光纤的色散与非线性效应

光纤的色散与非线性效应 随着脉冲在光纤中传输 脉冲的宽度被展宽 模间色散 ModeDispersion 色度色散 CromaticDispersion 偏振色散 PolarizationModeDispersion 色散对传输的限制 Material Chromatic Dispersion Thisiscausedbythefactthattherefractiveindexoftheglassweareusingvaries slightly withthewavelength Somewavelengthsthereforehavehighergroupvelocitiesandsotravelfasterthanothers Sinceeverypulseconsistsofarangeofwavelengthsitwillspreadouttosomedegreeduringitstravel GroupVelocityDispersion GVD NormalDispersionRegime thelongwavelengthstravelfasterthantheshortones Thusaftertravellingonafibrewavelengthsattheredendofthepulsespectrumwillarrivefirst Thisiscalledapositivechirp AnomalousDispersionRegime theshortwavelengths blueendofthespectrum travelfasterthanthelongwavelengths redend Aftertravelonafibretheshorterwavelengthswillarrivefirst Thisisconsideredanegativechirp PolarisationModeDispersion PMD ThereisusuallyaveryslightdifferenceinRIforeachpolarisation Itcanbeasourceofdispersion usuallylessthan 5ps nm km Theeffectistocauseacircularorellipticalpolarisationtoformasthesignaltravelsalongthefibre Dispersionresultingfromthebirefringentpropertiesoffibreiscalled PolarisationModeDispersion PMD WaveguideDispersion Theshape profile ofthefibrehasaverysignificanteffectonthegroupvelocity Thisisbecausetheamountthatthefieldsoverlapbetweencoreandcladdingdependsstronglyonthewavelength Thelongerthewavelengththefurtherthetheelectromagneticwaveextendsintothecladding sinceagreaterproportionofthewaveatshorterwavelengthsisconfinedwithinthecore theshorterwavelengths see ahigherRIthandolongerwavelengths Thereforeshorterwavelengthstendtotravelmoreslowlythanlongerones 传输使用的三种不同类型的单模光纤 G 652单模光纤 NDSF G 653单模光纤 DSF G 655单模光纤 NZ DSF 常规G 655大有效面积G 655 大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2 5Gb s系统色度色散受限距离约600km10Gb s系统色度色散受限距离约34kmG 652 DCF方案升级扩容成本高结论 不适用于10Gb s以上速率传输 但可应用于2 5Gb s以下速率的DWDM G 652单模光纤 NDSF 低损耗零色散小有效面积长距离 单信道超高速EDFA系统四波混频 FWM 是主要的问题 不利于DWDM技术结论 适用于10Gb s以上速率单信道传输 但不适用于DWDM应用 处于被市场淘汰的现状 G 653单模光纤 DSF 在1530 1565nm窗口有较低的损耗工作窗口较低的色散 一定的色散抑制了非线性效应 四波混频 的发生 可以有正的或负的色散 海底传输系统正色散SPM效应压缩脉冲 负色散SPM效应展宽脉冲 为DWDM系统的应用而设计的 G 655单模光纤 NZ DSF 结论 适用于10Gb s以上速率DWDM传输 是未来大容量传输 DWDM系统用光纤的理想选择 三种光纤色散情况比较 正常色散区 反常色散区 CalculatingDispersion inatypicalsingle 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 色散补偿技术 控制光源线宽色散位移光纤色散补偿光纤中途谱反转啁啾光纤光栅 ControlofSpectralWidth SimpleFPlaser over5nm ExternalcavityDBRlaser 01nmModulationaddstothebandwidthofthesignal bytwicethehighestfrequencypresentinthemodulatingsignal 1Gbps 04nm UsingmorecomplexsignalcodingratherthansimpleOOK UsingWDM a2 5Gbpssignalhas1 4oftheproblemwithdispersionasa10Gbpssignal DispersionShiftedFibre dispersionshiftedfibreisdesignedwithadispersionzeropointataround1550nm However itisnotalwayspossibleorindeeddesirable Inmanycaseswecan thaveDSFbecausethefibrewemustuseisalreadyinstalled four wavemixingeffectivelyprohibittheuseofDSF DispersionCompensatingFibre BalancingDispersiononaLink DCF存在的问题 高损耗 0 5dB km 小截面积 DCF 20mm2G 652 80mm2 比标准光纤的非线性系数高2 4个数量级非线性阈值低3 6dB较大的色散斜率 DCF 15 20ps nm2 km G 652 0 09ps nm2 km 短波长过补偿 长波长欠补偿 Mid SpanSpectralInversion Theconcepthereistouseadeviceinthemiddleofthelinktoinvertthespectrum Thisprocesschangestheshortwavelengthstolongonesandthelongwavelengthstoshortones Whenthepulsearrivesithasbeenre builtexactly compensatedforbythesecondhalfofthefibre Principle Thisspectralinversionisperformedbyaprocesscalled opticalphaseconjugation Devicesthatchangethewavelengthusingeither4 WaveMixingorDifferencerequencyGenerationinvertthespectrumasabiproductoftheirwavelengthconversionfunction Thesecanbeusedasspectralinvertersifwecantoleratethewavelengthshiftinvolved ChirpedFibreBraggGratings Tocompensatefor100kmofstandard 17ps nm km fibrethechirpedgratingneedstobe17cmlongforeverynmofsignalbandwidth InthisinstanceaWDMsystemwithchannelsspreadover say 20nmwouldneedachirpedFBG 20 x17 340cmlong 啁啾光栅用作色散补偿 啁啾光栅的色散 2neffL c 1 Dlc neff 有效折射率 c 光速Dlc光栅两边缘反射波长之差 5cm长的线性啁啾光栅可以补偿300km的10Gb 光谱宽度0 1nm 传输线的色散 5100ps nm 光纤的非线性效应 Whathappen Increaseinsignificanceexponentiallywiththelevelofopticalpowerinthefibre Elastic effects noenergyexchangebetweentheopticalwaveandthematter four wavemixing InelasticScattering thereisanenergytransferbetweenthematterinvolvedandtheopticalwave 光纤非线性的形成 单信道系统 功率水平 10mw 速率不超过2 5Gb s时 光纤可以作为线性介质处理 即 光纤的损耗和折射率都与信号功率无关WDM系统中 即使在中等功率水平和比特率下 非线性效应也很显著 非线性效应的产生的原因是 光纤传输损耗 增益 和折射率以及光功率相关 非线性相互作用取决于传输距离和光纤的横截面积 折射率非线性变化 光纤折射率随光功率变化 n n0 n2P Ae其中P是光功率 Ae是光纤有效截面积折射率变化引起光波相位变化 导致光脉冲展宽 形成SPM XPMandFWM在负色散区导致色散代价 在正色散区 导致色散补偿 Carrier InducedPhaseModulation Thepresenceoflightinafibrecausesa tiny changeintherefractiveindexofthefibre Thisisbecausetheelectromagneticfieldthatconstitutesthelightactsontheatomsandmoleculesthatmakeuptheglass Thisiscalledthe KerrEffect Atlowintensitiestheeffectislinear thatis theamountofRIchangevarieslinearlywiththeintensityofthelight Athighintensitiestheeffectishighlynon linear Thisiscalledthe NonlinearKerrEffect Howitworks AtveryhighpowersKerrnonlinearitiescanbeusedtobalancetheeffectsofchromaticdispersioninthefibreanda soliton isformed Atmediumpowerlevels belowthelevelneededtoformsolitons Kerreffecthasbeenusedtoconstructdevicesthatcompressandre formpulsesandhence undo theeffectsofchromaticdispersion AtlowpowerlevelstheresultsofKerreffectare self phasemodulation and cross phasemodulation 自相位调制 SPM 自相位调制 SPM 的产生是由于本信道光功率引起的折射率非线性变化 这一非线性折射率引起与脉冲强度成正比的感生相移 因此脉冲的不同部分有不同的相移 并由此产生脉冲的啁啾SPM效应在高传输功率或高比特率的系统中更为突出 SPM会增强色散的脉冲展宽效应 从而大大增加系统的功率代价 SPM的特点 E Z t Ecos wot Boz 自相位调制 SPM 电场E z t 的相位随E2z变化 即 SPM引起的相位变化正比于电场强度E2与传播距离z 交叉相位调制 XPM 交叉相位调制 XPM 的产生是由于外信道光功率引起的折射率非线性变化 导致相位变化相位正比于 其中第一项来源于SPM 第二项即交叉相位调制 XPM 若E1 E2则XPM的效果将是SPM的两倍 因此XPM将加剧WDM系统中SPM的啁啾及相应的脉冲展宽效应 增加信道间隔可以抑制XPMDSF高速 10Gb s WDM系统中 XPM将成为一个显著的问题 四波混频 FWM 折射率对于光强的相关性 不仅引起信道中的相移 而且产生新频率分量的信号 这种现象称为四波混频 FWM 三光子混频 w4 w1 w2 w3两光子混频 w4 w3 w1 w2单光子混频 w4 w3 2wp wp w1 w2 两束光产生混频两个边带 斯托克斯频率 wS 2w1 w2反斯托克斯频率 wA 2w2 w1 FourWaveMixingEffects 四波混频的特点 FWM的影响有赖于相互作用的信号之间的相位关系 如果相互作用的信号以同样的群速度传播 无色散时就是这种情况 则FWM的影响加强 另一方面 如果存在色散 不同的信号以不同的群速度传播 因此不同光波之间的交替地同相叠加和反相叠加 其净效果是减小了混频的效率 在有色散的系统中 信道间隔越大 群速度的差异就越大 色散位移光纤中的色散值很低 FWM效率要高得多 在色散位移光纤中 信道数增加时 会产生更多的FWM项信道间隔减小时 相位失配减小 FWM效率增加信号功率增加 FWM呈指数增加 降低FWM的措施 仔细选择各信道的位置 使得那些拍频项不与信道带宽范围重叠 这对于较少信道数的WDM系统是可能的 但必须仔细计算信道的确切位置 增加信道间隔 增加信道之间的群速度不匹配 但缺点是增加了总的系统带宽 从而要求放大器在较宽的带宽范围内有平坦的增益谱 另外还增加了SRS引起的代价 增加光纤的有效截面 降低光纤中光功率密度 对于DSF使用大于1560nm的波长 这种方法的思路是 即使对于DSF 这一范围内也存在显著的色散量 从而可以减小FWM的效率 这依赖于L band的EDFA 针对不同的波长信道引入延时 从而扰乱不同波长信道的相位关系 受激布里渊散射 SBS 受激布里渊散射 SBS 是由于光子受到声学声子的散射所产生的 形成斯托克斯波与反斯托克斯波 SBS产生频移 只发生在很窄的线宽内 在1 55mm处 WB 11 1GHZ 斯托克斯波和泵浦波沿反方向传播 只要波长间隔比20MHZ大得多 这是典型的情况 SBS不引起不同波长之间的相互作用 SBS在朝向光源的方向上产生增益 会引起光源不稳定SBS阈值功率低 单波长信道 9dBm 增加光源线宽能够提高SBS阈值功率 100MHz光源 16dBm SBS的增益系数gB约为4 10 11m W 且与波长无关 SBSThresholdVariationwithWavelength MajorproblemwithSBS Inlongdistancesystemswherethespanbetweenamplifiersisgreatandthebitratelow belowabout2 5Gbps InWDMsystems uptoabout10Gbps wherethespectralwidthofthesignalisverynarrow Inremotepumpingofanerbiumdopedfibreamplifier EDFA throughaseparatefibre EDFApumpstypicallyputoutaboutfourlinesofaroundonly80MHzwide EachoftheselinesislimitedbySBSintheamountofpowerthatcanbeused 降低SBS的措施 使单信道功率保持在SBS阈值以下 增加光源的线宽 大于100MHz 0 1nm 采用相位调制 受激喇曼散射 SRS SRS是光子受到振动分子散射所产生的 SRS同时存在于在光传输方向或者与之相反的方向阈值比SBS高3个数量级 具有100nm频移间隔SRS引起DWDM不同信道之间发生耦合 导致串扰 长波长信号被短波长信号放大 引起信道功率不平衡仅当两个波长信号都处于高电平状态才会发生SRS 色散可以减小SRS