【正文】 因此，光孤子通信系統(tǒng)在長(zhǎng)距離、高碼速的通信中，顯示出非常大的優(yōu)勢(shì)。 ? 如果使用高階光孤子來分析的話，也可以得到同樣的結(jié)論。 ? 一個(gè)光脈沖的前沿光強(qiáng)的增大將會(huì)引起光纖中光信號(hào)的相位增大，隨之造成光信號(hào)的頻率降低，進(jìn)而使光纖中光脈沖信號(hào)的脈沖前沿傳輸速度降低。 ? 引入一定的色散 150 Raman Effect Amplifiers ? The signal to be amplified must be longer in wavelength than the pump. ? Optimal amplification occurs when the difference in wavelengths is around THz. ? At very high power it is possible for all of the signal power to be transferred to the Stokes Wave. ? In regular Gedoped fibre the effect is very small and it takes a relatively long length of (about 1 km). 151 Wavelength Changing with SRS 152 SRFA WDM Output Gain Flattening Filter Pump Source PUMP SIGNAL 153 光孤子通信 1．光孤子 2．光孤立子的產(chǎn)生機(jī)理 3 4．光孤子通信系統(tǒng)的基本組成 154 1．光孤子 ? 從物理學(xué)的觀點(diǎn)看，光孤立子是光非線性光學(xué)的一個(gè)特殊產(chǎn)物。 147 受激喇曼散射 (SRS) ? SRS是光子受到振動(dòng)分子散射所產(chǎn)生的。 ? SBS在朝向光源的方向上產(chǎn)生增益，會(huì)引起光源不穩(wěn)定 ? SBS閾值功率低 (單波長(zhǎng)信道： 9dBm). 增加光源線寬能夠提高 SBS閾值功率 (100MHz光源 :16 dBm ） ? SBS的增益系數(shù) gB約為 4 1011m/W，且與波長(zhǎng)無關(guān)。 143 受激布里淵散射 (SBS) ? 受激布里淵散射（ SBS）是由于光子受到聲學(xué)聲子的散射所產(chǎn)生的 ,形成斯托克斯波與反斯托克斯波。 ? 對(duì)于 DSF使用大于 1560nm的波長(zhǎng)。 這對(duì)于較少信道數(shù)的 WDM系統(tǒng)是可能的 ， 但必須仔細(xì)計(jì)算信道的確切位置 。如果相互作用的信號(hào)以同樣的群速度傳播（無色散時(shí)就是這種情況），則 FWM的影響加強(qiáng)，另一方面，如果存在色散，不同的信號(hào)以不同的群速度傳播，因此不同光波之間的交替地同相疊加和反相疊加，其凈效果是減小了混頻的效率。 ? 若 E1=E2 則 XPM的效果將是 SPM的兩倍。 ? SPM會(huì) 增強(qiáng)色散的脈沖展寬效應(yīng)。 133 單信道 多信道 折射率效應(yīng) 光強(qiáng)度波動(dòng)引 起的折射率的 調(diào)制 自相位調(diào)制 (SPM) 交叉相位調(diào)制 (XPM) 四波混頻 (FWM) 散射效應(yīng) 受激布里淵散射 (SBS) 受激拉曼散射 (SRS) 光纖的非線性效應(yīng) 134 光纖非線性的形成 ? 單信道系統(tǒng)，功率水平 10mw,速率不超過 時(shí)，光纖可以作為線性介質(zhì)處理，即：光纖的損耗和折射率都與信號(hào)功率無關(guān) ? WDM系統(tǒng)中，即使在中等功率水平和比特率下，非線性效應(yīng)也很顯著。 ? 如果采用線寬為 300 MHz的 DFB激光器，在 1 Gbps 調(diào)制速率下光譜被展寬 2 GHz，即光源譜寬為 2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波長(zhǎng) ). 則傳輸 10 公里距離，色散脈沖展寬值為 : D = 17ps/nm/km .02 nm 10 km = ps ? 顯然這種情形下， 1 Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。 ? 為 DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 結(jié)論 : 適用于 10Gb/s以上速率 DWDM傳輸， 是未來大容量傳輸， DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。非零色散光纖實(shí)質(zhì)上是一種改進(jìn)的色散位移光纖，其零色散波長(zhǎng)不在 ，而是在 或 。針對(duì)這一現(xiàn)象，人們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖（ NZ－ DSF） 。 124 (DSF) ? 針對(duì)衰減和零色散不在同一工作波長(zhǎng)上的特點(diǎn)， 20世紀(jì) 80年代中期， 人們開發(fā)成功了一種把零色散波長(zhǎng)從 的色散位移光纖（ DSF， Dispersion－ Shifted Fiber） 。km，在 ，約為 20ps/nm 120 總色散 121 三種不同類型的單模光纖 （ NDSF） （ DSF） （ NZDSF） 常規(guī) 大有效面積 122 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在 ，國(guó)際電信聯(lián)盟（ ITU－ T）把這種光纖規(guī)范為 。 117 群速度色散 (GVD) ? 正常色散區(qū) : 長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播塊，短波長(zhǎng)光傳播慢 !（ 負(fù)色散值 ） ? 反常色散區(qū) :短波長(zhǎng)光傳播塊，長(zhǎng)波長(zhǎng)光傳播慢 !（ 正色散值 ） m?? ?0/ 22 ??dnd0/ 22 ??dnd正常色散區(qū) 反常色散區(qū) 118 光纖的色散 正色散光纖 ?long? ???short?119 2. 波導(dǎo)色散 ? 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因?yàn)閷?dǎo)模場(chǎng)分布實(shí)際上是在纖芯和包層中都存在的，因此光波群速度取決于兩者的比例。 光纖的色散與帶寬 模間色散 (Mode Dispersion) 色度色散 (Cromatic Dispersion) 偏振色散 (Polarization Mode Dispersion) 114 色散定義 mwng ???? ???????115 167。 光纖的彎曲損耗 物理機(jī)制 光纖發(fā)生彎曲 全反射條件破壞 約束能力下降 導(dǎo)摸轉(zhuǎn)化為輻射摸 能量逸出 光功率損失 損耗分類 107 損耗機(jī)理 x 108 ? 高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗小！ 109 1. 宏彎損耗 110 2. 過渡彎曲損耗 直 彎曲 模場(chǎng)不匹配 導(dǎo)摸與漏模之間相互耦合 功率損失 111 損耗分析 ? 損耗的機(jī)理：由于光纖由“直”突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)彎曲不一致 ,引起模場(chǎng)的不匹配 ,導(dǎo)致導(dǎo)模與漏模之間的相互耦合 , 并損失功率。 3dB~。 98 167。 ? 在理想的軸對(duì)稱的光纖中，這兩個(gè)模式有相同的傳輸相位常數(shù) β，它們是相互簡(jiǎn)并的。 ? 實(shí)際上包層中仍存在一定的場(chǎng)強(qiáng)分布。 ? 衰減量的大小通常用衰減系數(shù) α來表示，單位是dB/km。 HE11稱為 基模 ， 由兩個(gè)偏振態(tài)簡(jiǎn)并而成 。0＜ U21r/a＜ ? J2(U21r／ a)與 J2(U21)均大于零 ,即場(chǎng)沿徑向無零點(diǎn) ,沿角向場(chǎng)分布為 cos2φ,當(dāng) φ＝ p/4, 3p/4, 5p/4 以及 7p/4 時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn) , 即場(chǎng)沿角向有兩條暗線 ,將光場(chǎng)分為四個(gè)亮斑。沿角向場(chǎng)分布為 cosφ,當(dāng) φ＝ π/2和 3π/2時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn) ,故場(chǎng)沿角向有一條零線。光強(qiáng)分布為一亮園環(huán)和纖芯中心的亮斑。 2 . 4 0 5 3 . 8 3 2 5 . 1 3 6 5 . 5 2 6 . 3 8 7 . 0 1 6 7 . 5 8 8 8 . 4 1 78 . 6 5 48 . 7 1 19 . 7 6 1J0J1J2J3J4LP01LP02LP03LP11 LP 12 LP 13LP21LP3181 LP02模場(chǎng)分布圖 ? 場(chǎng)解 : (Ey)02＝ A[J0(U02r/a)/J0(U02)] ＜ U02＜ 。 ? 如果 E出現(xiàn)零值，則對(duì)應(yīng)于光場(chǎng)分布的暗線（環(huán)） 80 LP01模場(chǎng)分布圖 ? 場(chǎng)解 : (Ey)01＝ A[J0(U01r/a)/J0(U01)] 0＜ U01＜ 。 ? 傳輸模數(shù)量的多少，用 M表示。 ? 因此，要傳輸?shù)膶?dǎo)波能量大部分是在纖芯中傳輸，而有一部分則在包層中傳輸。 ? LP模（ Linearly Polarized mode），即線性偏振模的意思。 ? 兩種情形可很容易地確定本征值 : – 導(dǎo)模處于 臨近截止 – 導(dǎo)模處于 遠(yuǎn)離截止 70 4．階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 （ 1）標(biāo)量模的定義 ? “極化”就是指隨著時(shí)間的變化，電場(chǎng)或磁場(chǎng)的空間方位是如何變化的。2239。其中 U與 W通過其定義式與 β相聯(lián)系 ,因此它實(shí)際是關(guān)于 β的一個(gè)超越方程。 在芯區(qū)為振蕩形式 ,而在包層則為衰減形式 。 57 階躍型光纖的標(biāo)量近似解法 1．標(biāo)量近似解法 2．標(biāo)量解的場(chǎng)方程的推導(dǎo)思路 3．標(biāo)量解的特征方程 4．階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 5．階躍光纖中的功率分布 6．階躍光纖中導(dǎo)模數(shù)量的估算 58 1．標(biāo)量近似解法 ? 由于 E（或 H）近似在橫截面上，而且空間指向基本不變，這樣就可把一個(gè)大小和方向都沿傳輸方向變化的空間矢量 E變?yōu)檠貍鬏敺较蚱浞较虿蛔儯▋H大小變化）的標(biāo)量 E。同樣 ,每一個(gè) 導(dǎo)模都對(duì)應(yīng)于一合適的 V值使其遠(yuǎn)離截止 ,稱之為導(dǎo)模的“遠(yuǎn) 離截止條件 。光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由其歸一化頻率 V表征 : V值越大 , 允許存在的導(dǎo)模數(shù)就越多。 (3)橫磁模 (TM): Ez≠0,Hz＝ 0。 47 ? 橫模 ? 光波在傳輸過程中，在光束橫截面上將形成具有各種不同形式的穩(wěn)定分布，這種具有穩(wěn)定光強(qiáng)分布的電磁波，稱為橫模。通常將本征解定義為“模式” . 46 模式及其基本性質(zhì) 每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波 。 41 分離變量： 電矢量與磁矢量分離 ? 得到只與電場(chǎng)強(qiáng)度 E(x,y,z,t)有關(guān)的方程式及只與磁場(chǎng)強(qiáng)度 H(x,y,z,t)有關(guān)的方程式： 波動(dòng)方程 22//2222tHHtEE????????????e?e?42 分離變量 : 時(shí)空坐標(biāo)分離 令場(chǎng)分量為： 得到關(guān)于 E(x,y,z)和 H(x,y,z)的方程式，即 亥姆霍茲方程 ： 前提：光纖傳播單色光波，時(shí)間函數(shù)為簡(jiǎn)諧函數(shù) 43 亥姆霍茲方程 ? 亥姆霍茲方程式，光在光波導(dǎo)（如光導(dǎo)纖維）中傳播就應(yīng)滿足這個(gè)方程。 B1n＝ B2n。 ? 而由于平方律型折射指數(shù)分布光纖的折射率分布接近于雙曲正割型光纖的折射率分布，因此可認(rèn)為平方律型折射指數(shù)分布光纖具有較小的模式色散的特點(diǎn)。 ? 當(dāng)光纖中的射線傳輸相同的軸線長(zhǎng)度時(shí)，則靠近軸線處的射線需要的時(shí)間長(zhǎng)，但路程短；而遠(yuǎn)離軸線處的射線需要的時(shí)間短，但路程長(zhǎng)。 )()( rndzrdndzd ?? ??)()( rndSrdndSd ?? ??29 圖 漸變型多模光纖的光線傳播原理 ?o?id zrirmp纖芯 n (r)r? ?*zr0d r30 解這個(gè)二階微分方程 ， 得到 光線的軌跡 為 r(z)=C1sin(Az)+C2 cos(Az) () 式中 ， A= ， C1和 C