光纤通信中的衰减色散及非线性特性研究正文毕业论文.doc

光纤通信中的衰减、色散及非线性特性研究摘要随着人类社会信息化速率的加快，对通信的需求也呈高速增长的趋势。由于光纤传输技术的不断发展，在传输领域中光传输已占主导地位。光纤存在巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速率、大容量传输的最理想的传输媒质。光纤通信是传输技术的革命性进步，其诞生已有近30年的历史，直到今天还没看到任何一种新的技术能够取而代之。据统计，目前80% 以上的信息是通过光通信系统传递的。光纤通信系统问世以来，一直向着两个目标不断发展。一是延长中继（再生）距离，二是提高系统容量，也就是所谓的向超高容量和超长距离两个方向发展。从技术角度看，限制高速率、大容量光信号长距离传输的主要因素是光纤衰减、色度色散和非线性。本文开始阐述了光纤通信的发展及光纤特性对光纤通信的影响，接下来在第二章介绍了光纤通信的基本概念和光纤的结构、分类、导光原理以及各种新型单模光纤，然后在第三章、第四章、第五章中分别对光纤的衰减特性、色散特性、非线性效应展开了研究，最后在第六章用Optisystem软件建立典型的光纤系统补偿模型并进行特性分析研究。关键字：光纤；光纤特性；Optisystem；补偿模型ABSTRACTAs human society information of communication, the rate of growth in demand. Due to the continuous development of fiber optic transmission technology, optical transmission in the field has dominated. The huge bandwidth optical fiber transmission performance and superior resources, is to realize high speed and capacity of the transmission of the ideal transmission medium. Optical fiber communication is the transmission technology progress, the birth of revolutionary history of nearly 30 years, until today, havent seen any kind of new technology can instead. According to statistics, more than 80% of the information is passed through the communication system.Since the advent of optical fiber communication system has been evolving towards two objectives. One is to extend the relay (renewable) distance, and second, to improve system capacity, which is the so-called ultra-high capacity and ultra-long distance to the two directions. From a technical point of view, restricting high-speed, high-capacity long-distance optical signal transmission is the main factor that fiber attenuation, chromatic dispersion and nonlinearity. This article first expounds the development of optical fiber communication and optical properties influence of the optical fiber communication, followed by in the second chapter tells the basic concepts of the optical communications and the fiber structure, classification, principle and basic properties of light, and then introduces new type single-mode optical fiber, followed by introduces the optical fiber attenuation characteristics, dispersion characteristics and nonlinear effects in the third chapter, fourth chapter, fifth chapter, and finally establishes typical compensation model of optical system with Optisystem software and has analysis of compensation and characteristics of optical fiber in chapter sixth. Keywords: Optical fiber; Optical properties; Optisystem; Compensation model目录第一章引言11.1光纤通信的发展11.2光纤特性对光纤通信的影响21.3本文的主要任务3第二章光纤与光纤通信42.1光纤通信的基本概念42.2光纤的结构和分类42.2.1 光纤的结构42.2.2 光纤的分类52.3光纤的导光原理62.3.1 反射和折射62.3.2 全反射72.3.3 光纤中光的传播72.4新型单模光纤92.5光纤的传输特性11第三章光纤衰减（损耗）特性分析与研究123.1吸收损耗123.2散射损耗133.3其他损耗及损耗系数143.4衰减对中继距离的影响分析143.5小结15第四章光纤色散特性分析与研究164.1色散概述164.1.1 色散的概念164.1.2 色散的表示方法164.2色散种类164.2.1 模式色散174.2.2 材料色散184.2.3 波导色散184.3色散对中继距离的影响研究194.4 色散受限系统中继距离的计算204.5色散补偿技术研究224.6小结23第五章光纤非线性特性分析与研究245.1散射影响245.2克尔效应245.3非线性管理技术研究255.4小结26第六章基于Optisystem的光纤系统补偿模型及光纤特性分析276.1Optisystem软件介绍276.2Mach-Zehnder Lithium Niobate调制器中的啁啾仿真276.3XPM引起的非对称的光脉冲频谱展宽仿真32小结34致谢35参考文献36第一章引言1.1光纤通信的发展“烽火戏诸侯”等典故表明人类利用光传递信息的历史可以追溯到几千年以前。近代光通信的雏形则是由贝尔（Bell）在1880年获得“光电话”专利时奠定的。上世纪六十年代，英籍华裔学者高锟（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。自此以来，光纤通信从研究到应用，发展非常迅速：技术上不断更新换代，通信能力（传输速率与中继距离之积）不断提高（如图1.1所示），应用范围不断扩大。光纤通信的发展主要分为以下四个阶段：图1.1 光纤的通信能力（传输速率与中继距离之积）的增加情况第一阶段（19661976年），这是从基础研究到商业应用的开发时期。在这个时期，实现了短波长（0.85m）低速率（45或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km 。第二阶段（19761986年），这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标，大力推广应用的大发展时期。在这个时期，光纤从多模发展到单模，工作波长从短波长（0.85m）发展到长波长（1.31m和1.55m），实现了工作波长为1.31m 、传输速率为140565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50100km 。第三阶段（19861996年），这是以大容量长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。在这个时期，实现了1.55m色散位移单模光纤通信系统。采用外调制技术，传输速率可达2.510 Gb/s ，无中继传输距离可达100150km 。掺饵光纤放大器（EDAF：Erbium-Doped Fiber Amplifier）成熟并商业化。光孤子（Soliton）通信被广泛研究。第四阶段（1996），这个时期是以密集波分复用（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）技术为主要研究对象，追求的目标是超大容量超高速率超长距离。利用光放大器延长传输距离，利用电的时分复用（ETDM）提高单波长的传输速率，利用DWDM提高单根光纤的传输容量，不断地改进光纤的设计，采用一些新技术（如新型调制格式、纠错编码和各种色散管理技术等）来克服传输损伤，利用光电集成（OEIC）和光子集成（PIC）来提高设备的性能并使之小型化，有力地推动了各种光纤通信系统的更新换代。与此同时，传输容量的飞速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力，基于波长路由概念而发展起来的全光网正是适应这种需要而诞生。全光网的研究和实用化，必将使网络的性能和业务的提供能力跨上新的台阶。近年来，随着人们对通信带宽需求的迅速增长，光纤通信骨干上单通道传输速率一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。在OCF2000光纤通信会议上，Lucent公司报道了单波长最高速率为320 Gbit/s的光时分复用（OTDM）系统和40 Gbit/s x 82（3.28 Tbit/s）的密集波分复用（DWDM）系统，同时报道的还有Tyco公司的复用波长最多的10 Gbit/s x 18O的DWDM系统和富士通公司实现的速率为1.28Tbit/s 、无中继传输距离达840 km的系统。它们成为当时光纤通信向高速率、大容量和长距离发展的标志。在0FC2001上，报道的复用波长最多的WDM系统达到300个波长，信道间隔仅25 GHz ；最大容量已经达到10.9 Tbit/s（273x40）。而到OFC2002时，尽管国际光纤通信市场已经出现大幅滑坡，但提交论文与参展公司仍然比上一年增加了20% ，在提高系统容量上向实用化方向发展。在我国，随着经济的迅速发展，通信技术和通信市场也得到了飞速的发展。单通道速率为10 Gbit/s（STM-64）的系统已经商用化，32O Gb/s（10Gbit/s x 32）WDM系统也己经开始大批量装备网络，而且单信道速率正向40 Gbit/s ，甚至更高速率发展。1.2光纤特性对光纤通信的影响光纤通信系统问世以来，一直向着两个目标不断发展。一是延长中继（再生）距离，二是提高系统容量，也就是所谓的向超高容量和超长距离两个方向发展。从技术角度看，限制高速率、大容量光信号长距离传输的主要因素是光纤衰减、色度色散和非线性。光纤的吸收和散射会导致光信号的衰减，色散将使光脉冲发生畸变，导致误码率增高，信号传输质量降低，限制了通信距离。为了满足长距离传输的需要，必须在光纤线路上加入中继器，以补偿光信号的衰减和对畸变信号进行整形。传统的中继器是采用光电光的工作形式，电信号的响应速度有限，中继器的电子设备便成了高速传输的“瓶颈”。电再生设备使得整个系统结构复杂、成本昂贵。在超长距离传输系统中，再生中继是成本加大的主要因素。过去10年，掺铒光纤放大器（EDFA）的应用大大增加了无电中继的传输距离；密集波分复用（DWDM）技术已成功地应用于光通信系统，极大地增加了光纤中可传输信息的容量，降低了系统的成本。光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发展，并且逐步向下一代光网络演进。但随着波分复用信道数的增加，单通道速率的提高，光纤的非线性效应成为限制系统性能的主要因素，长距离传输必须克服色散和非线性效应的影响。因此如何提高光纤传输系统的容量，增加无电再生中继的传输距离，已经成为光纤通信领域研究的热点。而拉曼光纤放大器的出现，为增加无电再生中继距离创造了条件。同时，采用有利于长距离传送的线路编码（如RZ或CS-RZ码），采用FEC、EFEC或SFEC等技术提高接收灵敏度，用色散补偿和PMD补偿技术解决光通道代价和选用合适的光纤及光器件等措施，已经可是使超过STM-16或基于10Gbit/s 的DWDM系统，实现4000km无电再生中继的超长距离传输。人们将更高速率和更多信道的信息合波后送入一根光纤并不断试图将信号传输得更远，以求增大单根光纤的传输容量和降低每比特的成本。但是，更高的单信道速率、更小的信道间隔和更远的无电中继传输距离都意味着对光纤的色散、色散斜率、偏振模色散、非线性效应（四波混频交叉相位调制等）等性能提出了新的严格要求。可以说，每一次传输容量和传输距离的大幅度提升，都与市场需求和关键技术的突破这两方面紧密相关。回顾光传输系统的历史发展轨迹可以明显地看出，无电中继传输距离的每一次较大规模提升，总是基于新技术的采用和关键问题的解决而实现的，同时又伴随着对传输距离的新限制因素的出现。这些物理限制因素包括放大自发射辐射噪声积累、色度色散、非线性效应和偏振模色散等。在单信道10Gbit/s的长距离DWDM光传输中，又以前三种物理效应最为明显，而偏振模色散（PMD）效应主要在更高速率如40Gbit/s传输系统中才明显起作用。1.3本文的主要任务此次论文的主要任务是完成一篇关于光纤通信中的衰减、色散及非线性补偿研究的毕业设计论文的写作。要求通过对大量中英文资料的阅读，从理解衰减、色散及非线性效应的基本概念、种类等入手，结合其产生机理，建立补偿模型。本文开始阐述了光纤通信的发展及光纤特性对光纤通信的影响，接下来在第二章中讲了光纤通信的基本概念和光纤的结构、分类、导光原理等基本性质并介绍了新型单模光纤，然后在第三章、第四章、第五章中分别介绍了光纤的衰减特性、色散特性、非线性效应，最后在第六章用Optisystem软件建立典型的光纤系统补偿模型并进行特性分析。第二章光纤与光纤通信2.1光纤通信的基本概念光纤通信技术（Optical Fiber Communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤通信是利用光纤和激光的特性来实现，利用激光的相干性和方向性，使用激光作为信息的载体在光纤中进行传输的通信方式。在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息（如图2.1所示）。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光源调制器中继器解调器直接调制电信号输出间接调制电光转换光纤（光缆）光电转换光传输线路电信号输入图2.1 光纤通信2.2光纤的结构和分类2.2.1 光纤的结构光纤是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的中心部分纤芯、折射率较低的外围部分包层和外面的涂覆层。纤芯的折射率为n1 ，直径为2a ；包层的折射率为n2 ，直径为2b 。光纤的基本结构如图2.2所示。2a2b涂覆层包层纤芯折射率：涂覆层包层纤芯图2.2 光纤的结构2.2.2 光纤的分类光纤的分类方法很多，既可以按照光纤横截面上折射率的分布不同来分类，也可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料来分类。根据不同的分类方法，同一根光纤将会有不同的名称。如果按照制造光纤使用材料的不同来分，则可分为玻璃光纤、全塑光纤及石英系列光纤等。在光纤通信中，目前主要采用石英材料制成的光纤。（1）按照光纤横截面折射率分布不同来划分光纤按照横截面折射率分布不同来划分，一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。纤芯纤芯纤芯2a2bn1n2nn1n2ab0rnn1(r)n2ab0r包层包层n（a）单模光纤nn包层包层（b）多模阶跃型光纤包层包层（a）阶跃型光纤的剖面折射率分布（b）阶跃型光纤的剖面折射率分布图2.3 光纤的剖面折射率分布图2.4 光纤中的光射线轨迹410m50m（c）多模渐变型光纤50m 阶跃型光纤纤芯折射率n1 沿半径方向保持一定，包层折射率n2 沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。它的剖面折射率分布如图2.3(a)所示。光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n（r）来表示。 （2-1） 渐变型光纤如果纤芯折射率n1 随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2 是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。它的剖面折射率分布如图2.3(b)所示。折射率的变化也可以用n（r）来表示。 （2-2）式中，是任意常数，也可称为渐变系数；n（0）是轴线处的折射系数；为光纤的相对折射率差。（2）按照纤芯中传输模式的数量来划分模式实质上是电磁场的一种场结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式数量，光纤可分为单模光纤和多模光纤。 单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。通常，纤芯的折射率分布被认为是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽，因此它适用于大容量长距离的光纤通信。单模光纤中的光射线轨迹如图2.4（a）所示。 多模光纤在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率发布，也可以渐变折射率发布，它们的光波传输轨迹分别如图2.4（b）、2.4（c）所示。多模光纤的纤芯直径约为50m，模色散的存在使得多模光纤的带宽变窄，但其制造、耦合及连接都比单模光纤容易。（3）按照光纤的工作波长来划分按照光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤的工作波长在0.70.9m范围内，主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中；长波长光纤的工作波长在1.11.6m范围内，主要用于中长距离、大容量的光纤通信系统中；超长波长的工作波长大于2m，这种光纤损耗特别低，是传输媒介的发展方向。2.3光纤的导光原理光线在光纤中的传播方式有子午射线、斜射线和螺旋线三种。首先介绍最简单的反射和折射。2.3.1 反射和折射几何光学分析法认为光是由光子组成的，光子的能量是为E=hf，其中，h为普朗克常数，h=6.626 075 510-31(Js)，f为光的频率。光在均匀介质中沿直线传播，光在两介质的分界面发生反射和折射现象。如图2.5所示为光在介质折射率分别为n1和n2的介质分界面发生的反射和折射现象。从介质n1入射到介质n2的光信号的能量一部分沿k1方向反射回介质n1，一部分沿k2方向进入介质n2。其中，入射线、反射线和折射线各在k1，k1和k2方向，1，1和2为入射线、反射线、折射线与法线之间的夹角，分别称为入射角、反射角和折射角。且1，1和2满足如下关系：112n1n2k1k2k1图2.5 光在介质分界面上的反射和折射 （2-3） （2-4）式（2-3）即为反射定律，式（2-4）为折射定律，又称斯奈尔定律。反射定律确定了反射角和入射角的关系，折射定律确定折射角和入射角的关系。2.3.2 全反射当光射线由折射率大的物质（n1）射向折射率小的物质（n2）时，射线将离开法线而折射，即折射光线靠近两种物质的界面传播。如图2.5所示，当n1n2时，21，如果进一步增大入射角1，则折射角1也随着增大。当入射角增加到某一值时，折射角2将可达到90。也就是说，这时折射光将沿界面传播。若入射角1再增大，光就不再进入第二种介质了，入射光全部被反射回来，这种现象称为全反射。我们把折射角刚好达到90时的入射角称为临界角，用c表示。利用折射定律可得出阶跃光纤所取的结构就是使入射光在光纤中反复的通过上述全反射形式，闭锁在其中向前传播。由上所述，即可得出全反射的条件是n1n2且c1902.3.3 光纤中光的传播一束光线从光纤的入射端面耦合进入光纤时，光在光纤中的传播主要分为两种情况：一种是光始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且在一个传播周期内光与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种是光在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播如图2.6所示，阶跃光纤的纤芯折射率和包层折射率分别为n1和n2（n1n2），光线从空气（折射率n0）射入光纤，根据全反射定律，在纤芯和包层分界面处发生全反射的条件是ic其中c为临界角，即根据折射定律：即在子午射线全反射的情况下，允许的最大为 （2-5）由于外面是空气，n0=1，则 （2-6）表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。 （2-7）其中，是光纤纤芯所能捕捉的射线的最大射入角。数值孔径越大，就表示光纤捕捉射线的能力越强。n0n0n1n221图2.6 阶跃光纤剖面上的子午射线（2）子午射线在渐变型光纤中的传播渐变折射率光纤纤芯中的折射率沿半径r方向是变化的，随着r的增加而按一定规律减小，即n1是r的函数，包层中的折射率n2一般是均匀的，n2n1(r)。在非均匀光纤中，由于纤芯中介质折射率不均匀，由折射定律可知，光射线的轨迹不再是直线，而是一条由折射而形成的曲线。因此，非均匀光纤是靠折射原理将子午线限制在纤芯中向前传播的。如图2.7所示。由于纤芯中的n1(r)随着r的增加而按一定规律减小，在轴线处，折射率最大，即n1(0)= nmax；而在纤芯与包层的交界处，折射率最小，即n1(a)= n2。设有一条射线以入射角射向光纤，进入纤芯后，由于纤芯中的折射率是从nmax变为n2（由大变小），因此光射线相当于是从光密介质射向光疏介质，此时法线垂直于界面，则射线应离开法线而折射。当到达rm点后，射线几乎与轴线平行，而后又由光疏介质射向光密介质，光射线又靠近法线而折射，这样就形成了一条按周期变化的曲线。也就是说，不同入射条件的子午线，在纤芯中，将有不同轨迹的折射曲线。armn1(r)纤芯图2.7 渐变型光纤中的子午线（3）斜射线在光纤中的传播入射到光纤端面上的光线，除了子午射线外，还有斜射线。斜射线既不与中心轴线相交，也不与中心轴线平行。因此，斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。2.4新型单模光纤1. 色散位移单模光纤DSF常规的石英单模光纤在1.55m处损耗最小；在1.31m时色散系数趋于零，称为单模光纤材料零色散波长。为了获得最小损耗和最小色散，必须研制一种新型光纤。色散位移单模光纤（DSF）就是将零色散点移到1.55m处的光纤。对于单模光纤，只存在材料色散和波导色散。在1.55m处，如果能够使单模光纤的材料色散和波导色散互相补偿，即可使在这个波长上单模光纤的总色散为零。目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，实现1.55m处的低损耗与零色散。如图2.8所示。在光纤通信系统中，为了实现大容量超长距离的传输，线路中选用色散位移光纤和光放大器，将使这一问题得以解决。但在研究这个问题的过程中发现，色散位移光纤在1.55m单一波长处，进行长距离传输具有很大的优越性；但在一根光纤上同时传输多波长光信号时，如采用光放大器，DSF就会在零色散波长区出现了严重的非线性效应，这样就限制了波分复用（WDM）技术的应用。为了解决这一问题，引出了另一种新型的光纤，即非零色散光纤（NZDF）。1.21.41.61.8102030-10-20-300D(PS/kmnm)波导色散材料色散总色散(m)图2.8 色散位移光纤的色散2. 非零色散光纤NZDF在色散位移光纤线路中采用光纤放大器会使得光纤中的光功率密度加大，引起非线性效应。尤其是以上情况应用到WDM系统中时，会使得多个光波之间产生能量交换，引起信道之间的干扰，对系统的传输质量影响很大。为了提高多波长WDM系统的传输质量，考虑将零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系统的应用。非零色散光纤是指光纤的工作波长不是在1.55m的零色散点，而是移到1.541.565 m范围内，在此区域内的色散值较小，约为1.04.0PS/kmnm。虽然色散系数不为零，但和一般单模光纤相比，在此范围内色散和损耗都比较小。而且可采用波分技术，通过光纤放大器（EDFA）实现大容量超长距离的传输。3. 色散平坦光纤DFFDSF和NZDF都是在某一个波长上具有零色散或低色散。为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段（1.31.56m）都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤色散平坦光纤（DFF）。为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来达到目的。色散平坦光纤的折射率分布如图2.9所示，这些结构的共同特点时包层的层数多。如果利用W型折射率分布制作DFF，则可以在1.305m 和1.620m两个不同波长上达到零色散，而且在这两个零色散点之间，可保持色散值比较小的色散平坦性，如图2.10所示。1.21.41.61.8102030-10-20-300D(PS/kmnm)波导色散材料色散总色散(m)(a)下凹型(b)三角型(c)三包层型图2.10 色散平坦光纤的色散图2.9 色散平坦光纤的折射率分布4. 色散补偿光纤DCF色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的存在使得光脉冲信号发生的展宽和畸变。能够起这种均衡作用的光纤称为色散补偿光纤（DCF）。如果常规光纤的色散在1.55m波长区为正色散值，那么DCF应具有负的色散系数，使得光脉冲信号在此工作窗口波形不产生畸变。DCF的这一特性可以比较好地达到高速率长距离传输的目的。上面简单介绍的几种新型的特殊光纤的研究工作，目前已引起世界上一些通信公司的关注，如美国AT&T利用非零色散光纤已经开通了2.5Gbit/s8的WDM系统，在80km长的中继段上采用了10个光纤放大器。2.5光纤的传输特性光纤的传输特性在光纤通信系统中是一个非常重要的问题，它直接影响到传输系统的最大传输。它包括光纤的损耗特性、色散特性，当传输高强度功率时，还需要考虑光纤的非线性效应。下面讨论光纤的损耗特性、色散特性及非线性效应。第三章光纤衰减（损耗）特性分析与研究光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗，即光纤衰减。形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。而光纤本身损耗大致包括两类：吸收损耗和散射损耗。如图3.1所示，是光纤本身损耗的分类。光纤本身损耗吸收损耗散射损耗本征吸收杂质吸收线性散射损耗非线性散射损耗红外吸收过渡金属离子吸收紫外吸收氢氧根离子吸收瑞利散射材料不均匀引起的散射吸收损耗受激布里渊散射图3.1 光纤本身损耗的分类3.1吸收损耗吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子（OH）等杂质对通过光纤材料的光的吸收而产生的损耗。前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。3.1.1 本征吸收损耗当光波通过光纤材料时，就有一部分光能被吸收消耗掉而转变成其他形式的能，即使完全纯净的石英光纤也有吸收损耗。这种由于石英光纤材料本身吸收而形成的损耗，是光纤材料固有的，称为材料固有吸收损耗，即本征吸收损耗。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。在短波长区，主要是紫外吸收的影响；在长波长区，红外吸收起主导作用。（1）紫外吸收损耗紫外区的波长范围是610-30.39m，它吸收的峰值在0.16m附近，是在现用的光通信频段之外（目前光纤通信使用的波长范围是0.81.8m）。但此吸收带的尾部可拖到1m左右，将影响到0.71m的波段范围，随着波长增加，吸收的能量按指数规律下降。（2）红外吸收损耗红外区的波长范围是0.76300m，对于纯SiO2的吸收峰值在9.1m，12.5m和21m处。吸收带的尾部可延伸到1.51.7m，已影响到目前使用的石英系光纤工作波长的上限，这也是使得波段扩展困难的原因之一。3.1.2 杂质吸收损耗除本征吸收以外，还有杂质吸收，它是由材料的不纯净和工艺不完善而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收。（1）过渡金属离子吸收损耗过渡金属离子主要包括铁、铬、钴、铜等，它们在光纤工作波段都有自己的吸收峰，如铁离子的吸收峰在1.1m处，铜离子的吸收峰在0.8m处杂质含量越高，损耗就越严重。为了降低损耗，需要严格控制这些金属离子的含量。例如要使铜离子的峰值波长吸收损耗降为1dB/km，则必须使铜离子的浓度降到4.51010，这在工艺上要求是十分高的。（2）氢氧根离子吸收损耗熔融的石英玻璃中含水时，由水分子中的氢氧根离子（OH-）振动而造成的吸收为氢氧根离子吸收。它的吸收峰在2.7m附近，振动损耗的二次谐波在0.9m处，三次谐波在0.72m处。近年来在生产工艺上使用了许多方法降低OH-的含量，目前在1.39m处氢氧根离子的损耗已低于0.5dB/km。超高纯度石英光纤的损耗特性如图3.2所示，从图中可以看出，在光纤通信上可利用的光波长可达1.8m，因为在这一波段范围内，基本上可以完全避免氢氧根离子的影响。波长/m0.60.81.01.21.41.61.82.0损耗(dB/km)1023456超高纯度光纤沿用光纤OH含量的影响图3.2 光纤对不同波长的光波吸收损耗3.2散射损耗光通过密度或折射率分布不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看见光，这种现象称为光的散射。散射损耗是由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗为散射损耗。散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗两大类。线性散射损耗主要包括瑞利散射和材料不均匀引起的散射，非线性散射主要包括受激拉曼散射和受激布里渊散射等。3.2.1线性散射损耗任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗。由于这类损耗所引起的损耗功率与传输模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。（1）瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。而材料的折射率变化是由于密度不均匀或者内部应力不均匀而产生散射的。瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比（即与1/4成正比），它随波长的增加而急剧减小。对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。（2）材料不均匀所引起的散射散射在光纤制造过程中，由于结构缺陷（如光纤中的气泡、未发生反应的原材料以及纤芯和包层交界处粗糙等），将会使光线产生散射并引起损耗。 它与瑞利散射不同，这种不均匀性较大，结构尺寸大于波长，散射损耗与光波长无关。这种散射主要是通过改变制作工艺予以减小。3.2.2 非线性散射损耗光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激拉曼散射和受激布里渊散射。在高功率传输时，光纤中的受激拉曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。3.3其他损耗及损耗系数除光纤本身损耗两种主要损耗（即吸收损耗和散射损耗）之外，引起光纤损耗的还有光纤弯曲产生的损耗以及纤芯和包层中的损耗等。光纤损耗，是衡量光纤传输特性的一个重要指标。为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数（衰减系数）这一概念，即传输单位长度（1 km）光纤所引起的光功率减小的分贝数。如果入纤功率为Pin，经过一段距离L后输出功率为Pout，则 （3-1）式中为损耗系数，习惯采用dB/km来表示光纤的传输损耗，即 （3-2）光纤的损耗是与波长有关的。普通光纤有3个低损耗的工作波长区，称为光纤的3个工作波长窗口。波长与它们的损耗值见表3-1。表3-1 3个工作波长窗口及其损耗值工作波长/m1.551.310.85损耗值/(dBkm-1)0.20.42.53.4衰减对中继距离的影响分析光纤损耗对中继距离的影响有两方面，一是光纤本身的固有衰减，二是光纤的链接损耗和微弯带来的附加损耗。而低损耗是实现远距离光纤通信的前提。在衰减受限系统中，中继距离越长，则光纤通信系统的成本越低，获得的技术经济效益越高。在考虑到光纤和接头损耗的基础上，可以利用极限值设计法来设计中继距离： （3-3）式中， （3-4） （3-5）上述公式中PT表示发送光功率（dBm），PR表示接收灵敏度（dBm）,ACT和ART分别表示线路系统发送端和接收端活动连接器的接续损耗（dB），ME是设备富余度（dB）,MC是光缆富余度（dB/km），Lf是单盘光缆长度（km），n是中继段内所用光缆的盘数，fi是单盘光缆的衰减系数（dB/km），Af是中继段的平均光缆衰减系数（dB/km），si是光纤各个接头的损耗（dB），AS是中继段平均接头损耗（dB），PP是光通道功率代价（dB），包括反射功率代价Pr和色散功率代价Pd，其中色散功率代价Pd是由码间干扰、模分配噪声及啁啾声所引起的色散代价（dB）（功率损耗），通常应小于1dB。但这种设计方法仅考虑现场光功率概算参数值，而忽略其实际分布，因此使设计出的中继距离过于保守，即其距离过短，不能充分发挥光纤通信系统的优越性。事实上，光纤通信系统的各项参数值的离散性很大，若要提高光纤系统效益，加长中继距离可以用统计法。这种设计方法能充分利用系统统计分布特性，更有效地设计出中继距离。3.5小结在光纤通信系统中，光纤线路的传输特性主要体现在其衰减特性和色散特性上。本章主要讲述了光纤的衰减（损耗）特性，开始介绍了光纤衰减的分类及损耗系数，然后讲述了光纤衰减对中继距离的影响。第四章光纤色散特性分析与研究4.1色散概述光纤色散是光纤通信的另一个重要特性。光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量和传输距离。4.1.1 色散的概念所谓色散，就是电磁波沿传播方向上的传播常数或传播速度不同的现象。简单地说，光纤的色散就是由于光纤中或光信号中的不同频率成分或不同的模式。在光纤中传输时，由于相速度或群速度的不同而使得传播时间不同，因此造成载有相同信息的不同频率或不同模式的光信号到达光纤终端有先有后，从而产生波形畸变的一种现象。这种现象表现在传播光脉冲信号时，将随着传输距离的延长，脉冲的宽度越来越被展宽，致使前后光脉冲相互重叠，影响光纤通信质量。4.1.2 色散的表示方法色散的大小用时延差来表示。所谓时延，是指信号传输单位长度所需要的时间，用表示。由电磁场理论的知识，可推导出载频为f0的调制信号，单位长度的时延表示式为 （4-1）式中，c表示光速；为沿轴向的传播系数；k0为真空中的相位常数。所谓时延差，是指不同速度的信号，传输同样的距离，需要的不同时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用表示。时延差可由信号中的不同频率成分引起，也可由不同的模式成分引起。下面介绍由不同频率成分引起的时延差。目前光纤通信上使用的光源，均为半导体光源，都有一定的谱线宽度，如设光源的带宽为，则单位带宽上引起的时延差为d/d，的带宽上引起的时延差应为 （4-2）并利用k0=/c=2/，以及=c/ f0的关系式，可近似得出时延差的表达式 （4-3）从式中可以看出，信号的时延差与信号源的相对带宽成正比，光源的相对带宽越窄，信号的时延差就越小，则引起的色散就越小。因此可得出结论：时延并不代表色散的大小，因为任何光信号传输某个距离都是需要时间的，即都有时延。而信号中不同频率成分或不同模式成分之间的时延差才能表示色散的大小。时延差越大，色散就越严重。时延差系数的单位是ps/（kmnm）。4.2色散种类从光纤色散产生的机理来看，它包括模式（模间）色散、材料色散、波导色散3种。模式色散，是不同模式的传播速度不同引起的色散；材料色散，即光纤材料的折射率随光频的变化而变化，从而使不同频率的光波的传播速度不同，形成色散；波导色散，是在同一模式内，不同频率电磁波的传播速度不同引起的色散。其中，材料色散和波导色散都属于频率色散。在多模光纤中，模式色散和频率色散都存在，且模式色散占主导地位。而在单模光纤中只传输基膜，因此没有模式色散，只存在频率色散（包括材料色散和波导色散）。4.2.1 模式色散在多模光纤中，不同模式在同一波长下传输，各自的相位常数mn不同，群速不同，模式之间存在时延差，这种色散称为模式色散。以多模阶跃光纤为例来说明。如图4.1所示，两条不同的子午线代表不同模式的传输路径。由于各射线的1不同，其轴向的传输速度也不同，因此引起了模式色散。光射线形成导波的条件是901c（c为产生全反射时的临界角），当入射角=90时，射线与光纤轴线平行，此时轴向速度最快，在长度为L的光纤上传输，所用的时间最短，即式中c为光在真空中的速度。然而，光线从始端到终端所需时间最长的是入射角1=c的情形，其轴向速度为该子午线从始端到达终端所需要的时间为这两条射线的最大时延差为 （4-4）式中， 称为光纤相对折射率差。可见，相对折射率差愈小，最大时延差愈小，则光纤色散愈小。Ln1n22a2bi图4.1 多模阶跃型光纤模式色散4.2.2 材料色散由于光纤材料本身的折射指数n和波长呈非线性关系，从而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。平面波（光波）在无界材料中的传播常数为若令，则 （4-5）式中N称为材料的群指数，它表征了材料的特性。将式（4-11）代入式（4-3），得出表示材料色散的时延差式为 （4-6）式中为色散系数，它表示了色散的严重程度。图4.2给出了色散系数与光波长之间的关系曲线。/mf/THz色散系数0.50.60.70.80.91.06005004003000.160.140.120.100.080.060.040.020SiO2K9SSK1图4.2 材料色散特性曲线4.2.3 波导色散光纤中的光波一部分在纤芯中传输，而另一部分在包层中传输，由于纤芯和包层的折射率不同，造成了脉冲展宽的现象，称为波导色散，或称结构色散。这种色散主要是由光波导的结构参数决定的。对于单模光纤来说，由于不存在模式色散，因此这种色散比较重要。典型的SiO2阶跃型单模光纤