（光学工程专业论文）光纤色散相移监测方法的研究.pdf

摘要 随着社会的信息化，人们对信息的需求越来越大，这种需求直接推动了作为 通信网主要传输方式的光纤传输朝着高速率、大容量和长距离的方向迅速发展。 由于光纤放大器的出现，光纤损耗已不再是限制光纤传输距离的主要因素，色散 逐渐引起r 人们的重视。色散会引起数字光脉冲信号在传输中展宽，导致码间互 扰( i s i ) ，使系统误码率( b e r ) 增加，从而限制了通信容量和通信距离的进一步 增长。尤其是单波道速率为4 0 g b i t s 及以上的密集波分复用( d w d m ) 系统，对 每个波道进行精确的动态色散补偿非常重要。光纤色散监测技术作为动态色散补 偿的基础，大力开展这方面的研究更是重中之重。 本文在对光纤色散特性研究的基础上，提出了通过监测单频音子双边带相对 相移来实现实时色散监测的方法，并独立完成了监测公式的理论推导。接着讨论 了监测信号与数字信号的相互影响，对监测信号的频率和幅度进行了优化设计。 然后对光滤波器带宽、调制器啁啾、白相位调制( s p m ) 、交叉相位调制( x p m ) 、 偏振模色散( p m d ) 、放大自发辐射( a s e ) 和四波混频( f w m ) 等因素对监测值的 影响进行了理论计算和仿真分析。结果表明该方法的监测范围有限，只能用于未 完全补偿的光纤系统中残留色散的监测。放大自发辐射和四波混频等因素的影响 很小；光滤波器带宽、调制器啁啾和自相位调制的影响比较有规律，可以通过对 监测公式的修正来改善；交叉相位调制和四波混频的影响较严重也较复杂。 针对单音双边带相移监测法监测范围有限的主要缺点，本文对监测方法进行 了改进，提出了使用副载波监测音子的双边带相移监测法，并进行了理论推导和 仿真分析。结果表明，此方法很大地提高了色散的监测范围，而且通过改变监测 音子的频率大小还可实现监测范围动态调整。但是，交叉相位调制和偏振模色散 仍然是影响系统监测精度的主要因素，没有得到很好的改善。随着研究的深入， 本文对系统结构作了进一步优化设计。理论推导和仿真分析证明，此结构不仅获 得了理想的监测范围，而且简化了监测系统的结构、节约了成本的同时增强了监 测系统的稳定性。系统受调制器啁啾、非线性效应和偏振模色散的影响也大大减 小，监测精度有了相当的改善。 本文提出了新颖的光纤色散监测方法，并进行了详细的理论推导和大量的仿 真计算。本文的研究工作对提高系统传输容量，增加光纤传输距离，最终实现高 性能的色散管理全光网络有着重要的理论和实践意义。 关键词：光纤色散、实时监测、监测音子、密集波分复用系统 a b s t r a c t w i t ht h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no ft h e s o c i e t y ，t h e d e m a n d sf o ri n f o r m a t i o na r e g r e a t e r a n d g r e a t e r ，w h i c h h a s d i r e c t l yp r o m o t e d t h e d e v e l o p m e n t o ff i b e r c o m m u n i c a t i o nt o w a r d sh i g hs p e e d ，l a r g ec a p a c i t ya n dl o n gd i s t a n c er a p i d l yf o rt h e o p t i c f i b e r i st h em a i nt r a n s m i s s i o nm e a n so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i n c et h e a p p e a r a n c eo fo p t i c f i b e ra m p l i f i e r , t h ea t t e n u a t i o ni s a l r e a d y n ol o n g e rt h em a i n f a c t o rr e s t r a i n st h e o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf r o ml o n gt r a n s m i s s i o n ，t h e c h r o m a t i cd i s p e r s i o nc a u s e dp e o p l e sa t t e n t i o n g r a d u a l l y t h ec h r o m a t i cd i s p e r s i o n b r o a d e nt h ew i d eo f d i g i t a lo p t i c a lp u l s ea si tt r a n s m i t st h r o u g ht h eo p t i c f i b e r , c a u s e s t h e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，d e t e r i o r a t e s t h eb i te r r o r r a t e ，w h i c h l i m i t st h e c o m m u n i c a t i o n c a p a c i t y a n df u r t h e r g r o w t h o ft h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e e s p e c i a l l yi nd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e mw i t ht h ec h a n n e lb i t - r a t e a b o v e4 0 g b i t s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc a r r yo na c c u r a t ed y n a m i cc o m p e n s a t i o nf o r c h r o m a t i c d i s p e r s i o n t o e v e r y c h a n n e l t h ec h r o m a t i c d i s p e r s i o nm o n i t o r i n g t e c h n o l o g ya sf o u n d a t i o no fd y n a m i cc o m p e n s a t i o n ，i ti st h em o s ti m p o r t a n tt h i n gt o l a u n c hm o r er e s e a r c hi nt h i sf i e l di na ne f f e c t i v em a n n e r b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i co fc h r o m a t i cd i s p e r s i o n ，t h i s p a p e r h a s p r o p o s e d a ni n i t i a lc h r o m a t i c d i s p e r s i o nm o n i t o r i n g m e t h o d t h o u i g h d e t e c t i n gt h ep h a s ed r i f tb e t w e e nt h et w os i d e b a n do fp i l o tt o n e ，a n dh a sf i n i s h e dt h e t h e o r y c a l c u l a t i o no ft h e m o n i t o r i n gf o r m u l ab yo n e s e l f t h e nh a sa n a l y z e dt h e i n f l u e n c eb e t w e e nt h e p i l o t t o n ea n dt h e d i g i t a ls i g n a l a n dh a s o p t i m i z e dt h e f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo f t h ep i l o tt o n e i nt h el a t t e rs e g m e n to ft h et h i r dc h a p t e r , t h ei n f l u e n c eo fs o m ef a c t o rs u c ha st h eb a n d w i d t ho fo p t i c a l f i l t e r ，c h i r po ft h e m o d u l a t o r , s e l fp h a s em o d u l a t i o n ，c r o s s p h a s em o d u l a t i o n ，p o l a r i z a t i o n m o d e d i s p e r s i o n ，a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o na n d f o u rw a v em i x i n gh a sb e e nc a l c u l a t e d w i t ht h e o r ya n ds i m u l a t e di ne m u l a t o r t h er e s u l ti n d i c a t e s ，t h em a i nd i s a d v a n t a g eo f t h i sm o n i t o r i n gm e t h o di si t sl i m i t e dr a n g e ，t h ei n f l u e n c eo fa m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o na n df o u rw a v e m i x i n g i s n e g l i g i b l e ，t h e i n f l u e n c eo f o p t i c a l f i l t e r s b a n d w i d t h ，c h i r po ft h em o d u l a t o r ，s e l fp h a s em o d u l a t i o ni s m o r er e g u l a r ，c a nb e i m p r o v e db yr e v i s i n g t h e m o n i t o r i n gf o r m u l a ，b u t t h ei n f l u e n c eo fc r o s s p h a s e m o d u l a t i o n ，p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o ni sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d t oo v e r c o m et h em a i n d i s a d v a n t a g eo f t h em o n i t o r i n gm e t h o du s i n g as i n g l ep i l o t t o n et h i sp a p e rh a sp r o p o s e da ni m p r o v e dm e t h o do fm o n i t o r i n gu s i n gas u b c a r r i e r w a v ew i t h t h e o r y c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w sn o t o n l y t h e m o n i t o r i n gr a n gb e e ne n h a n c e db u ta l s ot h er a n g ec a nb ea d j u s t e db yc h a n g i n gt h e f r e q u e n c yo fp i l o tt o n e b u tc r o s s p h a s em o d u l a t i o na n dp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n a r es t i l li n f i u e n tt h e p r e c i s i o no fm o n i t o r i n gg r e a t l y o nt h e b a s i so ff u r t h e rr e s e a r c ht o t h i sm e t h o d ，t h es t r u c t u r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi so p t i m i z e d i ti sc l e a rf r o mt h e s i m u l a t e dr e s u l t st h a to p t i m i z e ds t r u c t u r eh a so b t a i n e da ne x p e c t e dm o n i t o r i n gr a n g e a n dt h es i m p l i f i e ds t r u c t u r ec a ns a v et h ec o s to fm o n i t o r i n gs y s t e m ，f u r t h e rm o r e ，t h e s t a b i l i z a t i o nh a sb e e ne n h a n c e f o rt h ei m p r o v e m e n to nt h em o n i t o ri n s e n s i t i v i t yt o c r o s s p h a s em o d u l a t i o na n dp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o nt h em o n i t o r i n gp r e c i s i o ni s i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r dan o v e lm e t h o df o rc h r o m a t i cd i s p e r s i o nm o n i t o r i n g a n dh a sf i n i s h e dt h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n t h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e rh a si m p o r t a n tt h e o r ya n dp r a c t i c em e a n i n g st oi m p r o v et h ec a p a c i t yo f o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i n c r e a s eo p t i c f i b e rt r a n s m i td i s t a n c ea n df i n a l l y r e a l i z ea l lo p t i cn e t w o r k sw i t hh i g h - p e r f o r m a n c ec h r o m a t i cd i s p e r s i o nm a n a g e m e n t k e yw o r d s c h r o m a t i c d i s p e r s i o n ，r e a l t i m em o n i t o r i n g ，p r o b et o n e ， d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：查! 坠尘日期：棚s 年s 月工王日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：专坐盘导师签名： 日期：缈夕肜押 a d b e r b p f d a d c f d s b d w d m f w h m f w m g v d i s i l s b m f d n r z o a o c o f o s a o x c p m d r f r m s r z s b s s c s m f s p m s r s l j s b x p m 简略字表 a c c u m u l a t e dd i s p e r s i o n b i te r r o rr a t e b a n dp a s sf i l t e r d i s p e r s i o n a c c o m m o d a t i o n d i s p e r s i o nc o m p e n s m i o nf i b e r d o u b l es i d e b a n d d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f u l lw i d t i la th a l f m a x i m u m f o u rw a v em i x i n g g r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l o w e rs i d e b a n d m o d ef i e l dd i a m e t e r n o nr e t u mz e r o o p t i c a la m p l i f i e r o p t i c a ic a r r i e r o p t i c a lf i l t e r o p t i c a ls p e c t r u ma n a l y z e r o p t i c a lc r o s sc o t m e c t p o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o n r a d i of r e q u e n c y r o o tm e a r ls q u a r e r e t u r nt oz e r o s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g s u b c a r r i e r s i n g l em o d ef i b e r s e l fp h a s em o d u l a t i o n s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g u p p e rs i d e b a n d c r o s s p h a s em o d u l m i o n v 累积色散 误码率 带通滤波器 色散容限 色散补偿光纤 双边带 密集波分复用 半高全宽 四波混频 群速色散 码问互扰 下边带 模场直径 非归零码 光放大器 光载波 光滤波器 光谱分析仪 光交叉连接 偏振模色散 射频 均方根 归零码 受激布里渊散射 副载波 单模光纤 自柏位调制 受激拉曼散射 上边带 交叉相位调制 电子科技大学硕士论文 1 1 光纤通信的现状 第一章引言 光纤通信作为一种新兴的通信技术，凭借其频带宽、损耗低、抗电磁干扰强、 保密性好、成本低等优点，广受人们的青睐，在短短三十多年中取得了迅速的发 展。计算机和多媒体通信的飞速发展，更使得数据业务爆炸式增长，同时也促进 了光纤通信技术向着高速率的方向发展。在o f c 2 0 0 1 光纤通信会议上，甘本 n e c 公司报道了在1 0 0 k m 距离上实现总容量为1 0 9 t b i t s 的传输实验f 1 】。在 o f c 2 0 0 2 上，法国阿尔卡特公司报道了在3 0 0 k m 距离上实现总容量为1 0 2 t b i t s 的传输实验j 。 早期的光纤通信系统中，光纤损耗是系统传输距离受限的主要因素，通常采 用光电光中继器对信号进行再生，其中继距离短，光纤色散还没有引起人们的重 视。随着光纤放大器的出现，光纤通信系统发生了巨大的变化，传统的光电光型 中继器被光纤放大器所取代，光纤中的信号损耗已不再是限制光纤传输性能的主 要因素，光纤通信系统向着超长距离的方向飞速发展口。j 。 在o f c 2 0 0 3 会议上，t y c o 公司报道了最长距离为l 1 0 0 0 k m ，传输容量为 3 7 3 t b i t s 的光纤传输系统 6 】。同时阿尔卡特报道的6 3 t b i t s 系统的最大传输距 离也达到了2 7 0 0 k m n j 。 在国内，自主研发的支持容量为t b i t s 传送能力的d w d m 设备系统已经大 规模商用。2 0 0 4 年2 月底，烽火通信又成功地将常规的l - 6 t b i t l s 波分复用系统 - y f 一级为超长d w d m 系统【8 1 。同时单波道速率正向4 0 g b i t s 甚至更高速率方向发 展，全光传输距离也逐渐扩展到2 0 0 0 m n 以上。 随着光纤系统数据速率和传输距离的增加，光纤色散就变得越来越突出。我 们知道，送进光纤的光并不是单色的。这由两方面的原因引起，首先是光源发出 的并不是单色光，其次是调制信号有一定的带宽。这种不同频率的光信号在同一 介质中传输速率不同，因此会产生分离，我们称之为色散。由于光纤放大器是一 种模拟器件，它不能对信号进行再生，信号在传输过程中，色散不断积累。光纤 色散导致的脉冲展宽将产生严重的码间互扰，限制数据速率和传输距离的进步 增加【9 1 邵。 1 0 g b i t s 及以上系统与2 5 g b i t s 系统相比，在光纤传输上的色散效应对系统 性能的影响具有本质性的差异，2 5 g b i t s 系统可以完全不考虑色散，1 0 g b i t s 及 第一章引言 以上速率系统则必须考虑和研究光纤的色散。尤其对数字速率为4 0 g b i t s 的光纤 通信系统，色散对通信的影响就显得更为突出。很小的色散就会导致系统性能恶 化，误码率大大增加，因此需要对高速率系统中每个波道的色散进行精确动态补 偿。 国内实用化光通信网络的单波道速率已达到1 0 g b i f f s 量级，并逐渐向4 0 g b i t s 方向发展。而截止2 0 0 0 年我国附设的1 2 5 万公里的光缆通信线路大部分 为( 3 6 5 2 单模光纤，它在1 5 5 0 p m 工作窗口的色散值高达1 6 p s ( n m k m ) ，这严 重地影响了我国光纤传输系统的扩容。光纤色散已成为光信号传输质量劣化、 误码率增加不可忽视的主要因素。实践证明，无论是主干网，还是城域网，光 纤传输系统的色散补偿都是维护传输质量的必要单元。如何有效的控制色散， 使光信号在高速率、长距离传输中无误码地传输到接收端，已成为当前光纤通 信系统研究的热点。开展对光纤色散监测及动态补偿技术的研究对增加通信容 量，延长通信距离，最终实现具有自动交换功能的全光智能网络具有十分重要 的意义。 1 2 国内外光纤色散的研究动态 早期的色散研究工作集中在静态的光纤色散补偿上，典型的技术包括：色散 补偿光纤、啁啾光纤布拉格光栅、预啁啾、虚拟成像相位阵列、全通滤波器、光 谱反转和平面波导组件等技术”卜2 2 1 。但随着光纤通信网络数字速率的增加，尤 其是单波道传输速率已达到4 0 g b i t s 量级的系统，它对光纤色散的限制非常严 格，很小的积累色散( a d ) 就会严重地影响系统误码率。静态的色散补偿已不能 解决以下不确定因素导致的动态变化的色散累积，它们主要包括： 夺光纤经常性的维护和更新会改变累积色散的大小。 夺光交叉连接设备( o x c ) 的动态路由功能完成光节点处任意光纤端口之间 的光信号交换及选路，增加了光传输路径的不确定性。 令温度等环境因素的改变也会引起光纤色散值的改变。光纤的零色散波长 随着温度的变化会发生漂移，温度升高， 会以0 0 2 5 n m c o 增大睇，从 而引起各波道光纤色散值的变化1 2 ”。 现有的静态色散补偿技术无法实现对高速光纤通信系统色散的精确补偿。为 了保证高速光纤通信系统可靠地、正常地运作，动态色散补偿已必不可少1 2 ”“。 光纤色散实时监测作为色散补偿的前提和基础，其重要性就不言而喻了，这已成 为光纤通信领域研究的重要课题。 电子科技大学硕士论文 随着光纤色散逐渐成为系统数据速率及传输距离的主要限制因素，人们对色 散的研究也逐渐深入。1 9 9 9 年，文献 3 3 提出了通过误码率的恶化情况来实现 监测的方法，2 0 0 0 年，文献 3 4 提出了使用眼图的监测方法。其基本原理是通 过监测系统误码率和眼图的恶化来实现对系统色散的监测。由于光纤色散不是唯 一导致系统误码率增加和眼图恶化的因素，这就大大地降低了监测效果，该方法 只能实现对光纤色散的粗测。 由于使用r z 码型的光纤通信系统的光谱中含有丰富的时钟功率成分，此功 率会随着色散的增大而减小，文献 3 5 提出了时钟功率监测的方法，它根据时钟 功率的衰减情况来实现色散的监测。同样在r z 码型光纤系统中，文献 3 6 提出 了时钟相移的监测方法。其基本原理是在j j 测端分别提取光波上下边带的时钟信 号，通过监测它们之间的相移差来计算光纤色散的大小。2 0 0 1 年，文献 3 7 提 出了在n r z 码型光纤通信系统的发射机端使用频率调制加入单频正弦监测音 子，通过此单音信号的功率随色散变化的情况来实现监测。文献 3 8 和文献 3 9 也提出了类似的监测方法，只是它们分别使用强度调制和相位调制代替了文献 3 7 中的频率调制。这些监测方法都有其显著的缺点：前面两种使用时钟作为监 测信号的方法主要缺点是必须使用在r z 码型的通信系统中。后面三种功率监测 法的主要缺点是监测信号功率会受到源激光器线宽、调制器啁啾、光纤损耗、放 大自发辐射噪声、偏振模色散的影响，自相位调制、交叉相位调制和四波混频等 非线性效应的也会影响对监测信号功率的监测，从而使系统的监测精度大大降 低。 1 3 本文i o - r - 作 本论文课题为中兴通讯科研基金资助项目。主要工作是提出了一种新颖的光 纤色散实时监测方法，并进行了详细的理论推导和系统仿真。 本文首先从光纤色散特性入手，对光纤色散引起的系统通信能力限制进行了 深入分析。在此基础上提出了相移监测方法的初始模型通过监测单频音子双 边带相对相移来实现实时色散监测，并通过查阅大量文献，独立完成了其理论监 测公式的推导。然后用软件进行了仿真计算，并讨论了光纤通信系统中非线性效 应等诸多因素对监测方法的影响。 针对单音上边带相移监测方法监测范围有限的缺点，在第四章中又提出了改 进型相移监测方法副载波双边带相移监测。理论推导和仿真计算表明，由于 系统结构的复杂性，监测值会受到多种因素的影响。因此我们对系统结构作了进 一步优化设计，将监测系统结构大大简化。理论推导和仿真分析证明，此结构不 第一章引言 调制器啁啾、非线性效应和偏振模色散等因素的影响也大大减小，监测精度有了 相当的改善。 最后对本文进行了总结，并指出了该光纤色散相移监测方法的广阔应用前 景。 毫予辩援大学硕士涂文 第二章光纤色散的特性及对系统通信能力的限制 从光纤诞生开始，光纤通信技术就承诺在所有介质中它拥有最高可能的运载 信息能力，其根据就是因为光载波在所有可用的载体中拥有缀高的频率。但实践 证明，光纤逶售系统的传竣戆力与理论麓望有缎大懿差距。它之菠以会令人失望 的主要原因就是色散。信号在光纤中是由不湖的模式成分和不同频率成分携带 的，这必不同的模式和频率成分通过同一种物质时有不同的传输速度，从而引起 色散。 2 1 色散影晌下光信号的传输特性 2 1 ，t 光脉j 孛传竣黪纂本方程 不考虑非线性效应的情况下，光在单模光纤中传输的光场的每一个频率分量 都是平丽波，可写成m 3 雹妒，固= f ( 并，y ) 0 ( 0 ，c o ) e x p ( j p z ) ( 2 一1 ) 式中，为单位极化矢量；5 ( 0 ，c o ) 为初始振幅：卢为模式传输常数：f ( x ，y ) 为 模式场分布。设光载波戆中心频率为峨，在搿范圈鲍不同落分薰鲍光场酆在光 纾中按如下关系传输 o ( z ，c o ) = 5 ( z ，c o ) e x p ( j f l z ) ( 2 2 ) 对上式逡行傅里时燹挟，褥 g ( z , t ) = 去龇，珊) e x p ( 一j c o t ) d 出( 2 - 3 ) 艨洚袋窕是交筘豹频零簌赣注弓l 怒豹，不嗣鬃枣分量懿光场终啦不弱懿p ( c o ) 簧 输，对a c o o ) ，脉冲前沿( ? o ) 的瓦为负值，向后沿线性增大，丽 在受色教区，菱努鞠反。 2 2 色散的常用表示方法 光纾酶氇觳可鬟不两鹣方法表示，鬻麓静有最大嚣重筵差矗f 纛色散参数d 。 鼹大时延差摘述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差，色散参数代表单 位波长间隔的光波传输单位距离后到达时间的延迟麓，这两种常用表示都属于时 躐表示法。 2 2 1 时延麓 在光纡孛，不同速度豹信号传翰同褥静距离需要不同豹时阕，即各信号的辩 延不同，从而产生时延蓑。时延差越大，色散越严熏。常焉最大时延差来表示光 纤色散程度，简称时延熬，用a r 表示a 设角频率为虢的光载波在单模光纤中转输，它在光纤中传输的群速度为 = d ( o d f l ( 2 2 3 ) 式中，棚为角频率；口为光波相位常数。当经过长度为l 的传输躐离后，时延为 v = l l v g = 互d 参，d 帮 ( 2 2 4 ) 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，脉冲展宽的程度- i 由- f 式决定 r = 乏翻* 丢( “飞“愿幽( 2 - 2 5 )d d m 、 影 。 式中，国为光脉冲的谱宽；岛= d 2 f l d d 0 2 称为群逋色散( g v d ) ，它直接决定了 躲渖在竞缓中戆屡宽程整。 2 2 2 色散参数 在光纾邋绩系统中，鬻髑波长形式麴五代替频率形式的掰。对搿= 2 冗旯求 第二章光纤色散的特性及对系统通信能力的限制 导有 = ( 一2 7 t c 2 ) 名 r 2 2 6 ) 式中，c 为真空光速，式( 2 2 5 ) 可改写为 f - 三击( 1 v g ) a 2 = - - 等- 2 岛l a a = d l 兄( 2 - 2 7 ) 式中 d 。击( 1 v 沪_ ( 2 眦2 2 ) 属( 2 - 2 8 ) 称为色散参数，单位为p s n m k m ，代表两个波长间隔为1n l i l 的光波传输ik m 距离后到达时间的延迟差。从时延差f 的表达式可看出，信号的时延差除了与 光纤的色散参数有关外，还与信号光的谱宽及传输距离有关。 2 3 色散的分类 多模光纤包括模间色散和模内色散。模间色散是主要的，模内色散一般可以 忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模问色散。 它主要存在色度色散和偏振模色散，对于制造良好的单模光纤，偏振模色散很小。 色度色散常称为光纤色散，它又包括材料色散和波导色散。下面分别对这几种色 散加以分析。 2 3 1 模间色散 模间色散又叫模式色散，它是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤 中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后模式混 合使输出光产生电流脉冲相对于输出脉冲展宽，如图2 3 所示。 图2 - 3 输入脉冲受模间色散的作用导致输出脉冲展宽 对于零级模式，它沿中心轴线到达接收器端所需的传输时间为 1 0 输出脉冲 优仉坍 电子科技大学硕士论文 f 0 = l v g r 2 2 9 ) 式中，三是光纤长度，= c n ：是折射率为玛的纤芯中的光速。以临界角传输的 最高级模式( 临界模式) 完成整个传输所需要的时间最长 t = l ( vc o s o r 。) ( 2 3 0 ) 式中，口。= ”：t h ，其中”：为包层折射率。从而可以计算出脉冲变宽的公式为 ，：c 吒：堕f 盟 ( 2 - 3 1 ) c j 模间色散会严重地限制光纤系统的比特率。对于高速率和长距离传输的光纤通信 系统，都使用单模光纤，因为它克服了模间色散的影响。 2 3 2 材料色散 对于单模光纤，由于实际光源不是纯单色光，单模光纤的折射率又随耦合进 光纤的不同波长的光而改变，所以不同波长光的时间延迟不同，从而使输出光脉 冲展宽。这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。 图2 4 形象地说明了由于光纤材料色散引起的输出脉冲展宽。所有发射光源 都是在一定波长范围 内发射的非单色光，当各种波长的光进入纤芯后，由于 波长与折射率有关，所以在光纤波导中的光以不同的群速度v 。( 丸) 在光纤内以基 模传输。对于正常色散光纤，波长短的波，频率高，速度慢，波长长的波，频率 低，速度快，它们到达光纤末端的时间也不同，导致输出脉冲展宽。图中f 表 示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。 输入脉冲 凡 输入光谱 缓彩缓彩黝 二蚴k 掣嘲) 彩钐钐钐黝 输出脉冲 图2 4 输入脉冲受材料色散的作用导致输出脉冲展宽 通过解波动方程和利用边界条件确定传输常数，可求得色散表达式。利用单 模光纤基模的特点和折射率很小的事实进行简化，从而获得近似结果。光纤越长， 因材料色散引起的输出脉冲展宽越大。因此材料色散用单位长度的展宽来表示 峭阿 第二章光纤色散的特性及对系统通信能力的限制 t a r = d m ( 五) a 丑 ( 2 3 2 1 式中，a x 为光源的光谱宽度，单位为n m ；而为光纤长度，单位为k m ；d m ( z ) 为材料色散参数，单位为p s r l r n ，它由材料折射率的二阶导数给出 d m ( 栌詈鲁 ( 2 - 3 3 ) 可以看出，材料色散是波长依赖的，它随波长的变化如图2 - 5 中d m 曲线所示。 2 3 3 波导色散 3 0 2 0 k 豆1 0 呈。 墨 。- 1 0 一2 0 3 0 d 。， ，多石 一 ， 一一瓦一 iiiil 1 11 21 31 41 51 61 7 且( ) 图2 - 5 标准单模光纤中d m 、d 。和d 随波长的变化 单模光纤中，除了存在材料色散外还存在波导色散。光进入单模光纤后，光 信号脉冲的场分布不局限在纤芯内，它的主要部分在纤芯中传输，剩余部分在包 层中传输，如图2 - 6 所示。 图2 - 6 单模光纤中光束强度的分布 单模光纤纤芯直径的概念在实际上都没有多大意义，常用模场直径( m f d ) 作为描述单模光纤的几何特性参数，它代表基模场强在空间分布的集中程度。由 于光被限制在一个拥有不同折射率的结构( 光纤的纤芯和包层