光纤的色散特性
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光纤的色散特性
光纤的色散特性
色散的定义 色散的种类及其产生原因 色散的计算分析 单模光纤的色散波谱特性 色散补偿技术
光纤的色散特性
色散的定义
光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随 传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不 同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响 系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散 的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不 同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的 时间差。
一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
m
1 2
n(0) C
2
光纤的色散特性
光纤的色散特性
材料色散
材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的 光时间延迟不同产生的色散。不同频率的光在光纤中的速度不同。 而所有光源发射的光都具有一定的带宽，因此一个被传输的短脉冲 会扩展开来。
材料色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。
色散受限距离短
2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km
10Gb/s系统色度色散受限距离约34km
G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论:
不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
光纤的色散特性
色散位移光纤
单模光纤的工作波长在1.3μm时，模场直径约 9μm，其传输损耗约0.3dB／km。此时，零色散波 长恰好在1.3μm处。
石英光纤中，从原材料上看1.55μm段的传输损耗 最小（约0.2dB／km）。
8
9
10
光纤的色散特性
二、色散的种类
模式色散 材料色散 波导色散
光纤的色散特性
模式色散
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。
光纤的色散特性
多模光纤中的每一个模式的能量都 以略有差别的速度传播（模间色 散），因此导致光脉冲在长距离光 纤中传播时被展宽（脉冲 展宽）
对于谱线宽度为Δλ的光波，经过长度为L的光纤后，由材料色
散引起的时延差为
c
L
C
d2n
d2
该式也可写成 c m
式中，C = 3×108m/s,是真空中的光速,
—是光源的谱线宽度
波导色散
波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生 的色散(同一模式的光，其传播常数β随λ变化而引 起的色散)。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折 射率差。
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：
t t2 t1 C s L1 i0 n n L C 1 n L C 1(n n n 1 2 1 ) L C 1 n
模式色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同。
光纤的色散特性
渐变型光纤的模式色散
渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线， 其中正弦幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光 线传输路程短，但由于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴 心处最大并沿径向逐渐减小，所以正弦幅度最大的光线 由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而正弦幅度最 小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果 在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐 变型多模光纤的模式色散较小。
光纤的色散特性
阶跃型光纤的模式色散
在阶跃型光纤中，当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。若每条 光线代表一种模式，则不同入射角的光线代表 不同的模式，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。
波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也 称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又 有模内色散，但主要以模式色散为主。而单模光 纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散， 由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。
光纤的色散特性
材料色散：不同波长的光 ，折射率不同。 波导色散：不同波长的光，传播常数不同。
D()cdd22cdd22
D()为色散系数，单位是ps/nm/km。
对于谱线宽度为的光源，波导色散产生的 总时延 差为 ＝ ·D()(ps)
光纤的色散特性
单模光纤色散波谱特性曲线
光纤的色散特性
传输使用的三种不同类型的单模光纤
G.652单模光纤（NDSF）
非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤
G.653单模光纤（DSF） DSF：DispersionShifted Fiber
随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了中继器之间的距离
光纤的色散特性
色散对传输的限制
10000
1000 600km
100 10 1
小色散光纤－理论上 小色散光纤－实际上 传统光纤－理论上 传统光纤－实际上
2
3
4
5
6
7
调 制 速 率 （ Gbps）
光纤的色散特性
色散位移光纤
G.655单模光纤（NZ-DSF） 常规G.655
非零色散位移光纤
大有效面积G.655
光纤的色散特性
G.652单模光纤（NDSF）
大多数已安装的光纤
(1)在1310nm 波长处的色散为零。 (2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm 附近其具有较大色散系数，为17ps/(nm·km)。 (3) 工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它 的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。
光纤的色散特性
阶跃型光纤中模式色散示意图
光纤的色散特性
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 光纤传播时延t1最小,等于
t1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Ln 1 C
= Ln 1 C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时
延t2是最大时延，等于：
t2
L / sin0
C/ n1
=
Ln 1 C sin 0
光纤的色散特性
对色散有4种表示方法：
1．单位长度上的群延时差，即在单位长度上 模式最先到达终点和最后到达终点的时间差。
2. 用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。
3．用光纤的冲激响应经傅氏变换得到的频率 响应的3dB带宽表示。
4．用单位长度的单位波长间隔内的平均群延 时差来表示。
光纤的色散特性
光纤的色散
光纤的色散特性
色散的定义 色散的种类及其产生原因 色散的计算分析 单模光纤的色散波谱特性 色散补偿技术
光纤的色散特性
色散的定义
光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随 传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不 同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响 系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散 的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不 同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的 时间差。
一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
m
1 2
n(0) C
2
光纤的色散特性
光纤的色散特性
材料色散
材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的 光时间延迟不同产生的色散。不同频率的光在光纤中的速度不同。 而所有光源发射的光都具有一定的带宽，因此一个被传输的短脉冲 会扩展开来。
材料色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。
色散受限距离短
2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km
10Gb/s系统色度色散受限距离约34km
G.652+DCF方案升级扩容成本高
结论:
不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s以下速率的DWDM。
光纤的色散特性
色散位移光纤
单模光纤的工作波长在1.3μm时，模场直径约 9μm，其传输损耗约0.3dB／km。此时，零色散波 长恰好在1.3μm处。
石英光纤中，从原材料上看1.55μm段的传输损耗 最小（约0.2dB／km）。
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光纤的色散特性
二、色散的种类
模式色散 材料色散 波导色散
光纤的色散特性
模式色散
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。
光纤的色散特性
多模光纤中的每一个模式的能量都 以略有差别的速度传播（模间色 散），因此导致光脉冲在长距离光 纤中传播时被展宽（脉冲 展宽）
对于谱线宽度为Δλ的光波，经过长度为L的光纤后，由材料色
散引起的时延差为
c
L
C
d2n
d2
该式也可写成 c m
式中，C = 3×108m/s,是真空中的光速,
—是光源的谱线宽度
波导色散
波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生 的色散(同一模式的光，其传播常数β随λ变化而引 起的色散)。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折 射率差。
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：
t t2 t1 C s L1 i0 n n L C 1 n L C 1(n n n 1 2 1 ) L C 1 n
模式色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同。
光纤的色散特性
渐变型光纤的模式色散
渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线， 其中正弦幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光 线传输路程短，但由于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴 心处最大并沿径向逐渐减小，所以正弦幅度最大的光线 由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而正弦幅度最 小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果 在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐 变型多模光纤的模式色散较小。
光纤的色散特性
阶跃型光纤的模式色散
在阶跃型光纤中，当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。若每条 光线代表一种模式，则不同入射角的光线代表 不同的模式，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。
波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也 称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又 有模内色散，但主要以模式色散为主。而单模光 纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散， 由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。
光纤的色散特性
材料色散：不同波长的光 ，折射率不同。 波导色散：不同波长的光，传播常数不同。
D()cdd22cdd22
D()为色散系数，单位是ps/nm/km。
对于谱线宽度为的光源，波导色散产生的 总时延 差为 ＝ ·D()(ps)
光纤的色散特性
单模光纤色散波谱特性曲线
光纤的色散特性
传输使用的三种不同类型的单模光纤
G.652单模光纤（NDSF）
非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤
G.653单模光纤（DSF） DSF：DispersionShifted Fiber
随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了中继器之间的距离
光纤的色散特性
色散对传输的限制
10000
1000 600km
100 10 1
小色散光纤－理论上 小色散光纤－实际上 传统光纤－理论上 传统光纤－实际上
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调 制 速 率 （ Gbps）
光纤的色散特性
色散位移光纤
G.655单模光纤（NZ-DSF） 常规G.655
非零色散位移光纤
大有效面积G.655
光纤的色散特性
G.652单模光纤（NDSF）
大多数已安装的光纤
(1)在1310nm 波长处的色散为零。 (2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm 附近其具有较大色散系数，为17ps/(nm·km)。 (3) 工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它 的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。
光纤的色散特性
阶跃型光纤中模式色散示意图
光纤的色散特性
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 光纤传播时延t1最小,等于
t1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Ln 1 C
= Ln 1 C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时
延t2是最大时延，等于：
t2
L / sin0
C/ n1
=
Ln 1 C sin 0
光纤的色散特性
对色散有4种表示方法：
1．单位长度上的群延时差，即在单位长度上 模式最先到达终点和最后到达终点的时间差。
2. 用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。
3．用光纤的冲激响应经傅氏变换得到的频率 响应的3dB带宽表示。
4．用单位长度的单位波长间隔内的平均群延 时差来表示。
光纤的色散特性
光纤的色散