 光纤的色散特性及色散限制2.4 光纤中的非线性光学效应第二章 光信号的传输特性2.42.4 光纤中的非线性光学效应光纤中的非线性光学效应2.4.1 2.4.1 概述概述 2.4.2 2.4.2 受激非弹性散射受激非弹性散射 • •受激布里渊散射受激布里渊散射(SBS)(SBS) • •受激喇曼散射受激喇曼散射(SRS)(SRS) 2.4.3 2.4.3 非线性折射率非线性折射率 • •自相位调制自相位调制(SPM)(SPM) • •互相位调制互相位调制(XPM)(XPM) • •四波混频四波混频(FWM)(FWM)2.4.1 概述• 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—非线性光纤光学光纤中的非线性效应可分为两类光纤中的非线性效应可分为两类: :一、受激非弹性散射：一、受激非弹性散射：光场经过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包括：将能量传递给介质产生的效应包括： 受激受激 布里渊散射布里渊散射(SBS)(SBS)和受激喇曼散射和受激喇曼散射(SRS)(SRS)二、非线性折射率：二、非线性折射率：光纤折射率与光强的相光纤折射率与光强的相 关性产生的效应包括：自相位调制关性产生的效应包括：自相位调制(SPM)(SPM) 、、互相位调制互相位调制(XPM)(XPM)和四波混频和四波混频(FWM)(FWM)非线性效应概述nSBS、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nSPM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。