30
20
D Dm
10
0
Dw
-10 1.2 1.3 1.55 1.65
DSF和NZ-DSF
D
G.652（常规SM）
G.653(DSF)
G.655 (NZ-DSF)
1310
1550
(nm)
色散对带宽限制的估算

光源谱宽限制

非零色散点： BL|D| 1
2 零色散点附近： BL s 1
-6
光纤的材料色散系数
波导色散
波导色散项
2 1.5 1 0.5 0
n1 n2 d 2 bV DW V 0 2 c dV
d bV dV
b
d 2 bV V dV 2
-0.50
0.5
1
1.5
2
2.5
3
单模光纤的色散系数
D( ) Dm ( ) DW ( )
检偏器
基本结构单元
光时钟 OTDM信号 其它支路输出 进下一节 解复用单元 与光时钟 同相位的 支路输出
OTDM的 解复用器
FWM



FWM(Four Wave Mixing)，由光纤介质的三阶非线性极化引起，存 在于DWDM系统中，影响较大 DWDM中，由于纤芯细，光载波数量多，纤芯内总的功率密度高， 容易引起明显的非线性效应 DWDM中，光载波频率规则分布，三阶非线性产生的新频率f1+f2-f3、 f2+f3-f1、f1-f2+f3很可能会落在第四个光载波上，从而对其产生串扰 克服办法

减小信息速率，增大光脉冲间隔 减少传输距离，降低脉冲展宽程度 光纤的色散直接影响其传输带宽距离积 色散越大，带宽距离积越小

归纳：

光纤色散的种类

模式色散

多模色散 偏振模色散 材料色散 单模光纤 中依然存在

波长色散


波导色散
多模色散

对阶跃光纤的特征方程求解，可知不同的模式，即使 光波频率相同，其传播速度也存在差异
在非相干检测时，XPM将造成信号脉冲出现畸变 在相干检测时，XPM引入相位噪声，将降低系统的灵敏度

有益应用

非线性光纤光开关
非线性光纤环路镜（NOLM）

NOLM：Non-linear Optical Loop Mirror
波长变换
输入光信号1 新的光载波2 输出光信号2
极化控制
控制光信号

有益应用

如果工作在光纤的反常色散区，SPM对光信号脉冲有相反的效果，即减 轻了脉冲展宽，极端情况下甚至能够压缩光脉冲宽度 取得平衡时，可获得光孤子传输

光孤子通信

孤子(soliton)：非线性波动方程的不弥散解。

1834年英国物理学家Scott Russell在发现孤立波；1965年正式 命名为孤子(soliton)；1973年在理论上孤子被证明可以在光纤 中传播；1980年光纤孤子为实验证实
折射率
n2 1 1 2 E 3 E 2


光纤的非线性折射率
n 2 1 1 2 E 3 E 2


石英SiO2具有反演对称的分子结构，故其二阶非线性
极化率，此外，忽略高阶项，可得
石英光纤的折射率： n 1
2
1
2
式中i分子谐振的第i个谐振频率 Bi与第i个谐振频率对应的强度 石英材料： B1=0.6961 B2=0.4079 B3=0.8974 1=0.0684m 2=0.1162m 3=9.8962m
6
4
2
0 -8 10
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4
石英折射率随波长的变化
30 20 10 0 -10 -20 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 x 10
模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散


模式色散影响机理

信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多） 多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各 不相同 时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积


显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就 越严重，其带宽距离积就越小 消除方法：单模传输

多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计

损耗
外部串扰，可忽略不计 色散造成的信号畸变 内部串扰，来源于光纤的非线性

非线性损伤

光纤非线性造成的信号畸变 乘性噪声，可忽略不计
3.2 光纤的损耗特性
问题

如何表示光纤损耗？
光纤损耗的种类及其产生原因是什么？ 如何才能降低光纤的损耗？ 光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？ 光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？ 光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？ 单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？ 光纤的损耗能够更低吗？如何实现？ 光纤的损耗如何测量？

超纯原料

降低过渡金属离子浓度
减小不均匀性 减小OH-离子的引入

生产工艺


光纤保护
微弯损耗和宏弯损耗机理

宏弯损耗

宏弯引起截止波长变短，功率因子下降

微弯损耗

微弯产生模式耦合，一些能量转移到了不能 传输的高阶模上，造成损耗
光纤的典型损耗特性

890nm

3dB/km 0.5dB/km(典型值为0.35dB/km)
2

1
3 E 2

n n1 n2 E 2
n1 1

1 1 2

光的克尔效应
3 3 n2 xxxx 8n1
几种典型的非线性效应

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）

受激布里渊散射（SBS）
色散系数（单位波长间隔的群时延差）：
d d d D ( ) ( ) d d d d
2 1 d d 2 (2 ) 2 2c d d k0 d 2 c dk 0 2
d g
波长色散的组成

光纤的波长色散组成

材料色散 波导色散 折射率剖面色散

误差来源：

除上述误差这外，还引入了活动连接器误差

背向散射法

误差来源：

背向散射的不均匀性
3.3 光纤的色散
色散的含义

色散的原义：

Separation of visible light into colors by refraction or diffraction；可见光通过折射或衍射而分散成多种颜色[美国传 统辞典（双解）] 不同频率的光波其速度不同

1310nm


1550nm

0.3dB/km(典型值为0.2dB/km）
0.154dB/km
使用过程中光纤的损耗变化

变化趋势

损耗增大 热胀冷缩 油膏特性变差 光纤受水分侵蚀


原因

OH-吸收损耗增大 光纤分子缺陷增多
单模与多模光纤损耗对比

单模光纤损耗要小一些
原因包括以下几点：
P 0 ( 1 E 2 E 2 3 E 3 )
极化的非线性
P PL PNL
PL 0 1 E
PNL 0 2 : EE 0 3 EEE
各阶电极化率张量间的关系
1 2 Eat 2 Eat 2
第三章 光纤的传输特性
本章内容

光纤中信号的劣化
光纤的损耗特性
光纤的色散特性
单模光纤的非线性
3.1 光纤中信号的劣化
信号的损伤

任何传输信道均会对信号造成损伤

线性损伤

损耗


加性噪声
外部串扰 信道内部串扰

非线性损伤

信号畸变 乘性噪声
光纤中信号的损伤

线性损伤

加性噪声
其中， Eat
e 40 a
2
是原子内部的库仑场
通常外加电场E<<Eat，所以|PNL|<<|PL|，电介质的非线性不显著
极化强度与折射率
极化强度 P t 0 1 E 0 2 E 2 0 3 E 3
1 2 2 3 3 电位移矢量 D 0 E P 0 ( E 0 E 0 E )
最低损耗窗口在2550nm附近 最低损耗低达 0.01~0.001dB/km

难度

超纯原料 微晶体化
光纤损耗的测量

测量方法：截断法、插入损耗法、背向散射法 截断法

截断的目的：保证注入的一致性 误差来源

高阶模功率、近端和远端出射率的不同、光源的稳定性和光功率 计的线性

插入损耗法
k0 dN1 N1 N 2 d 2 (Vb) D ( ) V c dk0 c dV 2 Dm ( ) DW ( )
材料色散
光波与材料分子谐振子互作用，材料的极化过程的 滞后效应导致其电极化率与频率有关。也就是说其折射 率与频率有关，一般可表示为：
Bi n n 1 2 2 i 1 i