光纤的特点效应

1. 光纤的色散特性
(1) 光纤色散的概念
       光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的,不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同,从而导致信号畸变的一种物理现象。在数字光纤通信系统中,色散使光脉冲发生展宽。
光纤色散
       光纤的色散现象对光纤通信很不利。对于数字光纤通信系统,当色散严重时,会导致光脉冲前后相互重叠,造成码间干扰,增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量,也限制了光纤通信系统的中继距离。
(2) 光纤色散的表示法
       光纤的色散可以用不同的方法来表示,常用的有色散系数D(λ),最大时延差△、光纤的带宽等。
       光纤的色散系数D(λ)定义为单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差,单位为ps/(km•mm),其公式为
       式(9-17)中,厶(λ)为单位长度光纤上的时延差,单位是ps/km;△(λ)是光源的线宽,单位为nm。
       最大时延差描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。时延差越大,色散就越严重。
       光纤带宽是用光纤的频预特性来描述光纤的色散,它是把光纤看作一个具有一定带宽的低通滤波器,光脉冲经过光纤传输后,光波的幅度随着调制的频率增加而减小,直到为零,而脉冲宽度则发生展宽。经理论推导,光纤的带宽和时延差的关系为
式(9-18)中,B为光纤每公里带宽,单位为(MHz•km);△(λ)是光脉冲传输1km的时延差,单位是ns/km。
       从上述的定义可以看出,色散系数△(λ).最大时延差△、光纤的带宽都是从不同角度反映光纤的同一特性一色散。
(3) 光纤色散的种类
       根据色散产生的原因,光纤色散的种类主要可以分为:模式色散、材料色散和波导色散三种。模式色散是由于信号不是单一模式携带所导致的,又称为模间色散;材料色散和波导色散是由于同一个模式内携带信号的光波频率成分不同所导致的,所以也叫做模内色散。
模式色散
       在多模光纤中存在许多传输模式.即使在同一波长,不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同,到达接收端所用的时间不同,产生了模式色散。
材料色散
       由于光纤材料的折射率是波长义的非线性函数,从而使光的传输速度随波长的变化而变化,由此而引起的色散叫材料色散。
       材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起。由于光纤通信中使用的光源不是单色光,具有一定的光谱宽度,这样不同波长的光波传输速度不同,从而产生时延差,引起脉冲展宽。材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比,所以在系统使用时尽可能选择光谱线宽窄的光源。石英光纤材料的零色散系数波长在1270nm附近。
光纤
波导色散
       同一模式的相位常数0随波长人而变化,即群速度随波长而变化,从而引起色散,称为波导色散。
       波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。一般波导色散比材料色散小。普通石英光纤在波长1310nm附近波导色散与材料色散可以相互抵消,使二者总的色散为零。因而普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。
       在多模光纤中以上三种色散均存在。对于多模阶跃折射率光纤,模式色散占主要地位,其次是材料色散,波导色散比较小,可以忽略不计。对于多模渐变折射率光纤.模式色散较小,波导色散同样可以忽略不计。
对于单模光纤,上述三种色散中只有材料色散和波导色散存在。
 
       此外,在单模光纤中还存在偏振模色散。偏振模色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性,使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数β不同,从而导致这两个模式传输不同步,形成色散。
       偏振模色散通常较小。在速率不高的光纤通信系统中可以忽略不计。对于工作在零色散(材料色散和波导色散之和为另)波长的单模光纤,偏振模色散将成为最后的极限。随着光纤通信系统传输速率的提高.偏振模色散对系统的影响加大,必须很好地控制它,以减少它对系统的限制。
2. 光纤的非线性效应
       在高强度电磁场中任何电介质对光的响应都会变成非线性,光纤也不例外。
       在光纤通信系统中.高输出功率的激光器和低损耗光纤的使用,使得光纤中的非线性效应越来越显著。这是因为光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯中,使得场强非常高;低损耗又使得高场强可以维持很长的距离,保证了有效的非线性相互作用所需的相干传输距离。特别是当今的大容量、长距离光纤通信系统中,光纤中传输的光功率大,使得这一问题尤为突出。
       光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用,一方面可引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话、信号载波的移动等;另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等器件。
       光纤的非线性可以分为两类:受激散射效应和折射率扰动。
光纤
(1)受激散射效应
       受激散射效应是光通过光纤介质时,有一部分能量偏离预定的传播方向、且光波的频率发生改变,这种现象称为受激散射效应。受激散射效应有两种形式:受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子,同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。两种散射的主要区别在于受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子,而受激布里渊散射的剩余能量转变为声频声子;光纤中的受激布里渊散射只发生在后向,受激拉曼散射主要是前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低,在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下,这些散射可以忽略。 
       当入射光功率超过一定阈值后,受激散射效应随入射光功率成指数增加。
(2)折射率扰动
       在入射光功率较低的情况下,可以认为石英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高光功率下,则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化,它们的关系为
式(9-19)中,n。为线性折射率;n2为非线性折射率系数;P为入射光功率;Aeff为光纤有效面积。
       折射率扰动主要引起四种非线性效应:自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)、光孤子形成。
       ① 自相位调制是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化对自身相位的作用。它导致光谱展宽,从而影响系统的性能。
       ② 交叉相位调制是任一波长信号的相位受其他波长信号强度起伏的调制产生的。交叉相位调制不仅与光波自身强度有关,而且与其他同时传输的光波的强度有关,所以交叉相位调制总伴有自相位调制。交叉相位调制会使信号脉冲谱展宽。
       ③ 四波混频是指由两个或三个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率,从而在不同频率处发生相位调制,产生新的波长。四波混频对于密集波分复用(DWDM)光纤通信系统影响较大,称为限制其性能的重要因素。
       ④ 非线性折射率和色散间的相互作用,可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时,可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中,保持形状和脉宽不变。

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