電子與信息工程畢業論文：光纖通信中衰減、色散及非線性特性的研究.doc

本 科 畢 業 設 計光纖通信中衰減、色散及非線性特性的研究所在學院 專業班級 電子與信息工程 學生姓名 學號 指導教師 職稱 完成日期 年 月 摘要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、不易串音等優點，備受業內人士青睞，發展非常迅速。目前，光纖光纜已經進入了有線通信的各個領域，包括郵電通信、廣播通信、電力通信和軍用通信等領域。為了使光纖通信能更好的發展，必須對其特點進行深入的研究。光纖材料的本征吸收和本征散射是光纖的固有衰減機理，光纖材料的本征散射主要指瑞利散射。光纖的損耗包括光纖自身的損耗和光纖通信中的插入損耗。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中傳播的物理 。光纖的色散包括 色散、材料色散、波 色散。非線性 射率波 為 大 自相 ， 相 以及 波 頻 。非線性受 散射 為 ?散射和￠￡散射?￥? 。本§currency1'了光纖衰減、色散、非線性的“?， ?了衰減、色散及非線性的機理、 、? fifl及 –??，· 對衰減、色散及非線性特性進行了??。?關鍵詞 光纖通信;衰減;色散;非線性IABSTRACTThe loss of optical fiber communication because of its low transmissionfrequency bandwidth, large capacity, small size, light weight, resistance toelectromagnetic interference, crosstalk, etc. is not easy, much favored by the industryto develop very rapidly. Currently, optical fiber cable has been wired into all areas ofcommunications, including posts and telecommunications, radio communications,power communications and military communications. Fiber materials and the intrinsicabsorption of the intrinsic scattering is inherent attenuation mechanism of fiber,optical fiber materials, mainly refers to the intrinsic scattering of Rayleigh scattering.Fiber loss, including fiber loss and its insertion loss in optical fiber communication.Dispersion refers to the different frequencies of waves with different phase velocityand group velocity propagation in the medium of physical phenomena. Mode fiberdispersion including dispersion, material dispersion, waveguide dispersion. Nonlinearrefractive index fluctuation can be divided into three categories: self-phasemodulation (SPM), cross-phase modulation (XPM) and four wave mixing (FWM).Nonlinear stimulated Brillouin scattering can be divided into two forms of scatteringand Raman scattering. In this paper, fiber attenuation, dispersion, nonlinearity of thedefinition, analysis of the attenuation, dispersion and nonlinear mechanism,classification and suppression methods, respectively, the attenuation, dispersion andnonlinear characteristics are simulated, and discusses some Advanced technology.Key words: attenuation ;dispersion ;nonlinear ;optical fiber communication II目 錄?”??…‰ ”????光纖通信中的衰減特性研究 ?? `? ”?光纖通信中的衰減 ? `? ??光纖自身的衰減 `? `?光纖通信′??的衰減 ˉ? ˉ?衰減對中?˙¨的 ? ? ?? ??光纖衰減 能量 ? ?? ??對光纖通信中衰減的?? ˇ?`??光纖的色散特性研究 ?? ”—` ”?色散機理 ”—` ??色散的 ”—` ? ”? 色散 ”—` ? ??材料色散 ””` ` `?波 色散 ””` `?色散對通信的 ?及對 ””` ` ”?色散對通信容量的 ””` ` ??色散 ? 及色散 ?fi ”?` ˉ?光纖通信中的色散?? ? ”`?ˉ??光纖的非線性特性研究 ?? ”?ˉ ”?非線性光 ”?ˉ ??受 色散及其對光纖通信的 ? ”?ˉ ? ”自相 ”?ˉ ? ?? 波 頻 ”ˇˉ ? `?受 ?散射 ”ˇˉ ? ˉ?受 ￠￡散射 ”ˇˉ `?非線性 射率 的非線性光 ” ˉ ˉ?非線性光 的? ” ˉ ?光線通信中非線性 的?? ?—? “?a 。III§ ??IV?”??…‰自” ??以?，光纖通信迅速發展，?進了光纖的 用和o業 ，光纖的 量 指? ? 。 ‰是在? ， 是在???? 了光纖，光線 已經 伸到了我們的辦公桌和家中。光纖之所以在世界各國的各個領域得到廣泛的 用，成為高質量信息傳輸的主要手段，是因為光線 傳統的金屬銅軸電纜相比，具有以下的優點 ” 通信容量大。由于光線的 用帶寬較大，一般在”—GHz以?，使光線通信系統具有較大的通信容量。而金屬電纜存在的 電容和 電感實際 到了低通濾波器的作用，使傳輸頻率、帶寬以及信息承載能力受 。 代光纖通信系統能夠將速率為幾十Gb/s以?的信息傳輸?百英 ，允許大約 百萬條話音和 據信道同時在一根光纜中傳輸。實驗室 ，傳輸速率達Tb/s級的系統已研 成功。光纖通信巨大的信息傳輸能力，使其成為了信息傳輸的主體。? 傳輸˙¨長。光纜的傳輸損耗比電纜低，因而 傳輸更長的˙¨。光纖系統僅 要少量的中?器，而光纜 金屬電纜的造價基本相同，少量的中?器使光纖通信系統的總成本比相 的金屬電纜通信系統的要低。` 抗電磁干擾。光纖通信系統避免了電纜間由于相互靠近 的電磁干擾。金屬電纜發生干擾的主要原因就是金屬 體向外泄漏電磁波。由于光纖的材料是玻璃或塑料，?不 電，因而不會o生電磁波的泄漏，也就不存在相互之間的電磁干擾。ˉ 抗噪聲干擾。光纖不 電的特性 避免了光纜受到閃電、電機、熒光燈及其他電氣源的電磁干擾 E I ，外部的電噪聲也不會 ?廣播的傳輸能力。此外，光纜不輻射射頻 能力的特性也使它不會干擾其他通信系統，這在軍事?的運用是非常理想的，而其它￥ 的通信系統在核武器的 ?下 電磁脈沖干擾 會遭到毀滅性的破壞。? 適 。光纖對 有較 的 抗能力。它比金屬電纜更能適 度的 ，而 性的 體或氣體對其 ? 小。? 重量輕， ，易? 。光纜的 和 比較 、 ，這是因為 ，玻璃或塑料?不 電， 有電 通 或電 的干擾 其 ，它 以在易 發的 體和氣體 使用不必 會 ?￠或 ￡ ? ，它比相 的金屬電纜體積小，重量輕，更?于機載￥作，而 它?用的存§currency1間小，運輸也fi?。ˇ '“。由于光纖不向外輻射能量，??用金屬感 器對光纜進行?fi，因此，它比銅纜'“性 。這也是光纖通信系統對軍事 用具有吸 力的fl一fi 。–?長。?· 有得到 實，? 以??，光線通信系統?比金屬 ?的使用–?長，因為光纜具有更 的適 和抗 的能力。”?光纖系統也存在一…不‰ ” ? `。在實際使用中， 要 `的 ?器′將光纖 到??的電ˉ 備?。? 度?。光纜本身 同軸電纜相比抗￠ 度要低的˙。這 以通 使用??的光纖包¨ ?得到 –。` 不能傳輸電力。有時 要為??的 ?或 生 備??電能，光纜ˇ?不能— ，在光纜系統中 必須使用金屬電纜。ˉ 要 用的￥具、 備以及 。 要使用 用￥具 成光纖的 以及 要1用 備進行常? 量 光纜的 fl `， 事光纜￥作 人 要通 相 的 · 一“的 業 能。? 經受長時間的?驗。光纖通信系統的 及時間a， ‰夠的時間 實它的 靠性。光纖系統′?的 ” ”所 。通信′?中?基本的 個?成部 是光發射機、光 收機和光纖′?。光發射機由 ?或 o電 ?、電 電 、光源和光源 光纖之間的 ?等?成。光纖是高 度的玻璃或塑料光纖，長˙¨大容量的光纖′? ? 用玻璃光纖，對于低速率a˙¨的傳輸系統 以 用塑料光纖。光 收器包括光纖 光?波器之間的 器′、光? 器、電 電 器、?大器和 ?或 o ?等 ” 。” ”光纖通信系統′?的 光纖是光纖通信系統中?重要的一部 ，光纖本身具有?˙的特點。光纖材料的本征吸收和本征散射是光纖的固有衰減機理，光纖材料的本征散射主要指瑞利散射。光纖的損耗特性主要包括光纖自身的損耗和通信系統的插入損耗等。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中傳播的物理 。光纖的色散包括 色散、材料色散、波 色散。非線性 射率波 為 大 自相 ， 相 以及 波 頻 。非線性受 散射 為 ?散射和￠￡散射?￥? 。光纖的損耗?“了光纖通信系統中的 中?傳輸˙¨，光纖的色散 光脈沖的展寬，而 ?個fi ?系統的傳輸性能，在傳輸˙¨一“的??下，色散 系統的傳輸速率 在傳輸速率一“的條′下色散 系統的傳輸˙¨。光纖的衰減 、色散 、非線性?重的 ?了光纖通信的質量 傳輸˙¨，所以對光纖的衰減 、色散 、非線性的研究，是對光纖通信的發展有重大 ?的。??本§ 這…fi '發，在?一部 介 了光纖在傳輸中的衰減及其自身的一…基本特性，·進行??，? 部 介 了光纖的色散特性對其 了比較細 的討‰和??，? 部 介 了光纖的非線性特性以及一…基本的? 和??。2電信號輸入電 ? 電? 光源?′光纖跳線光線連 器中?器光纜線?盒光纜終端盒光纖連器光? ?′ ?大器 電 ?電信號輸'光纜線?盒光纜終端盒????光纖通信中的衰減特性研究 ??? ”?光纖通信中的衰減 ?傳輸衰減是光纖?重要的一項光 性質，它在?大程度??“著傳輸系統的中?˙¨。損耗的降低依賴于￥藝的?高和對石英材料的研究。對于光纖來說，o生損耗的原因較 ，它不像金屬波 那樣容易計算衰減量的大小，衰減量的具體確“往往依賴于實驗 量。 的說明衰減機理 (” 纖芯和包¨物質的吸收衰減，包括石英材料的本 吸收和 質吸收 (? 纖芯和包¨材料的散射衰減，包括瑞利散射衰減以及光線在 光場作用下誘發的受及喇￡散射和受及 力源散射 ` 由于光纖表 的隨機畸 或粗糙所o生的波 散射衰減 ˉ 光纖彎曲所o生的輻射衰減 ? 外套衰減。這…衰減機理fl 為不同的?? 一是石英光纖的固有衰減機理，像石英材料的本吸收和瑞利散射，這…機理 了光纖所能達到的?小衰減 是由于材料和￥藝所 的非固有衰減機理，它 以通 ? 材料或 –￥藝而減小， 消除其 ?， 質的吸收、波 的散射等 ? 。? ??光纖自身的衰減光纖材料的本征吸收和本征散射是光纖的固有衰減機理。光纖材料的本征吸收有?個?個頻帶 一個在紅外波段，其吸收峰在 ~”?μm波長區域，對光纖通信 ?不大 另一個在紫外波段，其尾巴會拖到— ˇ~” ”μm的波段，對于光纖通信o生一“的 ?。光纖材料的本征散射主要指瑞利散射，它是由于光線中 射率在微觀?的隨機 伏所的。石英光纖在加熱￠ 程中，由于熱騷 ，使原ˉ得到的 縮不均勻，這使物質的“度不均勻，進而使 射率不均勻，這￥不均勻性在冷卻的 程中被固“下來。這￥不均勻度 波長相比是小尺寸的，因此o生的散射稱為瑞利散射。瑞利散射按”/λ的比例o生衰減，在較長的波長?傳輸時，瑞利散射衰減大大減小。光纖中的 質對光纖的衰減特性o生重要 ?，尤其是OHˉ¨ˉ在” ` μm?有一個吸收峰，殘存的OHˉ¨ˉ的吸收 光纖的通信波段在— ~” ??μm范 內?成了 個衰減相對較低的窗?，即— ?μm、” `”μm和” ??μm。目前” `”μm?光纖衰減在— `~— ˉd /km范 內，” ??μm?衰減已低于— ?d /km 除了石英玻璃以外， 以 用塑料作為光纖的材料。能的光纖結構有纖芯使用石英玻璃、包¨使用塑料 纖芯使用塑料而包¨則使用另一￥塑料。使用塑料作為光纖材料，其衰減要明ˇ 大于石英玻咯材料。在近紅外波段，塑料包¨石英光纖的典型衰減值為 d /km左右，而 塑料的典型衰減值則 達到每千米幾百 貝。?塑料光纖在a˙¨、中低傳輸速率系統中是?有競爭力的傳輸介質 ` 。光纖有一“的曲率半徑的彎曲時就會o生附加的輻射衰減，光纖 以 ? 彎曲 3①曲率半徑比光纖直徑大得˙的宏彎曲，例 ，光纜拐彎時就會o生此￥彎曲 ②光纖成纜時o生，沿軸向的隨機性微彎曲，o生委婉的另一個重要原因是光纖材料 套¨材料的熱膨脹系 不一 。光纖的彎曲?輻射'的能量取?于彎曲段的曲率半徑 。曲率半徑 越小，彎曲衰減越大。輕微的彎曲所o生的附加衰減非常小，基本?光 不到。為減小微彎曲衰減，一￥fifl是在光纖表 一¨彈性' ¨，”受外力作用時，'¨發生? 而光纖仍? 以'值直線狀態。另外， 果是在晝夜、冬夏 度??大的高度區建 光纖線?，在 計計算中， ? 能將系統的功率富余度留得大一…。這樣就 以' 室外氣 驟? 時，系統仍? 以正常運行。? `?光纖通信′??的衰減光纖作為光波 遇到不連續點會o生光功率的衰減和反射。固“ 和 ?是光纖通??的一￥特“的不連續點，會 一“的功率衰減，稱為插入衰減，“?為連 器輸入功率 輸'功率之比的 貝 。它是 量光纖連 器的主要指?之一。 光纖連 衰減的原因?˙，包括光纖的幾 、光纖端 ??和光纖本身特性 的不 等。連 一般有以下幾￥?? 軸向 、連 間 、 。這…損耗 ? ` ”所 。? ”光纖 連 損耗軸向 b 連 間 軸向 即?根光纖連 ?有軸向 。其 損耗在 點幾 貝到幾個 貝之間， 4輸入軸向 損耗輸'a輸入間 輸'b輸入損耗輸'c ˙¨小于光纖直徑的? ，則損耗一般 不計。?連 間 有時fl稱端 ¨。 果?根光纖直 對 ，則必須 在一 ，光線 得越，廣的損耗越大。 果?根光纖通 連 器連 ，則不必 ，因為連 器 o生的相互 會損壞光纖。? fl稱 。 小于? ，則 損耗不會 — ?d 。? ˉ衰減對中?˙¨的 ? ?在光纖通信系統中，光線線?的傳輸性能主要體 在其體 在其衰減特性和色散?。而這 是在光纖通信系統的中?˙¨ 計中所 的?個因 。? 直 傳輸速率有 ， 傳輸??下 成為?“因 ，因此在高比特系統的 計 程中，必須對這?個因 的??currency1 。一個中?段?的傳輸衰減包括?部 內容，其一是光線本身的固有衰減， 就是光纖連 損耗和微彎曲帶來的附加損耗。光纖的傳輸損耗是光纖通信系統中一個非常重要的 ?，低損耗實 ?˙¨光纖通信的前?。構成光纖損耗的原因? ，￠結 來主要包括?大 吸收損耗和散射損耗。除此之外， 光纖損耗的 有光纖彎曲o生的損耗以及纖芯和包¨中的損耗等。￡ ，發 有許˙材料， ?石等在” `￥m附近損耗?小，色散也 近 發 在” ??￥m左右，損耗 降低到— ?d /km 果 理 計光纖， 以使色散在” ??￥m除達到?小。這對長˙¨、大容量通信??了比較好的條′ ˉ 。中?˙¨是光纖通信系統 計的一項主要 ?。在中?˙¨的 計中 衰減和色散這?個因 。在衰減受 系統中，中?˙¨越長，則光纖通信系統的成本越低，§得的 經currency1 '越高。因而這個 ?一直受到系統 計 的重“。”前，廣泛 用的 計fifl是IT??TG ??所建?的 值 計fl。在￥程 計中，一般光纖通信系統的中?˙¨ 以表 為 /T R CR P Ef s f CP P A P P MLA A L Ma- - - - -=+ + ??????????????? 2-1 中1/nf fiiA a n== ????????????????????????? 2-2 1/( 1)ns siiA a n== - ?????????????????????? 2-3 ? ?光纖衰減 能量 ?所fiflˉ，是一￥特 脈沖波，是非線性波 fi程的一￥特 的不–散?。這￥波在傳播中能'??狀不 ，· 相互· ?不 ?各自波型和傳播。光纖 ??光flˉ，由于光flˉ在傳播中 '??狀不 ， 用光flˉ作為信息載體，則 根本???色散對通信容量的 約，所以對光flˉ傳輸的研究一直是光通信領域的熱點。光flˉ能夠'??狀不 是以 光纖衰減為前?的。?實際的光纖是有衰減的，這會光脈沖能量的減少，不 ?‰flˉ條′，flˉ脈沖展寬[5]。5