光纤的色散与非线性效应
非线性效应及举例
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目前的DWDM 系统的信道间隔一般在100GHz ，零色散导致四波混频成为主
要原因，所以，采用G.653 光纤传输DWDM 系统时，容易产生四波混频效应，而
采用G.652 或G.655 光纤时，不易产生四波混频效应。但G.652 光纤在1550nm
窗口存口存在一定的色散，传输10G 信号时，应加色散补偿，G.655 光纤在
信道越密集、传输跨段数越多，XPM效应对DWDM系 统的影响越大。
四波混频
四波混频FWM亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种
光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生
所谓混频产物，或在边带上产生新的光波效应，这种互作用可能发生于多信道系
统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。
光的折射能力有所不同。折射率差值Δn与电场
强度的平方成正比，这种与电场二次方成正比 的电感应双折射现象称为克尔效应。 光学克尔效应。当所加的是光频电场时，如果
光足够强 ,也会发生同样的现象。此时Δn正比 于作用在介质中的激光束的光强,即Δn
=K*|E*E|。
自相位调制SPM
即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自 身的相位调整，这种效应叫做自相位调制SPM 。
（FWM）等。SPM是某光信道激发的光纤非线性折射率对该信道本身产
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。
（1）光纤的损耗特性。
在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。
光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。
下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。
（2）光纤的色散特性。
色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。
光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。
①模式色散。
模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。
②材料色散。
材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。
就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。
每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。
③波导色散。
波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。
波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。
这种色散通常很小，可以忽略不计。
光纤的色散
光纤的色散光纤是一种用于传输光信号的光学器件，其具有高速、大带宽、低损耗等优点，广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
然而，光纤在传输过程中会出现一种称为色散的现象，对光信号的传输和解调产生影响，因此对色散进行研究和控制具有重要意义。
一、色散的概念和分类色散是指不同波长的光在介质中传播速度不同，导致其传输时间和相位差异的现象。
根据不同的物理机制，色散可分为色散、色散和色散。
1.色散色散是由于介质中的折射率与波长有关，导致不同波长的光在介质中传播速度不同而产生的现象。
一般来说，折射率随着波长的增加而减小，因此长波长光的速度比短波长光的速度更快，导致光信号的时间延迟和相位差异。
2.色散色散是由于光纤的结构不均匀性引起的，包括径向和轴向色散。
径向色散是由于光纤直径的变化引起的，而轴向色散是由于光纤中心光线和边缘光线的传输速度不同引起的。
3.色散色散是由于光纤中非线性光学效应引起的，包括光纤自相位调制、光纤四波混频等。
这些非线性效应会导致光信号的波形畸变和相位扭曲，进而影响光信号的传输和解调。
二、色散的影响和控制色散会导致光信号的时间延迟和相位差异，进而影响光信号的传输和解调。
在数字通信系统中，色散会导致码间干扰和比特误码率的增加，降低系统的传输速率和可靠性。
在光纤传感系统中，色散会导致传感信号的失真和噪声增加，降低系统的灵敏度和分辨率。
为了控制色散，可以采用以下方法：1.光纤的设计和制备通过控制光纤的材料、直径、折射率分布等参数，可以减小光纤的色散。
例如，采用折射率分布均匀的光纤，可以减小径向色散；采用大模场光纤，可以减小轴向色散。
2.光纤的补偿采用光纤补偿器可以对光纤的色散进行补偿。
光纤补偿器通常采用光纤光栅或色散补偿模块等器件，通过引入相反的色散来抵消光纤的色散。
3.数字信号处理采用数字信号处理技术可以对光信号进行补偿和优化。
例如，采用预等化和后补偿等技术可以抵消光纤的色散和非线性效应，提高系统的传输速率和可靠性。
光纤的色散与非线性效应ppt
Dispersion Shifted Fibre
• dispersion shifted fibre is designed with a dispersion zero point at around 1550 nm. • However, it is not always possible or indeed desirable： • In many cases we can't have DSF because the fibre we must use is already installed. • four-wave mixing effectively prohibit the use of DSF.
是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
色散 0 ps/nmkm 1310nm 波长 1550nm 色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
Polarisation Mode Dispersion (PMD)
• There is usually a very slight difference in RI for each polarisation. It can be a source of dispersion, usually less than .5 ps/nm/km. • The effect is to cause a circular or elliptical polarisation to form as the signal travels along the fibre. • Dispersion resulting from the birefringent properties of fibre is called “Polarisation Mode Dispersion” (PMD).
光纤非线性效应及对光纤通信的影响
光线非线性效应及其对光纤通信系统的影响摘要：随着科技的飞速发展、信息时代的到来，信息的传输变得越来越重要。
光纤作为众多传输介质中的一种有着其它介质不可替代的优越性。
它传输容量大、传输带宽宽、抗干扰能力强。
然而，由于光纤中的损耗和色散的限制，使得光纤通信的发展受到了制约。
如果要获得更长的传输距离，则要加大入纤光功率，这样就引起了光纤非线性效应的产生。
本文详细地讨论了几种重要的光纤非线性效应，如受激布里渊散射(SBS)、受激喇曼散射(S RS)、自相位调制(SPM)、交叉相位调制（XPM）、克尔效应（Kerr）、超短脉冲孤立子（S oliton）等现象。
并对其在光纤通信中的应用进行了展望。
关键字：光纤非线性效应、散射、阈值、光功率光纤的非线性效应尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。
光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。
非线性效应一般在WDM系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于和波器、分波器的插入损耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDF A进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应大大增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。
光纤中的非线性效应包括：①散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等）、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。
折射率非线性变化SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。
这些非线性过程对某些信道提供增益而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。
光纤的传输方程
光纤的传输方程
光纤的传输方程可以用折射定律和光的传播特性来描述。
光纤中的光传输可以被视为一种衰减的波导传输，其中光的强度衰减随着传输距离的增加而减小。
对于单模光纤，光的传输方程可以表示为：
d²E/dz² + γ²E = 0
其中，E是光的电场强度，z是传输方向上的距离，γ是衰减常数，其定义为γ = α + jβ，其中α是光纤的吸收系数，β是相位常数。
光纤的衰减常数γ可以通过纤芯材料的吸收特性和不完美的纤芯结构来确定。
衰减常数γ越小，光纤的损耗就越低，传输距离就越远。
此外，光纤的传输方程还可以考虑非线性效应和色散效应。
非线性效应包括自相位调制、四波混频和光学响应等，而色散效应包括色散延迟和色散耦合等。
综上所述，光纤的传输方程是一个复杂的非线性微分方程，可以根据具体的光纤特性和传输条件来确定。
光纤的色散与非线性效应
光纤的色散
随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
模间色散(Mode Dispersion) 色度色散(Cromatic Dispersion) 偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大
决定了电中继器之间的距离
色散对传输的限制
结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
G.653单模光纤（DSF）
低损耗 零色散 小有效面积 长距离、单信道超高速EDFA系统 四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术Fra bibliotek结论:
适用于 10Gb/s 以上速率单信道传输，但不适 用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。
Calculating Dispersion
• in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km : Dispersion = 17ps/nm/km × 6 nm × 10 km = 1020 ps • At 1 Gbps a pulse is 1 ns long. So the system would not work. (20% is a good guideline for the acceptable limit.) But it would probably work quite well at a data rate of 155 Mbps (a pulse length of 6.5 ns). • A narrow spectral width laser might produce only one line with a linewidth of 300 MHz. Modulating it at 1 Gbps will add 2 GHz. 2,300 MHz is just less than .02 nm (at 1500 nm). So now: • Dispersion = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应
第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应单模工作模特性及光功率分布 ............................................................. 错误!未定义书签。
单模光纤中LP 01模的高斯近似 ............................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） ............................. 错误!未定义书签。
双折射概念 ............................................................................................... 错误!未定义书签。
偏振模色散概念 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤中偏振状态的演化 ................................................................. 错误!未定义书签。
单模单偏振光纤 ..................................................................................... 错误!未定义书签。
单模光纤色散 ................................................................................................... 错误!未定义书签。
色散概述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。
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Dispersion Compensating Fibre
Balancing Dispersion on a Link
DCF存在的问题
▪ 高损耗(0.5dB/km) ▪ 小截面积(DCF: 20mm2 G-652: 80mm2 ), 比标准光纤的非线性系数高 2-4个数量
级 ▪ 非线性阈值低3-6dB ▪ 较大的色散斜率(DCF:-15 ~ -20 ps/nm2/km;G-652: 0.09ps/ nm2/km). ▪ 短波长过补偿，长波长欠补偿。
G.653单模光纤（DSF）
低损耗 零色散 小有效面积 长距离、单信道超高速EDFA系统 四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术
结论: 适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状
。
G.655单模光纤（NZ-DSF）
在1530－1565nm窗口有较低的损耗 工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。 可以有正的或负的色散——海底传输系统 正色散SPM效应压缩脉冲，负色散SPM效应展宽脉冲。 为DWDM系统的应用而设计的
Waveguide Dispersion
• The shape (profile) of the fibre has a very significant effect on the group velocity. This is because the amount that the fields overlap between core and cladding depends strongly on the wavelength. The longer the wavelength the further the the electromagnetic wave extends into the cladding.
• At 1 Gbps a pulse is 1 ns long. So the system would not work. (20% is a good guideline for the acceptable limit.) But it would probably work quite well at a data rate of 155 Mbps (a pulse length of 6.5 ns).
• Dispersion = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps • In this case, dispersion just ceased to be a problem.
色散补偿技术
• 控制光源线宽 • 色散位移光纤 • 色散补偿光纤 • 中途谱反转 • 啁啾光纤光栅
Polarisation Mode Dispersion (PMD)
• There is usually a very slight difference in RI for each polarisation. It can be a source of dispersion, usually less than .5 ps/nm/km.
色散对传输的限制
ห้องสมุดไป่ตู้
1000 600km
100 10 1
小色散光纤－理论上 小色散光纤－实际上 传统光纤－理论上 传统光纤－实际上
2
3
4
5
6
7
调 制 速 率 （ Gbps）
8
9
10
Material (Chromatic) Dispersion
• This is caused by the fact that the refractive index of the glass we are using varies (slightly) with the wavelength. Some wavelengths therefore have higher group velocities and so travel faster than others. Since every pulse consists of a range of wavelengths it will spread out to some degree during its travel.
结论: 适用于10Gb/s以上速率DWDM传输， 是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。
18
色散 0 ps/nm•km
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95%
正常色散区
DWDM 波长范围
反常色散区
1310nm
1550nm
波长
色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
Mid-Span Spectral Inversion
• The concept here is to use a device in the middle of the link to invert the spectrum. This process changes the short wavelengths to long ones and the long wavelengths to short ones. When the pulse arrives it has been re-built exactly - compensated for by the second half of the fibre.
Calculating Dispersion
• in a typical single-mode fibre using a laser with a spectral width of 6 nm over a distance of 10 km : Dispersion = 17ps/nm/km × 6 nm × 10 km = 1020 ps
传输使用的三种不同类型的单模光纤 G.652单模光纤（NDSF） G.653单模光纤（DSF） G.655单模光纤（NZ-DSF）
常规G.655 大有效面积G.655
G.652单模光纤（NDSF）
大多数已安装的光纤 低损耗 大色散分布 大有效面积 色散受限距离短
2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.652+DCF方案升级扩容成本高 结论: 不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
the modulating signal (1 Gbps, .04 nm)! • Using more complex signal coding rather than simple OOK. • Using WDM(a 2.5 Gbps signal has 1/4 of the problem with dispersion as a 10 Gbps
• Anomalous Dispersion Regime: the short wavelengths (blue end of the spectrum) travel faster than the long wavelengths (red end). After travel on a fibre the shorter wavelengths will arrive first. This is considered a negative chirp.
Control of Spectral Width
• Simple FP laser: over 5 nm; • External cavity DBR laser: < .01 nm • Modulation adds to the bandwidth of the signal, by twice the highest frequency present in
• since a greater proportion of the wave at shorter wavelengths is confined within the core, the shorter wavelengths “see” a higher RI than do longer wavelengths. Therefore shorter wavelengths tend to travel more slowly than longer ones.
Group Velocity Dispersion” (GVD)
• Normal Dispersion Regime :the long wavelengths travel faster than the short ones! Thus after travelling on a fibre wavelengths at the red end of the pulse spectrum will arrive first. This is called a positive chirp!
Principle
• This spectral inversion is performed by a process called “optical phase conjugation”. Devices that change the wavelength using either 4-Wave Mixing or Difference requency Generation invert the spectrum as a biproduct of their wavelength conversion function. These can be used as spectral inverters if we can tolerate the wavelength shift involved.