02 光纤通信原理 17P.docx
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02光纤通信原理17P
02光纤通信原理
课程目标：
●掌握光纤的结构和类型
●掌握光纤传输的原理
●掌握光纤传输的特性（损耗、色散、非线性）
参考资料：
●《现代通信基础与技术》
目录
第1章光纤传输概述1
1.1光纤的基本知识1
1.1.1光纤简介1
1.1.2光纤应用频率使用概况4
1.1.3常用单模光纤类型及特点4
1.1.4新的光纤类型5
1.2光纤传输特性6
1.2.1光纤损耗6
1.2.2色散8
1.2.3光纤的非线性效应10
第一章光纤传输概述
知识点
光纤传输基本知识
常用光纤类型和应用
光纤的传输特性
一.1光纤的基本知识
一.1.1光纤简介
1．光纤的结构
光纤是一种导光性能极好、直径很细的圆柱形玻璃纤维，主要由纤芯、包层和涂覆层构成，基本结构如图1.11所示。
n1：
纤芯的折射率n2：
包层的折射率
图1.11光纤结构
（1）纤芯
主体材料为SiO2（石英），掺杂微量的掺杂剂，如二氧化锗（GeO2），用以提高纤芯的折射率（n1）。
纤芯的直径通常在5μm~50μm之间。
（2）包层
一般采用纯SiO2，外径为125μm。
包层的折射率（n2）低于纤芯的折射率（n1）。
（3）涂覆层
涂覆层采用环氧树脂、硅橡胶等高分子材料，外径约250μm。
通过增加涂覆，增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性。
2．光纤的分类
（1）按照折射率的分布形状分类
光线在光纤中传递时，各条光线分别以一个合适的角度入射到纤芯与包层的交界面上。
由于纤芯的折射率（n1）大于包层的折射率（n2），因此，当光线的入射角度满足全反射条件时，即可使光线在分界面上不断反复进行全反射，以“之”字形路径向前行进，使光能限制在纤芯中，形成传输波。
根据光纤截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型光纤。
折射率与光纤结构的关系，以及光线在光纤中的传输如图1.12所示。
a.阶跃型光纤b.渐变型光纤
图1.12阶跃型光纤和渐变型光纤对比
（2）按照光纤的材料分类
按照光纤的材料分类，除石英系光纤之外，还有多种成分的玻璃光纤、采用石英纤芯和塑料包层的石英塑料光纤、采用塑料纤芯和塑料包层的全塑料光纤等。
这些光纤的损耗比石英光纤大，通常只用于楼内、室内等短距离系统。
（3）按照传输模式分类
光线属于电磁波范畴。
因此，光线在光纤中传播时，不仅需要满足纤芯与包层的全反射条件，还需要满足电磁波在传输过程中的相干加强条件。
对于具体的光纤结构，只有一系列特定的电磁波才可以在光纤中有效传输。
这些特定的电磁波就称为光纤模式。
光纤中，可传导的模式数量由光纤的具体结构和折射率径向分布决定。
如果光纤中只支持一个传导模式（基模），则称该光纤为单模光纤，纤芯中只有一条光线传输；如果光纤支持多个传导模式，则称该光纤为多模光纤，纤芯中的每个光线均为一个传输模式，如图1.12所示的光纤即是两种典型的多模光纤。
单模光纤与多模光纤的区别如表1.11所示。
表1.11单模光纤和多模光纤对比
单模光纤
多模光纤
传输模式
只支持基模传输
支持多个传导模式
纤芯
较小（约5μm~10μm）
较大（约50μm）
色散影响
主要由光信号中不同频率成分的传输速度引起。
随着光信号光谱宽度的增大而增大
由于不同模式的传输速度不同，因此具有较大的模式色散，直接影响传输带宽和传输距离
类型
普通单模光纤（SMF）、色散位移光纤（DSF）、色散补偿光纤（DCF）等
普通多模光纤（MMF）
工作窗口
1310nm和1550nm
850nm和1310nm
应用场合
长距、大容量的光纤通信系统
短距、低速的光纤通信系统
一.1.2光纤应用频率使用概况
随着光纤制造工艺的改进，光纤传输损耗逐年降低，目前已存在5个低损耗窗口，各窗口的划分如图1.13所示。
O：
OriginalBand，原始波段E：
ExtendBand，扩展波段S：
ShortBand，短波段
C：
ConventionalBand，常规波段L：
LongBand，长波段
图1.13低损耗窗口划分
5个窗口的光信号的标记、波长范围、使用光纤类型和应用场合，如表1.12所示。
表1.12低损窗口特性比较
窗口
I
II
III
IV
V
标记（nm）
850
1310（O波段）
1550（C波段）
1600（L波段）
1360~1530
（E+S波段）
波长范围（nm）
600~900
1260~1360
1530~1565
1565~1625
1360~1530
光纤类型
多模光纤
多模光纤/G.652/G.653
G.652/G.653/G.655
G.652/G.653/G.655
全波光纤
应用场合
短距、低速
短距、低速
长距、高速
一.1.3常用单模光纤类型及特点
本节将简要介绍G.652、G.653和G.655三种单模光纤的特点和用途，以及DWDM系统使用的光纤类型。
1．G.652（普通单模光纤）
也称为色散非位移单模光纤，可以应用于1310nm波长和1550nm波长窗口的区域。
在1310nm窗口区域有近似于零的色散，在1550nm窗口损耗最低，但是具有17ps/km•nm的色散值。
当G.652光纤应用于1310nm窗口时，仅适用于SDH系统；当G.652光纤应用于1550nm窗口时，适用于SDH系统和DWDM系统，如果单通道速率大于2.5Gbit/s，需要进行色散补偿。
2．G.655（非零色散位移单模光纤）
该类型光纤在1550nm窗口的光纤色散的绝对值不为零但处于某个范围内，保证该窗口处具有最低损耗和较小的色散值。
适用于高速、长距的光通信系统。
同时，由于非零色散值抑制了非线性四波混频对DWDM系统的影响，因此，该类型光纤主要用于DWDM系统。
一.1.4新的光纤类型
本节将简要介绍一些新型光纤的特点和应用场合。
1．G.653（色散位移单模光纤）
该类型光纤在1550nm窗口同时获得最低损耗和最小色散值。
因此，主要运用于1550nm窗口。
适用于高速、长距的单波长通信系统。
采用DWDM技术时，在零色散波长区将出现严重的四波混频非线性问题，导致复用信道光信号能量的衰减以及信道串扰。
2．G.654光纤
G.654光纤工作在1550nm窗口上，平均损耗0.15dB/km~0.19dB/km，比其他类型光纤的损耗低。
零色散点位于1310nm窗口。
主要适用于长中继距离的光传输系统。
3．全波光纤
全波光纤，即无水峰光纤，通过消除1385nm附近的氢氧根（OH-）离子，从而消除由OH-离子引起的附加水峰衰减，使光纤衰减仅由硅玻璃材料的内部散射损耗决定。
ITU-T的建议无水峰光纤的编号为G.652C&D，属于G.652光纤的一种，统一名称为波长扩展的色散非位移单模光纤。
全波光纤的损耗在1310nm~1600nm波段趋于平坦。
由于内部已清除氢氧根，因而光纤即便暴露在氢气环境下也不会形成水峰衰减，具有长期的衰减稳定性。
全波光纤可以提供从1280nm到1625nm的完整传输波段，全部可用波长范围比常规光纤增加约一半。
4．真波光纤
真波光纤是目前被广泛应用的一种非零色散位移单模光纤（G.655光纤）。
光纤特性与G.655光纤类似。
真波光纤的零色散点在1530nm以下的短波长区，在1549nm~1561nm的色散系数为2.0ps／nm·km~3.0ps／nm·km。
真波光纤的色散斜率和色散系数小，可容忍更高的非线性效应，适用于大容量的光传输系统，降低了建网成本。
5．大有效纤芯面积光纤
大有效纤芯面积光纤也属于非零色散位移单模光纤（G.655光纤），它从本质上改进了系统抗非线性的能力。
超高速系统的主要性能限制是色散和非线性。
通常，色散可以通过色散补偿的方法来消除，而非线性的影响却不能用简单的线性补偿来消除。
光纤的有效面积是决定光纤非线性的主要因素。
有效面积越大，可承受的光功率越高，因而可以更有效地克服非线性影响。
一.2光纤传输特性
一.2.1光纤损耗
功率传输损耗是光纤最基本和最重要的参数之一。
由于光纤损耗的存在，光纤中传输的光功率将随传输距离的增加按指数衰减。
1．光纤损耗的产生以及低损窗口
光纤损耗主要包括两个方面：
（1）来自光纤本身的损耗，包括光纤材料本身的固有吸收损耗、材料中的杂质吸收损耗（尤其是残留在光纤内的OH-成分导致的损耗）、瑞利散射损耗以及由于光纤结构不完善引起的散射损耗。
（2）由于光纤经过集束制成光缆，在各种环境下进行光缆敷设、光纤接续以及作为系统的耦合与连接等引起的光纤附加损耗。
包括光纤/光缆的弯曲损耗、微弯损耗、光纤线路中的连接损耗、光器件之间的耦合损耗等。
光纤的衰减谱如图1.13所示。
窗口I的平均损耗值为2dB/km，窗口II的平均损耗值为0.3dB/km~0.4dB/km，窗口III的平均损耗值为0.19dB/km~0.25dB/km，窗口V的1380nm处存在OH-吸收峰。
2．常用光纤的线路损耗如表1.21所示。
表1.21单模光纤损耗值
光纤类型
G.652
G.653
G.655
典型损耗值（1310nm）
0.3dB/km~0.4dB/km
-
-
典型损耗值（1550nm）
0.15dB/km~0.25dB/km
0.19dB/km~0.25dB/km
0.19dB/km~0.25dB/km
工作窗口
1310nm和1550nm
1550nm
1550nm
3．光纤损耗与信噪比的关系
光信噪比（OSNR）是指光信号功率与噪声功率的比值。
OSNR是一个十分重要的参数，对估算和测量系统的误码性能、工程设计与维护都有重要意义。
以DWDM系统接收端的OSNR计算公式为例：
OSNR=Pout-10㏒M-L+58-NF-10㏒N
其中：
Pout：
为入纤光功率（dBm）；
M：
为WDM系统的复用通路数；
L：
为任意两个光放大器之间的损耗即区段损耗（dB）；
NF：
为光放大器EDFA的噪声系数（dB）；
N：
为WDM系统合、分波器之间的光放大器数目。
由公式可知，在其他参数不变的情况下，线路损耗越大，OSNR越低，此时，光线路的传输质量下降。
一.2.2色散
当光纤的输入端入射光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时间上的展宽，这种现象即为色散，以单模光纤中的色散现象为例，如图1.21所示。
图1.21光纤中的色散现象
色散将导致码间干扰，在接收端将影响光脉冲信号的正确判决，误码率性能恶化，严重影响信息传送。
单模光纤中的色散主要由光信号中不同频率成分的传输速度不同引起，这种色散称为色度色散。
在色度色散可以忽略的区域，偏振模色散也成为单模光纤色散的主要部分。
以下主要介绍色度色散和偏振模色散的现象、原因以及对DWDM系统的影响。
一.2.2.1色度色散
1．色度色散简介
色度色散包括材料色散和波导色散。
（1）材料色散：
由于光纤材料石英玻璃对不同光波长的折射率不同，而光源具有一定的光谱宽度，不同的光波长引起的群速度也不同，从而造成了光脉冲的展宽。
（2）波导色散：
对于光纤的某一传输模式，在不同的光波长下的群速度不同引起的脉冲展宽。
它与光纤结构的波导效应有关，因此也称为结构色散。
材料色散大于波导色散。
根据色散的计算公式，在某一特定波长位置上，材料色散有可能为零，这一波长称为材料的零色散波长。
幸运的是，该波长恰好位于1310nm附近的低损耗窗口，如G.652就是零色散光纤。
尽管光器件受色散的影响很大，但存在一个可以容忍的最大色散值（即色散容纳值）。
只要产生的色散在容限之内，就可保证正常的传输。
2．色度色散的影响
色度色散主要会造成脉冲展宽和啁啾效应。
（1）脉冲展宽
脉冲展宽是光纤色散对系统性能的影响的最主要的表现。
当传输距离超过光纤的色散长度时，脉冲展宽过大，这时，系统将产生严重的码间干扰和误码。
（2）啁啾效应
色散不仅使脉冲展宽，还使脉冲产生了相位调制。
这种相位调制使脉冲的不同部位对中心频率产生了不同的偏离量，具有不同的频率，即脉冲的啁啾效应（Chirp）。
啁啾效应将使光纤划分为正常色散光纤和反常色散光纤。
正常色散光纤中，脉冲的高频成分位于脉冲后沿，低频成分位于脉冲前沿；反常色散光纤中，脉冲的低频成分位于脉冲后沿，高频成分位于脉冲前沿。
在传输线路中，合理使用两种光纤，可以抵消啁啾效应，消除脉冲的色散展宽。
3．如何消除色度色散对DWDM系统的影响
对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。
一.2.2.2偏振模色散
偏振模色散（PMD）是存在于光纤和光器件领域的一种物理现象。
单模光纤中的基模存在两个相互正交的偏振模式，理想状态下，两种偏振模式应当具有相同的特性曲线和传输性质，但是由于几何和压力的不对称导致了两种偏振模式具有不同的传输速度，产生时延，形成PMD，如图1.22所示。
PMD的单位通常为ps/km1/2。
图1.22单模光纤中的PMD现象
在数字传输系统，PMD将导致脉冲分离和脉冲展宽，对传输信号造成降级，并限制载波的传输速率。
PMD与其他色散相比，几乎可以忽略，但是无法完全消除，只能从光器件上使之最小化。
脉冲宽度越窄的超高速系统中，PMD的影响越大。
一.2.3光纤的非线性效应
在常规光纤通信系统中，发送光功率低，光纤呈线性传输特性，但是对于DWDM系统而言，当采用掺铒光纤放大器（EDFA）后，光纤呈现非线性效应。
光纤非线性效应使DWDM系统多波通道之间产生严重的串扰，引起光纤通信系统的附加衰减，限制发光功率、EDFA的放大性能和无电再生中继距离。
非线性效应主要包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）。
1．自相位调制（SPM）
由于折射率与光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均产生延迟。
随着传输距离的增大，相移不断积累，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制（SPM），如图1.23所示。
图1.23SPM现象
当系统使用色散系数为负的光纤工作区时（例如G.653光纤的短波长区，或工作区色散为负的G.655光纤），SPM将导致色散受限距离变短；当使用色散系数为正的光纤工作区时（例如G.652、G.653光纤的长波长区，或工作区色散为正的G.655光纤），SPM将延长色散受限距离。
SPM影响主要发生在靠近发送机侧的一定距离内，同时，低色散光纤也可减少SPM对系统性能的影响。
2．交叉相位调制（XPM）
当两个或多个不同频率的光波在非线性介质中同时传输时，每个频率光波的幅度调制都将引起光纤折射率的相应变化，从而使其他频率的光波产生非线性相位调制，即交叉相位调制（XPM）。
XPM通常伴随SPM产生。
XPM将引起一系列非线性效应，如DWDM系统通道之间的信号干扰、光纤非线性双折射等现象，造成光纤传输的偏振不稳定性。
同时，XPM对脉冲的波形和频谱也会产生影响。
适当的增大色散可削弱XPM的影响。
3．四波混频（FWM）
FWM是指当多个频率的光载波以较强功率在光纤中同时传输时，由于光纤的非线性效应引发多个光载波之间出现能量交换的一种物理过程。
FWM导致复用信道光信号能量的衰减以及信道串扰。
如图1.24所示，由于FWM的影响，导致在其他波长产生了一个新光波。
图1.24FWM现象
FWM的产生与光纤色散有关，零色散时混频效率最高，随着色散的增加，混频效率迅速降低。
DWDM系统通过采用G.655光纤，回避了1550nm零色散波长区出现的FWM效应。
4．受激拉曼散射（SRS）
受激拉曼散射的过程：
（1）频率为vin的入射光子与介质相互作用，可能发射一个频率为vs=vin-vv的斯托克斯光子和一个频率为vv的光学声子，在这个过程中能量保持守恒，光波产生下频移。
（2）频率为vin的入射光子与介质相互作用，也可能吸收一个频率为vv的声子而产生一个频率为va=vin-vv的反斯托克斯光子，在这个过程中能量同样保持守恒，光波产生上频移。
这是一个由非线性效应引起的受激非弹性散射过程，起源于光子与光学声子（分子震动态）之间相互作用和能量交换。
SRS效应将使短波长的信号被衰减，长波长信号被增强，如图1.25所示。
图1.25SRS现象
SRS效应在光纤通信中有很多方面的应用，如利用拉曼增益可以制作分布式拉曼放大器，对光信号提供分布式宽带放大，如中兴通讯DWDM设备的DRA板即利用SRS效应实现光放大功能。
另一方面，SRS对通信系统也会产生一定的负面影响，在DWDM系统中，短波长信道的光会作为泵浦光将能量转移至长波长信道中，形成通道间的拉曼串扰。
5．受激布里渊散射（SBS）
属于由非线性效应引起的受激非弹性散射过程，起源于光子与声学声子（晶体震动态）之间的相互作用和能量交换。
SBS效应可以制成光纤布里渊激光器和放大器。
另一方面，SBS将引起信号光源的不稳定性，以及反向传输通道间的串话，但是，随着系统传输速率的提高，SBS的峰值增益显著降低，因此，SBS对高速光纤传输系统不会构成严重影响。
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