1光纤传输原理与基本特性.ppt

第一章光纤传输原理和传输特性 1 1光纤结构和类型1 2光纤传输原理1 3光纤传输特性1 4光缆的结构与类型1 5光纤特性的测量 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3光纤传输特性光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变 失真 因而输出信号和输入信号不同 对于脉冲信号 不仅幅度要减小 而且波形要展宽 产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散 损耗和色散是光纤最重要的传输特性 损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3光纤传输特性1 3 1光纤的损耗光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离 在最一般的条件下 在光纤内传输的光功率P随距离z的变化 可以用下式表示 习惯上光纤的损耗用下式计算 用dB km来表示 式中 是损耗系数 设长度为L km 的光纤 输入光功率为 根输出光功率应为 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 1光纤的损耗1 损耗机理1 吸收损耗 原子缺陷 杂质非本征吸收 原子本征吸收 临界曲率半径 3 辐射损耗 弯曲 2 散射损耗 瑞利散射 波导散射 非线性散射 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 1光纤的损耗2 在路光纤损耗谱下图是单模光纤的损耗谱 图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系 这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3光纤传输特性1 3 2光纤的色散和带宽1 色散分类色散 Dispersion 是在光纤中传输的光信号 由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应 材料色散和波导色散总称为色度色散或波长色散 色散一般包括模式色散 材料色散 波导色散和偏振色散 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽1 色散分类 模式色散 材料色散 波导色散和偏振色散 模式色散 模间色散 在多模光纤中 由于不同模式的时间延迟 群速度 不同而产生的 它取决于光纤的折射率分布 并和光纤材料折射率的波长特性有关 材料色散 色度色散 由于光纤的折射率随波长而改变 以及模式内部不同波长成分的光 实际光源不是纯单色光 其时间延迟不同 群速度 而产生的 这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽1 色散分类 模式色散 材料色散 波导色散和偏振色散 波导色散 色度色散 由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起的色散 不是常数 与波导效应有关 即波导结构参数与波长有关而产生的 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差 偏振色散 实际应用的单模光纤由于存在少量的不对称性 使得两个偏振模的群时延不同而形成的色散 模内色散 发生在单个模式中的色散 与波长有关的色度色散是材料色散和波导色散之和 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽2 群时延 光纤单位长度传播的延迟时间 3 色散系数 描述光纤色散程度定义为 单位是 ps nm km 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽4 时延差与色散系数的关系光信号中 传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传输时延之差称为时延差 时延差越大 脉冲展宽越严重 因此常用时延差表示光纤色散的程度 时延差 材料色散系数 在光源谱宽范围内 D一般为常数 则单位长度的时延差为 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽4 时延差与色散系数的关系波导色散归一化传播常数 在多模光纤中 波导色散比材料色散小的多 可以忽略 在单模光纤中 波导色散常数为 波导色散引起的单位长度的群时延为 解出 1 3 2光纤的色散和带宽4 时延差与色散系数的关系模间时延差 阶跃光纤 第一章光纤传输原理和传输特性 为有效群折射率 当时 脉冲展宽最小 多模渐变折射率分布光纤单位长度的脉冲展宽 近似估算 1 3 2光纤的色散和带宽5 色散 带宽和脉冲展宽色散对光纤传输系统的影响 在时域和频域的表示方法不同 如果信号是模拟调制的 色散限制带宽 Bandwith 如果信号是数字脉冲 色散产生脉冲展宽 Pulsebroadening 所以 色散通常用3dB光带宽或脉冲展宽表示 第一章光纤传输原理和传输特性 式中分别为模间色散 材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽 用脉冲展宽表示时 光纤色散可以写成 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽5 色散 带宽和脉冲展宽光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论 如果光纤可以按线性系统处理 其输入光脉冲功率和输出光脉冲功率的一般关系为 当输入光脉冲时 输出光脉冲 式中为函数 称为光纤冲击响应 冲击响应的傅里叶 Fourier 变换为 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽5 色散 带宽和脉冲展宽模拟信号色散限制带宽 Bandwith 通常用3dB光带宽表示 或 一般 频率响应随频率的增加而下降 这表明输入信号的高频成分被光纤衰减了 受这种影响 光纤起了低通滤波器的作用 将归一化频率响应下降一半或减小3dB的频率定义为光纤3dB光带宽 由此得到 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽5 色散 带宽和脉冲展宽一般 光纤不能按线性系统处理 但如果系统光源的频谱宽度比信号频谱宽度大得多 光纤就可以近似为线性系统 光纤传输系统通常满足这个条件 光纤实际测试表明 输出光脉冲一般为高斯波形 设 高斯脉冲半极大全宽度 FWHM 3dB光带宽为 式中 为均方根 rms 脉冲宽度 对上式进行傅里叶变换 代入公式得到 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽5 色散 带宽和脉冲展宽3dB光带宽 均方根 rms 脉冲宽度 脉冲半极大全宽度 FWHM 定义如下图 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 2光纤的色散和带宽5 色散 带宽和脉冲展宽输入脉冲一般不是函数 设输入脉冲和输出脉冲为高斯函数 其均方根 rms 脉冲宽度分别为和 频率响应分别为和 根据傅里叶变换特性得到 由此得到 信号通过光纤后产生的脉冲展宽或和分别为输入脉冲和输出脉冲的FWHM 1 3光纤传输特性1 3 3光纤双折射及偏振特性实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀 必定造成折射率分布各向异性 使两个偏振模具有不同的传输常数1 定义归一化双折射系数 2 拍长 3 偏振色散 两个正交模式在光纤中传播单位长度的时延差为 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 3光纤双折射及偏振特性产生双折射原因 凡使光纤介质出现光学各向异性的物理因素都将使光纤产生双折射 单模光纤截面椭圆度 单模光纤应力 应变 单模光纤弯曲 单模光纤扭曲 外场引起 电光 磁光 弹光效应等 保偏光纤 高双折射光纤 比较大 相位不匹配 两个正交模弱耦合 低双折射光纤 减小纤芯的剩余应力 降低各向异性 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗使用过程中的弯曲 以及光纤耦合损耗是主要损耗 一 弯曲引起的损耗1 宏弯曲多模光纤 临界半径 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗一 弯曲引起的损耗2 宏弯曲单模光纤 当时 临界半径可用下式表示 误差小于10 临界半径 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗3 多模光纤的微弯曲损耗理论分析表明 一般情况下 微弯只能使相邻模式之间产生损耗 相邻模式之间传播常数差值越大 耦合越强烈 微弯损耗也越大 而且和光纤微弯形状密切相关 例如 微弯损耗为微弯空间频率 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗3 多模光纤的微弯曲损耗结论 1 光纤微弯空间频率 微弯周期 损耗最大 2 光纤损耗谱在处的主衰减峰的谱宽 主衰减峰两侧还有次级大出现 3 损耗与微弯振幅成正比 对传感器应用有利 4 损耗与微弯总长度L成正比 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗3 单模光纤的微弯曲损耗为归一化径向变量为标量场分布 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗二 光源与光纤耦合损耗光源与光纤连接时 为获得最佳耦合效率 主要考虑两者的特性参量相互匹配问题 光纤 纤芯直径 数值孔径 截止波长和偏振特性光源 发光面积 发光角分布 光谱特性 输出功率及偏振特性通用光源为半导体激光器和半导体发光二极管 耦合方式分为直接耦合和透镜耦合 显然采用透镜耦合效率更高 采用直接耦合时 半导体激光器优于半导体发光二极管 因为自发辐射光发射的方向性差 半导体发光二极管与多模光纤直接耦合的最大效率为 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 4外界因素引起的光纤系统的损耗二 光纤与光纤耦合损耗多模光纤之间连接时 为获得最佳耦合效率 在同种类光纤中 主要考虑以下几方面问题 1 轴偏离对耦合损失影响2 两光纤端面之间的间隙对耦合损失影响3 两光纤轴之间的倾斜对耦合损失影响4 光纤端面不完整对耦合损失影响在不同种类光纤中 主要考虑 1 光纤芯径2 折射率不同单模光纤之间连接时 也是考虑 轴偏离 轴倾斜 端面间隙和不同种类光纤引起的损耗 光纤和透镜耦合主要考虑数值孔径的匹配和透镜的像差 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应在光纤通信系统中 光纤中的非线性效应 一方面引起传输信号的附加损耗 通信之间的串话 信号频率的移动 另一方面又可以被用来开发新型器件 如激光器 放大器 调制器等 光孤子通信就是利用光纤中的非线性效应克服色散的影响 压缩后的脉冲已达到6fs 飞秒 的窄脉冲 使通信速率极大提高 传输距离极大延长 因此要了解和掌握光纤非线性效应的基本原理及应用 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应一 非线性效应任何介质 如玻璃光纤 对光功率的响应都是非线性的 由于光注入光纤介质产生了电偶极子 电偶极子反过来与光波会产生相互调制的相互作用 在光功率小时引起小的振荡即线性响应 在光功率大时振荡产生非线性响应 电偶极子的极化强度P与光场E的关系为式中 为真空中的电介常数 是介质的电极化率 为系统二阶非线性系数 为三阶非线性系数 对于各向同性介质如光纤 第二项是正交的 因而该项消失 第三项引起的非线性效应很大 它常称为克尔效应 主要有两类 一类是由于光纤的折射率随输入光功率的变化引起的 另一类是由散射产生的 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应当光纤中光功率保持低电平时 玻璃光纤的折射率一直为常数 当光纤中的光功率提高后 光纤的折射率受到传输信号光强度的调制而发生变化 非线性折射率波动效应可分为三大类 自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 以及四波混频 FWM 在光强度调制系统中 当光信号与声波或光纤材料中振动的分子相互作用时 会散射光并把能量向更长的波长转移 非线性受激散射可分为布里渊散射和拉曼散射两种形式 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应 一 非线性折射两个最广泛的应用是自相位调制 SPM 和交叉相位调制 XPM 1 自相位调制 SPM 光脉冲自身引起相位变化 导致光脉冲频谱展宽 当有一光波信号在光纤中传输时 其相位随距离而变化 方程为 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应前一项是线性相移 后一项为非线性相移 如果输入的光信号是强度调制 则非线性相移引起相位调制 这种效应称为自相位调制 SPM SPM的相位调制能够产生新的频率 同时展宽了光脉冲的频谱 在波分复用系统中如果这种调制现象较严重 展宽的光谱会覆盖到相邻的信道 另外 自相位调制能带来好处 它能够与光纤的正色散作用 从而暂时压缩传输的光脉冲 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应2 交叉相位调制 XPM CPM 交叉相位调制 XPM CPM 准确地讲是与自相位调制产生方式相同的另一种非线性效应 然而自相位调制是光脉冲对自身相位的影响 交叉相位调制是用来描述光脉冲对其他信道信号光脉冲相位的影响 仅在多信道系统中才发生 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应2 交叉相位调制 XPM CPM 第一项为自相位调制 第二项为交叉相位调制 产生频谱不对称展宽 可以利用此效应制作 光克尔开关 相位调制主要影响相干技术解调系统 对直接检测 非相干调制 幅度调制传输系统影响不严重 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应 二 受激非弹性散射1 受激喇曼散射 SRS 介质中分子振动对入射光 泵浦光 的调制当一个强光信号在光纤中引发了分子共振时 产生喇曼非线性效应 这些分子振动调制信号光后产生了新的光频 正向传播 除此之外还将放大新产生的光 斯托克斯波反斯托克斯波分子振动频率 在室温下 大部分新产生的频率都处于光载波的低频区 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应喇曼增益与阈值为喇曼增益系数 为泵浦波光强喇曼散射阈值泵浦功率为 纤芯有效面积光纤有效作用长度 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应喇曼增益与阈值超低损耗单模光纤预测泵浦到斯托克斯波的转换效率很高 一阶斯托克斯波足够强时 还可以再产生二阶斯托克斯波应用 光纤喇曼激光器光纤喇曼放大器影响 各信道之间串话 单信道系统阈值功率大于光源入纤功率 不会产生严重影响 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应 二 受激非弹性散射2 受激布里渊散射 SBS 当一个窄线宽 高功率信号沿光纤传输时 将产生一个与输入光信号同向的声波 此声波波长为光波长的一半 且以声速传输 理解非线性布里渊效应的一个简单方法是将声波想象为一个把入射光反射回去的移动布拉格光栅 由于光栅向前移动 因此反射光经多普勒频移到一个较低的频率值 对于工作于1 55 m的二氧化硅光纤 布里渊频偏约为11GHz 且决定于光纤中的声速 反射光线宽 还取决于声波的损耗 它可在几十至几百兆赫兹的范围内变动 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应布里渊增益与阈值为布里渊增益系数布里渊散射阈值泵浦功率为 对于窄脉冲 因其频谱较宽 很高 可以忽略布里渊散射 对于一般情况 例如 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应应用 光纤布里渊激光器光纤布里渊放大器影响 1 因阈值较低 一旦光信号达到阈值 大部分能量将转化成反向传输的斯托克斯散射光 减少信号功率 反馈给激光器 使其工作不稳定 解决办法 加宽输入信号的频带宽度 增大阈值 2 有利的应用 低的阈值功率 提供了布里渊放大 利用与信号传输相反方向注入连续泵浦 补偿传输损耗 延长传输距离 窄线宽可用于选择放大载波 不放大调制边带 基本原理与外差检测类似 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应 三 参量放大 四波混频FWM 当有三个不同波长的光波同时注入光纤时 由于三者的相互作用 产生了一个新的波长或频率 即第四个波 新波长的频率是由入射波长组合产生的新频率 这种现象称为四波混频效应 四波混频效应能够将原来各个波长信号的光功率转移到新产生的波长上 从而对传输系统性能造成破坏 在波分复用系统中 混合产生的新波长会与其他信号信道的波长完全一样 严重地破坏信号的眼图并产生误码 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应 三 参量放大 四波混频FWM 第四个波的频率是由入射波长组合产生的新频率要有显著的四波混频现象发生 必须满足频率和波矢匹配 即满足相位匹配条件 组合为的形式 相位匹配条件相对容易满足 而其它组合不易发生 虽然四波混频的阈值比喇曼散射低 但长距离光纤中 喇曼散射占优 因为不易保持四波混频的相位匹配条件 第一章光纤传输原理和传输特性 1 3 5光纤的非线性效应二 光孤子与光孤子通信一束光脉冲包含许多不同的频率成分 不同的频率 在介质中的传播速度不同 因此 光脉冲在光纤中将发生色散 使得脉宽展宽 但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时 将产生克尔效应 即介质的折射率将随着光强发生变化 由此导