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
ABSTRACT
Ashumansocietyinformationofcommunication,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
目录
第一章引言 1
1.1光纤通信的发展 1
1.2光纤特性对光纤通信的影响 2
1.3本文的主要任务 3
第二章光纤与光纤通信 4
2.1光纤通信的基本概念 4
2.2光纤的结构和分类 4
2.2.1光纤的结构 4
2.2.2光纤的分类 5
2.3光纤的导光原理 6
2.3.1反射和折射 6
2.3.2全反射 7
2.3.3光纤中光的传播 7
2.4新型单模光纤 9
2.5光纤的传输特性 11
第三章光纤衰减（损耗）特性分析与研究 12
3.1吸收损耗 12
3.2散射损耗 13
3.3其他损耗及损耗系数 14
3.4衰减对中继距离的影响分析 14
3.5小结 15
第四章光纤色散特性分析与研究 16
4.1色散概述 16
4.1.1色散的概念 16
4.1.2色散的表示方法 16
4.2色散种类 16
4.2.1模式色散 17
4.2.2材料色散 18
4.2.3波导色散 18
4.3色散对中继距离的影响研究 19
4.4色散受限系统中继距离的计算 20
4.5色散补偿技术研究 22
4.6小结 23
第五章光纤非线性特性分析与研究 24
5.1散射影响 24
5.2克尔效应 24
5.3非线性管理技术研究 25
5.4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 27
6.1Optisystem软件介绍 27
6.2Mach-ZehnderLithiumNiobate调制器中的啁啾仿真 27
6.3XPM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（OpticalFiber）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（1966～1976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（0.85μm）低速率（45或34Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。
第二阶段（1976～1986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（0.85μm）发展到长波长（1.31μm和1.55μm），实现了工作波长为1.31μm、传输速率为140～565Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50～100km。
第三阶段（1986～1996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1.55μm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2.5～10Gb/s，无中继传输距离可达100～150km。掺饵光纤放大器（EDAF：Erbium-DopedFiberAmplifier）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：DenseWavelengthDivisionMultiplexing）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OCF’2000光纤通信会议上，Lucent公司报道了单波长最高速率为320Gbit/s的光时分复用（OTDM）系统和40Gbit/sx82（3.28Tbit/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10Gbit/sx18O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840km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0FC’2001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25GHz；最大容量已经达到10.9Tbit/s（273x40）。而到OFC’2002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10Gbit/s（STM-64）的系统已经商用化，32OGb/s（10Gbit/sx32）WDM系统也己经开始大批量装备网络，而且单信道速率正向40Gbit/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（OpticalFiberCommunications）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。
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。
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。
①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）
②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，α是任意常数，也可称为渐变系数；n（0）是轴线处的折射系数；Δ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。
①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4～10μm。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。
②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50μm，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0.7～0.9μm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1.1～1.6μm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2μm，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=6.6260755×10-31(J·s)，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，θ1，θ1′和θ2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θ1，θ1′和θ2满足如下关系：
（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n1﹥n2时，θ2﹥θ1，如果进一步增大入射角θ1，则折射角θ1也随着增大。当入射角增加到某一值时，折射角θ2将可达到90°。也就是说，这时折射光将沿界面传播。若入射角θ1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θc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
n1﹥n2且θc﹤θ1﹤90°
2.3.3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（n1﹥n2），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
θi≥θc
其中θc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θ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，θ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。
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，n2﹤n1(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θ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。
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1.55μm处损耗最小；在1.31μm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1.55μm处的光纤。
对于单模光纤，只存在材料色散和波导色散。在1.55μm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1.55μm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1.55μm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）。
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1.55μm的零色散点，而是移到1.54～1.565μm范围内，在此区域内的色散值较小，约为1.0～4.0PS/km·nm。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DFF
DSF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（1.3～1.56μm）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1.305μm和1.620μm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。
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1.55μm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/s×8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。
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6×10-3～0.39μm，它吸收的峰值在0.16μm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0.8～1.8μm）。但此吸收带的尾部可拖到1μm左右，将影响到0.7～1μm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0.76～300μm，对于纯SiO2的吸收峰值在9.1μm，12.5μm和21μm处。吸收带的尾部可延伸到1.5～1.7μm，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1.1μm处，铜离子的吸收峰在0.8μm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4.5×10﹣10，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2.7μm附近，振动损耗的二次谐波在0.9μm处，三次谐波在0.72μm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1.39μm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1.8μm，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。
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/λ4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（1km）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α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3-13个工作波长窗口及其损耗值
工作波长/μm 1.55 1.31 0.85 损耗值α/(dB·km-1) 0.2 0.4 2.5 3.4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，αfi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），αsi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τ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；β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Δτ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Δω，则单位带宽上引起的时延差为dτ/dω，Δω的带宽上引起的时延差应为
（4-2）
并利用k0=ω/c=2π/λ，以及λ=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/（km·nm）。
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βmn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θ1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90°＞θ1＞θc（θc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θ1=θc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。
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λ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。
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阶跃型单模光纤的色散与光波长之间的关系曲线如图4.3所示。从图中可以看出，在λ=1.27μm附近，材料色散为零；在1.3～1.4μm之间，材料色散与波导色散相互抵消，总色散为零。称其为零色散波长。
图4.3单模光纤色散-波长曲线
4.3色散对中继距离的影响研究
除三种主要光纤色散（模式色散、材料色散、波导色散）对系统中继距离有影响外，与光纤色散有关的种种因素也会使系统性能参数出现恶化，重要的有：码间干扰、模分配噪声及啁啾声。
4.3.1码间干扰对中继距离的影响
由于激光器所发出的光波是由许多根线谱构成的，而每根线谱所产生的相同波形在光纤中传输时，其传输速率不同，使得所经历的色散不同，而前后错开，使合成的波形不同于单根线谱的波形，导致所传输的光脉冲的宽度展宽，出现“拖尾”，因而造成相邻两光脉冲之间的相互干扰，这种现象就是码间干扰。
分析显示，传输距离与码速、光纤的色散系数以及光源的谱宽成反比，即系统的传输速率越高，光纤的色散系数越大，光源谱宽越宽。为了保证一定传输质量，系统信号所能传输的中继距离也就越短。
4.3.2模分配噪声对中继距离的影响
如果数字系统的码速率尚不是超高速，并且单模光纤的色散可忽略的情况下，不会发生模分配噪声。但随着技术的不断发展，在高速调制下激光器的谱线和单模光纤的色散将会相互作用，产生一种叫做模分配噪声的现象，它限制了通信距离和容量。为什么会这样呢？首先要从激光器的谱线特性谈起。
（1）激光器的谱线特性
当普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模（单频）谱线，如图4.4（a）所示。当单纵模耦合到单模光纤中之后，便会激发出传输模，从而完成信号的传输。然而在高码速（如565Mbit/s）调制情况下，其谱线呈现多纵模（多频）谱线，如图4.4（b）所示。而且从图4.5可以看出，各谱线功率的总和是一定的，但每根谱线的功率是随机的，换句话讲，即各谱线的能量随机分配。
（2）模分配噪声的产生及影响
因为单模光纤具有色散，所以激光器的各谱线（各频率分量）经过长光纤传输之后，产生不同的时延，在接收端造成了脉冲展宽。又因为各谱线的功率呈随机分配，因此当它们经过上述光纤传输后，在接收端取样点得到的取样信号就会有强度起伏，引入了附加噪声，这种噪声就是模分配噪声。由此看出，模分配噪声是在发送端的光源和传输介质光纤中形成的噪声，而不是接收端产生的噪声，故在接收端时无法消除或减弱的。这样，当随机变化的模分配噪声叠加在传输信号上时，会使之发生畸变，严重时，使判决出现困难，造成误码，从而限制了传输距离。
4.3.3啁啾声对中继距离的影响
模分配噪声的产生是由于激光器的多纵模性造成的，因而当使用新型的单纵模激光器以克服模分配噪声的影响的时候，新的问题出现了。
对于处于直接强度调制状态下的单纵模激光器，其载流子密度的变化是随注入电流的变化而变化。这样使有源区的折射率指数发生变化，从而导致激光器谐振腔的光通路长度相应变化，结果致使振荡波长随时间偏移，这就是所谓的频率啁啾现象。因为这种时间偏移是随机的，因而当受上述影响的光脉冲经过光纤后，在光纤色散的作用下，可以使光脉冲波形展宽，因此接收取样点所接收的信号中就会存在随机成分，这就是一种噪声——啁啾声。严重时会造成判决困难，给单模数字光通信系统带来损伤，从而限制传输距离。
4.4色散受限系统中继距离的计算
4.4.1光纤的色散与带宽
光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器：当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减。
4.4.2光纤每公里带宽与L公里带宽间的关系
当考虑到在光纤系统中有许多接头时，由于接头的不均匀性将激发出许多模式，这些模式在传输时将产生模式变换，经过一段距离的传输才达到模式平衡。而模式平衡问题非常复杂，从而使光纤带宽的计算十分复杂。一般人们在实践中采用经验公式来计算。常用的经验公式为
式中，L——光纤长度（km）；BO——光纤每公里带宽；BL——L公里光纤的带宽；q——系数，取值在0.5～1之间，q=0.5意味着光纤模式转换已达到稳定状态，q=1意味着模时间很少转换。一般取q=0.7左右——这是指多模光纤的情况。在单模光纤中因为只存在一个模式，无模式色散，故q=1。
4.4.3光纤带宽与半功率点宽度W之间的关系
在一个冲激脉冲经过光纤传输后，其输出波形相对于输入的冲激脉冲宽度而言，出现展宽的现象。在实际中用该光波波形的最大高度的一半的宽度来衡量。这个宽度就是半功率点宽度W。它与每公里光纤3dB带宽Bo（单位MHz）之间的关系为
W=0.441/B（ps/km）
4.4.4色散受限距离
（1）多纵模激光器(MLM)
就目前的速率系统而言，通常光缆线路的中继距离为
式中，W表示1km光纤的脉冲展宽量（ps）。根据色散系数的定义，1km光纤的脉冲展宽量W等于光源谱宽与色散系数的乘积，即
（4-7）
则中继距离可写成
（4-8）
式中，LD——传输距离（km）；B——线路码速率（Mbit/s）；ε——与色散代价有关的系数；D——色散系数（ps/km·nm）；Δλ——光源谱线宽度（nm）。
其中ε由系统中选用的光源类型来决定，若采用多纵模激光器，系统具有码间干扰和模分配噪声两种色散机理，故取ε=0.115；若采用发光二极管，由于主要存在码间干扰，应取ε=0.306。
（2）单纵模激光器（SLM）
实际单纵模激光器的色散代价主要是由啁啾声决定的，其中继距离如下：
（4-9）
式中，α为频率啁啾系数。当采用普通DFB激光器作为系统光源时，α取值范围为4～6；当采用新型的量子阱激光器时，α值可降低为2～4；同样B仍为线路码速率，但量纲为Tbit/s。
（3）采用外调制器
当采用外调制器时，不存在由于高速数字信号对光源的直接调制而带来的模分配噪声和啁啾声的影响。当然当信号经过外调制器时，同样会给系统引入频率啁啾，但相对于纯光纤色散的影响而言，可以忽略，因而式（4-17）和式（4-18）均不适用。其中继距离为
（4-10）
对某一传输速率的系统而言，在考虑上述两个因素同时，根据不同性质的光源，可以利用式（3-3）和式（4-17）或式（4-18）分别计算出两个中继距离Lα，LD（或LC），然后取其较短的作为该传输速率情况下系统的实际可达中继距离。
4.5色散补偿技术研究
针对色散的物理机理，已经有许多色散管理方案被提出和研究，如色散补偿光纤法，色散支持传输（DST）技术，预啁啾技术，光滤波器方法等。除此之外，一些有关谱压缩的线路编码或调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继距离。
4.5.1色散补偿光纤法
色散补偿，又可称光均衡，其基本原理是当光脉冲信号经长距离光纤传输后，由于色散而产生脉冲展宽和畸变，这时可用一色散补偿模块（DCM）来修正，目的是消除脉冲的展宽和畸变，如图4.6所示。例如，常规单模光纤的色散在1.55μm处是正色散系数，因此，可以设计一段特殊的光纤使之在该波长区具有负的色散系数，而且其负色散系数还很大，可用很短的一段负色散光纤即可补偿几十公里的常规单模光纤所产生的色散，使其在1.55μm窗口也实现了无展宽的接收波形。这一段特殊光纤因其功能称之为色散补偿光纤（DCF）。
图4.6色散补偿原理
（a）光脉冲因色散而展宽；（b）展宽的脉冲用色散补偿模块来修正
DCF的特点有：DCF可放在光纤线路中的任何位置上（仅受到EDFA和光接收机灵敏度的限制），安装灵活方便；DCF的色散补偿量可以控制，且性能稳定；DCF具有很大的负色散（在1.55μm波长），一般单模的色散补偿光纤，色散值可高达-3Oops/nm/km，双模的色散补偿光纤的最大色散值可达-580ps/nm/km，足可抵消G.652光纤在1.55μm处的正色散；DCF虽然引入了插入损耗，但可通过EDFA予以弥补；改善DCF的剖面结构和制造工艺，可实现较大范围的色散补偿，得到较低衰减。DCF最大的问题是损耗较大，通常采用品质因素M来衡量补偿性能的优越程度，其定义为色散与损耗的比值。
4.5.2色散支持传输（DST）技术
色散支持传输（DST）技术的基本原理是，高速数字信号在直接调制方式作用下，在光强度调制（IM）的同时还伴有FSK调制。这是因为与输入NRZ电信号“0”、“1”对应着两个光波长，它们由于光纤色散而不能同时到达接受端，其时间差为Δτ，正确选择光源的偏流可控制这两个光波的频率差，使Δτ正好为1比特间隔。从而可在接收机利用两电平判决电路将ASK信号解调为NRZ信号，而光纤的色散则起到了FSK/ASK信号转换的作用。据报道利用DST技术在G.652光纤上可无中继传输lOGb/s信号达数百公里。
DST的缺点或限制条件是要求IM调制指数、接收机带宽等参数与光中继段的色散匹配，另外横向兼容性也是一个问题。
4.5.3预啁啾（Prechirp）技术
通常的光信号含有不同的频率成分，当在正色散光纤中传输时，所含的高频部分传播速率较快，将逐渐集中到脉冲的前沿，低频部分传播速率较慢，将逐渐集中于脉冲的后沿，两者之间的时差越来越大，脉冲也就越来越宽。预惆啾的思想是通过在光源上加一个附加的正弦调制，使得脉冲前沿的频率降低，后沿的频率升高，这样就在一定程度上补偿了传输过程中由于色散造成的脉冲展宽。
4.5.4用光滤波器补偿色散
色散补偿光纤的缺点是每公里只能补偿1Okm～20km常规单模光纤的群速度色散（GVD），因此光均衡滤波器补偿方法得到重视。滤波器补偿方法可分为干涉滤波器补偿方法和光纤光栅滤波器补偿方法。
4.6小结
光纤的损耗特性和色散特性是影响长途光缆通信系统中继距离的两个重要传输特性。本章主要讲述了光纤的色散特性，先对色散进行概述并介绍了色散的表示方法，然后介绍了色散的种类，接着讲述了光纤色散对中继距离的影响，最后简单介绍了几种色散补偿技术。
第五章光纤非线性特性分析与研究
在光纤通信系统中，由于单模光纤低损耗和激光器的高功率，可能会使很长的传输距离内芯径很小的单模光纤中场强都很高，出现明显的非线性效应。光纤的非线性效应就是指在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。它一方面会引起传输信号的损耗，信道之间的串话和信号的平移等不利因素；但另一方面，非线性效应可进行有效利用并制造新型的器件放大器激光器和调制器等。
光纤的非线性效应主要包括两类，一类是由于散射作用而产生的非线性效应，如受激拉曼散射（SRS）及受激布里渊散射（SBS）；另一类是由于光纤的折射指数随光强度变化而引起的非线性效应，如自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）以及四波混频（FWM）等。
5.1散射影响
5.1.1受激拉曼散射（SRS）
受激拉曼散射（SRS）是光波和光纤中的分子振动作用引起的：强光信号输入光纤后引发介质中的分子振动，分子振动对入射光调制后产生新的光频，从而对入射光产生散射。
如设入射光的频率为f0，介质分子振动频率为fv，则散射光的频率为fs=f0±fv，这种现象称为受激拉曼散射。频率为fs的散射光称为斯托克斯波（Stokes）。当传输距离为Z时，拉曼散射过程可用下式表示：
（5-1）
式中，Is为斯托克斯波光强；gR为拉曼增益系数；IP为入射波光强。
5.1.2受激布里渊散射（SBS）
受激布里渊散射（SBS）是由光纤中的光波和声波的作用引起的，SBS使部分前向传输光向后传输，消耗信号功率。
受激布里渊散射和受激拉曼散射相比较，物理过程很相似，它们都是在散射过程中通过相互作用，光波与介质发生能量交换，但本质上也存在差异。受激拉曼散射所产生的斯托克斯波属于光频范畴，其波的方向和泵浦光波方向一致。而受激布里渊散射所产生的斯托克斯波在声频范围，其波的方向和泵浦光波方向相反，即在光纤中只要达到受激布里渊散射的阈值，就会产生大量的后向传输的斯托克斯波。显而易见，这将使信号功率减少，反馈回的斯托克斯波亦会使激光器的工作不稳定，这些将使系统产生不良影响。
5.2克尔效应
若入射光功率较高，会导致介质的折射率与入射光的光强有关，会大大改变入射光在介质中的传输特性，这就是克尔效应。与克尔效应相关的影响有自相位调制、调制不稳定性、四波混频、光孤子形式等。
5.2.1自相位调制（SPM）
在强光场的作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传光脉冲的前、后沿的相位相对漂移。这种相位的变化，必对应于所传光脉冲的频谱发生变化。由信号分析理论可知，频谱的变化必然使波形出现变化，从而使传输脉冲在波形上被压缩或被展宽。把光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的这种现象称为自相位调制。
光脉冲在光纤中的传播过程中，由于折射率变化而引起的相位变化为
（5-2）
其中，L为光纤长度；Δn(t)为L长度光纤的折射率随时间的变化量。
从式中可看出，光脉冲在L长度光纤中传输时，不同时刻t，脉冲波形各处的相位就按式（5-2）的规律来变化，即表示脉冲波形的相位受到了调制。
5.2.2交叉相位调制（XPM）
当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，由于光纤非线性效应的存在，它们之间将相互作用。光纤中由于自相位调制的存在，因此一个光波的幅度调制将会引起其他光波的相位调制。这种由光纤中某一波长的光强对同时传输的另一不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。由此可见，交叉相位调制与自相位调制总是相伴而生，而且光波的相位调制不仅与自身光强有关，而且还决定于同时传输的其他光波的光强。
光纤中的交叉相位调制，可由不同频率光波引起，也可由不同偏振方向的光波引起。
5.2.3四波混频（FWM）
四波混频是指两个或三个光波结合，产生一个或多个新的波长。FWM效应起源于折射率的光致调制的参量过程。它是指两个或三个不同波长的光波相互作用而导致在其他波长上产生混频成分的效应。当这些混频产物落在信道内时，将会引起信道间的串扰，导致信噪比降低；当混频产物落在信道外时，也会给系统带来噪声。
5.3非线性管理技术研究
光纤的色散补偿可以分为线性补偿和非线性补偿两大类。光纤的几个典型的线性色散补偿技术已在上一章提及，但它们只能补偿色散的影响，而无法补偿光纤的非线性的影响。现在介绍非线性管理技术。
5.3.1SRS效应
SRS效应将使光纤中低频光信号被高频光信号放大从而引起串扰。SRS效应是一种宽带效应，即使信道间隔大于25THz也能产生放大，短波长信道可以逐次泵浦许多较长波长信道，形成信道间能量转移，损害系统性能。而且信道间的这种能量转移和放大作用还与比特图有关，导致功率起伏增大，降低了接收机性能。对于SRS效应，一般采用降低入纤功率、特殊码型等技术来降低其影响
5.3.2SBS效应
SBS效应可以将信号光能量转移给频率下移且反向传输的Stocks光，SBS效应不仅给系统带来噪声，而且造成信号的一种非线性损耗，限制入纤功率的提高，并且降低了系统光信噪比，严重限制传输系统性能提高。SBS效应是一种窄带效应，在光纤中典型的增益带宽近似比50MHz，因此一般由光信号中的载波分量引起，可以采用载波抑制或展宽载波光谱加以抑制。目前主要采用降低入纤功率、加低频扰动（一般为10～20kHz的正弦波）、特殊码型（光双二进制码ODB、载波抑制归零码CS-RZ、啁啾归零码CRZ等）及相位调制技术等抑制SBS效应的影响
5.3.3SPM效应
SPM效应来源于光纤非线性折射率对光脉冲引入的附加相位调制。它会引起信号脉冲产生频率啁啾，导致频谱展宽。SPM效应与GVD（群速度色散）的相互作用会将信号的相位调制转换为强度调制，引入波形畸变。从这个角度讲，应该设法抑制光纤中的SPM效应，减小其对传输系统性能的影响，一般采用降低入纤功率、采用拉曼放大、色散管理、波形调节及码型技术等加以改善。另一方面，在一定的条件下SPM可以和光纤的群速度色散相抵消，产生脉冲压缩，提高接收机灵敏度。WDM系统中通道代价有时出现负值，就是SPM作用的结果。从这个角度讲，SPM效应是可以利用的，尤其是光孤子、色散管理孤子等传输系统中，都是通过合理利用光纤SPM效应实现的。
5.3.4XPM效应
XPM效应是当多个不同频率的光束在光纤内同时传播时，每一频率成分的光束会通过光纤的非线性极化率，影响其他频率光束的有效折射率而实现对后者的调制，这就是交叉相位调制。XPM不仅可通过GVD将信号的相位调制转化为强度调制，导致脉冲波形畸变，而且可以引起信道间串扰。信道越密集、传输跨段数越多，XPM效应对DWDM系统的影响越大。一般可以通过适当降低入纤功率、增加光纤的有效面积，合理的色散管理及码型技术来减轻这种影响。一些研究也表明可采用最佳的光信号脉宽来抑制因XPM引入的影响。
5.3.5FWM效应
FWM效应起源于折射率的光致调制的参量过程。它是指两个或三个不同波长的光波相互作用而导致在其他波长上产生混频成分，或在边带上产生新的光波的的效应。当这些混频产物落在信道内时，将会引起信道间的串扰，导致信噪比降低，同时降低信道传输功率，严重影响传输性能，一般对中间信道的影响最大。当混频产物落在信道外时，也会给系统带来噪声。FWM效应的产生需要满足相位匹配条件，光纤的色散越小、复用信道间隔越小越容易满足相位匹配条件，这种串扰也越严重，对系统性能的影响也越大。采用不等信道间隔、奇偶信道偏振复用、非零色散光纤及色散管理等方式均可以在一定程度上减小FWM效应，改善传输系统性能。
另外，光放大器中同样也引入SRS、SBS、XPM、FWM等非线性影响，而且XPM的影响比来自光纤的影响还要大。
总之，目前对于非线性效应的抑制主要通过降低入纤功率、色散管理、拉曼放大、采用新型大孔径光纤、码型技术等加以减小或抑制，从而减小其对传输系统的影响。近期还提出了利用波形管理控制非线性效应的概念，其原理是，由于不同的脉冲形状抵抗非线性效应的能力不同，因此通过设法调整（比如，利用色散元件）传输链路中的脉冲形状来控制非线性效应，该方法尚处于研究阶段。
5.4小结
通常在光场较弱的情况下，可以认为光纤的各种特征参量随光场强弱作线性变化，这时光纤对光场来讲是一种线性媒质。但在很强的光场作用下，光纤对光场就会呈现出另外一种情况，即光纤的各种特征参量会随光强呈非线性变化。本章主要讲述了光纤的非线性效应，介绍光纤的非线性效应并对其进行分类，然后简单介绍了非线性管理技术。
第六章基于Optisystem的光纤系统补偿模型及光纤特性分析
6.1Optisystem软件介绍
OptiSystem是一套创新的光通信系统模拟软体，此软体可以设计、测试，与最佳化几乎任何一种在光网路系统的宽谱中的物理层次光连结，从类比的电视影像、广播到洲际间的干脉。系统的水平模拟装置是根据实际的光纤通讯系统的模型而设计，具有强大而新的环境模拟和元件及系统的真实等级定义。软体的能力可以随着使用元件和介面的增加而延伸到更广泛的应用工具，图形使用者介面控制光元件的安排和网络清单，元件模式，和图像座标，广泛的主动与被动元件资料库包含了实际的波长参数，参数回圈也允许使用者侦察特定仪器在系统表现的效果，软体的能力可以随着使用元件和介面的增加而延伸到更广泛的应用工具。
6.2Mach-ZehnderLithiumNiobate调制器中的啁啾仿真
本实验的目的是为了证实提供到调制器驱动两端的电压之间的关系和在马赫-曾德尔（Mach-ZehnderLithiumNiobate）调制器输出端观察到的啁啾。
啁啾是高比特率光波系统中的关键因素，因为它能限制系统的最大中继距离。外部调制器提供了一种方式以减少或消除啁啾，因为光源在狭窄的线宽工作时能保持稳态模式。外部调制器既不是铌酸锂（LiNbO3）调制器也不是electroabsorptive调制器。在实验中由LiNbO3调制器引起的啁啾是基于工作电压的。
如图6.1所示，在调制器两端加以同值反向电压（即以双驱动方式）来对调制器进行分析（ΔV1=ΔV2）。
图6.1双驱动系统布局
调制器以正交模式运行工作。这意味着，偏置电压的电压值位于调制器上的光响应曲线的中点，因此，偏置电压强度是光响应曲线峰值的一半。如图6.2所示为调制器的相关参数设置。将消光比设置为200dB是为了避免由非对称Y分支波导所引起的任何啁啾。将调制器设置在一非正常方式下工作，这意味着电输入信号将不正常。
几何上的双驱动调制器刚好有两个一样的端口。给出的啁啾的驱动电压范围：
（6-1）
V1和V2分别是提供到调制器驱动端口1和2的电压。
图6.2对调制器进行参数设置使之工作于正交点
由式（6-1）可知，要使调制器实现零啁啾，提供到调制器驱动两端的电压必须设定为V1=V2。如图6.3所示为在调制器端口2和3的电压的清晰脉冲序列。
图6.3输入端口2的电信号为V1pp=2.0V，输入端口3的电信号为V2pp=2.0V
能实现调制器的零啁啾
如图6.4所示为这些电压通过调制器后的结果。若将光信号的幅度从0变至1mW，那么啁啾幅度约为100Hz（它可以被认为几乎为零因为它的值太小）。
图6.4在调制器输出端观察到的光信号
如果给定的电压值改变，那么啁啾值也会相应变化。若设V1pp=3.0V，V2pp=1.0V，则α=0.5。如图6.5所示为输入端的电信号。
图6.5输入端口2和输入端口3的电信号能实现调制器的啁啾α=0.5
实验结果的啁啾如图6.6所示。光信号似乎是相同的，但是，信号中的啁啾比图6.4所示的数值大得多。啁啾幅度大约是3GHz。
图6.6以α=0.5为条件下在调制器输出端观察到的光信号
要使α=-0.5，那么V1pp=1.0V，V2pp=3.0V。如图6.7所示为输出结果。
图6.7以α=0.5为条件下在调制器输出端观察到的光信号
正如实验中所验证的那样，输出信号啁啾在马赫曾德尔调制器中，可以通过调整提供到调制器的两端的电压来进行控制。
6.3XPM引起的非对称的光脉冲频谱展宽仿真
本实验的目的是为了证明由XPM引起的非对称的光脉冲频谱展宽仿真。如图6.8所示是实验布局及布局上的全局参量。
图6.8实验布局及布局上的全局参量
输入信号由两个叠加的高斯脉冲组成，如图6.9所示。
图6.9叠加的高斯脉冲
脉冲载波波长分别为λ1=1487.4nm，λ2=1600nm，相应的峰值功率为P1=749.05W，P2=1498.1W，脉冲宽度（FWHM）为0.5位（12.5ps）。光纤的群延迟，影响在所谓的单模光纤-28（SMF-28）这一位置，因此被定义为“波长依赖”。
非线性折射率为n2=2.6×10-20m2/W。步长恒定不变为50mrad。群速度色散的影响作用不作考虑。如图6.10所示是输出端观察到的光信号（光信号传输了20.9m，相当于5个步长的长度）。
图6.10输出端
光脉冲的频谱的不对称是由XPM引起的。对于脉冲信号“1”（尤其在1487.4nm处）而言，频谱的不对称更为严重，因为XPM在1487.4nm处更为强烈。XPM引起的光脉冲频谱展宽取决于信号的群速度不协调，光脉冲的频谱展宽的镜像图形如图6.10所示。因为后者（群速度）是在异常群速度色散区域（红外线）获得，而这些正对应于可见光区（正常群速度色散）。
小结
自光纤通信问世以来，整个通信领域发生了革命性变化，它使高速率、大容量的通信成为可能。由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点而备受业内人士的青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量从1980～2000年20年间增加了近10000倍，传输速度在过去的10年中提高了约100倍。目前我国长途传输网的光纤化比例已超过80%，预计到2010年，全国光缆建设总长度将再增加约105km，并且将有11个大城市铺设10G以上的大容量光纤通信网络。
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。
通过此次论文的撰写，我更深入的了解光纤的衰减、色散及非线性特性及其光纤的特性补偿，尤其是基于Optisystem软件的典型的光纤系统色散、非线性特性补偿模型。还有通过学习、使用Optisystem软件，熟悉元器件库中的各个元器件并学会及熟练地在元器件库中选择光纤系统补偿模型中的所需要的元器件，并学习元器件的参数设置，同时掌握分析系统补偿模型的方法，学会看懂OscilloscopeVisualizer（示波器）、OpticalSpectrumAnalyzer（光谱分析仪）、OpticalTimeDomainVisualizer（光时域观察仪）等光学器件或电子器件的视觉图，并了解视觉图的X轴、Y轴的参数设置。总之，收获很大。
光纤通信技术经过了30多年的发展历史，目前已经进入第五代光通信时代，其高速率和大容量的特点大大促进了社会的发展，随着世界信息化程度的日新月异，对通信速率、通信距离、通信容量的要求也更加强烈。目前，以高速传输技术、全光节点、智能联网技术为核心，并面向IP互联网应用的光波技术已构成了今天的光纤通信研究热点，在未来的一段时间里，人们将继续研究和建设各种先进的光网络，并在验证有关新概念和新方案的同时，对下一代光网的关键技术进行更全面、更深入的研究。
致谢
在论文完成之际，谨向在此过程中所有给予过我帮助的老师和同学表示衷心的感谢。
首先感谢我的指导老师李莉莉老师。无论在学习上、还是怎样写论文上都得到了他的悉心指导、培养和关心。李老师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风、敏锐的洞察力和渊博的知识给我留下了深刻的印象。对我今后的工作和学习必将产生深远的影响。
感谢所有在我的大学学习期间，给予我帮助和关心的同学和朋友们。感谢评阅老师对本文进行的认真评阅和批评指正。最后，我要感谢我的父母、我的家人，他们的支持、理解和关心使我顺利的完成了学业。衷心感谢所有帮助过我的人！
[参考文献]
[1]龚倩,徐荣,叶小华,张民.高速超长距离光传输技术[M].北京:人民邮电出版社,2005
[2]刘汉奎,章献民,陈抗生.PerformanceofDOPTechniqueUsedtoControlPMDCompensation[J].ActaphotonicaSinica(光子学报),2005,34(8):1213-1216
[3]阎敏辉,陈建平.InteractiveEffectofPMDandNonl-InearityonOpticalFiberTransmissionCharacteristics[J].ActaphotonicaSinica(光子学报),2001,30(6):712-714
[4]张学康,张金菊.光纤通信技术[M].北京:人民邮电出版社,2009
[5]邓大鹏等.光纤通信原理[M].北京:人民邮电出版社,2003
[6]杨祥林.光纤通信系统[M].北京:国防工业出版社,2000
[7]刘剑飞.高速光纤通信系统中的偏振模色散及其补偿技术的研究.天津大学电子信息工程学院.2002:7
[8]肖晓晟.利用色散管理抑制光纤通信系统中的非线性传输损伤.清华大学.2008:1
[9]董天临.光纤通信与光纤信息网[M].北京:清华大学出版社.2006
[10]张宝富,崔敏,王海潼.光纤通信[M].西安:西安电子科技大学出版社.2004
[11]包建新,张雅彬.光纤通信技术基础[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.2008
[12]孙强,周虚.光纤通信系统及其应用[M].北京:清华大学出版社&北方交通大学出版社.2004
[13]袁捷.光纤通信技术的现状及前景[J].科技信息,2005,(5):463
[14]甘朝钦.超长距离无中继光通信系统解决方案[J].电力系统通信,2005,26(151):28-31
[15]林其银.波分复用光纤传输系统中的非线性效应及其对系统性能的影响.厦门大学.2002:16-17
[16]胡辽林.高速光通信中若干关键技术的研究.西安电子科技大学.2005:28-30
[17]党利宏,杨富印,钱凤臣.高速超长距离光纤通信系统中的新型技术[J].国外电子元器件,2008,(7):57-58
[18]吴景艳,祁志娟,王剑.色散补偿技术的发展与应用[J].科技信息,2008,(19):17
[19]赵香娇,孙小明.色散补偿器在1550nm超长干线系统中的应用[J].中国有线电视,2008,(7):687-688
[20]李秋菊,王春玲,董文会.微结构色散补偿光纤结构特性的研究[J].光通信技术,2008,(7):42-44
[21]顾畹仪.WDM超长距离光传输技术[M].北京:人民邮电出版社.2006
[22]赵梓森.光纤通信工程(修订本)[M].北京:人民邮电出版社.2003
[23]原荣.光纤通信[M].北京:电子工业出版社,2002
浙江海洋学院东海科学技术学院本科生毕业论文
I
10
36
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
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
2a
2b
纤芯
涂覆层
包层
折射率：涂覆层﹤包层﹤纤芯
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
波长λ/μm
1
损耗(dB/km)
0
2
3
4
5
6
超高纯度光纤
沿用光纤OH含量的影响
n1
n2
2a
2b
L
θi
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
λ/μm
600
500
400
300
f/THz
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0
色散系数
SiO2
K9
SSK1
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
﹣60
﹣40
﹣20
0
20
0
波长λ/μm
色散/(ps/km·nm)
总色散
波导色散
材料色散
(a)直流
(b)加有560Mbit/s调制信号
图4.4普通激光器的静态和动态谱线
1.5194
1.5200
1.5184
1.5232
1.2
1.4
1.6
1.8
10
20
30
-10
-20
-30
0
λ(μm)
D(PS/km·nm)
波导色散
材料色散
总色散
(a)下凹型
(b)三角型
(c)三包层型
图2.9色散平坦光纤的折射率分布
图2.10色散平坦光纤的色散
t0
图4.5高速调制时多纵模的随机起伏
t0
（a）
（b）
Inputpulses
DCM
图2.5光在介质分界面上的反射和折射
θ1
θ1′
θ2
n1
n2
k1
k2
k1′
n0
n0
n1
n2
θ
θ2
θ1
a
rm
n1(r)
纤芯
θ
λ(μm)
总色散
材料色散
波导色散
D(PS/km·nm)
0
-30
-20
-10
30
20
10
1.8
1.6
1.4
1.2
50μm
（c）多模渐变型光纤
50μm
4~10μm
图2.4光纤中的光射线轨迹
图2.3光纤的剖面折射率分布
（b）阶跃型光纤的剖面折射率分布
（a）阶跃型光纤的剖面折射率分布
包层
包层
（b）多模阶跃型光纤
包层
包层
n
n
（a）单模光纤
n
包层
包层
r
0
b
a
n2
n1(r)
n
r
0
b
a
n2
n1
n
n2
n1
2b
2a
纤芯
纤芯
纤芯
|
|
