光纖通信中的衰減、色散及非線性特性的研究【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　光纖通信中的衰減、色散及非線性特性的研究</p><p>　　光纖通信因其具有的損耗低、傳輸頻帶寬、容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾、不易串音等優(yōu)點(diǎn)，備受業(yè)內(nèi)人士青睞，發(fā)展非常迅速。目前，光纖光纜

2、已經(jīng)進(jìn)入了有線通信的各個(gè)領(lǐng)域，包括郵電通信、廣播通信、電力通信和軍用通信等領(lǐng)域。</p><p><b>　　光纖的衰減</b></p><p>　　傳輸衰減是光纖很重要的一項(xiàng)光學(xué)性質(zhì)，它在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離。損耗的降低依賴(lài)于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。</p><p>　　衰減機(jī)理又可分為不同的情況：一是石英光纖的固有衰減機(jī)

3、理，像石英材料的本證吸收和瑞利散射，這些機(jī)理限制了光纖所能達(dá)到的最小衰減；二是由于材料和工藝所引起的非固有衰減機(jī)理，它可以通過(guò)提純材料或改善工藝而減小，甚至消除其影響，如雜質(zhì)的吸收、波導(dǎo)的散射等。</p><p>　　光纖材料的本征散射主要指瑞利散射，它是由于光線中折射率在微觀上的隨機(jī)起伏所引起的。石英光纖在加熱拉制過(guò)程中，由于熱騷動(dòng)，使原子得到的壓縮不均勻，這使物質(zhì)的密度不均勻，進(jìn)而使折射率不均勻，這種不均勻性

4、在冷卻的過(guò)程中被固定下來(lái)。這種不均勻度與波長(zhǎng)相比是小尺寸的，因此產(chǎn)生的散射稱(chēng)為瑞利散射。瑞利散射按1/λ的比例產(chǎn)生衰減，在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)上傳輸時(shí)，瑞利散射衰減大大減小</p><p>　　光纖作為光波導(dǎo)遇到不連續(xù)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生光功率的衰減和反射。固定接頭和活動(dòng)接頭都是光纖通路上的一種特定的不連續(xù)點(diǎn)，會(huì)引起一定的功率衰減，稱(chēng)為插入衰減，定義為連接器輸入功率與輸出功率之比的分貝數(shù)。連接錯(cuò)位一般有以下幾種情況：軸向位移、連接間隔

5、、傾斜位移。</p><p>　　軸向位移即兩根光纖連接處有軸向錯(cuò)位。其耦合損耗在零點(diǎn)幾分貝到幾個(gè)分貝之間，若錯(cuò)位距離小于光纖直徑的5%，則損耗一般可忽略不計(jì)。</p><p>　　連接間隔有時(shí)又稱(chēng)端分離。如果兩根光纖直接對(duì)接，則必須接觸在一起，光線分得越開(kāi)，廣的損耗越大。如果兩根光纖通過(guò)連接器連接，則不必接觸，因?yàn)檫B接器接觸產(chǎn)生的相互摩擦?xí)p壞光纖。</p><p&g

6、t;　　傾斜錯(cuò)位又稱(chēng)角錯(cuò)位。如角錯(cuò)位小于2º，則耦合損耗不會(huì)超過(guò)0.5dB。</p><p><b>　　光纖的色散</b></p><p>　　色散是指不同頻率的電波以不同的相速度和群速度在介質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象。色散導(dǎo)致光脈沖在傳播過(guò)程中展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_。在多模光纖中，不同的傳播模式具有不同的相位常數(shù)，因而有不同的相速度和

7、群速度。在光纖的輸入端，一個(gè)光脈沖的能量分配到不同的模式上，以不同的速度傳播到輸出端，同樣會(huì)導(dǎo)致光脈沖的展寬。這種效應(yīng)與不同頻率（也就是不同的顏色）成分以不同的速度傳播所產(chǎn)生的作用是一樣的，這種現(xiàn)象廣義地也可以稱(chēng)為色散。</p><p>　　在光纖傳輸理論中為了區(qū)分不同的物理機(jī)理引起的色散效應(yīng)，把色散分為波長(zhǎng)色散和模式色散。引起波長(zhǎng)色散的原因主要有兩個(gè)，其一是由于光纖材料本身的色散效應(yīng)；其二是光纖中的傳播模式就是

8、色散模式。所以又可以將波長(zhǎng)色散區(qū)分為材料色散和波導(dǎo)色散。</p><p>　　光纖的損耗和色散是限制光纖圖像系統(tǒng)物種及傳輸距離的兩個(gè)主要制約因素。近年隨著光放大技術(shù)的成熟，尤其是摻鉺光纖放大器（EDFA）在石英光纖的最低損耗窗口，即1.55μm波段友誼的性能，使光功率的損耗得到了有效的補(bǔ)償，這就使得色散成為高速光纖通信系統(tǒng)最主要的制約因素。對(duì)色散的補(bǔ)償可以在光纖線路上實(shí)現(xiàn)，也可以在發(fā)送端或接收端實(shí)現(xiàn)。</p

9、><p><b>　　光纖的非線性效應(yīng)</b></p><p>　　任何介質(zhì)（如玻璃纖維）對(duì)功率的響應(yīng)都是非線性的。由于光注入光線介質(zhì)產(chǎn)生了電偶極子，電偶極子反過(guò)來(lái)與光波會(huì)產(chǎn)生相互調(diào)制的相互作用。在光功率小時(shí)引起的振蕩即線性響應(yīng)，在光功率大時(shí)振蕩產(chǎn)生非線性響應(yīng)。電偶極子的極化強(qiáng)度P與光場(chǎng)E的關(guān)系為</p><p>　　式中，為真空中的電介常數(shù)；為系

10、統(tǒng)n階響應(yīng)系數(shù)，n=1時(shí)為線性系統(tǒng)，n〉1時(shí)為非線性的高階響應(yīng)。</p><p>　　對(duì)于各向同性介質(zhì)如光纖，第二項(xiàng)是正交的，因而該項(xiàng)小時(shí)，第三項(xiàng)引起的非線性效應(yīng)很大，它常稱(chēng)為克爾效應(yīng)，主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是由于光線的折射率隨輸入光功率的變化引起的，另一類(lèi)是由散射引起的。</p><p>　　當(dāng)光纖中的光功率保持低電平時(shí)，玻璃光纖的折射率一直為常數(shù)。當(dāng)光纖中的光功率提高后，光纖的折射率受到傳輸

11、信號(hào)光強(qiáng)度的調(diào)制而發(fā)生變化。非線性折射率波動(dòng)效應(yīng)可分為三大類(lèi)：自相位調(diào)制（SPM），交叉相位調(diào)制（XPM)以及四波混頻（FWM）。</p><p>　　在光強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中，當(dāng)光信號(hào)與聲波或光纖材料中振動(dòng)的分子相互作用時(shí)，會(huì)散射光并把能量向更長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)。非線性受激散射可分為布里淵散射和拉曼散射兩種形式。</p><p>　　折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是由引起的，光纖的折射率可以表示為</p

12、><p>　　式中為原來(lái)的線性折射率；為與有關(guān)的線性折射率系數(shù)，其量值約為；p為光功率。光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于折射率隨功率變化，引起相位被調(diào)制，產(chǎn)生自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）及四波混頻（FWM）等現(xiàn)象。</p><p>　　光通信技術(shù)作為信息技術(shù)的重要支撐平臺(tái)，在未來(lái)信息社會(huì)中將起到重要作用。雖然經(jīng)歷了全球光通信的“冬天”但今后光通信市場(chǎng)仍然將呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從現(xiàn)代通信的發(fā)展

13、趨勢(shì)來(lái)看，光纖通信也將成為未來(lái)通信發(fā)展的主流。而對(duì)光纖通信中的衰減、色散及非線性特性的問(wèn)題也將得到更好的解決。</p><p>　　以下方法可以抑制光纖的非線性效應(yīng)</p><p><b>　　1.限制入纖功率</b></p><p>　　非線性光學(xué)效應(yīng)的強(qiáng)弱與光強(qiáng)有關(guān)，因此，對(duì)特定的光線，限制入纖功率是抑制非線性光學(xué)效應(yīng)的有效途徑。入纖功率的

14、選擇，需要在信號(hào)噪聲比和信號(hào)非線性串?dāng)_比之間均衡考慮。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)制定的“光波分復(fù)用系統(tǒng)技術(shù)要求”中規(guī)定的32x2.5Gbit/s系統(tǒng)主光通道的總功率在17~20dBm.</p><p><b>　　2.保留適當(dāng)色散</b></p><p>　　色散是一種制約非線性光學(xué)效應(yīng)的物理過(guò)程，以FWM為例，光線色散越小，服用信道間隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。因?yàn)楣饩€的GVD較大時(shí)，相

15、位匹配條件難以滿(mǎn)足，四波混頻效率較高。這既是為什么當(dāng)WDM普遍應(yīng)用后，色散位移光線失去市場(chǎng)，而非零色散光線應(yīng)運(yùn)而生的原因。</p><p>　　3．加大光線的有效面積</p><p>　　NZDSF雖然具有適度的色散，但有效面積較小，使得同樣的入纖功率下光強(qiáng)較高，不利于抑制非線性光學(xué)效應(yīng)和WDM長(zhǎng)距離傳輸。在NZDSF 基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出大有效面積NZDSF 。由此增大了光線有效面積但

16、色散斜率依舊較大。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?］王鐵軍, 黃德修.色散補(bǔ)償技術(shù)的最新進(jìn)展[J], 光通信技術(shù), 2004(6): 57~59.</p><p>　?。?］李眾.高級(jí)調(diào)制方式、電子色散補(bǔ)償與低色散光纖支撐無(wú)色散補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò). (10/11)</p><p>　?。?］

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