光纖通信中的衰減色散與非線性特性研究正文畢業(yè)論文

光纖通信中的衰減、色散與非線性特性研究摘要隨著人類社會(huì)信息化速率的加快，對(duì)通信的需求也呈高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于光纖傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，在傳輸領(lǐng)域中光傳輸已占主導(dǎo)地位。光纖存在巨大的頻帶資源和優(yōu)異的傳輸性能，是實(shí)現(xiàn)高速率、大容量傳輸?shù)淖罾硐氲膫鬏斆劫|(zhì)。光纖通信是傳輸技術(shù)的革命性進(jìn)步，其誕生已有近30年的歷史，直到今天還沒看到任何一種新的技術(shù)能夠取而代之。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前80%以上的信息是通過光通信系統(tǒng)傳遞的。光纖通信系統(tǒng)問世以來，一直向著兩個(gè)目標(biāo)不斷發(fā)展。一是延長(zhǎng)中繼（再生）距離，二是提高系統(tǒng)容量，也就是所謂的向超高容量和超長(zhǎng)距離兩個(gè)方向發(fā)展。從技術(shù)角度看，限制高速率、大容量光信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)闹饕蛩厥枪饫w衰減、色度色散和非線性。本文開始闡述了光纖通信的發(fā)展與光纖特性對(duì)光纖通信的影響，接下來在第二章介紹了光纖通信的基本概念和光纖的結(jié)構(gòu)、分類、導(dǎo)光原理以與各種新型單模光纖，然后在第三章、第四章、第五章中分別對(duì)光纖的衰減特性、色散特性、非線性效應(yīng)展開了研究，最后在第六章用Optisystem軟件建立典型的光纖系統(tǒng)補(bǔ)償模型并進(jìn)行特性分析研究。關(guān)鍵字：光纖；光纖特性；Optisystem；補(bǔ)償模型ABSTRACTAshumansocietyinformationofcommunication,therateofgrowthindemand.Duetothecontinuousdevelopmentoffiberoptictransmissiontechnology,opticaltransmissioninthefieldhasdominated.Thehugebandwidthopticalfibertransmissionperformanceandsuperiorresources,istorealizehighspeedandcapacityofthetransmissionoftheidealtransmissionmedium.Opticalfibercommunicationisthetransmissiontechnologyprogress,thebirthofrevolutionaryhistoryofnearly30years,untiltoday,haven'tseenanykindofnewtechnologycaninstead.Accordingtostatistics,morethan80%oftheinformationispassedthroughthecommunicationsystem.Sincetheadventofopticalfibercommunicationsystemhasbeenevolvingtowardstwoobjectives.Oneistoextendtherelay(renewable)distance,andsecond,toimprovesystemcapacity,whichistheso-calledultra-highcapacityandultra-longdistancetothetwodirections.Fromatechnicalpointofview,restrictinghigh-speed,high-capacitylong-distanceopticalsignaltransmissionisthemainfactorthatfiberattenuation,chromaticdispersionandnonlinearity.Thisarticlefirstexpoundsthedevelopmentofopticalfibercommunicationandopticalpropertiesinfluenceoftheopticalfibercommunication,followedbyinthesecondchaptertellsthebasicconceptsoftheopticalcommunicationsandthefiberstructure,classification,principleandbasicpropertiesoflight,andthenintroducesnewtypesingle-modeopticalfiber,followedbyintroducestheopticalfiberattenuationcharacteristics,dispersioncharacteristicsandnonlineareffectsinthethirdchapter,fourthchapter,fifthchapter,andfinallyestablishestypicalcompensationmodelofopticalsystemwithOptisystemsoftwareandhasanalysisofcompensationandcharacteristicsofopticalfiberinchaptersixth.Keywords:Opticalfiber;Opticalproperties;Optisystem;Compensationmodel目錄第一章引言11.1光纖通信的發(fā)展11.2光纖特性對(duì)光纖通信的影響21.3本文的主要任務(wù)3第二章光纖與光纖通信42.1光纖通信的基本概念42.2光纖的結(jié)構(gòu)和分類42.2.1光纖的結(jié)構(gòu)42.2.2光纖的分類52.3光纖的導(dǎo)光原理62.3.1反射和折射62.3.2全反射72.3.3光纖中光的傳播72.4新型單模光纖92.5光纖的傳輸特性11第三章光纖衰減（損耗）特性分析與研究123.1吸收損耗123.2散射損耗133.3其他損耗與損耗系數(shù)143.4衰減對(duì)中繼距離的影響分析143.5小結(jié)15第四章光纖色散特性分析與研究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色散種類164.2.1模式色散174.2.2材料色散184.2.3波導(dǎo)色散184.3色散對(duì)中繼距離的影響研究194.4色散受限系統(tǒng)中繼距離的計(jì)算204.5色散補(bǔ)償技術(shù)研究224.6小結(jié)23第五章光纖非線性特性分析與研究245.1散射影響245.2克爾效應(yīng)245.3非線性管理技術(shù)研究255.4小結(jié)26第六章基于Optisystem的光纖系統(tǒng)補(bǔ)償模型與光纖特性分析276.1Optisystem軟件介紹276.2Mach-ZehnderLithiumNiobate調(diào)制器中的啁啾仿真276.3XPM引起的非對(duì)稱的光脈沖頻譜展寬仿真32小結(jié)34致35[參考文獻(xiàn)]36第一章引言1.1光纖通信的發(fā)展“烽火戲諸侯”等典故表明人類利用光傳遞信息的歷史可以追溯到幾千年以前。近代光通信的雛形則是由貝爾（Bell）在1880年獲得“光”專利時(shí)奠定的。上世紀(jì)六十年代，英籍華裔學(xué)者高錕（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖（OpticalFiber）進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。自此以來，光纖通信從研究到應(yīng)用，發(fā)展非常迅速：技術(shù)上不斷更新?lián)Q代，通信能力（傳輸速率與中繼距離之積）不斷提高（如圖1.1所示），應(yīng)用圍不斷擴(kuò)大。光纖通信的發(fā)展主要分為以下四個(gè)階段：圖1.1光纖的通信能力（傳輸速率與中繼距離之積）的增加情況第一階段（1966～1976年），這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了短波長(zhǎng)（0.85μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離約10km。第二階段（1976～1986年），這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)，大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，光纖從多模發(fā)展到單模，工作波長(zhǎng)從短波長(zhǎng)（0.85μm）發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)（1.31μm和1.55μm），實(shí)現(xiàn)了工作波長(zhǎng)為1.31μm、傳輸速率為140～565Mb/s的單模光纖通信系統(tǒng)，無中繼傳輸距離為50～100km。第三階段（1986～1996年），這是以大容量長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)了1.55μm色散位移單模光纖通信系統(tǒng)。采用外調(diào)制技術(shù)，傳輸速率可達(dá)2.5～10Gb/s，無中繼傳輸距離可達(dá)100～150km。摻餌光纖放大器（EDAF：Erbium-DopedFiberAmplifier）成熟并商業(yè)化。光孤子（Soliton）通信被廣泛研究。第四階段（1996～），這個(gè)時(shí)期是以密集波分復(fù)用（DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)為主要研究對(duì)象，追求的目標(biāo)是超大容量超高速率超長(zhǎng)距離。利用光放大器延長(zhǎng)傳輸距離，利用電的時(shí)分復(fù)用（ETDM）提高單波長(zhǎng)的傳輸速率，利用DWDM提高單根光纖的傳輸容量，不斷地改進(jìn)光纖的設(shè)計(jì)，采用一些新技術(shù)（如新型調(diào)制格式、糾錯(cuò)編碼和各種色散管理技術(shù)等）來克服傳輸損傷，利用光電集成（OEIC）和光子集成（PIC）來提高設(shè)備的性能并使之小型化，有力地推動(dòng)了各種光纖通信系統(tǒng)的更新?lián)Q代。與此同時(shí)，傳輸容量的飛速增長(zhǎng)帶來的是對(duì)交換系統(tǒng)發(fā)展的壓力和動(dòng)力，基于波長(zhǎng)路由概念而發(fā)展起來的全光網(wǎng)正是適應(yīng)這種需要而誕生。全光網(wǎng)的研究和實(shí)用化，必將使網(wǎng)絡(luò)的性能和業(yè)務(wù)的提供能力跨上新的臺(tái)階。近年來，隨著人們對(duì)通信帶寬需求的迅速增長(zhǎng)，光纖通信骨干上單通道傳輸速率一直在朝著高速率、大容量和長(zhǎng)距離的方向發(fā)展。在OCF’2000光纖通信會(huì)議上，Lucent公司報(bào)道了單波長(zhǎng)最高速率為320Gbit/s的光時(shí)分復(fù)用（OTDM）系統(tǒng)和40Gbit/sx82（3.28Tbit/s）的密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)，同時(shí)報(bào)道的還有Tyco公司的復(fù)用波長(zhǎng)最多的10Gbit/sx18O的DWDM系統(tǒng)和富士通公司實(shí)現(xiàn)的速率為1.28Tbit/s、無中繼傳輸距離達(dá)840km的系統(tǒng)。它們成為當(dāng)時(shí)光纖通信向高速率、大容量和長(zhǎng)距離發(fā)展的標(biāo)志。在0FC’2001上，報(bào)道的復(fù)用波長(zhǎng)最多的WDM系統(tǒng)達(dá)到300個(gè)波長(zhǎng)，信道間隔僅25GHz；最大容量已經(jīng)達(dá)到10.9Tbit/s（273x40）。而到OFC’2002時(shí)，盡管國(guó)際光纖通信市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)大幅滑坡，但提交論文與參展公司仍然比上一年增加了20%，在提高系統(tǒng)容量上向?qū)嵱没较虬l(fā)展。在我國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，通信技術(shù)和通信市場(chǎng)也得到了飛速的發(fā)展。單通道速率為10Gbit/s（STM-64）的系統(tǒng)已經(jīng)商用化，32OGb/s（10Gbit/sx32）WDM系統(tǒng)也己經(jīng)開始大批量裝備網(wǎng)絡(luò)，而且單信道速率正向40Gbit/s，甚至更高速率發(fā)展。1.2光纖特性對(duì)光纖通信的影響光纖通信系統(tǒng)問世以來，一直向著兩個(gè)目標(biāo)不斷發(fā)展。一是延長(zhǎng)中繼（再生）距離，二是提高系統(tǒng)容量，也就是所謂的向超高容量和超長(zhǎng)距離兩個(gè)方向發(fā)展。從技術(shù)角度看，限制高速率、大容量光信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)闹饕蛩厥枪饫w衰減、色度色散和非線性。光纖的吸收和散射會(huì)導(dǎo)致光信號(hào)的衰減，色散將使光脈沖發(fā)生畸變，導(dǎo)致誤碼率增高，信號(hào)傳輸質(zhì)量降低，限制了通信距離。為了滿足長(zhǎng)距離傳輸?shù)男枰仨氃诠饫w線路上加入中繼器，以補(bǔ)償光信號(hào)的衰減和對(duì)畸變信號(hào)進(jìn)行整形。傳統(tǒng)的中繼器是采用光—電—光的工作形式，電信號(hào)的響應(yīng)速度有限，中繼器的電子設(shè)備便成了高速傳輸?shù)摹捌款i”。電再生設(shè)備使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。在超長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)中，再生中繼是成本加大的主要因素。過去10年，摻鉺光纖放大器（EDFA）的應(yīng)用大大增加了無電中繼的傳輸距離；密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)已成功地應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，極增加了光纖中可傳輸信息的容量，降低了系統(tǒng)的成本。光纖通信技術(shù)正向著超高速、大容量通信系統(tǒng)發(fā)展，并且逐步向下一代光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。但隨著波分復(fù)用信道數(shù)的增加，單通道速率的提高，光纖的非線性效應(yīng)成為限制系統(tǒng)性能的主要因素，長(zhǎng)距離傳輸必須克服色散和非線性效應(yīng)的影響。因此如何提高光纖傳輸系統(tǒng)的容量，增加無電再生中繼的傳輸距離，已經(jīng)成為光纖通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。而拉曼光纖放大器的出現(xiàn)，為增加無電再生中繼距離創(chuàng)造了條件。同時(shí)，采用有利于長(zhǎng)距離傳送的線路編碼（如RZ或CS-RZ碼），采用FEC、EFEC或SFEC等技術(shù)提高接收靈敏度，用色散補(bǔ)償和PMD補(bǔ)償技術(shù)解決光通道代價(jià)和選用合適的光纖與光器件等措施，已經(jīng)可是使超過STM-16或基于10Gbit/s的DWDM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4000km無電再生中繼的超長(zhǎng)距離傳輸。人們將更高速率和更多信道的信息合波后送入一根光纖并不斷試圖將信號(hào)傳輸?shù)酶h(yuǎn)，以求增大單根光纖的傳輸容量和降低每比特的成本。但是，更高的單信道速率、更小的信道間隔和更遠(yuǎn)的無電中繼傳輸距離都意味著對(duì)光纖的色散、色散斜率、偏振模色散、非線性效應(yīng)（四波混頻交叉相位調(diào)制等）等性能提出了新的嚴(yán)格要求?？梢哉f，每一次傳輸容量和傳輸距離的大幅度提升，都與市場(chǎng)需求和關(guān)鍵技術(shù)的突破這兩方面緊密相關(guān)。回顧光傳輸系統(tǒng)的歷史發(fā)展軌跡可以明顯地看出，無電中繼傳輸距離的每一次較大規(guī)模提升，總是基于新技術(shù)的采用和關(guān)鍵問題的解決而實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)又伴隨著對(duì)傳輸距離的新限制因素的出現(xiàn)。這些物理限制因素包括放大自發(fā)射輻射噪聲積累、色度色散、非線性效應(yīng)和偏振模色散等。在單信道10Gbit/s的長(zhǎng)距離DWDM光傳輸中，又以前三種物理效應(yīng)最為明顯，而偏振模色散（PMD）效應(yīng)主要在更高速率如40Gbit/s傳輸系統(tǒng)中才明顯起作用。1.3本文的主要任務(wù)此次論文的主要任務(wù)是完成一篇關(guān)于光纖通信中的衰減、色散與非線性補(bǔ)償研究的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的寫作。要求通過對(duì)大量中英文資料的閱讀，從理解衰減、色散與非線性效應(yīng)的基本概念、種類等入手，結(jié)合其產(chǎn)生機(jī)理，建立補(bǔ)償模型。本文開始闡述了光纖通信的發(fā)展與光纖特性對(duì)光纖通信的影響，接下來在第二章中講了光纖通信的基本概念和光纖的結(jié)構(gòu)、分類、導(dǎo)光原理等基本性質(zhì)并介紹了新型單模光纖，然后在第三章、第四章、第五章中分別介紹了光纖的衰減特性、色散特性、非線性效應(yīng)，最后在第六章用Optisystem軟件建立典型的光纖系統(tǒng)補(bǔ)償模型并進(jìn)行特性分析。第二章光纖與光纖通信2.1光纖通信的基本概念光纖通信技術(shù)（OpticalFiberCommunications）從光通信中脫穎而出，已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù)，其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會(huì)中各種信息的主要傳送工具。光纖通信是利用光纖和激光的特性來實(shí)現(xiàn)，利用激光的相干性和方向性，使用激光作為信息的載體在光纖中進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健Ｔ诎l(fā)送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息（如圖2.1所示）。從原理上看，構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測(cè)器。光源調(diào)制器光源調(diào)制器中繼器解調(diào)器直接調(diào)制電信號(hào)輸出間接調(diào)制電—光轉(zhuǎn)換光纖（光纜）光—電轉(zhuǎn)換光傳輸線路電信號(hào)輸入圖2.1光纖通信2.2光纖的結(jié)構(gòu)和分類2.2.光纖是用來導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般可以分為三部分：折射率較高的中心部分——纖芯、折射率較低的外圍部分——包層和外面的涂覆層。纖芯的折射率為n1，直徑為2a；包層的折射率為n2，直徑為2b。光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。2a2b2a2b涂覆層包層纖芯折射率：涂覆層﹤包層﹤纖芯圖2.2光纖的結(jié)構(gòu)2.2.光纖的分類方法很多，既可以按照光纖橫截面上折射率的分布不同來分類，也可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料來分類。根據(jù)不同的分類方法，同一根光纖將會(huì)有不同的名稱。如果按照制造光纖使用材料的不同來分，則可分為玻璃光纖、全塑光纖與石英系列光纖等。在光纖通信中，目前主要采用石英材料制成的光纖。（1）按照光纖橫截面折射率分布不同來劃分光纖按照橫截面折射率分布不同來劃分，一般可以分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種。纖芯纖芯纖芯2a2b纖芯纖芯纖芯2a2bn1n2nn1n2ab0rnn1(r)n2ab0r包層包層n（a）單模光纖nn包層包層（b）多模階躍型光纖包層包層（a）階躍型光纖的剖面折射率分布（b）階躍型光纖的剖面折射率分布圖2.3光纖的剖面折射率分布圖2.4光纖中的光射線軌跡4~10μm50μm（c）多模漸變型光纖50μm①階躍型光纖纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖稱為階躍型光纖，又稱為均勻光纖。它的剖面折射率分布如圖2.3(a)所示。光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)n（r）來表示。（2-1）②漸變型光纖如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。它的剖面折射率分布如圖2.3(b)所示。折射率的變化也可以用n（r）來表示。（2-2）式中，α是任意常數(shù)，也可稱為漸變系數(shù)；n（0）是軸線處的折射系數(shù)；Δ為光纖的相對(duì)折射率差。（2）按照纖芯中傳輸模式的數(shù)量來劃分模式實(shí)質(zhì)上是電磁場(chǎng)的一種場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布形式。模式不同，其場(chǎng)型結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量，光纖可分為單模光纖和多模光纖。①單模光纖光纖中只傳輸一種模式時(shí)，叫做單模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，約為4～10μm。通常，纖芯的折射率分布被認(rèn)為是均勻分布的。由于單模光纖只傳輸基模，從而完全避免了模式色散，使傳輸帶寬大大加寬，因此它適用于大容量長(zhǎng)距離的光纖通信。單模光纖中的光射線軌跡如圖2.4（a）所示。②多模光纖在一定的工作波長(zhǎng)下，多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo)。多模光纖可以采用階躍折射率發(fā)布，也可以漸變折射率發(fā)布，它們的光波傳輸軌跡分別如圖2.4（b）、2.4（c）所示。多模光纖的纖芯直徑約為50μm，模色散的存在使得多模光纖的帶寬變窄，但其制造、耦合與連接都比單模光纖容易。（3）按照光纖的工作波長(zhǎng)來劃分按照光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。短波長(zhǎng)光纖的工作波長(zhǎng)在0.7～0.9μm圍，主要用于短距離、小容量的光纖通信系統(tǒng)中；長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖的工作波長(zhǎng)在1.1～1.6μm圍，主要用于中長(zhǎng)距離、大容量的光纖通信系統(tǒng)中；超長(zhǎng)波長(zhǎng)的工作波長(zhǎng)大于2μm，這種光纖損耗特別低，是傳輸媒介的發(fā)展方向。2.3光纖的導(dǎo)光原理光線在光纖中的傳播方式有子午射線、斜射線和螺旋線三種。首先介紹最簡(jiǎn)單的反射和折射。2.3.1反射和折射幾何光學(xué)分析法認(rèn)為光是由光子組成的，光子的能量是為E=hf，其中，h為普朗克常數(shù)，h=6.6260755×10-31(J·s)，f為光的頻率。光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，光在兩介質(zhì)的分界面發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。如圖2.5所示為光在介質(zhì)折射率分別為n1和n2的介質(zhì)分界面發(fā)生的反射和折射現(xiàn)象。從介質(zhì)n1入射到介質(zhì)n2的光信號(hào)的能量一部分沿k1′方向反射回介質(zhì)n1，一部分沿k2方向進(jìn)入介質(zhì)n2。其中，入射線、反射線和折射線各在k1，k1′和k2方向，θ1，θ1′和θ2為入射線、反射線、折射線與法線之間的夾角，分別稱為入射角、反射角和折射角。且θ1，θ1′和θ2滿足如下關(guān)系：θ1θ1θ1′θ2n1n2k1k2k1′圖2.5光在介質(zhì)分界面上的反射和折射（2-3）（2-4）式（2-3）即為反射定律，式（2-4）為折射定律，又稱斯奈爾定律。反射定律確定了反射角和入射角的關(guān)系，折射定律確定折射角和入射角的關(guān)系。2.3.2全反射當(dāng)光射線由折射率大的物質(zhì)（n1）射向折射率小的物質(zhì)（n2）時(shí)，射線將離開法線而折射，即折射光線靠近兩種物質(zhì)的界面?zhèn)鞑?。如圖2.5所示，當(dāng)n1﹥n2時(shí)，θ2﹥?chǔ)?，如果進(jìn)一步增大入射角θ1，則折射角θ1也隨著增大。當(dāng)入射角增加到某一值時(shí)，折射角θ2將可達(dá)到90°。也就是說，這時(shí)折射光將沿界面?zhèn)鞑?。若入射角?再增大，光就不再進(jìn)入第二種介質(zhì)了，入射光全部被反射回來，這種現(xiàn)象稱為全反射。我們把折射角剛好達(dá)到90°時(shí)的入射角稱為臨界角，用θc表示。利用折射定律可得出階躍光纖所取的結(jié)構(gòu)就是使入射光在光纖中反復(fù)的通過上述全反射形式，閉鎖在其中向前傳播。由上所述，即可得出全反射的條件是n1﹥n2且θc﹤θ1﹤90°2.3.3光纖中光的傳播一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)入光纖時(shí)，光在光纖中的傳播主要分為兩種情況：一種是光始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面?zhèn)鞑?，并且在一個(gè)傳播周期光與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；另一種是光在傳播過程中不在一個(gè)固定的平面，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射線。（1）子午射線在階躍型光纖中的傳播如圖2.6所示，階躍光纖的纖芯折射率和包層折射率分別為n1和n2（n1﹥n2），光線從空氣（折射率n0）射入光纖，根據(jù)全反射定律，在纖芯和包層分界面處發(fā)生全反射的條件是θi≥θc其中θc為臨界角，即根據(jù)折射定律：即在子午射線全反射的情況下，允許的最大θ為（2-5）由于外面是空氣，n0=1，則（2-6）表示光纖捕捉光射線能力的物理量被定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。（2-7）其中，θ是光纖纖芯所能捕捉的射線的最大射入角。數(shù)值孔徑越大，就表示光纖捕捉射線的能力越強(qiáng)。n0n0n0n1n2θθ2θ1圖2.6階躍光纖剖面上的子午射線（2）子午射線在漸變型光纖中的傳播漸變折射率光纖纖芯中的折射率沿半徑r方向是變化的，隨著r的增加而按一定規(guī)律減小，即n1是r的函數(shù)，包層中的折射率n2一般是均勻的，n2﹤n1(r)。在非均勻光纖中，由于纖芯中介質(zhì)折射率不均勻，由折射定律可知，光射線的軌跡不再是直線，而是一條由折射而形成的曲線。因此，非均勻光纖是靠折射原理將子午線限制在纖芯中向前傳播的。如圖2.7所示。由于纖芯中的n1(r)隨著r的增加而按一定規(guī)律減小，在軸線處，折射率最大，即n1(0)=nmax；而在纖芯與包層的交界處，折射率最小，即n1(a)=n2。設(shè)有一條射線以入射角θ射向光纖，進(jìn)入纖芯后，由于纖芯中的折射率是從nmax變?yōu)閚2（由大變?。?，因此光射線相當(dāng)于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，此時(shí)法線垂直于界面，則射線應(yīng)離開法線而折射。當(dāng)?shù)竭_(dá)rm點(diǎn)后，射線幾乎與軸線平行，而后又由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，光射線又靠近法線而折射，這樣就形成了一條按周期變化的曲線。也就是說，不同入射條件的子午線，在纖芯中，將有不同軌跡的折射曲線。ararmn1(r)纖芯θ圖2.7漸變型光纖中的子午線（3）斜射線在光纖中的傳播入射到光纖端面上的光線，除了子午射線外，還有斜射線。斜射線既不與中心軸線相交，也不與中心軸線平行。因此，斜射線是不經(jīng)過光纖軸線的空間折線。2.4新型單模光纖1.色散位移單模光纖DSF常規(guī)的石英單模光纖在1.55μm處損耗最?。辉?.31μm時(shí)色散系數(shù)趨于零，稱為單模光纖材料零色散波長(zhǎng)。為了獲得最小損耗和最小色散，必須研制一種新型光纖。色散位移單模光纖（DSF）就是將零色散點(diǎn)移到1.55μm處的光纖。對(duì)于單模光纖，只存在材料色散和波導(dǎo)色散。在1.55μm處，如果能夠使單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散互相補(bǔ)償，即可使在這個(gè)波長(zhǎng)上單模光纖的總色散為零。目前采用的主要方法是通過改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，加大波導(dǎo)色散值，實(shí)現(xiàn)1.55μm處的低損耗與零色散。如圖2.8所示。在光纖通信系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)大容量超長(zhǎng)距離的傳輸，線路中選用色散位移光纖和光放大器，將使這一問題得以解決。但在研究這個(gè)問題的過程中發(fā)現(xiàn)，色散位移光纖在1.55μm單一波長(zhǎng)處，進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸具有很大的優(yōu)越性；但在一根光纖上同時(shí)傳輸多波長(zhǎng)光信號(hào)時(shí)，如采用光放大器，DSF就會(huì)在零色散波長(zhǎng)區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，這樣就限制了波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的應(yīng)用。為了解決這一問題，引出了另一種新型的光纖，即非零色散光纖（NZDF）。1.21.41.21.41.61.8102030-10-20-300D(PS/km·nm)波導(dǎo)色散材料色散總色散λ(μm)圖2.8色散位移光纖的色散2.非零色散光纖NZDF在色散位移光纖線路中采用光纖放大器會(huì)使得光纖中的光功率密度加大，引起非線性效應(yīng)。尤其是以上情況應(yīng)用到WDM系統(tǒng)中時(shí)，會(huì)使得多個(gè)光波之間產(chǎn)生能量交換，引起信道之間的干擾，對(duì)系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量影響很大。為了提高多波長(zhǎng)WDM系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，考慮將零色散點(diǎn)移動(dòng)，移到一個(gè)低色散區(qū)，保證WDM系統(tǒng)的應(yīng)用。非零色散光纖是指光纖的工作波長(zhǎng)不是在1.55μm的零色散點(diǎn)，而是移到1.54～1.565μm圍，在此區(qū)域的色散值較小，約為1.0～4.0PS/km·nm。雖然色散系數(shù)不為零，但和一般單模光纖相比，在此圍色散和損耗都比較小。而且可采用波分技術(shù)，通過光纖放大器（EDFA）實(shí)現(xiàn)大容量超長(zhǎng)距離的傳輸。3.色散平坦光纖DFFDSF和NZDF都是在某一個(gè)波長(zhǎng)上具有零色散或低色散。為了挖掘光纖的潛力，充分利用光纖的有效帶寬，最好使光纖在整個(gè)光纖通信的長(zhǎng)波段（1.3～1.56μm）都保持低損耗和低色散，即研制了一種新型光纖——色散平坦光纖（DFF）。為了實(shí)現(xiàn)在一個(gè)比較寬的波段得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纖的不同折射率分布來達(dá)到目的。色散平坦光纖的折射率分布如圖2.9所示，這些結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)時(shí)包層的層數(shù)多。如果利用W型折射率分布制作DFF，則可以在1.305μm和1.620μm兩個(gè)不同波長(zhǎng)上達(dá)到零色散，而且在這兩個(gè)零色散點(diǎn)之間，可保持色散值比較小的色散平坦性，如圖2.10所示。1.21.41.21.41.61.8102030-10-20-300D(PS/km·nm)波導(dǎo)色散材料色散總色散λ(μm)(a)下凹型(b)三角型(c)三包層型圖2.10色散平坦光纖的色散圖2.9色散平坦光纖的折射率分布4.色散補(bǔ)償光纖DCF色散補(bǔ)償又稱為光均衡，它主要是利用一段光纖來消除光纖中由于色散的存在使得光脈沖信號(hào)發(fā)生的展寬和畸變。能夠起這種均衡作用的光纖稱為色散補(bǔ)償光纖（DCF）。如果常規(guī)光纖的色散在1.55μm波長(zhǎng)區(qū)為正色散值，那么DCF應(yīng)具有負(fù)的色散系數(shù)，使得光脈沖信號(hào)在此工作窗口波形不產(chǎn)生畸變。DCF的這一特性可以比較好地達(dá)到高速率長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪康?。上面?jiǎn)單介紹的幾種新型的特殊光纖的研究工作，目前已引起世界上一些通信公司的關(guān)注，如美國(guó)AT&T利用非零色散光纖已經(jīng)開通了2.5Gbit/s×8的WDM系統(tǒng)，在80km長(zhǎng)的中繼段上采用了10個(gè)光纖放大器。2.5光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性在光纖通信系統(tǒng)中是一個(gè)非常重要的問題，它直接影響到傳輸系統(tǒng)的最大傳輸。它包括光纖的損耗特性、色散特性，當(dāng)傳輸高強(qiáng)度功率時(shí)，還需要考慮光纖的非線性效應(yīng)。下面討論光纖的損耗特性、色散特性與非線性效應(yīng)。第三章光纖衰減（損耗）特性分析與研究光波在光纖中傳輸時(shí)，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，即光纖衰減。形成光纖損耗的原因很多，有來自光纖本身的損耗，也有光纖與光源的耦合損耗以與光纖之間的連接損耗。而光纖本身?yè)p耗大致包括兩類：吸收損耗和散射損耗。如圖3.1所示，是光纖本身?yè)p耗的分類。光纖本身?yè)p耗吸收損耗光纖本身?yè)p耗吸收損耗散射損耗本征吸收雜質(zhì)吸收線性散射損耗非線性散射損耗紅外吸收過渡金屬離子吸收紫外吸收氫氧根離子吸收瑞利散射材料不均勻引起的散射吸收損耗受激布里淵散射圖3.1光纖本身?yè)p耗的分類3.1吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以與其中的過渡金屬離子和氫氧根離子（OH－）等雜質(zhì)對(duì)通過光纖材料的光的吸收而產(chǎn)生的損耗。前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。3.1.1本征吸收損耗當(dāng)光波通過光纖材料時(shí)，就有一部分光能被吸收消耗掉而轉(zhuǎn)變成其他形式的能，即使完全純凈的石英光纖也有吸收損耗。這種由于石英光纖材料本身吸收而形成的損耗，是光纖材料固有的，稱為材料固有吸收損耗，即本征吸收損耗。因此，本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收的下限。本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)與其附近有兩種基本的吸收方式。在短波長(zhǎng)區(qū)，主要是紫外吸收的影響；在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)，紅外吸收起主導(dǎo)作用。（1）紫外吸收損耗紫外區(qū)的波長(zhǎng)圍是6×10-3～0.39μm，它吸收的峰值在0.16μm附近，是在現(xiàn)用的光通信頻段之外（目前光纖通信使用的波長(zhǎng)圍是0.8～1.8μm）。但此吸收帶的尾部可拖到1μm左右，將影響到0.7～1μm的波段圍，隨著波長(zhǎng)增加，吸收的能量按指數(shù)規(guī)律下降。（2）紅外吸收損耗紅外區(qū)的波長(zhǎng)圍是0.76～300μm，對(duì)于純SiO2的吸收峰值在9.1μm，12.5μm和21μm處。吸收帶的尾部可延伸到1.5～1.7μm，已影響到目前使用的石英系光纖工作波長(zhǎng)的上限，這也是使得波段擴(kuò)展困難的原因之一。3.1.2雜質(zhì)吸收損耗除本征吸收以外，還有雜質(zhì)吸收，它是由材料的不純凈和工藝不完善而造成的附加吸收損耗。影響最嚴(yán)重的是過渡金屬離子吸收和水的氫氧根離子吸收。（1）過渡金屬離子吸收損耗過渡金屬離子主要包括鐵、鉻、鈷、銅等，它們?cè)诠饫w工作波段都有自己的吸收峰，如鐵離子的吸收峰在1.1μm處，銅離子的吸收峰在0.8μm處······雜質(zhì)含量越高，損耗就越嚴(yán)重。為了降低損耗，需要嚴(yán)格控制這些金屬離子的含量。例如要使銅離子的峰值波長(zhǎng)吸收損耗降為1dB/km，則必須使銅離子的濃度降到4.5×10﹣10，這在工藝上要十分高的。（2）氫氧根離子吸收損耗熔融的石英玻璃中含水時(shí)，由水分子中的氫氧根離子（OH-）振動(dòng)而造成的吸收為氫氧根離子吸收。它的吸收峰在2.7μm附近，振動(dòng)損耗的二次諧波在0.9μm處，三次諧波在0.72μm處。近年來在生產(chǎn)工藝上使用了許多方法降低OH-的含量，目前在1.39μm處氫氧根離子的損耗已低于0.5dB/km。超高純度石英光纖的損耗特性如圖3.2所示，從圖中可以看出，在光纖通信上可利用的光波長(zhǎng)可達(dá)1.8μm，因?yàn)樵谶@一波段圍，基本上可以完全避免氫氧根離子的影響。波長(zhǎng)λ波長(zhǎng)λ/μm0.60.81.01.21.41.61.82.0損耗(dB/km)1023456超高純度光纖沿用光纖OH含量的影響圖3.2光纖對(duì)不同波長(zhǎng)的光波吸收損耗3.2散射損耗光通過密度或折射率分布不均勻的物質(zhì)時(shí)，除了在光的傳播方向以外，在其他方向也可以看見光，這種現(xiàn)象稱為光的散射。散射損耗是由于光纖的材料、形狀與折射指數(shù)分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。散射損耗可分為線性散射損耗和非線性散射損耗兩大類。線性散射損耗主要包括瑞利散射和材料不均勻引起的散射，非線性散射主要包括受激拉曼散射和受激布里淵散射等。3.2.1線性散射損耗任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗。由于這類損耗所引起的損耗功率與傳輸模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。（1）瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。這種散射是由光纖材料的折射率隨機(jī)性變化而引起的。而材料的折射率變化是由于密度不均勻或者部應(yīng)力不均勻而產(chǎn)生散射的。瑞利散射損耗與光波長(zhǎng)的四次方成反比（即與1/λ4成正比），它隨波長(zhǎng)的增加而急劇減小。對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。（2）材料不均勻所引起的散射散射在光纖制造過程中，由于結(jié)構(gòu)缺陷（如光纖中的氣泡、未發(fā)生反應(yīng)的原材料以與纖芯和包層交界處粗糙等），將會(huì)使光線產(chǎn)生散射并引起損耗。它與瑞利散射不同，這種不均勻性較大，結(jié)構(gòu)尺寸大于波長(zhǎng)，散射損耗與光波長(zhǎng)無關(guān)。這種散射主要是通過改變制作工藝予以減小。3.2.2非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激拉曼散射和受激布里淵散射。在高功率傳輸時(shí)，光纖中的受激拉曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強(qiáng)將呈指數(shù)增長(zhǎng)。3.3其他損耗與損耗系數(shù)除光纖本身?yè)p耗兩種主要損耗（即吸收損耗和散射損耗）之外，引起光纖損耗的還有光纖彎曲產(chǎn)生的損耗以與纖芯和包層中的損耗等。光纖損耗，是衡量光纖傳輸特性的一個(gè)重要指標(biāo)。為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)（衰減系數(shù)）這一概念，即傳輸單位長(zhǎng)度（1km）光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)。如果入纖功率為Pin，經(jīng)過一段距離L后輸出功率為Pout，則（3-1）式中α為損耗系數(shù)，習(xí)慣采用dB/km來表示光纖的傳輸損耗，即（3-2）光纖的損耗是與波長(zhǎng)有關(guān)的。普通光纖有3個(gè)低損耗的工作波長(zhǎng)區(qū)，稱為光纖的3個(gè)工作波長(zhǎng)窗口。波長(zhǎng)與它們的損耗值見表3-1。表3-13個(gè)工作波長(zhǎng)窗口與其損耗值工作波長(zhǎng)/μm1.551.310.85損耗值α/(dB·km-1)0.20.42.53.4衰減對(duì)中繼距離的影響分析光纖損耗對(duì)中繼距離的影響有兩方面，一是光纖本身的固有衰減，二是光纖的損耗和微彎帶來的附加損耗。而低損耗是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖通信的前提。在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長(zhǎng)，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益越高。在考慮到光纖和接頭損耗的基礎(chǔ)上，可以利用極限值設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)中繼距離：（3-3）式中，（3-4）（3-5）上述公式中PT表示發(fā)送光功率（dBm），PR表示接收靈敏度（dBm）,ACT和ART分別表示線路系統(tǒng)發(fā)送端和接收端活動(dòng)連接器的接續(xù)損耗（dB），ME是設(shè)備富余度（dB）,MC是光纜富余度（dB/km），Lf是單盤光纜長(zhǎng)度（km），n是中繼段所用光纜的盤數(shù)，αfi是單盤光纜的衰減系數(shù)（dB/km），Af是中繼段的平均光纜衰減系數(shù)（dB/km），αsi是光纖各個(gè)接頭的損耗（dB），AS是中繼段平均接頭損耗（dB），PP是光通道功率代價(jià)（dB），包括反射功率代價(jià)Pr和色散功率代價(jià)Pd，其中色散功率代價(jià)Pd是由碼間干擾、模分配噪聲與啁啾聲所引起的色散代價(jià)（dB）（功率損耗），通常應(yīng)小于1dB。但這種設(shè)計(jì)方法僅考慮現(xiàn)場(chǎng)光功率概算參數(shù)值，而忽略其實(shí)際分布，因此使設(shè)計(jì)出的中繼距離過于保守，即其距離過短，不能充分發(fā)揮光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)越性。事實(shí)上，光纖通信系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)值的離散性很大，若要提高光纖系統(tǒng)效益，加長(zhǎng)中繼距離可以用統(tǒng)計(jì)法。這種設(shè)計(jì)方法能充分利用系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分布特性，更有效地設(shè)計(jì)出中繼距離。3.5小結(jié)在光纖通信系統(tǒng)中，光纖線路的傳輸特性主要體現(xiàn)在其衰減特性和色散特性上。本章主要講述了光纖的衰減（損耗）特性，開始介紹了光纖衰減的分類與損耗系數(shù)，然后講述了光纖衰減對(duì)中繼距離的影響。第四章光纖色散特性分析與研究4.1色散概述光纖色散是光纖通信的另一個(gè)重要特性。光纖的色散會(huì)使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量和傳輸距離。4.1.1色散的概念所謂色散，就是電磁波沿傳播方向上的傳播常數(shù)或傳播速度不同的現(xiàn)象。簡(jiǎn)單地說，光纖的色散就是由于光纖中或光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式。在光纖中傳輸時(shí)，由于相速度或群速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成載有一樣信息的不同頻率或不同模式的光信號(hào)到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表現(xiàn)在傳播光脈沖信號(hào)時(shí)，將隨著傳輸距離的延長(zhǎng)，脈沖的寬度越來越被展寬，致使前后光脈沖相互重疊，影響光纖通信質(zhì)量。4.1.2色散的表示方法色散的大小用時(shí)延差來表示。所謂時(shí)延，是指信號(hào)傳輸單位長(zhǎng)度所需要的時(shí)間，用τ表示。由電磁場(chǎng)理論的知識(shí)，可推導(dǎo)出載頻為f0的調(diào)制信號(hào)，單位長(zhǎng)度的時(shí)延表示式為（4-1）式中，c表示光速；β為沿軸向的傳播系數(shù)；k0為真空中的相位常數(shù)。所謂時(shí)延差，是指不同速度的信號(hào)，傳輸同樣的距離，需要的不同時(shí)間，即各信號(hào)的時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別，稱為時(shí)延差，用Δτ表示。時(shí)延差可由信號(hào)中的不同頻率成分引起，也可由不同的模式成分引起。下面介紹由不同頻率成分引起的時(shí)延差。目前光纖通信上使用的光源，均為半導(dǎo)體光源，都有一定的譜線寬度，如設(shè)光源的帶寬為Δω，則單位帶寬上引起的時(shí)延差為dτ/dω，Δω的帶寬上引起的時(shí)延差應(yīng)為（4-2）并利用k0=ω/c=2π/λ，以與λ=c/f0的關(guān)系式，可近似得出時(shí)延差的表達(dá)式（4-3）從式中可以看出，信號(hào)的時(shí)延差與信號(hào)源的相對(duì)帶寬成正比，光源的相對(duì)帶寬越窄，信號(hào)的時(shí)延差就越小，則引起的色散就越小。因此可得出結(jié)論：時(shí)延并不代表色散的大小，因?yàn)槿魏喂庑盘?hào)傳輸某個(gè)距離都是需要時(shí)間的，即都有時(shí)延。而信號(hào)中不同頻率成分或不同模式成分之間的時(shí)延差才能表示色散的大小。時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)重。時(shí)延差系數(shù)的單位是ps/（km·nm）。4.2色散種類從光纖色散產(chǎn)生的機(jī)理來看，它包括模式（模間）色散、材料色散、波導(dǎo)色散3種。模式色散，是不同模式的傳播速度不同引起的色散；材料色散，即光纖材料的折射率隨光頻的變化而變化，從而使不同頻率的光波的傳播速度不同，形成色散；波導(dǎo)色散，是在同一模式，不同頻率電磁波的傳播速度不同引起的色散。其中，材料色散和波導(dǎo)色散都屬于頻率色散。在多模光纖中，模式色散和頻率色散都存在，且模式色散占主導(dǎo)地位。而在單模光纖中只傳輸基膜，因此沒有模式色散，只存在頻率色散（包括材料色散和波導(dǎo)色散）。4.2.1模式色散在多模光纖中，不同模式在同一波長(zhǎng)下傳輸，各自的相位常數(shù)βmn不同，群速不同，模式之間存在時(shí)延差，這種色散稱為模式色散。以多模階躍光纖為例來說明。如圖4.1所示，兩條不同的子午線代表不同模式的傳輸路徑。由于各射線的θ1不同，其軸向的傳輸速度也不同，因此引起了模式色散。光射線形成導(dǎo)波的條件是90°＞θ1＞θc（θc為產(chǎn)生全反射時(shí)的臨界角），當(dāng)入射角=90°時(shí)，射線與光纖軸線平行，此時(shí)軸向速度最快，在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖上傳輸，所用的時(shí)間最短，即式中c為光在真空中的速度。然而，光線從始端到終端所需時(shí)間最長(zhǎng)的是入射角θ1=θc的情形，其軸向速度為該子午線從始端到達(dá)終端所需要的時(shí)間為這兩條射線的最大時(shí)延差為（4-4）式中，稱為光纖相對(duì)折射率差?？梢?，相對(duì)折射率差愈小，最大時(shí)延差愈小，則光纖色散愈小。LnLn1n22a2bθi圖4.1多模階躍型光纖模式色散4.2.2材料色散由于光纖材料本身的折射指數(shù)n和波長(zhǎng)λ呈非線性關(guān)系，從而使光的傳播速度隨波長(zhǎng)而變化，這樣引起的色散稱為材料色散。平面波（光波）在無界材料中的傳播常數(shù)為若令，則（4-5）式中N稱為材料的群指數(shù)，它表征了材料的特性。將式（4-11）代入式（4-3），得出表示材料色散的時(shí)延差式為（4-6）式中為色散系數(shù)，它表示了色散的嚴(yán)重程度。圖4.2給出了色散系數(shù)與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。λ/λ/μmf/THz色散系數(shù)0.50.60.70.80.91.06005004003000.160.140.120.100.080.060.040.020SiO2K9SSK1圖4.2材料色散特性曲線4.2.3波導(dǎo)色散光纖中的光波一部分在纖芯中傳輸，而另一部分在包層中傳輸，由于纖芯和包層的折射率不同，造成了脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為波導(dǎo)色散，或稱結(jié)構(gòu)色散。這種色散主要是由光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。對(duì)于單模光纖來說，由于不存在模式色散，因此這種色散比較重要。典型的SiO2階躍型單模光纖的色散與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線如圖4.3所示。從圖中可以看出，在λ=1.27μm附近，材料色散為零；在1.3～1.4μm之間，材料色散與波導(dǎo)色散相互抵消，總色散為零。稱其為零色散波長(zhǎng)。1.01.11.01.11.21.31.41.51.6﹣60﹣40﹣200200波長(zhǎng)λ/μm色散/(ps/km·nm)總色散波導(dǎo)色散材料色散圖4.3單模光纖色散-波長(zhǎng)曲線4.3色散對(duì)中繼距離的影響研究除三種主要光纖色散（模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散）對(duì)系統(tǒng)中繼距離有影響外，與光纖色散有關(guān)的種種因素也會(huì)使系統(tǒng)性能參數(shù)出現(xiàn)惡化，重要的有：碼間干擾、模分配噪聲與啁啾聲。4.3.1由于激光器所發(fā)出的光波是由許多根線譜構(gòu)成的，而每根線譜所產(chǎn)生的一樣波形在光纖中傳輸時(shí)，其傳輸速率不同，使得所經(jīng)歷的色散不同，而前后錯(cuò)開，使合成的波形不同于單根線譜的波形，導(dǎo)致所傳輸?shù)墓饷}沖的寬度展寬，出現(xiàn)“拖尾”，因而造成相鄰兩光脈沖之間的相互干擾，這種現(xiàn)象就是碼間干擾。分析顯示，傳輸距離與碼速、光纖的色散系數(shù)以與光源的譜寬成反比，即系統(tǒng)的傳輸速率越高，光纖的色散系數(shù)越大，光源譜寬越寬。為了保證一定傳輸質(zhì)量，系統(tǒng)信號(hào)所能傳輸?shù)闹欣^距離也就越短。4.3.2模分配噪聲對(duì)中繼距離的影響如果數(shù)字系統(tǒng)的碼速率尚不是超高速，并且單模光纖的色散可忽略的情況下，不會(huì)發(fā)生模分配噪聲。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在高速調(diào)制下激光器的譜線和單模光纖的色散將會(huì)相互作用，產(chǎn)生一種叫做模分配噪聲的現(xiàn)象，它限制了通信距離和容量。為什么會(huì)這樣呢？首先要從激光器的譜線特性談起。（1）激光器的譜線特性當(dāng)普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模（單頻）譜線，如圖4.4（a）所示。當(dāng)單縱模耦合到單模光纖中之后，便會(huì)激發(fā)出傳輸模，從而完成信號(hào)的傳輸。然而在高碼速（如565Mbit/s）調(diào)制情況下，其譜線呈現(xiàn)多縱模（多頻）譜線，如圖4.4（b）所示。而且從圖4.5可以看出，各譜線功率的總和是一定的，但每根譜線的功率是隨機(jī)的，換句話講，即各譜線的能量隨機(jī)分配。(a)直流(b)加有560(a)直流(b)加有560Mbit/s調(diào)制信號(hào)圖4.4普通激光器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)譜線1.51941.52001.51841.5232t0t0圖4.5高速調(diào)制時(shí)多縱模的隨機(jī)起伏（2）模分配噪聲的產(chǎn)生與影響因?yàn)閱文９饫w具有色散，所以激光器的各譜線（各頻率分量）經(jīng)過長(zhǎng)光纖傳輸之后，產(chǎn)生不同的時(shí)延，在接收端造成了脈沖展寬。又因?yàn)楦髯V線的功率呈隨機(jī)分配，因此當(dāng)它們經(jīng)過上述光纖傳輸后，在接收端取樣點(diǎn)得到的取樣信號(hào)就會(huì)有強(qiáng)度起伏，引入了附加噪聲，這種噪聲就是模分配噪聲。由此看出，模分配噪聲是在發(fā)送端的光源和傳輸介質(zhì)光纖中形成的噪聲，而不是接收端產(chǎn)生的噪聲，故在接收端時(shí)無法消除或減弱的。這樣，當(dāng)隨機(jī)變化的模分配噪聲疊加在傳輸信號(hào)上時(shí)，會(huì)使之發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)，使判決出現(xiàn)困難，造成誤碼，從而限制了傳輸距離。4.3.3啁啾聲對(duì)中繼距離的影響模分配噪聲的產(chǎn)生是由于激光器的多縱模性造成的，因而當(dāng)使用新型的單縱模激光器以克服模分配噪聲的影響的時(shí)候，新的問題出現(xiàn)了。對(duì)于處于直接強(qiáng)度調(diào)制狀態(tài)下的單縱模激光器，其載流子密度的變化是隨注入電流的變化而變化。這樣使有源區(qū)的折射率指數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致激光器諧振腔的光通路長(zhǎng)度相應(yīng)變化，結(jié)果致使振蕩波長(zhǎng)隨時(shí)間偏移，這就是所謂的頻率啁啾現(xiàn)象。因?yàn)檫@種時(shí)間偏移是隨機(jī)的，因而當(dāng)受上述影響的光脈沖經(jīng)過光纖后，在光纖色散的作用下，可以使光脈沖波形展寬，因此接收取樣點(diǎn)所接收的信號(hào)中就會(huì)存在隨機(jī)成分，這就是一種噪聲——啁啾聲。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成判決困難，給單模數(shù)字光通信系統(tǒng)帶來?yè)p傷，從而限制傳輸距離。4.4色散受限系統(tǒng)中繼距離的計(jì)算4.4.1光纖的色散與帶寬光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器：當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減。4.4.2光纖每公里帶寬與L公里帶寬間的關(guān)系當(dāng)考慮到在光纖系統(tǒng)中有許多接頭時(shí)，由于接頭的不均勻性將激發(fā)出許多模式，這些模式在傳輸時(shí)將產(chǎn)生模式變換，經(jīng)過一段距離的傳輸才達(dá)到模式平衡。而模式平衡問題非常復(fù)雜，從而使光纖帶寬的計(jì)算十分復(fù)雜。一般人們?cè)趯?shí)踐中采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。常用的經(jīng)驗(yàn)公式為式中，L——光纖長(zhǎng)度（km）；BO——光纖每公里帶寬；BL——L公里光纖的帶寬；q——系數(shù)，取值在0.5～1之間，q=0.5意味著光纖模式轉(zhuǎn)換已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，q=1意味著模時(shí)間很少轉(zhuǎn)換。一般取q=0.7左右——這是指多模光纖的情況。在單模光纖中因?yàn)橹淮嬖谝粋€(gè)模式，無模式色散，故q=1。4.4.3光纖帶寬與半功率點(diǎn)寬度W之間的關(guān)系在一個(gè)沖激脈沖經(jīng)過光纖傳輸后，其輸出波形相對(duì)于輸入的沖激脈沖寬度而言，出現(xiàn)展寬的現(xiàn)象。在實(shí)際中用該光波波形的最大高度的一半的寬度來衡量。這個(gè)寬度就是半功率點(diǎn)寬度W。它與每公里光纖3dB帶寬Bo（單位MHz）之間的關(guān)系為W=0.441/B（ps/km）4.4.4色散受限距離（1）多縱模激光器(MLM)就目前的速率系統(tǒng)而言，通常光纜線路的中繼距離為式中，W表示1km光纖的脈沖展寬量（ps）。根據(jù)色散系數(shù)的定義，1km光纖的脈沖展寬量W等于光源譜寬與色散系數(shù)的乘積，即（4-7）則中繼距離可寫成（4-8）式中，LD——傳輸距離（km）；B——線路碼速率（Mbit/s）；ε——與色散代價(jià)有關(guān)的系數(shù)；D——色散系數(shù)（ps/km·nm）；Δλ——光源譜線寬度（nm）。其中ε由系統(tǒng)中選用的光源類型來決定，若采用多縱模激光器，系統(tǒng)具有碼間干擾和模分配噪聲兩種色散機(jī)理，故取ε=0.115；若采用發(fā)光二極管，由于主要存在碼間干擾，應(yīng)取ε=0.306。（2）單縱模激光器（SLM）實(shí)際單縱模激光器的色散代價(jià)主要是由啁啾聲決定的，其中繼距離如下：（4-9）式中，α為頻率啁啾系數(shù)。當(dāng)采用普通DFB激光器作為系統(tǒng)光源時(shí)，α取值圍為4～6；當(dāng)采用新型的量子阱激光器時(shí)，α值可降低為2～4；同樣B仍為線路碼速率，但量綱為Tbit/s。（3）采用外調(diào)制器當(dāng)采用外調(diào)制器時(shí)，不存在由于高速數(shù)字信號(hào)對(duì)光源的直接調(diào)制而帶來的模分配噪聲和啁啾聲的影響。當(dāng)然當(dāng)信號(hào)經(jīng)過外調(diào)制器時(shí)，同樣會(huì)給系統(tǒng)引入頻率啁啾，但相對(duì)于純光纖色散的影響而言，可以忽略，因而式（4-17）和式（4-18）均不適用。其中繼距離為（4-10）對(duì)某一傳輸速率的系統(tǒng)而言，在考慮上述兩個(gè)因素同時(shí)，根據(jù)不同性質(zhì)的光源，可以利用式（3-3）和式（4-17）或式（4-18）分別計(jì)算出兩個(gè)中繼距離Lα，LD（或LC），然后取其較短的作為該傳輸速率情況下系統(tǒng)的實(shí)際可達(dá)中繼距離。4.5色散補(bǔ)償技術(shù)研究針對(duì)色散的物理機(jī)理，已經(jīng)有許多色散管理方案被提出和研究，如色散補(bǔ)償光纖法，色散支持傳輸（DST）技術(shù)，預(yù)啁啾技術(shù)，光濾波器方法等。除此之外，一些有關(guān)譜壓縮的線路編碼或調(diào)制格式也引入到高速光通信中，其目的是增加色散限制的中繼距離。4.5.1色散補(bǔ)償光纖法色散補(bǔ)償，又可稱光均衡，其基本原理是當(dāng)光脈沖信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離光纖傳輸后，由于色散而產(chǎn)生脈沖展寬和畸變，這時(shí)可用一色散補(bǔ)償模塊（DCM）來修正，目的是消除脈沖的展寬和畸變，如圖4.6所示。例如，常規(guī)單模光纖的色散在1.55μm處是正色散系數(shù)，因此，可以設(shè)計(jì)一段特殊的光纖使之在該波長(zhǎng)區(qū)具有負(fù)的色散系數(shù)，而且其負(fù)色散系數(shù)還很大，可用很短的一段負(fù)色散光纖即可補(bǔ)償幾十公里的常規(guī)單模光纖所產(chǎn)生的色散，使其在1.55μm窗口也實(shí)現(xiàn)了無展寬的接收波形。這一段特殊光纖因其功能稱之為色散補(bǔ)償光纖（DCF）。（a）I（a）Inputpulses（b）DCM圖4.6色散補(bǔ)償原理（a）光脈沖因色散而展寬；（b）展寬的脈沖用色散補(bǔ)償模塊來修正DCF的特點(diǎn)有：DCF可放在光纖線路中的任何位置上（僅受到EDFA和光接收機(jī)靈敏度的限制），安裝靈活方便；DCF的色散補(bǔ)償量可以控制，且性能穩(wěn)定；DCF具有很大的負(fù)色散（在1.55μm波長(zhǎng)），一般單模的色散補(bǔ)償光纖，色散值可高達(dá)-3Oops/nm/km，雙模的色散補(bǔ)償光纖的最大色散值可達(dá)-580ps/nm/km，足可抵消G.652光纖在1.55μm處的正色散；DCF雖然引入了插入損耗，但可通過EDFA予以彌補(bǔ)；改善DCF的剖面結(jié)構(gòu)和制造工藝，可實(shí)現(xiàn)較大圍的色散補(bǔ)償，得到較低衰減。DCF最大的問題是損耗較大，通常采用品質(zhì)因素M來衡量補(bǔ)償性能的優(yōu)越程度，其定義為色散與損耗的比值。4.5.2色散支持傳輸（DST）技術(shù)色散支持傳輸（DST）技術(shù)的基本原理是，高速數(shù)字信號(hào)在直接調(diào)制方式作用下，在光強(qiáng)度調(diào)制（IM）的同時(shí)還伴有FSK調(diào)制。這是因?yàn)榕c輸入NRZ電信號(hào)“0”、“1”對(duì)應(yīng)著兩個(gè)光波長(zhǎng)，它們由于光纖色散而不能同時(shí)到達(dá)接受端，其時(shí)間差為Δτ，正確選擇光源的偏流可控制這兩個(gè)光波的頻率差，使Δτ正好為1比特間隔。從而可在接收機(jī)利用兩電平判決電路將ASK信號(hào)解調(diào)為NRZ信號(hào)，而光纖的色散則起到了FSK/ASK信號(hào)轉(zhuǎn)換的作用。據(jù)報(bào)道利用DST技術(shù)在G.652光纖上可無中繼傳輸lOGb/s信號(hào)達(dá)數(shù)百公里。DST的缺點(diǎn)或限制條件是要求IM調(diào)制指數(shù)、接收機(jī)帶寬等參數(shù)與光中繼段的色散匹配，另外橫向兼容性也是一個(gè)問題。4.5.3預(yù)啁啾（Prechirp）技術(shù)通常的光信號(hào)含有不同的頻率成分，當(dāng)在正色散光纖中傳輸時(shí)，所含的高頻部分傳播速率較快，將逐漸集中到脈沖的前沿，低頻部分傳播速率較慢，將逐漸集中于脈沖的后沿，兩者之間的時(shí)差越來越大，脈沖也就越來越寬。預(yù)惆啾的思想是通過在光源上加一個(gè)附加的正弦調(diào)制，使得脈沖前沿的頻率降低，后沿的頻率升高，這樣就在一定程度上補(bǔ)償了傳輸過程中由于色散造成的脈沖展寬。4.5.4用光濾波器補(bǔ)償色散色散補(bǔ)償光纖的缺點(diǎn)是每公里只能補(bǔ)償1Okm～20km常規(guī)單模光纖的群速度色散（GVD），因此光均衡濾波器補(bǔ)償方法得到重視。濾波器補(bǔ)償方法可分為干涉濾波器補(bǔ)償方法和光纖光柵濾波器補(bǔ)償方法。4.6小結(jié)光纖的損耗特性和色散特性是影響長(zhǎng)途光纜通信系統(tǒng)中繼距離的兩個(gè)重要傳輸特性。本章主要講述了光纖的色散特性，先對(duì)色散進(jìn)行概述并介紹了色散的表示方法，然后介紹了色散的種類，接著講述了光纖色散對(duì)中繼距離的影響，最后簡(jiǎn)單介紹了幾種色散補(bǔ)償技術(shù)。第五章光纖非線性特性分析與研究在光纖通信系統(tǒng)中，由于單模光纖低損耗和激光器的高功率，可能會(huì)使很長(zhǎng)的傳輸距離芯徑很小的單模光纖中場(chǎng)強(qiáng)都很高，出現(xiàn)明顯的非線性效應(yīng)。光纖的非線性效應(yīng)就是指在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下，光波信號(hào)和光纖介質(zhì)相互作用的一種物理效應(yīng)。它一方面會(huì)引起傳輸信號(hào)的損耗，信道之間的串話和信號(hào)的平移等不利因素；但另一方面，非線性效應(yīng)可進(jìn)行有效利用并制造新型的器件放大器激光器和調(diào)制器等。光纖的非線性效應(yīng)主要包括兩類，一類是由于散射作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射（SRS）與受激布里淵散射（SBS）；另一類是由于光纖的折射指數(shù)隨光強(qiáng)度變化而引起的非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）以與四波混頻（FWM）等。5.1散射影響5.1.1受激拉曼散射（SRS）受激拉曼散射（SRS）是光波和光纖中的分子振動(dòng)作用引起的：強(qiáng)光信號(hào)輸入光纖后引發(fā)介質(zhì)中的分子振動(dòng)，分子振動(dòng)對(duì)入射光調(diào)制后產(chǎn)生新的光頻，從而對(duì)入射光產(chǎn)生散射。如設(shè)入射光的頻率為f0，介質(zhì)分子振動(dòng)頻率為fv，則散射光的頻率為fs=f0±fv，這種現(xiàn)象稱為受激拉曼散射。頻率為fs的散射光稱為斯托克斯波（Stokes）。當(dāng)傳輸距離為Z時(shí)，拉曼散射過程可用下式表示：（5-1）式中，Is為斯托克斯波光強(qiáng)；gR為拉曼增益系數(shù)；IP為入射波光強(qiáng)。5.1.2受激布里淵散射（SBS）受激布里淵散射（SBS）是由光纖中的光波和聲波的作用引起的，SBS使部分前向傳輸光向后傳輸，消耗信號(hào)功率。受激布里淵散射和受激拉曼散射相比較，物理過程很相似，它們都是在散射過程過相互作用，光波與介質(zhì)發(fā)生能量交換，但本質(zhì)上也存在差異。受激拉曼散射所產(chǎn)生的斯托克斯波屬于光頻疇，其波的方向和泵浦光波方向一致。而受激布里淵散射所產(chǎn)生的斯托克斯波在聲頻圍，其波的方向和泵浦光波方向相反，即在光纖中只要達(dá)到受激布里淵散射的閾值，就會(huì)產(chǎn)生大量的后向傳輸?shù)乃雇锌怂共?。顯而易見，這將使信號(hào)功率減少，反饋回的斯托克斯波亦會(huì)使激光器的工作不穩(wěn)定，這些將使系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。5.2克爾效應(yīng)若入射光功率較高，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的折射率與入射光的光強(qiáng)有關(guān)，會(huì)大大改變?nèi)肷涔庠诮橘|(zhì)中的傳輸特性，這就是克爾效應(yīng)。與克爾效應(yīng)相關(guān)的影響有自相位調(diào)制、調(diào)制不穩(wěn)定性、四波混頻、光孤子形式等。5.2.1自相位調(diào)制（SPM）在強(qiáng)光場(chǎng)的作用下，光纖的折射率出現(xiàn)非線性，這個(gè)非線性的折射率使得光纖中所傳光脈沖的前、后沿的相位相對(duì)漂移。這種相位的變化，必對(duì)應(yīng)于所傳光脈沖的頻譜發(fā)生變化。由信號(hào)分析理論可知，頻譜的變化必然使波形出現(xiàn)變化，從而使傳輸脈沖在波形上被壓縮或被展寬。把光脈沖在傳輸過程中由于自身引起的相位變化而導(dǎo)致光脈沖頻譜展寬的這種現(xiàn)象稱為自相位調(diào)制。光脈沖在光纖中的傳播過程中，由于折射率變化而引起的相位變化為（5-2）其中，L為光纖長(zhǎng)度；Δn(t)為L(zhǎng)長(zhǎng)度光纖的折射率隨時(shí)間的變化量。從式中可看出，光脈沖在L長(zhǎng)度光纖中傳輸時(shí)，不同時(shí)刻t，脈沖波形各處的相位就按式（5-2）的規(guī)律來變化，即表示脈沖波形的相位受到了調(diào)制。5.2.2交叉相位調(diào)制（XPM）當(dāng)光纖中有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光波同時(shí)傳輸時(shí)，由于光纖非線性效應(yīng)的存在，它們之間將相互作用。光纖中由于自相位調(diào)制的存在，因此一個(gè)光波的幅度調(diào)制將會(huì)引起其他光波的相位調(diào)制。這種由光纖中某一波長(zhǎng)的光強(qiáng)對(duì)同時(shí)傳輸?shù)牧硪徊煌ㄩL(zhǎng)的光強(qiáng)所引起的非線性相移，稱為交叉相位調(diào)制。由此可見，交叉相位調(diào)制與自相位調(diào)制總是相伴而生，而且光波的相位調(diào)制不僅與自身光強(qiáng)有關(guān)，而且還決定于同時(shí)傳輸?shù)钠渌獠ǖ墓鈴?qiáng)。光纖中的交叉相位調(diào)制，可由不同頻率光波引起，也可由不同偏振方向的光波引起。5.2.3四波混頻（FWM）四波混頻是指兩個(gè)或三個(gè)光波結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)新的波長(zhǎng)。FWM效應(yīng)起源于折射率的光致調(diào)制的參量過程。它是指兩個(gè)或三個(gè)不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其他波長(zhǎng)上產(chǎn)生混頻成分的效應(yīng)。當(dāng)這些混頻產(chǎn)物落在信道時(shí)，將會(huì)引起信道間的串?dāng)_，導(dǎo)致信噪比降低；當(dāng)混頻產(chǎn)物落在信道外時(shí)，也會(huì)給系統(tǒng)帶來噪聲。5.3非線性管理技術(shù)研究光纖的色散補(bǔ)償可以分為線性補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償兩大類。光纖的幾個(gè)典型的線性色散補(bǔ)償技術(shù)已在上一章提與，但它們只能補(bǔ)償色散的影響，而無法補(bǔ)償光纖的非線性的影響。現(xiàn)在介紹非線性管理技術(shù)。5.3.1SRS效應(yīng)SRS效應(yīng)將使光纖中低頻光信號(hào)被高頻光信號(hào)放大從而引起串?dāng)_。SRS效應(yīng)是一種寬帶效應(yīng)，即使信道間隔大于25THz也能產(chǎn)生放大，短波長(zhǎng)信道可以逐次泵浦許多較長(zhǎng)波長(zhǎng)信道，形成信道間能量轉(zhuǎn)移，損害系統(tǒng)性能。而且信道間的這種能量轉(zhuǎn)移和放大作用還與比特圖有關(guān)，導(dǎo)致功率起伏增大，降低了接收機(jī)性能。對(duì)于SRS效應(yīng)，一般采用降低入纖功率、特殊碼型等技術(shù)來降低其影響5.3.2SBS效應(yīng)SBS效應(yīng)可以將信號(hào)光能量轉(zhuǎn)移給頻率下移且反向傳輸?shù)腟tocks光，SBS效應(yīng)不僅給系統(tǒng)帶來噪聲，而且造成信號(hào)的一種非線性損耗，限制入纖功率的提高，并且降低了系統(tǒng)光信噪比，嚴(yán)重限制傳輸系統(tǒng)性能提高。SBS效應(yīng)是一種窄帶效應(yīng)，在光纖中典型的增益帶寬近似比50MHz，因此一般由光信號(hào)中的載波分量引起，可以采用載波抑制或展寬載波光譜加以抑制。目前主要采用降低入纖功率、加低頻擾動(dòng)（一般為10～20kHz的正弦波）、特殊碼型（光雙二進(jìn)制碼ODB、載波抑制歸零碼CS-RZ、啁啾歸零碼CRZ等）與相位調(diào)制技術(shù)等抑制SBS效應(yīng)的影響5.3.3SPM效應(yīng)SPM效應(yīng)來源于光纖非線性折射率對(duì)光脈沖引入的附加相位調(diào)制。它會(huì)引起信號(hào)脈沖產(chǎn)生頻率啁啾，導(dǎo)致頻譜展寬。SPM效應(yīng)與GVD（群速度色散）的相互作用會(huì)將信號(hào)的相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度調(diào)制，引入波形畸變。從這個(gè)角度講，應(yīng)該設(shè)法抑制光纖中的SPM效應(yīng)，減小其對(duì)傳輸系統(tǒng)性能的影響，一般采用降低入纖功率、采用拉曼放大、色散管理、波形調(diào)節(jié)與碼型技術(shù)等加以改善。另一方面，在一定的條件下SPM可以和光纖的群速度色散相抵消，產(chǎn)生脈沖壓縮，提高接收機(jī)靈敏度。WDM系統(tǒng)道代價(jià)有時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，就是SPM作用的結(jié)果。從這個(gè)角度講，SPM效應(yīng)是可以利用的，尤其是光孤子、色散管理孤子等傳輸系統(tǒng)中，都是通過合理利用光纖SPM效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。5.3.4XPM效應(yīng)XPM效應(yīng)是當(dāng)多個(gè)不同頻率的光束在光纖同時(shí)傳播時(shí)，每一頻率成分的光束會(huì)通過光纖的非線性極化率，影響其他頻率光束的有效折射率而實(shí)現(xiàn)對(duì)后者的調(diào)制，這就是交叉相位調(diào)制。XPM不僅可通過GVD將信號(hào)的相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，導(dǎo)致脈沖波形畸變，而且可以引起信道間串?dāng)_。信道越密集、傳輸跨段數(shù)越多，XPM效應(yīng)對(duì)DWDM系統(tǒng)的影響越大。一般可以通過適當(dāng)降低入纖功率、增加光纖的有效面積，合理的色散管理與碼型技術(shù)來減輕這種影響。一些研究也表明可采用最佳的光信號(hào)脈寬來抑制因XPM引入的影響。5.3.5FWM效應(yīng)FWM效應(yīng)起源于折射率的光致調(diào)制的參量過程。它是指兩個(gè)或三個(gè)不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其他波長(zhǎng)上產(chǎn)生混頻成分，或在邊帶上產(chǎn)生新的光波的的效應(yīng)。當(dāng)這些混頻產(chǎn)物落在信道時(shí)，將會(huì)引起信道間的串?dāng)_，導(dǎo)致信噪比降低，同時(shí)降低信道傳輸功率，嚴(yán)重影響傳輸性能，一般對(duì)中間信道的影響最大。當(dāng)混頻產(chǎn)物落在信道外時(shí)，也會(huì)給系統(tǒng)帶來噪聲。FWM效應(yīng)的產(chǎn)生需要滿足相位匹配條件，光纖的色散越小、復(fù)用信道間隔越小越容易滿足相位匹配條件，這種串?dāng)_也越嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)性能的影響也越大。采用不等信道間隔、奇偶信道偏振復(fù)用、非零色散光纖與色散管理等方式均可以在一定程度上減小FWM效應(yīng)，改善傳輸系統(tǒng)性能。另外，光放大器中同樣也引入SRS、SBS、XPM、FWM等非線性影響，而且XPM的影響比來自光纖的影響還要大。總之，目前對(duì)于非線性效應(yīng)的抑制主要通過降低入纖功率、色散管理、拉曼放大、采用新型大孔徑光纖、碼型技術(shù)等加以減小或抑制，從而減小其對(duì)傳輸系統(tǒng)的影響。近期還提出了利用波形管理控制非線性效應(yīng)的概念，其原理是，由于不同的脈沖形狀抵抗非線性效應(yīng)的能力不同，因此通過設(shè)法調(diào)整（比如，利用色散元件）傳輸鏈路中的脈沖形狀來控制非線性效應(yīng)，該方法尚處于研究階段。5.4小結(jié)通常在光場(chǎng)較弱的情況下，可以認(rèn)為光纖的各種特征參量隨光場(chǎng)強(qiáng)弱作線性變化，這時(shí)光纖對(duì)光場(chǎng)來講是一種線性媒質(zhì)。但在很強(qiáng)的光場(chǎng)作用下，光纖對(duì)光場(chǎng)就會(huì)呈現(xiàn)出另外一種情況，即光纖的各種特征參量會(huì)隨光強(qiáng)呈非線性變化。本章主要講述了光纖的非線性效應(yīng)，介紹光纖的非線性效應(yīng)并對(duì)其進(jìn)行分類，然后簡(jiǎn)單介紹了非線性管理技術(shù)。第六章基于Optisystem的光纖系統(tǒng)補(bǔ)償模型與光纖特性分析6.1Optisystem軟件介紹OptiSystem是一套創(chuàng)新的光通信系統(tǒng)模擬軟體，此軟體可以設(shè)計(jì)、測(cè)試，與最佳化幾乎任何一種在光網(wǎng)路系統(tǒng)的寬譜中的物理層次光連結(jié)，從類比的電視影像、廣播到洲際間的干脈。系統(tǒng)的水平模擬裝置是根據(jù)實(shí)際的光纖通訊系統(tǒng)的模型而設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大而新的環(huán)境