第八讲 光纤的色散特性

光纤的色散特性与物理特性光纤的色散特性色散的定义色散的起因色散的分类单模光纤的色散波谱特性色散补偿技术31.4.1.4光纤的色散特性1.4.1.4.1色散的物理意义根据物理光学中“色散”的定义，色散是指复色光分解成单色光而形成光谱的现象。一、色散的定义色散的概念当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料对不同波长（不同颜色）的光呈现的折射率不同，使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。一、色散的定义光纤色散的概念光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的速度不同，到达光纤终端有先有后，使光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。色散引起的脉冲展宽示意图一、色散的定义光纤色散的影响：使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难7时延：光信号在光纤中传输一段距离所需的时间时延差：信号的速度不同，即各信号的时延不同通常用最大时延差：即光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差来描述。时延差越大，脉冲展宽越大，色散就越严重。光纤色散的表示方法一、色散的定义8色散描述方式带宽（B）光纤的带宽(f为调制信号频率)9通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。可用下式表示。10为了了解光纤色散，需知道送进光纤中的信号结构。首先，送进光纤的并不是单色光。这由两方面的原因引起：一是光源发出的并不是单色光；二是光信号有一定的带宽。二、色散的起因11实际光源发出的光不是单色的(或单频的)，而是在一定的波长范围。这个范围常是光源的线宽或谱宽。二、色散的起因00.51780800820840860相对输出功率波长(nm)光源的谱宽ff一般认为光功率降低为峰值的一半所对应的波长范围即为光源的线宽或谱宽。线宽即可用波长范围△λ表示，也可用频率范围△ƒ来表示。它们的关系为：式中：λ和ƒ分别是光源的中心波长和中心频率。ff二、色散的起因13线宽越窄，光源的相干性就越强。一个理想的相干光源发出的是单频光，即具有零线宽。实际光源的线宽视光源的种类而异。二、色散的起因模式色散材料色散波导色散二、色散的种类模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。二、色散的种类模式色散阶跃型光纤中模式色散示意图光线端面的入射角小于端面临界角时，将在纤芯中形成全反射。不同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的传播速度相同，因此不同路径的光线到达输出端的时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。图中，沿光纤轴线传播的光线①传播路径最短，经过长度为L的时延t1最小,等于=路径最长的是以临界角入射的光线②，产生的时延t2是最大时延，等于：=所以光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：CLnt11CLn1102/sin/nCLt01sinCLn)1(sin21110112nnCLnCLnCLnttt材料色散是材料的折射率n是波长λ的函数，从而使光的传播速度随波长而变。由此引起的色散叫材料色散。引起材料色散的原因，是因为光源器件不是工作于单一频率，即光源器件所发出的光都有一定的谱线宽度△λ；而光纤材料的折射率并非固定不变的，它会随传输的光波波长(或光波频率)发生变化。二、色散的种类材料色散二、色散的种类材料色散掺GeO2石英玻璃的折射率-波长特性曲线的关系波导色散:波导色散Dw，单模光纤中只有约80％的光功率在纤芯中传播，20％在包层中传播。由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。二、色散的种类波导色散221.4.1.4光纤的色散特性1.4.1.4.4偏振模色散偏振模色散（PMD）也称为极化色散。由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。23单模光纤中存在着材料色散、波导色散、和偏振模色散。多模光纤除具有单模光纤中存在的各种色散外，还存在一种模式色散。模式色散＞材料色散＞波导色散＞偏振模色散