光纤的色散与非线性效应（参考材料）

光纤的色散与非线性效应 参考材料 光纤的色散与非线性效应 参考材料 光纤的色散与非线性效应1特选优质 随着脉冲在光纤中传输 脉冲 的宽度被展宽劣化的程度随数据速率的平方增大决定了电中继器之 间的距离光纤的色散模间色散 Mode Dispersion 色度色散 Cromatic Dispersion 偏振色散 Polarization ModeDispersion 2特选优质 10000100010010600km12345678910调制 速率 Gbps 小色散光纤 理论上小色散光纤 实际上传统光纤 理论上传统光纤 实际上色散对传输的限制3特选优质 4特选优质 M aterial Chromatic Dispersion This iscaused by the factthat the refractive index of theglass weare usingvaries slightly with the wavelength Some wavelengthstherefore havehigher groupvelocities andso travel faster thanothers Since everypulse consistsof arange ofwavelengths itwill spreadout tosome degreeduring itstravel 5特选优质 Group VelocityDispersion GVD Normal DispersionRegime the long wavelengths travelfaster than the short ones Thus aftertravelling on a fibrewavelengths atthe red end of the pulsespectrum will arrive first This is called apositive chirp Anomalous DispersionRegime the short wavelengths blue endof the spectrum travelfasterthan the longwavelengths redend After travelon afibre the shorter wavelengthswillarrivefirst This isconsidered anegative chirp 6特选优质 Polarisation ModeDispersion PMD There isusually a very slightdifference inRI foreach polarisation It can be asource ofdispersion usually lessthan 5ps nm km The effect is tocause acircular orelliptical polarisationto formas the signal travelsalong the fibre Dispersion resultingfrom thebirefringent propertiesof fibre iscalled Polarisation ModeDispersion PMD 7特选优质 Waveguide Dispersion The shape profile of the fibre hasaverysignificant effecton thegroup velocity This isbecause the amount thatthe fieldsoverlap betweencore andcladding dependsstrongly onthe wavelength The longerthewavelengththe furtherthe theelectromagic waveextends into the cladding since agreater proportionof thewave atshorter wavelengthsis confinedwithin thecore theshorterwavelengths see a higherRI thando longerwavelengths Therefore shorterwavelengths tendto travelmore slowlythan longerones 8特选优质 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 G 655大有效面积G G 6559特选优质 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34km G 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 10特选优质 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 11特选优质 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 D WDM系统用光纤的理想选择 12特选优质 1550nm1310nm色散ps nm km普通光纤 SMF 非色散位移 光纤 NDSF G 652 已有光纤的 95 波长 色散位移光纤 DSF G 653 非零色散位移光纤 NZDSF G 655 180DWDM波长范围三种光纤 色散情况比较正常色散区反常色散区13特选优质 Calculating Dispersion in atypical single mode fibreusing alaser with a spectral width of6nm overa distanceof10km Dispersion 17ps nm km 6nm 10km 1020ps At1G bps a pulse is1ns long So thesystem wouldnot work 20 is agood guidelinefor theaeptable limit But itwould probablywork quitewell ata datarate of155Mbps apulselength of6 5ns A narrowspectral widthlaser mightproduce onlyone linewithalinewidth of300MHz Modulating itat1Gbps willadd2GHz 2 300MHz isjust lessthan 02nm at1500nm So now Dispersion 17ps nm km 02nm 10km 3 4ps In thiscase dispersion justceased to be aproblem 14特选优质 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15特选优质 Control ofSpectral Width Simple FPlaser over5nm External cavityDBR laser 01nm Modulation addsto thebandwidth of the signal by twicethe highestfrequency presentin themodulating signal 1Gbps 04nm Using moreplex signalcoding ratherthan simpleOOK Using WDM a2 5Gbps signalhas1 4of theproblem withdispersion asa10Gbps signal 16特选优质 Dispersion ShiftedFibre dispersion shiftedfibreisdesigned witha dispersionzero pointat around1550nm However it isnot alwayspossible orindeed desirable In manycases we can t haveDSF because thefibrewe mustuse isalready installed four wave mixingeffectively prohibitthe useof DSF 17特选优质 Dispersion CompensatingFibre18特选优质 Balancing DispersiononaLink19特选优质 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 20特选优质 Mid Span SpectralInversion The concepthere isto usea devicein themiddle of the linkto invert thespectrum This processchanges theshortwavelengths to longones andthelongwavelengthstoshortones When thepulse arrivesit has been re built exactly pensated forbythesecond halfofthefibre 21特选优质 Principle This spectralinversion isperformed bya processcalled optical phaseconjugation Devices thatchange thewavelength usingeither4 Wave Mixingor Differencerequency Generationinvertthespectrum asa biproductof theirwavelength conversionfunction These canbe usedas spectralinverters ifwecantolerate thewavelength shiftinvolved 22特选优质 Chirped FibreBragg GratingsChirped Bragggrating long short Topensate for100km ofstandard 17ps nm km fibre thechirped gratingneeds tobe17cm longfor everynm ofsignal bandwidth In thisinstance aWDM systemwith channelsspread over say 20nm wouldneed achirped FBG 20 x17 340cm long 23特选优质 啁啾光栅用作色散补偿 啁啾光栅的色散 2n effL c 1 D c n eff有效折射率 c光速D c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 51 00ps nm 24特选优质 单信道多信道折射率效应光强度波动引起的折 射率的调制自相位调制 SPM 交叉相位调制 XPM 四波混频 FWM 散射 效应受激布里渊散射 SBS 受激拉曼散射 SRS 光纤的非线性效应25 特选优质 What happen Increase insignificance exponentiallywith thelevel ofoptical powerin thefibre Elastic effects no energyexchange betweenthe opticalwave andthe matter four wave mixing Inelastic Scattering there isan energytransfer betweenthe matterinvolved andthe opticalwave 26特选优质 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 27特选优质 折射率非线性变化 光纤折射率随光功率变化n n0 n2P A e其中P是光功率 A e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 XPM andFWM 在负色散区导致色散代价 在正色散区 导致色散补偿28特 选优质 Carrier Induced PhaseModulation The presenceof lightin afibre causesa tiny change in therefractiveindexofthefibre This isbecausetheelectromagic fieldthat constitutesthe lightacts onthe atomsand moleculesthat makeup theglass This iscalled the Kerr Effect At lowintensities the effect islinear that is theamount of RIchange varieslinearly withthe intensityofthelight At highintensities theeffectishighly non linear This iscalled the Nonlinear KerrEffect 29特选优质 How itworks At veryhigh powersKerr nonlinearitiescanbe used tobalance the effects of chromatic dispersionin thefibre anda soliton is formed At mediumpower levels below thelevel neededto formsolitons Kerr effecthasbeenused toconstruct devicesthat pressand re form pulsesand hence undo theeffectsofchromaticdispersion At low power levelsthe resultsof Kerreffect are self phase modulation and cross phase modulation 30特选优质 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 31特选优质 SPM的特点 E Z t Ecos w ot B oz 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 2 3 0083E xnncwB32特选优质 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XPM DSF高速 10Gb s WDM系统中 XPM将 成为一个显著的问题 z E EE 2 1221 33特选优质 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 2w p wp w1 w2 两束光产生混频两个边带斯托克斯频率w S 2w1 w2反斯托克斯频率w A 2w2 w134特选优质 Four WaveMixing Effects35特选优质 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36特选优质 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 37特选优质 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 W B 11 1GH Z 斯托克斯波和泵浦波沿反方向传播 只要波长间隔比20MH Z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g B约为4 10 11m W 且与波长无关 38特选优质 SBS ThresholdVariation withWavelength39特选优质 Major problemwith SBS In longdistance systemswhere thespan betweenamplifiers isgreat andthe bitrate low below about2 5Gbps In WDMsystems up toabout10Gbps where thespectralwidthofthesignal is very narrow In remotepumping ofan erbiumdoped fibreamplifier EDFA through aseparate fibre EDFA pumpstypically putout aboutfour linesof aroundonly80MHz wide Each ofthese linesis limitedby SBSintheamountofpower that canbeused 40特选优质 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 41特选优质 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 因为这时不同信道的信号以不同的速度传播 从而减小了不同波长 的脉冲在光纤中任一点处都重合的概率 波长间隔大容易产生SRS42 特选优质 Stimulated RamanScattering43特选优质 降低SRS的措施 使信道间隔减小 传输 功率保持在SRS阈值以下 引入一定的色散44特选优质 Raman Effec