光网络-第二章-全光传输(一)课件

第二章 全光传输(一)第二章 全光传输(一)1 1本章内容一、光纤简介二、光发送机与接收机三、光放大器本章内容一、光纤简介2 2光连接概述信息源信息源光调制器光调制器电子探测器电子探测器带通滤波器带通滤波器PDONN光发送机光发送机光接收机光接收机点到点光连接示意图点到点光连接示意图光连接概述信息源光调制器电子探测器带通滤波器PDONN光发送3 3一、光纤简介uu光纤的构造uu光纤的种类uu光纤的主要参数uu光纤的非线性损伤uu新型光纤一、光纤简介光纤的构造4 41、光纤的构造n n光纤是一种高透明的玻璃丝，由二氧化硅等高纯度玻璃经复杂的工艺拉制而成，其全称是光导纤维。纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套n1n2n2n1n21、光纤的构造光纤是一种高透明的玻璃丝，由二氧化硅等高纯度玻5 5光网络-第二章-全光传输(一)课件6 6光缆及其典型结构n n光缆中的光纤必须设计成具有抗机械、环境及强度破坏的特点。光缆及其典型结构光缆中的光纤必须设计成具有抗机械、环境及强度7 7层绞式层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。层绞式层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古8 8骨架式骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V形、U 形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。骨架式骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可9 9束管式束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。束管式束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松1010带状式带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。带状式带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成11112.光纤的种类n n光纤可分为单模光纤和多模光纤两大类。单模光纤：中心玻璃芯很细(芯径一般为8至12 )，只能传输一种模式的光。优点：内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低。缺点：对光源的谱宽和稳定性有较高的要求。2.光纤的种类光纤可分为单模光纤和多模光纤两大类。单模1212按光纤的折射率分布划分阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤溅变折射率光纤溅变折射率光纤按光纤的折射率分布划分阶跃折射率光纤溅变折射率光纤1313单模光纤的种类G.652G.653G.654G.655G.656ITU单模光纤的种类G.652ITU1414单模光纤的传输窗口频带频带说明说明范围范围(nm)(nm)OO波段波段原始波段原始波段1260131260136060E E波段波段扩展波段扩展波段1360141360146060S S波段波段短波长波段短波长波段1460151460153030C C波段波段波段波段常规波段常规波段常规波段常规波段1530151530156565L L波段波段长波长波段长波长波段1565161565162525U U波段波段超长波长波超长波长波段段1625161625167575单模光纤的传输窗口频带说明范围(nm)O波段原始波段12601515光纤损耗与波长的关系损耗(dB/km)150THz50THzC波段L波段0.851.01.21.3851.551.6波长(m)12NC波段的通道划分光纤损耗与波长的关系损耗(dB/km)150THz50THz1616(1)G.652光纤n nG.652光纤：目前应用最广泛的标准单模光纤，称为1310nm性能最佳的单模光纤。这种光纤也可以用在1550nm波长区，但性能不是最佳，又称为色散未移位光纤。优点：设计简单，生产工艺成熟，成本低，经过多年设计参数上的不断改进，该光纤可适用于1310nm和1550nm窗口工作。(1)G.652光纤G.652光纤：目前应用最广泛的标准单模1717(2)G.653光纤n nG.653光纤：称为色散移位光纤或1550nm性能最佳光纤。这类光纤通过设计光纤折射率剖面，使零色散点迁移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口匹配，使这类光纤最适用于单波长高速超长距离的应用场合。缺点：缺点：由于零色散，这类光纤在采用由于零色散，这类光纤在采用由于零色散，这类光纤在采用由于零色散，这类光纤在采用DWDMDWDM扩容时会扩容时会扩容时会扩容时会出现严重的非线形效应，导致信号串扰，因此不出现严重的非线形效应，导致信号串扰，因此不出现严重的非线形效应，导致信号串扰，因此不出现严重的非线形效应，导致信号串扰，因此不适用于适用于适用于适用于DWDMDWDM系统。由于目前系统。由于目前系统。由于目前系统。由于目前DWDMDWDM网络的兴网络的兴网络的兴网络的兴起和发展，这类光纤已趋于自然消亡。起和发展，这类光纤已趋于自然消亡。起和发展，这类光纤已趋于自然消亡。起和发展，这类光纤已趋于自然消亡。(2)G.653光纤G.653光纤：称为色散移位光纤或1551818(3)G.654光纤n nG.654光纤：称为截止波长移位光纤，其零色散点仍然在1310附近，但其设计重点是降低1550nm的衰减。缺点：在1550处的色散较高 应用：海缆通信。(3)G.654光纤G.654光纤：称为截止波长移位光纤，其1919(4)G.655光纤n nG.655光纤：称为非零色散移位光纤，但零色散点不在1550nm附近，而是移到了1550nm窗口的高端或低端，从而使C窗口保持了一定的色散值，避免了发生多波长传输时的非线性效应现象。应用：适用于长距离DWDM系统的应用。(4)G.655光纤G.655光纤：称为非零色散移位光纤，但2020(5)G.656光纤n nG.656光纤：成为适合于宽波段传送的非零色散单模光纤。这类光纤在1460nm 1625nm 波段内都具有正色散系数，可以在更宽的波段范围内抑制非线性效应。应用：主要应用于局域网。(5)G.656光纤G.656光纤：成为适合于宽波段传送的非2121二.光纤的主要参数n n模场直径n n纤芯同芯度误差n n截止波长n n衰减n n色度色散n n弯曲损耗以以G.652、G.655和和G.656光纤为例光纤为例二.光纤的主要参数模场直径以G.652、G.655和G.62222 1、模场直径模场直径(MFD)：光功率为e-2E0时的光场半径宽度(E0为轴心 的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。电场分布一般近似为高斯分布，可以得到模场直径为：1、模场直径模场直径(MFD)：光功率为e-2E0时2323n n模场直径规范值的确定需要综合考虑光纤的连接损耗、宏弯损耗和微弯损耗等因素。最新的G.652修改建议规定1310nm处的模场直径标称值范围为8.69.5 ，而G.655和G.656建议分别规定1550nm处模场直径范围为811 和711 。模场直径规范值的确定需要综合考虑光纤的连接损耗、宏弯损耗和微24242、纤芯同心度误差n n纤芯同心度误差指光纤模场中心与包层中纤芯同心度误差指光纤模场中心与包层中心之间的距离。心之间的距离。该参数对光纤的连接损耗有很大影响，在工艺上应严格控制。目前G.652、G.655和G.656建议分别规定1310nm处和1550nm处的纤芯同心度误差不得大于0.8 .2、纤芯同心度误差纤芯同心度误差指光纤模场中心与包层中心之间25253、截止波长n n截止波长：通常指基模LP01以外的第一个高阶模LP11模的波长，当工作波长大于截止波长时可以确保单模(基模)传输。有效截止波长有效截止波长：常称截止波长，它定义为光纤中各阶模所携带的总功率和基模功率之比降到0.1dB时的波长。3、截止波长截止波长：通常指基模LP01以外的第一个高阶模L2626ITU-T定义的三种截止波长n n长度短于2m的跳线光缆中光纤的截止波长n n长度在220m之间的跳线光缆的截止波长n n22m长光缆的截止波长 为了避免模式噪声和色散代价，在外场光缆中应当：ITU-T定义的三种截止波长长度短于2m的跳线光缆中光纤的截2727在跳线中：G.652建议规定跳线光缆的截止波长 不得超过1250nm。同时还规定最坏长度和弯曲条件下的最大光纤截止波长 也不得超过1250nm。在跳线中：G.652建议规定跳线光缆的截止波长 不得28284、衰减n n光纤的衰减是光纤最主要的传输参数，长度为L的光纤在波长 处的衰减 定义为：对于均匀的光纤，单位长度的衰减，即衰减系数 与长度无关，可以表示为：4、衰减光纤的衰减是光纤最主要的传输参数，长度为L的光纤在波2929n n原因：吸收衰减、瑞利散射、波导的不完善性原因：吸收衰减、瑞利散射、波导的不完善性原因：吸收衰减、瑞利散射、波导的不完善性原因：吸收衰减、瑞利散射、波导的不完善性OH-离子吸收峰离子吸收峰瑞利散射瑞利散射紫外线吸收带紫外线吸收带红外线吸收红外线吸收原因：吸收衰减、瑞利散射、波导的不完善性OH-离子吸收峰瑞利3030(1)吸收衰减吸收衰减吸收衰减OH-吸收吸收跃迁金属离子的吸收跃迁金属离子的吸收玻璃的本征吸收玻璃的本征吸收(1)吸收衰减吸收衰减OH-吸收跃迁金属离子的吸收玻璃的本征3131(2)瑞利散射n n瑞利散射：主要由于纤芯折射率的不均匀引起了光在传播过程中的散射、衰减。瑞利散射是短波长处的主要损耗因素。(2)瑞利散射瑞利散射：主要由于纤芯折射率的不均匀引起了光在3232(3)波导的不完善性n n波导的不完善性主要是由于不理想的光纤几何特性，它们通常是由于光纤制造过程中不完善和出现的一些小的弯曲和歪曲。(3)波导的不完善性波导的不完善性主要是由于不理想的光纤几何3333衰减n n目前，ITU-T建议对几个典型工作波长下不同种类光缆的衰减系数都有详细的规定，具体可以查阅相关表格。例如通常要求1550nm处的衰减系数不大于0.350.4dB/km。n n事实上，多数商用光纤的典型衰减水平都已低达0.170.23dB/km，最大值一般也不超过0.25dB/km.衰减目前，ITU-T建议对几个典型工作波长下不同种类光缆的衰34345、弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。5、弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比3535 宏弯：宏弯：宏弯：宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式产生辐射损耗。当曲率半径减小时，损耗以指数形式增加。增加。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消逝场q qq qcqRCladdingCore场分布 宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出3636微弯损耗是指光纤轴向产生的弯曲半径可以与波长微弯损耗是指光纤轴向产生的弯曲半径可以与波长相比拟时的弯曲所带来的损耗。相比拟时的弯曲所带来的损耗。微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的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导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率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微弯损耗是指光纤轴向产生的弯曲半径可以与波长相比拟时的弯曲所3737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光纤弯曲带来额外损耗宏弯损耗微弯损耗基本损耗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光纤3838标准化n nITU-T对宏弯损耗进行了标准化。即规定光纤在半径为30mm的圆柱上松绕100圈后在1550nm的损耗增加通常应小于0.5dB.ITU-T未对微弯损耗进行规范。标准化ITU-T对宏弯损耗进行了标准化。即规定光纤在半径为339396、色度色散(GVD)n n色度色散也称群速度色散，是指不同波长的光在光纤中的群速度不同所引起的光脉冲展宽现象，它会造成很大误码率。6、色度色散(GVD)色度色散也称群速度色散，是指不同波长的4040光网络-第二章-全光传输(一)课件4141材料色散与波导色散n n材料色散：是由构成的光纤材料折射率随光波长而异所引起的色散，基本不受光纤掺杂物的影响。波导色散：指光纤中同一个模的群速度随光波长而异所引起的色散，有光纤波导的剖面结构参数所决定。主要是单模光纤。这两者共同决定了色度色散的大小，实际中不作区分，只关心总的作用结果。材料色散与波导色散材料色散：是由构成的光纤材料折射率随光波长4242标准单模光纤总的模内色散1310一般来说材料色散的影响大于波导色散：|Dm|Dw|波导色散特性波导色散特性取决于光纤的特性，如：芯径a，相对折射率差以及折射率分布等，因此可以通过改变光纤特性来改变其色散特性。色散的改变主要集中在零色散波长的位移和色散平坦两方面。标准单模光纤总的模内色散1310一般来说材料色散的影响大于波4343色度色散的参数(1)(1)色度色散系数 :(2)(2)指单位光源谱宽和单位长度光纤的色度色散，单位为ps/(nm.km)。(2)(2)零色散波长 ：(3)(3)在零色散波长 处，波导色散和材料色散在此处互相抵消，使总的色度色散为零。色度色散的参数色度色散系数 :零色散波长 ：4444(3)(3)色散斜率S:色度色散系数 随波长变化曲线的斜率。(4)(4)零色散斜率S0:在零色散波长 处色度色散随波长变化曲线的斜率。(3)色散斜率S:(4)零色散斜率S0:4545(5)(5)(5)(5)相对色散斜率(RDS):RDS主要用于描述色散斜率补偿作用，定义为光纤在某一波长 处的色散斜率 与该波长的色散 之比，通常以某波段的中心波长为参考。理论上，色散补偿光纤的RDS与传输光纤的RDS相等时，可以实现100%的色散斜率补偿。(5)相对色散斜率(RDS):理论上，色散补偿光纤的4646光纤的总色散光纤的总色散:色散平坦光纤色散位移光纤1310nm最优化光纤色散平坦光纤色散位移光纤光纤的总色散:色散平坦光纤色散位移光纤1310nm最优化光纤47477、极化模色散(DGD)n n由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称极化模色散，又叫偏振色散。极化模色散7、极化模色散(DGD)由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有4848本征光纤双折射随机的偏振模耦合双折射的光通信器件 极化模色散产生的原因+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 EDFAEDFA，DCF,FBGDCF,FBGIsolators,Filtersetc.Isolators,Filtersetc.本征光纤双折射极化模色散产生的原因+外界的挤压 4949ITU-T关于单模光纤的技术规范关于单模光纤的技术规范ITU-T关于单模光纤的技术规范5050三、光纤的线形非损伤(1)(1)克尔效应(2)(2)受激散射 自相位调制自相位调制(SPM)(SPM)交叉相位调制交叉相位调制(XPM)(XPM)四波混频四波混频(FWM)(FWM)光孤子形成光孤子形成 受激喇曼散射受激喇曼散射(SRS)(SRS)受激布里渊散射受激布里渊散射(SBS)(SBS)三、光纤的线形非损伤(1)克尔效应(2)受激散射 自相5151(1)克尔效应n n光纤的折射率光纤的折射率n n随光强而变化的非线性现象称为随光强而变化的非线性现象称为克尔效应。克尔效应。(1)克尔效应光纤的折射率n随光强而变化的非线性现象称为克尔52521、自相位调制(SPM)光脉冲的前后沿代表了时变的强度变化，光脉冲的前后沿代表了时变的强度变化，从而产生时变的从而产生时变的 折射率，这已时变的折射折射率，这已时变的折射率变化会调制发送波长的相位，导致受调率变化会调制发送波长的相位，导致受调光脉冲的光谱展宽。这种现象称为自相位光脉冲的光谱展宽。这种现象称为自相位调制调制(SPM)。SPMSPM使得脉冲波形前沿部分频率降低使得脉冲波形前沿部分频率降低使得脉冲波形前沿部分频率降低使得脉冲波形前沿部分频率降低,脉冲后沿脉冲后沿脉冲后沿脉冲后沿部分频率升高部分频率升高部分频率升高部分频率升高.1、自相位调制(SPM)光脉冲的前后沿代表了时变的强度变5353增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构 SPM SPM影响下的频谱结构影响下的频谱结构影响下的频谱结构影响下的频谱结构增大峰值功率就依次显现出频谱多峰的结构 SPM影响下的频谱5454影响n n对于正常色散对于正常色散(负色散负色散)光纤光纤 在在在在DWDMDWDM系统中，如果这种调制现象较严重，系统中，如果这种调制现象较严重，系统中，如果这种调制现象较严重，系统中，如果这种调制现象较严重，展宽的光谱会覆盖相邻的信道。展宽的光谱会覆盖相邻的信道。展宽的光谱会覆盖相邻的信道。展宽的光谱会覆盖相邻的信道。当色散为负时当色散为负时当色散为负时当色散为负时,脉冲前沿比后沿传播速度快脉冲前沿比后沿传播速度快脉冲前沿比后沿传播速度快脉冲前沿比后沿传播速度快,脉冲被展宽脉冲被展宽脉冲被展宽脉冲被展宽,自相位调制和色散共同作用自相位调制和色散共同作用自相位调制和色散共同作用自相位调制和色散共同作用,加加加加速了系统性能的恶化速了系统性能的恶化速了系统性能的恶化速了系统性能的恶化.影响对于正常色散(负色散)光纤 在DWDM系统中，5555n n对于反常色散对于反常色散(正色散正色散)光纤光纤 当色散为正时当色散为正时当色散为正时当色散为正时,与与与与SPMSPMSPMSPM的共同作用的共同作用的共同作用的共同作用,脉冲后沿跑得脉冲后沿跑得脉冲后沿跑得脉冲后沿跑得快快快快,前沿速度慢前沿速度慢前沿速度慢前沿速度慢,使得脉冲被压缩使得脉冲被压缩使得脉冲被压缩使得脉冲被压缩;但功率大到一但功率大到一但功率大到一但功率大到一定程度时，定程度时，定程度时，定程度时，SPMSPMSPMSPM效应过大，超过了色散的补偿作效应过大，超过了色散的补偿作效应过大，超过了色散的补偿作效应过大，超过了色散的补偿作用，脉冲压缩过度会形成光脉冲的破裂。用，脉冲压缩过度会形成光脉冲的破裂。用，脉冲压缩过度会形成光脉冲的破裂。用，脉冲压缩过度会形成光脉冲的破裂。n n 在一定条件下，可以使色散效应与在一定条件下，可以使色散效应与在一定条件下，可以使色散效应与在一定条件下，可以使色散效应与SPMSPM效应效应效应效应互相抵消，实现脉冲无畸变传输互相抵消，实现脉冲无畸变传输互相抵消，实现脉冲无畸变传输互相抵消，实现脉冲无畸变传输-光孤子光孤子光孤子光孤子对于反常色散(正色散)光纤 当色散为正时,与SP5656对策n nSPM所导致的传输损伤与光纤的色度色散成正比，与光纤的 成反比。主要对策：主要对策：减少光纤的色散减少光纤的色散减少光纤的色散减少光纤的色散 增大光纤的有效截面积增大光纤的有效截面积增大光纤的有效截面积增大光纤的有效截面积对策SPM所导致的传输损伤与光纤的色度色散成正比，与光纤的 57572、交叉相位调制(XPM)n nXPM的机制来源与的机制来源与SPM完全一样完全一样,唯一差唯一差别在于别在于SPM是信号脉冲对自身相位的影响是信号脉冲对自身相位的影响,而而XPM是信号脉冲对其他波长通路信号脉是信号脉冲对其他波长通路信号脉冲相位的影响冲相位的影响.2、交叉相位调制(XPM)XPM的机制来源与SPM完全一样,5858 说明：说明：说明：说明：SPM既能发生在单一信道系统中也能发生在多信道系统既能发生在单一信道系统中也能发生在多信道系统中。而中。而XPM仅在多信道系统中才发生。仅在多信道系统中才发生。在在DWDM系统中，某信道的系统中，某信道的XPM是其它信道共同作用是其它信道共同作用的结果。的结果。XPM已成为已成为DWDM系统主要的功率限制因素之一。系统主要的功率限制因素之一。XPM与信道间隔以及信道数有关，大的信道间隔，加快与信道间隔以及信道数有关，大的信道间隔，加快了信道间的走离，有助于减小了信道间的走离，有助于减小XPM。由于各信道之间偏振态的随机性，由于各信道之间偏振态的随机性，XPM又呈现出复杂的又呈现出复杂的统计特性。统计特性。说明：5959影响n n在正常色散光纤中在正常色散光纤中,XPM使受影响的信号脉使受影响的信号脉冲产生较大的时域展宽冲产生较大的时域展宽n nXPM使受影响的信号脉冲谱展宽使受影响的信号脉冲谱展宽,从而可能从而可能对相邻通路的信号产生影响对相邻通路的信号产生影响影响在正常色散光纤中,XPM使受影响的信号脉冲产生较大的时域6060色散的作用n n色度色散在这个过程中起着双重作用色度色散在这个过程中起着双重作用 由于不同脉冲群速度不一样，色度色散能够减由于不同脉冲群速度不一样，色度色散能够减由于不同脉冲群速度不一样，色度色散能够减由于不同脉冲群速度不一样，色度色散能够减轻不同脉冲之间的相互作用。轻不同脉冲之间的相互作用。轻不同脉冲之间的相互作用。轻不同脉冲之间的相互作用。正常色散光纤中正常色散光纤中正常色散光纤中正常色散光纤中,XPM,XPM,XPM,XPM使信号谱展宽，由于光纤色使信号谱展宽，由于光纤色使信号谱展宽，由于光纤色使信号谱展宽，由于光纤色散的缘故，会使信号脉冲在经过光纤传输后产散的缘故，会使信号脉冲在经过光纤传输后产散的缘故，会使信号脉冲在经过光纤传输后产散的缘故，会使信号脉冲在经过光纤传输后产生较大的时域展宽，并在相邻脉冲产生干扰。生较大的时域展宽，并在相邻脉冲产生干扰。生较大的时域展宽，并在相邻脉冲产生干扰。生较大的时域展宽，并在相邻脉冲产生干扰。色散的作用色度色散在这个过程中起着双重作用 由于不同脉冲6161对策 减少光功率，采用大有效面积或较小非线性折减少光功率，采用大有效面积或较小非线性折减少光功率，采用大有效面积或较小非线性折减少光功率，采用大有效面积或较小非线性折射率的光纤均可以减少射率的光纤均可以减少射率的光纤均可以减少射率的光纤均可以减少XPMXPMXPMXPM的影响。的影响。的影响。的影响。只要通道间隔保持一定的大小，只要通道间隔保持一定的大小，只要通道间隔保持一定的大小，只要通道间隔保持一定的大小，XPMXPMXPMXPM引入的系引入的系引入的系引入的系统代价就可以忽略。统代价就可以忽略。统代价就可以忽略。统代价就可以忽略。由于由于由于由于XPMXPM的影响与光纤的色散直接相关，因的影响与光纤的色散直接相关，因的影响与光纤的色散直接相关，因的影响与光纤的色散直接相关，因此，在光纤链路中每隔一定距离引入色散补偿，此，在光纤链路中每隔一定距离引入色散补偿，此，在光纤链路中每隔一定距离引入色散补偿，此，在光纤链路中每隔一定距离引入色散补偿，也可以减少也可以减少也可以减少也可以减少XPMXPM系统代价。系统代价。系统代价。系统代价。对策 减少光功率，采用大有效面积或较小非线性折射率的光纤均62623、四波混频效应(FWM)n n当两个或两个以上不同波长的光波由于光当两个或两个以上不同波长的光波由于光纤的非线形机制发生交互而产生新的光波纤的非线形机制发生交互而产生新的光波(称为混合产物或边带称为混合产物或边带)时，这种现象称为时，这种现象称为四波混频。四波混频。发生在：发生在：WDMWDMWDMWDM系统中不同通路的信号之间系统中不同通路的信号之间系统中不同通路的信号之间系统中不同通路的信号之间 光放大器光放大器光放大器光放大器ASEASE噪声和信号之间噪声和信号之间噪声和信号之间噪声和信号之间自发辐射噪声自发辐射噪声3、四波混频效应(FWM)当两个或两个以上不同波长的光波由于6363三个信号的四波混频所产生的混合产物 WDMWDMWDMWDM如果原来的波长数为如果原来的波长数为如果原来的波长数为如果原来的波长数为N N N N，则由于，则由于，则由于，则由于FWMFWMFWMFWM所产所产所产所产生的新波长数目可达生的新波长数目可达生的新波长数目可达生的新波长数目可达 。三个信号的四波混频所产生的混合产物 WDM如果原来的波长数6464影响n nFWM将原来各波长信号的光功率转移到新将原来各波长信号的光功率转移到新的波长上，从而对传输系统性能造成破坏。的波长上，从而对传输系统性能造成破坏。n n混合产生的新波长会落入到其他信号的信道混合产生的新波长会落入到其他信号的信道内。内。影响FWM将原来各波长信号的光功率转移到新的波长上，从而对传6565影响因数n n假设所有信道的输入功率相等和输入间隔相假设所有信道的输入功率相等和输入间隔相等，等，FWM的效率可表达为的效率可表达为FWM产生的新产生的新波长的功率与每个信道的输出功率的比值：波长的功率与每个信道的输出功率的比值：影响影响FWM效率效率 的最敏感的因素是的最敏感的因素是波长间隔波长间隔影响因数假设所有信道的输入功率相等和输入间隔相等，FWM的效6666存在FWM时色散对系统容量的影响从图上可见，随着光从图上可见，随着光纤色散趋于零，可以纤色散趋于零，可以传输的容量也趋于零，传输的容量也趋于零，另外，当光纤色散一另外，当光纤色散一定时，随通路间隔的定时，随通路间隔的减少，可以传输的容减少，可以传输的容量也随之下降。量也随之下降。存在FWM时色散对系统容量的影响从图上可见，随着光纤色散趋于6767对策 增加光纤的色散可以用来压制光纤的色散可以用来压制FWMFWM的影响的影响 采用具有较大有效面积的光纤或较小非线性采用具有较大有效面积的光纤或较小非线性折射率光纤折射率光纤 减小光功率减小光功率 增加信道间隔增加信道间隔 非等间隔信道非等间隔信道对策 增加光纤的色散可以用来压制FWM的影响68684、光孤子形成 在正色散的光纤中，非线性折射率和色度色在正色散的光纤中，非线性折射率和色度色散间的相互作用就可以使脉冲的压缩和展宽散间的相互作用就可以使脉冲的压缩和展宽形成平衡，从而有可能在特定传输区域产生形成平衡，从而有可能在特定传输区域产生所谓的光孤子现象。所谓的光孤子现象。4、光孤子形成 在正色散的光纤中，非线性折射率和色度色散6969影响n n 光孤子形成的影响与各类光纤有关 基本光孤子的形成对高速长距离传输是非常基本光孤子的形成对高速长距离传输是非常有利的。有利的。高阶光孤子通常会造成发送信号的严重劣化。高阶光孤子通常会造成发送信号的严重劣化。光孤子通信光孤子通信影响 光孤子形成的影响与各类光纤有关 基本光孤子的形成对高7070光孤子通信的特点n n容量大 n n误码率低、抗干扰能力强 n n可以不用中继站 光孤子通信的特点容量大 7171(2)受激散射n n受激喇曼散射(SRS)n n受激布里渊散射(SBS)(2)受激散射受激喇曼散射(SRS)72721、受激喇曼散射(SRS)n n光纤中的光信号与光纤的材料分子相互作光纤中的光信号与光纤的材料分子相互作用，在一定条件下，低频波获得光增益，用，在一定条件下，低频波获得光增益，高频波将衰减，其能量转移到了低频波。高频波将衰减，其能量转移到了低频波。SRSSRS的阈值功率的阈值功率(1W)(1W)较高。由于光波系统中的注入功率一般较高。由于光波系统中的注入功率一般低于低于10mW10mW，因此，因此SRSSRS一般对光纤损耗不起作用。一般对光纤损耗不起作用。(1)(1)影响影响影响影响1、受激喇曼散射(SRS)光纤中的光信号与光纤的材料分子相互7373(2)(2)(2)(2)特点特点特点特点增益带宽宽（约增益带宽宽（约增益带宽宽（约增益带宽宽（约125nm125nm125nm125nm），影响其它信道功率），影响其它信道功率），影响其它信道功率），影响其它信道功率WDMWDMWDMWDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率系统中，较高频率的信号成为所有较低频率系统中，较高频率的信号成为所有较低频率系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。1 1 2 2 3 3 4 4 1 1 2 2 3 3 4 4fiberfiber(2)特点1 2 3 4 1 27474(3)(3)(3)(3)减小减小减小减小SRSSRSSRSSRS对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减低入纤功率（减小中继间隔）减小信道间隔减小信道间隔减小信道间隔减小信道间隔(4)(4)(4)(4)利用：喇曼光纤放大器利用：喇曼光纤放大器利用：喇曼光纤放大器利用：喇曼光纤放大器n n高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRAFRAFRAFRA的实的实的实的实现奠定了坚实的基础。现奠定了坚实的基础。现奠定了坚实的基础。现奠定了坚实的基础。n nFRAFRAFRAFRA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。放大。放大。放大。(3)减小SRS对系统影响的主要措施(4)利用：喇曼光纤放大75752、受激布里渊散射n n在光纤中光波与声子的相互作用产生受激布在光纤中光波与声子的相互作用产生受激布里渊散射。一些向前传输的光被改变方向向里渊散射。一些向前传输的光被改变方向向后传输，从而减小了向前传输的光的功率并后传输，从而减小了向前传输的光的功率并限制了到达光检测器的信号光的功率。限制了到达光检测器的信号光的功率。影响：影响：影响：影响：SBSSBSSBSSBS门限功率是所有非线形因素中最低的门限功率是所有非线形因素中最低的门限功率是所有非线形因素中最低的门限功率是所有非线形因素中最低的(几几几几mw)mw)mw)mw)，因而对容许传输的光功率有很大限制。，因而对容许传输的光功率有很大限制。，因而对容许传输的光功率有很大限制。，因而对容许传输的光功率有很大限制。SBSSBSSBSSBS的门限与通道数无关。的门限与通道数无关。的门限与通道数无关。的门限与通道数无关。2、受激布里渊散射在光纤中光波与声子的相互作用产生受激布里7676对策n n采用低频，正弦小信号对激光器进行调制对策采用低频，正弦小信号对激光器进行调制7777长途光放大系统中的非线性影响*增加通路比特率增加通路比特率增加通路比特率增加通路比特率增加区段数增加区段数增加区段数增加区段数增加通路功率增加通路功率增加通路功率增加通路功率*增加通路数增加通路数增加通路数增加通路数*减小通路间隔减小通路间隔减小通路间隔减小通路间隔SRSSRSSBSSBSFWMFWMXPMXPMSPMSPM主要影响主要影响主要影响主要影响长途光放大系统中的非线性影响*增加通路比特率增加区段数增加通7878四、新型光纤(1)(1)低水峰光纤(2)(2)负色散、大有效面积光纤四、新型光纤低水峰光纤7979(1)低水峰光纤800100012001400160018000.51.01.52.52.0波长波长(nm)衰减衰减(dB/km)典型单模光纤的衰减谱典型单模光纤的衰减谱OH吸收吸收(1)低水峰光纤8001000120014001600188080原理n n采用严格的生产工艺来消除光纤中的采用严格的生产工艺来消除光纤中的OH离离子。子。能使光纤在整个寿命期间都不会因氢气的存能使光纤在整个寿命期间都不会因氢气的存在而导致氢损耗的增加。在而导致氢损耗的增加。ITU-TITU-T已经将这类光纤命名为已经将这类光纤命名为G.652CG.652C和和G.652DG.652D光纤，其中光纤，其中G.652DG.652D具有更严格的激具有更严格的激化模色散要求。化模色散要求。关键：关键：关键：关键：原理采用严格的生产工艺来消除光纤中的OH离子。能使光纤在8181优点1.1.可用波长范围增加可用波长范围增加100nm,100nm,使光纤可以提供从使光纤可以提供从1280nm1280nm到到1625nm1625nm的完整传输波段。的完整传输波段。2.2.在上述范围内，光纤的色散仅为在上述范围内，光纤的色散仅为1550nm1550nm波长波长区的一半，容易实现高比特长距离传输。区的一半，容易实现高比特长距离传输。3.3.可以把不同的业务分配给最适合它们的波长传可以把不同的业务分配给最适合它们的波长传输，改进网络管理。输，改进网络管理。4.4.当可用波长范围大大扩展后，容许使用波长间当可用波长范围大大扩展后，容许使用波长间隔较宽，波长精度和稳定度要求较低的光源，隔较宽，波长精度和稳定度要求较低的光源，合波器和其他元件，使元器件特别是无源器件合波器和其他元件，使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降，降低了系统的成本。的成本大幅度下降，降低了系统的成本。优点可用波长范围增加100nm,使光纤可以提供从1280nm8282应用n n主要用于城域网。应用主要用于城域网。8383(2)负色散、大有效面积光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤：是一种具有很高负色散斜率和很：是一种具有很高负色散斜率和很大负色散值的特制光纤，将其插入光纤链路后可大负色散值的特制光纤，将其插入光纤链路后可以抵消普通以抵消普通G.652G.652光纤和具有正色散的光纤和具有正色散的G.655G.655光光纤的色散影响，使系统传输距离突破传统色散限纤的色散影响，使系统传输距离突破传统色散限制的距离，扩大了应用范围。制的距离，扩大了应用范围。(2)负色散、大有效面积光纤色散补偿光纤：是一种具有很高负色8484大有效面积光纤 大的有效面积来限制光纤的非线性效应。大的有效面积来限制光纤的非线性效应。大有效面积的主要缺点大有效面积的主要缺点:是有效面积变大后是有效面积变大后导致色散斜率偏大，一般需要进行色散补导致色散斜率偏大，一般需要进行色散补偿和色散斜率补偿。偿和色散斜率补偿。大有效面积光纤 大的有效面积来限制光纤的非线性效应。大8585当今世界范围的光纤通信系统当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网当今世界范围的光纤通信系统海底光缆及洲际通信网8686海底光缆n n海缆中把负色散和大有效面积结合起来，用来补海缆中把负色散和大有效面积结合起来，用来补偿正色散，大有效面积光纤的色散，两者交替使偿正色散，大有效面积光纤的色散，两者交替使用。用。海底光缆海缆中把负色散和大有效面积结合起来，用来补偿正色散，8787本节小结n n光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，光纤不再是一个透明管道。色散的积累、非线性光纤效应光纤不再是一个透明管道。色散的积累、非线性光纤效应的影响等新问题不断出现。的影响等新问题不断出现。n n传输特性传输特性 损耗：直接影响中继距离，光放大器；损耗：直接影响中继距离，光放大器；色散：将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信色散：将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量，色散管理；距离和容量，色散管理；非线性效应：在强光场作用下，物质发生非线性极化非线性效应：在强光场作用下，物质发生非线性极化所产生的现象。一类是受激光散射所产生的现象。一类是受激光散射(SRS(SRS和和SBS)SBS)，另一，另一类是非线性折射率调制类是非线性折射率调制(SPM,XPM(SPM,XPM和和FWM)FWM)。将引起功率。将引起功率耗散和信号频率转移，以及信道之间的串扰。耗散和信号频率转移，以及信道之间的串扰。本节小结光纤性能是有限制的，随着信道数据率和传输距离的增加，8888