千萬不能刪光纖通信第一章導(dǎo)論

非線性光纖光學(xué)

原理及應(yīng)用Overallgoalsof

thiscourse掌握光脈沖在光纖中傳播的規(guī)律：現(xiàn)象；現(xiàn)象背后的物理機(jī)制；這些現(xiàn)象對(duì)通信系統(tǒng)的影響及其控制方法。掌握光脈沖在光纖中的傳播特性及其在光纖通信中的應(yīng)用傳播特性器件原理器件本課程基礎(chǔ)《大學(xué)物理》課程有關(guān)振動(dòng)和波,電磁學(xué)和光學(xué)部分;《高等數(shù)學(xué)》;《光纖通信》;一門編程語言(我們用CPP)，或一種數(shù)學(xué)工具如Matlab，Mathematica;一種繪圖軟件如Origin.教和學(xué)講授（4次）自學(xué)與討論相結(jié)合課后消化至關(guān)重要做練習(xí)、使用軟件或程序、編程序、繪圖…專題報(bào)告（每人一個(gè)專題）

第一章導(dǎo)論Aboutopticalfibers

〇認(rèn)識(shí)光纖；

〇了解光纖特性:

☆線性特性:吸收(損耗,衰減),色散;

☆非線性特性:自相位調(diào)制,受激散射,四波混頻.〇了解光纖通信

Aboutlight(nextlecture)

Remembersomeusefulnumbers玻璃中的光速v=c/n其中c=3x108m/s,n~1.5頻率x波長=光速e.g.for1.5mm,frequency=200THz波長用microns(微米mm)andnanometres(納米nm)來衡量頻率用吉赫茲（GHz，109Hz）來衡量AWDMchannelspacingat1.55mmmightbe1nm-whatisthisinfrequency?About125GHz0.8nm~100GHz-wellworthremembering!Anopticalamplifierhasapassbandof30-40nmie~4THz脈沖寬度用皮秒(ps,10-12s)或飛秒(fs,10-15s)來衡量protectivepolymersheath光纖是什么？silicacladdingn~1.45Today,morecomplexprofilestotunedispersion“high”indexdoped-silicacoren~1.46“LP01”confinedmodefielddiameter~8μmlosses~0.2dB/km(amplifiersevery50–100km)butthisis~asgoodasitgets…[R.Ramaswami&K.N.Sivarajan,OpticalNetworks:APracticalPerspective]

光纖就是玻璃絲幾種單模光纖G.652單模光纖滿足ITU-T.G.652要求的單模光纖，常稱為非色散位移光纖(NDSF)，其零色散位于1．3um窗口低損耗區(qū)，工作波長為1310nm（損耗為0．36dB／km）。我國已敷設(shè)的光纖光纜絕大多數(shù)是這類光纖。隨著光纖光纜工業(yè)和半導(dǎo)體激光技術(shù)的成功推進(jìn)，光纖線路的工作波長可轉(zhuǎn)移到更低損耗（0.22dB／km）的1550nm光纖窗口。

G.653單模光纖滿足ITU-T.G.653要求的單模光纖，常稱色散位移光纖（DSF＝DispersionShifledFiber），其零色散波長移位到損耗極低的1550nm處。這種光纖在有些國家，特別在日本被推廣使用，我國京九干線上也有所采納。美國AT＆T早期發(fā)現(xiàn)DSF的嚴(yán)重不足，在1550nm附近低色散區(qū)存在有害的四波混頻等光纖非線性效應(yīng)，阻礙光纖放大器在1550nm窗口的應(yīng)用。但在日本，將色散補(bǔ)償技術(shù)*用于G.653單模光纖線路，仍可解決問題，而且未見有日本的G.655光纖，似屬個(gè)謎。

G.655單模光纖滿足ITU-T.G.655要求的單模光纖，常稱非零色散位移光纖或NZDSF（＝NonZeroDispersionShiftedFiber）。屬于色散位移光纖，不過在1550nm處色散不是零值（按ITU-T.G.655規(guī)定，在波長1530-1565nm范圍對(duì)應(yīng)的色散值為0.1-6.0ps／nm.km），用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)。商品光纖有如AT&T的TrueWave光纖，Corning的SMF-LS光纖（其零色散波長典型值為1567.5nm，零色散典型值為0.07ps／nm2.km）以及Corning的LEAF光纖。我國的“大寶實(shí)”光纖等。

LEAF光纖商品名為LEAF（＝LargeEffectiveAreaFiber）的單模非零色散位移光纖，工作在1550nm窗口；與標(biāo)準(zhǔn)的非零色散位移光纖相比，具有較大的“有效面積”，因而較大的功率承受能力，適于使用高輸出功率摻餌光纖放大器，即EDFA和密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)之用。

FiberTypesNDSFNZ-DSFLEAFCoreoDispersion(tolerance)XPMCrossPhaseModulation(tolerance)PMDPolarizationModeDispersion(tolerance)FWMFourWaveMixing(tolerance)LaunchPower80m250-55m280m21310nm>1560nm<1530nmor>1560nmbetterworse50-55m2DSF1550nm<1530nmCorningLSFLucent’sTruewave(criticalproblemwithWDM)模式(mode)是什么?傳輸介質(zhì)中電磁波的一種電磁場分布樣式。由與電磁波傳播方向垂直的平面內(nèi)一種特殊的場圖形所表征。光纖中的傳播模的傳播常數(shù)不能為任意值，它們是特征方程的一些解，取分離值，而特征方程是由這些模場必須滿足的Maxwell方程組和一定的邊界條件所決定的。光纖模式光纖模式線性偏振模(LPmn):m是角坐標(biāo)在從0到2π弧度間變化時(shí)出現(xiàn)最大（或最小）強(qiáng)度值次數(shù)的一半；n是徑坐標(biāo)從0到無窮遠(yuǎn)變化時(shí)出現(xiàn)的最大強(qiáng)度值的次數(shù)。單模光纖和多模光纖單模條件：單模光纖:傳播一個(gè)模多模光纖:可傳播多個(gè)模光纖特性線性特性

損耗（loss）色散(dispersion)編振(polarization)非線性特性自相位調(diào)制（SPM）

交叉相位調(diào)制（XPM）

四波混頻（FWM）

受激Raman散射（SRS）光能走多遠(yuǎn)?吸收(損耗)&色散AttenuationeffectAttenuation

+

chromaticdispersionLighttransmissionislimitedbyattenuationanddispersionDistancePerfectpulseRealpulse光能走多遠(yuǎn)取決于幾個(gè)參數(shù):

吸收(損耗),色散,非線性光纖損耗波長

(nm)衰減

(dB/km)1200110016001700140013001500CSLS:1440~1530nmC:1530~1565nmL:1565~1625nmITU-T定義L,C,S波段由于HO引起的吸收(1385nm)光纖色散正常色散

D<0,β2>0反常色散

D>0,β2<0零色散點(diǎn)

λD=1,31μm在正常色散區(qū),光脈沖的較高的頻率分量(藍(lán)移)比較低的頻率分量(紅移)傳輸?shù)寐诜闯Ｉ^(qū),光脈沖的較高的頻率分量(藍(lán)移)比較低的頻率分量(紅移)傳輸?shù)每靻文９饫w(SMF:Single-ModeFiber),色散位移光纖(DSF:DispersionShiftedFibre)和非零色散位移光纖(NZDSF:Non-ZeroDispersionShiftedFiber)的色散圖Dispersion(ps/nm/km)Wavelength(nm)WDMbandBlueandredshiftedlightoverlapswithneighbouringpulse-givingintersymbolinterference(i.s.i.)penaltyPenaltyincreaseswithbitrateas:pulsesareclosertogetherandlinewidthincreaseswithbitrateLaserLinewidthandDispersionAllopticalsignalshaveanon-zeroopticalbandwidthFibredispersioninteractswithsignalspectrumtocausepulsebroadening:HigherBit-ratesarelessrobusttoChromaticDispersion60KMSMF-284KMSMF-2810Gb/s40Gb/s色散效應(yīng)對(duì)高速通信系統(tǒng)的影響CDofSMFtt偏振模色散(PMD:PolarizationModeDispersion)光纖纖芯形變導(dǎo)致兩個(gè)分量以不同的速度傳播光場由兩個(gè)分量組成

(2polarizationmodes)WavelengthOriginalpulsePMDmeasurementsonoldfibersvalidated10Gbit/sfeasibilityPulsespreading光纖通信選擇哪些波長窗口?Attenuation(dB/km)1600170014001300120015001100Wavelength(nm)Dispersion-unshiftedFiberDispersion-shiftedFiber20100-10-20Dispersion(ps/nm×km)EDFAbandTrueWaveFiberAttenuation(allFibertypes)+DispersionInputPulseOutputPulseFiberAttenuationandChromaticDispersion光纖通信選擇哪些波長窗口?ThelightsentinpulseshasacertainrangeoffrequencyLight1310nm1550nmWavelengthSilicacharacteristicsgiveminimumfiberattenuationin2windowsLighttravelsfurtherat1550nmWavelengthsoutsidethesewindowsdonottravelwell!1310nm1550nmAttenuation光纖特性線性特性損耗（loss）色散(dispersion)編振(polarization)非線性特性

自相位調(diào)制（SPM）

交叉相位調(diào)制（XPM）

四波混頻（FWM）

受激Raman散射（SRS）Selfphasemodulation(SPM)Crossphasemodulation(XPM)StimulatedRamanScattering(SRS)

StimulatedBrillouinScattering(SBS)Fourwavemixing(FWM)光纖非線性(Fibernon-linearities)光在光纖中能走多遠(yuǎn)取決于如下幾個(gè)參數(shù):

-損耗(attenuation),

-色散(dispersion)and

-光纖非線性(fibernon-linearities)amongwhich:光纖非線性的產(chǎn)生機(jī)制最主要的機(jī)制是光纖玻璃的折射率與通過其中的光功率有關(guān)。n0=Therefractiveindexofthefibercoreatlowopticalpowerlevels.

n2=Thenonlinearrefractiveindexcoefficient(2.35x10-20m2/Wforsilica).

P=TheopticalpowerinWatts.

Aeff=Effectiveareaofthefibercoreinsquaremeters.LeadingtoSPM,XPM,FWMQuestion:howtoeliminatethenonlinearitiesproducedbyrefractiveindexpowerdependence?TheRefractiveIndexofSilicaversusOpticalPower

第二種機(jī)制是光纖玻璃中的光散射現(xiàn)象，如受激Raman散射(SRS)和Brillouin散射(SBS)。非線性效應(yīng)在高速通信系統(tǒng)中的危害性

Importanttoconsidernonlineareffectsathigherrates(10Gb/sandabove)athighertransmittedpowersInDWDM,importantevenatmoderatepowersandbitratesSPMRefractionindexvariationinduceschirpinachannel-dispersionpenaltySignificantathighpowerlevelsCPMInWDMsystemwithmultiplechannels,theinducedchirpinonechanneldependsontherefractiveindexvariationwiththeintensityonotherchannel!FWMNewsignalsatcombinedfrequencyDWDMsystemwithDSF:crosstalkSelf-phasemodulation單通道相位效應(yīng)信號(hào)功率改變介質(zhì)折射率脈沖串通過光纖某點(diǎn)的功率隨時(shí)間變化，P(t)功率隨時(shí)間變化導(dǎo)致折射率隨時(shí)間變化，從而導(dǎo)致瞬時(shí)頻率改變（頻率啁啾）產(chǎn)生的頻率啁啾使信號(hào)譜加寬從而增加色散效應(yīng)因而減少了比特率-距離積Cross-phas