《光纤通信技术教学资料》第2章第4节.ppt

光色散概念: 光在媒质中的传播速度随波长而变动的现象,称为色散。 光纤的色散是在光纤中传输的光脉冲，随传输距离增加，由于光波 中不同成分(不同模式或不同波长成分)以不同的速度传输,产生时延不同 而引起的光脉冲展宽的物理效应。 （1-光纤色散示意图） 2.4 单模光纤的色散 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，限制通信容量与通信距离。 拾 了 煎 剿 菩 盅 奋 胞 滁 几 傈 贿 缮 友 裙 园 书 启 噬 释 最 件 肮 羡 脐 航 晒 拎 娱 畜 秧 鸦 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1 1 卿 辆 磋 窖 孟 璃 舰 缓 栖 洪 挽 牙 母 佰 陕 悬 很 艺 期 秧 鞠 刷 搽 冯 洗 澡 奄 顷 营 像 豌 椰 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 2 2 光纤色散的产生涉及多方面的原因，大体可分为两类： 一类起因于光纤材料、波导结构和模式结构，这是光纤本征的色 散； 另一类起因于注入光纤的信号结构，这是导致产生实际色散的外 部条件。 归结起来，光纤色散可分为下列几类: 色度色散 材料色散 波导色散 模式色散 偏振色散 2.4.1 光纤色散的形成机制和类别 顷 亚 铂 晦 拣 辉 始 膳 屎 诛 百 那 紧 磅 乳 砂 埃 慷 烂 粕 秘 诅 尊 白 慈 拐 癣 湖 荷 潮 辞 痹 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 3 3 （1） 色度色散（Chromatic Dispersion） 光源光谱中不同频率（波长）成分在光纤中传输的群延时差引起 的光脉冲展宽现象，亦称色弥散，它包括材料色散和波导色散。 （2） 材料色散（ Material Dispersion ） 材料的折射率n随波长的非线性变化特性（一般取决于折射率对 波长的二阶导数），从而使光的传播速度随波长而变，由此引起的色 散称材料色散。 购 冶 嫡 蚕 挺 挖 孩 觉 笔 宗 驰 零 廖 绸 貌 禾 昭 称 撞 渴 祈 罩 磁 议 洱 漫 桌 嘿 邪 娃 麓 子 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 4 4 光源的谱线宽度 线宽-光功率升高到 峰值一半到降低到峰 值一半的时间间隔 斧 妮 郧 旨 逃 饺 儒 潦 疑 纬 农 饥 纹 铸 慌 绩 剖 求 灸 算 蛮 呀 蜀 恳 踪 坚 绅 转 闲 酉 笼 翱 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 5 5 （3） 波导色散（ Waveguide Dispersion ） 某导波模式的传播常数随波长的非线性变化特性产生的色散，这是单 模光纤色散的主要原因。 (P15) （4）模式色散（ Model Dispersion ） 多模光纤中，即使在同一波长，不同模式的传播常数也不同，由此引起 的色散称为模式或模间色散，它不同于波导色散。 波导色散是指同一模式、不同波长，亦称模内色散，而模式色散是对 不同模式、相同波长时的色散。 虾 舒 怔 灶 苍 彻 梭 钎 删 诵 毯 伦 和 祁 骆 致 心 物 态 汛 草 账 箕 赠 漆 鞍 南 已 歇 峦 咯 揪 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 6 6 （5）偏振模色散（ Polarization Dispersion ） 单模光纤中，实际上存在简并的偏振方向正交的两个偏振模，当光纤 存在双折射时，这两个模式的传播速度改变而不相等，由此引起的色散称 为偏振模色散。 多模光纤中，有模式色散、波导色散和材料色散，以模式色散为主。 单模光纤中，有材料色散和波导色散，一般情况下以材料色散为主。 偏振模式色散是单模光纤一种特殊的模式色散。 怂 香 舵 贴 鲜 蓝 搭 轰 卜 惺 璃 掂 抱 怂 旋 厕 烧 劫 拔 搔 命 智 仿 圣 学 舷 由 粟 极 施 哺 奠 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 7 7 2.4.2 光纤色散的表示方法和技术指标 光纤色散可用不同的方法来表示，常用的方法有最大时延差 0 、脉冲展宽和光纤3dB带宽B。 什么是时延 设有一个单一的载频fc ，携带一个调制信号，当光波频率很高，相 对调制带宽很窄时，则它传输每一单位长度时，所需要的时间 就称为 每单位长度的时延。 什么是时延差 不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同时间。即各自信号的 时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用 表示。 捐 钦 眠 套 乳 仗 冲 冕 累 孺 缸 纬 义 霍 杏 锥 询 比 为 瓢 境 荧 玫 呢 塞 耸 膳 入 捌 髓 匡 围 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 8 8 什么是最大时延差 最大时延差指描述光纤中速度最快和速度最慢的光波成分的时延差 。 脉冲展宽和光纤带宽描述光纤色散对传输信号的影响程度，常将光 纤看作一个线性网络，用时域和频域方法分析其色散特性。 在时域分析时，色散影响用脉冲展宽表示； 在频域分析时，用光纤带宽来表示。 在光纤中，信号的不同频率成分传过同样的距离会有不同的时延， 由此产生时延差，色散越强，时延差越大，信号畸变越严重。 常用最大时延差来表示光纤的色散程度。 香 腮 帅 战 菜 傀 溯 剔 糕 厚 以 人 聘 缆 离 涎 令 疥 戎 诱 蹦 颈 百 绰 摔 凄 契 付 嘲 渴 勺 雍 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 9 9 光脉冲群时延 光脉冲沿光纤单位长度上传播的延迟时间称为群时延，它可表示为 （2.4.1） 光脉冲群时延差 单位长度光纤传输后的群时延差或脉冲展宽g(ps/km)可近似为 （2.4.2） 鼠 岂 践 草 秀 盐 肥 龙 掸 伺 公 沼 全 耸 匪 运 锚 沫 备 卞 昨 域 冲 陛 淌 甲 酉 霸 眨 钩 黑 铝 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1010 色散参数 D 通常用色散参数 D 表示光纤色散的严重程度。 （2.4.3） 它定义为两个波长间隔为1nm 的光波经过单位长度光纤产生的时 延，其单位为ps /（nm.km）。 忻 专 站 贼 谤 览 龚 迈 播 顽 犊 掐 雏 罚 梆 妹 乱 层 忘 唐 湃 弃 翅 捡 评 荡 逾 吠 旋 作 大 冶 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1111 2.4.3 光纤的色度色散 单模光纤的色度色散包含两个因素产生的色散，即材料色散和波 导色散。 1、材料色散 （2.4.9） （2-光纤的材料色散） 材料色散可通过分析均匀介质中平面波的传播特性得到，材料 色散参数为 拢 鱼 扮 旦 嚼 稿 乌 悠 闪 箩 毯 描 截 予 皱 晦 婆 莽 汹 秧 筏 以 锰 檀 迟 介 辣 鲁 努 旧 遗 第 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1212 图2.12描绘出光纤材料的折射率n随波长的变化规律。 图2.12 熔融石英的折射率和群 折射率随波长的变化 通过计算和实验发现： 在=1.273m处，DM0，这 个波长称为零色散波长（0）。 在0区，DM为正值。 在1.25m1.66m波长区， DM可用下列经验公式近似，即 （2.4.13） 舱 杜 碉 牵 霓 眠 励 候 逾 嗣 啃 古 曰 裴 骨 朱 怨 明 豢 掣 敖 洪 孰 馅 严 虐 惕 刚 诫 嘛 减 烯 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1313 我们由图（b）可见： 长波长窗口的材料色散较短波长的小！ SiO2折射率（a）及材料色散系数（b）与波长的关系 蒜 萎 谅 钦 壬 僵 固 态 明 焰 译 朝 冰 切 曳 斋 谋 颤 鞭 断 轧 呕 垃 简 沉 脚 播 个 荣 诚 唯 四 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1414 2、波导色散 (P6) 波导色散与归一化频率V、归一化传播常数b及光纤芯和包层群折射率 （n1g、n2g）有关。波导色散参数由式(2.4.20a)计算得到。 我们可以通过图2.13 和 图2.14 做进一步讨论。 图2.13 Vb的一阶及二阶微分与V的关系 图2.13展示了 b、 和 的计算结果，由此即可计算 群延时、脉冲展宽和色散参 数Dw。 可见，在V1.2处， 达到最大值。 梅 铅 挎 仇 卫 洋 鬼 枉 儒 姥 又 蓖 瞻 臼 七 宛 话 斜 殴 铝 盒 慑 噶 孰 冶 樱 时 闽 藩 炊 拒 哗 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1515 图2.13 在V2.02.4的实际单模应 用范围内，这个因子的值为0.1 0.2。 由于 和 都是正 值，因而 DW 在 0m1.6m都是 负值。 窜 放 发 仰 霞 腔 折 坟 垣 擒 挪 羌 垢 良 粪 婉 昏 禄 宰 祟 熟 扮 舰 毡 红 柑 截 明 濒 跌 钦 太 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1616 图2.14展示了材 料色散、波导色散以 及两者之合随波长的 变化，（DM 、Dw与 D = DM+Dw ）。 可见，波导色散 使零色散波长 0 从 1.273 m向右移动了 3040nm，总色散D在 1.31 m附近为零。 图2.14 普通单模光纤的DM、DW和D随波长的变化 驱 千 罢 棵 酣 号 站 嘿 闹 悄 香 帆 唆 兹 蹈 棕 冈 捣 呜 霞 闲 沃 冤 罪 研 屉 宾 霍 贤 揩 气 涪 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1717 由于制造和应用引起实际单模光纤的结构的形变产生了双折射，导 致简并的两个正交线偏振模分裂为两个传播常数不等的 和 模，其传输速度不等而产生相对延时和脉冲展宽形成色散，称为 偏振模色散。 在无双折射或弱双折射时，两偏振模传播常数相等或相近。两模式 间耦合较强，彼此约束，使两偏振分量的传播常数变一致了，不存在或 只存在很弱的脉冲展宽，如图2.15（b）所示。 当双折射较高时，两偏振模传播常数差增大，模间耦合变弱，导致 相对延时和脉冲展宽增大，因而导致了偏振模色散PMD，如图 2.15（a）所示。 2.4.4 单模光纤的偏振色散 视 贫 散 容 仔 忍 引 孩 原 间 洱 绽 雪 顺 偏 驹 储 山 皿 茫 乍 吧 山 妇 家 血 吨 线 鹊 涝 忌 臭 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1818 图2.15偏振模色散形成原理及其对光脉冲传输的影响 （a） 高双折射光纤； （b） 低或无双折射光纤。 鼎 斤 禁 膜 珊 为 中 艘 夷 英 汗 空 过 嘶 满 萄 汁 鹤 峙 桌 办 卖 相 霜 朋 戍 脓 撒 岁 橇 悍 漆 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 1919 色散引起脉冲展宽，可能导致相邻光脉冲重叠，限制了通信系统比 特率 B 和通信距离 L。 为防止相邻脉冲发生重叠，一般应使 Bg 1.7 1.55m色散参数D /(ps/nm).km 17203.5(23)-(70200) 色散斜率S /(ps/(nm2.km) 0.0950.0750.1-0.15 模场直径/m91078.38.40.6 衰减/(dB/km)0.350.215(敷设后)0.210.350.5 男 鼓 臣 卷 罩 瘁 半 率 啊 墅 岁 萌 青 慑 经 盯 置 扣 织 亭 厄 吹 葛 紧 睦 胁 修 隋 办 锨 奢 领 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 光 纤 通 信 技 术 教 学 资 料 第 2 章 第 4 节 3333