1-5_光纤色散
常用光纤色散系数-电缆情缘网
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1980年制出低衰减光纤，在1550nm的衰减系数为0.20dB/km接近理论值。 与此同时，开发出适用于长波长地光源：激光器、发光管、光检测器。 成缆、无源器件、测试仪表等技术日趋成熟。 1981年以后，世界各发达国家将光通信技术大规模推入商用。历经近 20年，光纤通信速率由1978年地45Mbit/s提高到目前地40Gbit/s。
2003年12月20日
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(6)光纤的机械特性
拉力强度：由光纤表面的微裂纹决定 筛选应力：0.69GPa
静态疲劳：微裂纹、水分和一定的应力
(7)光纤的非线性效应
在带有掺铒放大器密集波分复用大容量、超高速的光纤通信系统中，由 于大的光功率引起信号与光纤的相互作用而产生各种非线性效应。 非线性效应种类： 自相位调制效应(SPM) 受激拉曼散射(SRS) 四波混频(FWM)
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n2
n1
（a）阶跃型单模光纤
n2
n1 （b）阶跃型多模光纤
n2
N(r) （c）渐变型多模光纤
几种主要的光纤
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ITU-T与IEC命名对应关系
名称 非色散位移单模光纤 ITU-T IEC B1.1、B1.3
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(8)偏振模色散(PMD)
在单模光纤传输中，光波的基模含有两个相互垂直的偏振态，以不同的 速度传播，到达光纤另一端的时间差，即为PMD(ps/km1/2)。 产生原因：纤芯或包层的不对称性和玻璃表面的应力、外部应力、弯 曲、扭曲等。 影响：10Gbit/s及更高速率系统，限制系统性能，脉冲展宽或造成过低 的信噪比(SNR)。 参考数据：G.652A、G.652C、G.655A、G.655B四种光纤PMD值为0.5， G.652B、D、G.655C为0.2。 参考公式: 限制系统传输距离：Lmax=10000/(PMD*B)2------PMD单位ps/km1/2 ------B单位Gb/s 或1/(10*PMD *B)2------ PMD单位s/km1/2 ------B单位bit/s
光纤色散定义
光纤色散定义
光纤色散是指在光纤中，不同波长（或频率）的光信号在传输过程中，由于传播速度的不同，导致到达接收端的时间不同，从而使光脉冲发生展宽的现象。
这种现象会影响光纤通信系统的传输质量和传输距离。
光纤色散主要有以下几种类型：
1. 模式色散：在多模光纤中，由于不同模式的光在光纤中的传播路径和速度不同，导致模式色散。
2. 材料色散：由于光纤材料对不同波长的光的折射率不同，导致不同波长的光在光纤中的传播速度不同，从而产生材料色散。
3. 波导色散：在单模光纤中，由于光的波长与光纤的核心直径相近，导致光的传播速度受到影响，从而产生波导色散。
4. 极化模色散：在单模光纤中，由于光的两个正交偏振模式的传播常数不同，导致色散。
这些色散都会对光纤通信系统的性能产生影响，因此在设计和使用光纤通信系统时，需要考虑如何减小色散的影响。
光纤的色散波长范围
光纤的色散波长范围
光纤的色散波长范围取决于它的材料、制造工艺和设计。
光纤的色散分为色散波长和色散量两种。
1. 色散波长（Dispersion wavelength）：光纤在这个波长附近的色散效应最为显著。
不同材料的光纤具有不同的色散波长范围。
- 单模光纤：单模光纤的色散波长范围通常在1.26μm至1.64μm之间。
这个范围内的光纤称为C波段光纤。
- 多模光纤：多模光纤的色散波长范围通常在0.8μm至1.4μm之间。
这个范围内的光纤称为通用光纤。
2. 色散量（Dispersion）：光纤在特定波长下的色散量用来描述光信号在光纤中传播时的色散现象。
色散量通常以补偿模的传输距离（Dispersion Compensated Fiber Length）来表示。
不同材料、制造工艺和设计的光纤具有不同的色散量。
总结来说，光纤的色散波长范围可以根据材料和设计进行调整，但常见的单模光纤的色散波长范围是在1.26μm至1.64μm之间，多模光纤的色散波长范围通常在0.8μm至1.4μm之间。
光纤色散
n1 n1 − n2 n1 ⋅ Δ = ⋅ ≈ c n2 c
模式色散的计算－波动光学方法
光纤中传输的基模为 LP01 模，模式的传输常数为 β 01 光纤中传输的最高次模为 LPmn 模，模式的传输常数为 β mn 单位长度上的传输群时延为：
τ mn
dβ mn = dω
多模光纤的模式色散为：
d ( β mn − β 01 ) τ = τ mn − τ 01 = dω
抛物型折射率分布多模光纤 抛物型光纤的群时延<<阶跃光纤的群时延
n1Δ Δτ 2 = 2c
2
n1Δ Δτ 1 = c
Δτ 2 Δ = << 1 Δτ 1 2
抛物型光纤中的自聚焦效应
纤芯折射率沿r方向渐变，选择抛物型折射率分布，从而使 全部射线以同样的轴向速度在光纤中传输，有效消除了模 式色散，这种现象称为自聚焦现象。 这种光纤称为自聚焦光纤。
频域分析
在光纤中沿着Z方向传输的载有信号的线偏振的电磁波可表示为：
ω 0 对应的传输常数
E (u , v, z , t ) = A( z , t )ψ (u , v) exp[ j (ω 0t − β 0 z )]
光信号的幅度，与损耗有关 横向坐标
A(0,t) = f(t)
光信号的中心频率， 具有一定的光谱宽度
群时延、群折射率与群速度
无限大介质中
β=
λ =
2π
λ
c f
n
2πfn wn = β= c c
材料色散
dτ 1 ⎛ dn d 2n ⎞ ω d 2n β2 = = ⎜2 ⎜ dω + ω dω 2 ⎟ ≈ c dω 2 ⎟ dω c ⎝ ⎠
群时延
光纤的色散及降低色散的措施
(3.20)
它决定一阶群（速度）色散，称作色散参量，它是由于Vg 与 有关引起的（许多
书中称此参量为二阶色散，它是从 () 对 的二阶微商定义的，而从式 ()
v 看， 与相速度对 的二阶微商有关，因此称作二阶色散；但是从群速度看 与
群速度对 的一阶微商有关，因此称作一阶群色散）。第三项系数 为二阶群色散 （有些人称此为三阶色散，这是从相速度对频率的三阶微商而得名）。
反常色散： 0 ， dVg 0 ， D 0 d
(3.23b)
1.2 色散位移光纤（DSF）和非零色散位移光纤（NZ—DSF）
由于总色度色散是由材料色散和波导色散构成的， 材料色散基本不能改变，而波导色散是由波导结构尺寸 决定的，最简单的改变波导色散的办法就是改变芯径尺 寸。纤芯直径下降可使波导色散下降（数值更负），从而 总色散零点就可向长波长移动，这就是色散位移光纤 （DSF）。更复杂的波导结构，如多包层结构也可使色散 零点向长波长移动。 人们一度认为色散位移光纤是最理想的光纤，限制光纤传 输特性(比特率距离积 )的两大因素，衰减和色散在
6. 用单模光纤消除模式色散 单模光纤是在给定工作波长内只能传输单一基模的光纤。前面有关
阶跃折射率光纤的讨论中已经指出，当满足单模传输条件时，光纤中只 能传输 LP01模(即矢量模的 HE11 模)，此种光纤即称作单模光纤。
为了满足单模传输条件(归一化频率V 2.40483),V 要足够小，即在 光纤材料（包括纤芯和包层材料）和工作波长一定的条件下，纤芯半径 a
由式(3.20)可进一步得到
d
d
(1/Vg )
1 Vg2
dVg
d
(3.21)
在光纤通信技术中常用色散系数 D 表示群色散，定义为：
光纤中的色散和偏振模色散PPT教学课件
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其他形状的脉冲
高斯形状的光脉冲，经过傅里叶变换后仍为高 斯型，即频谱在载波频率附近服从高斯分布。实 际上，光通信中的脉冲并不是严格的高斯脉冲， 脉冲形状的变化导致频谱分布的变化，因而会影 响到在色散介质中传输后脉冲的展宽。图7.3展示 了三种不同脉冲的展宽。它们是梯形脉冲，高斯 脉冲和余弦脉冲。注意它们有不同的频谱分布和 不同脉冲展宽。梯形脉冲具有最宽的频带宽度，
式中 F是高斯包络ex tp 2的傅里叶变换
F 4 1e x p 4 2
（7.2-3）
在上面的公式中，忽略了波函数u0x,y。波函数
在信号频带范围内保持不变时，这种忽略是合理
的。注意，高斯函数的频谱函数也是高斯函数。
可以把式（7.2-2）看成是谐波场的集合，每个谐
波都是其独特的频率
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激发。这里的 u0x,y是一个约束模式的波函数，
是常数， 0 是光载波的频率。考虑慢变包络的情 形以使包络包含多个光振荡，这种情形对应于
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12 0。我们可以把输入脉冲 E x ,y ,z 0 ,t表示
为傅里叶积分的形式
E z 0 , t e ix 0 t F p e i t d （7.2-2）
就是众所周知的群速度色散（GVD）。在光电子
学中，我们经常要处理光波在各种光学系统中的
传输，包括光纤，调制器，以及放大器。在这样
一个普通光学系统中的群速度色散，可以通过相
移是频率的函数来描述。
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7.2 色散介质中的光脉冲传播
事实上在现代通信中，光纤中所携带的载流子 基本上都是以数字脉冲的形式存在的，每个脉冲 代表一个比特的信息。因此，脉冲越窄，在一个 给定的时隙中就能容纳更多的脉冲，更多的数据 （比特）就能在时隙中传输。实际上，现代通信 系统的脉冲宽度窄至 311 0s 1，数据速率超过1010bits 在一个 10Gbs的系统中，每秒钟就有100亿个比特。 窄脉冲高速度的趋势一直不会衰减。进一步降低
光纤色散及补偿方法简述
目录1色散的基本概念 (3)1.1基本概念 (3)1.2光纤中色散的种类 (3)1.3光纤色散表示法 (3)1.4单模光纤的色散系数 (4)1.5光纤色散造成的系统性能损伤 (4)1.6减小色散的技术 (4)1.7偏振模色散（PMD） (6)2非线性问题 (7)关键词：光纤色散色散补偿摘要：本资料介绍了光纤的色散以及色散补偿方法。
缩略语清单：无。
参考资料清单：无。
光纤色散及补偿方法简述当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。
EDFA的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。
然而光纤的色散影响仍然是制约因素之一，加之引入光放大器使光信号功率提高之后，光纤的非线性影响又突显出来。
1 色散的基本概念1.1 基本概念光纤色散是由于光纤所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。
所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。
所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。
1.2 光纤中色散的种类光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散。
材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。
材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所所应的群速度不同，引起脉冲展宽。
波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。
材料色散和波导色散在单模光纤和多模光纤中均存在。
模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。
模式色散主要存在于多模光纤中。
简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。
1.3 光纤色散表示法在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严重。
因而，常用时延差来表示色散程度。
时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。
光纤色散的产生和解决方法
光纤色散的产生和解决方法由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种不同模式成分，在传输的过程中，因速度不同而互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。
光纤色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。
色散的原理色散是光纤的一个重要参数，降低光纤的色散，对增加通信容量，延长通信距离，发展高速光纤通信和其它新型光纤通信技术都是至关重要的。
光纤的色散主要由两方面引起：一是光源发出的并不是单色光。
二是调制信号有一定的带宽。
实际上光源发出的光不是单色的，有一定的波长范围，这个范围就是光源的线宽。
在对光源进行调制时，可认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。
一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。
进入光纤中去的是一个调制了的光谱，如果是单模光纤，它将激发出基模。
如果是多模光纤，则激发出大量模式。
由此可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。
色散的分类模间色散在多模光纤中，即使是同一波长，不同模式的光由于传播速度的不同而引起的色散称为模式色散。
色度色散指光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。
偏振模色散单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模。
当光纤存在双折射时，这两个模式的传输速度不同而引起的色散称为偏振模色散。
偏振模色散的形成一个信号脉冲沿着理想的对称圆形单模光纤，在不受外界干扰情况下进行传输数据时，光纤输入端的光脉冲可分裂成两个垂直的偏振输出脉冲，以相同的的传播速度进行传输，并同时到达光纤输出端。
这两个脉冲叠加在一起后，重现出它们在光纤输入端时的偏振状态，形成光的双折射，即引起偏振模色散。
偏振模色散将引起高速光脉冲畸变，制约传输距离，是高速光纤通信的主要技术难点之一。
光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。
第五章光纤色散 ppt课件
A(z, )
A(0,
)
exp
j 2
22 z
频率响应函数H(Ω)
输入脉冲的傅立叶脉冲的时域表达式
A(z, T) 1
主要内容
第一节 概述 第二节 单模光纤中的色散 第三节 光信号在色散光纤中的传输 第四节 色散优化光纤 第五节 偏振模色散
一.频域分析
光纤中沿z方向传输的载波中心频率为ω0的线偏振的电磁波可表示为：
横向坐标
0 对应的传输常数
E(u, v, z,t) A(z,t) (u, v) exp[ j(0t 0z)]
2
E(u, v, z,) A(z, 0 ) (u, v) exp[ j0z)]
构成A(z,t)的各频率成分
A( z, t )
A(z, 0 )
傅立叶变换
Az,t
1
2
A(z,
0 ) exp j
0 td
A(z, 0) A z,t exp j 0 t dt
E(u, v, z,)
t2 [k02n2 ( ) 2 ( )] 0
2
j0
A(z, 0 )
z
(
2
2 0
)
A(
z,
0)
0
标量波动方程
光信号在频域的传输方程
横向场分布 模式特征方程 不同频率下模式传输常数
表明了信号中各频率成分 在光纤中的传输性质
光信号的频域 传输方程推导思路
E(u, v, z, ) A(z, 0 ) (u, v) exp[ j0 z)] E Ae j0z
当光信号谱宽较小时，即 略去3以上的高阶色散 ()
( )
0
0
1( 0)
1 2
光纤的损耗及色散
光纤的损耗及色散一、光纤的损耗光纤的损耗是光纤的重要特性，它是光在光纤中传输一定距离后其能量损失的程度，用单位长度的光纤对光信号损失的分贝数表示，单位为dB/k。
光纤的损耗与光的波长有关，在石英类光纤的损耗与传输光的光波长的变化曲线中，有三个极小值，常把这三个波长称为石英光纤传输的三个窗口。
这三个波长中，0.85μm处损耗最大，1.31um处损耗次之，1.55μm处损耗最小。
光纤损耗产生的原因，一是光纤材料本身的吸收、散射的内因，二是与制造工艺有关的外因，例如材料不纯、水汽、气泡的原因，以及结构不齐的原因。
有一种无水峰光纤。
性能比较好。
光纤的温度系统很小，光纤损耗随温度的变化可以不予考虑，但在较低温度下，损耗有明显增加。
二、光纤的色散光纤的色散是指输入信号中包含的不同频率或不同模式的光在光纤中传播的速度不同：不能同时到达输出端，使输出波形展宽变形、形成失真的现象。
色散是时域上的反映，带宽是频域上的反映。
由于色散的存在，光信号在传输一定距离后，就会使展宽波形到不可辨认的程度，严重影响模拟信号的传输。
在数字信号传输时，由于色散会使脉冲变形。
色散的存在限制了光信号一次传输的距离，在传输距离相同的情况下，色散越大，单位时间内传输的信息容量越小，还会引起二次失真。
色散常用色散常数D来描写。
是指单位波长间隔的光传输单位距离的群时延差（群时延是波束的群速度的倒数，也就是波束传输单位距离所需的时间）。
色散常数表达式，如下：色散的种类有模式色散、材料色散、结构色散：1）模式色散一不同模式的光传输时间不同。
2）材料色散一折射率、波长不同，引起传输速度不同。
3）结构色散一光进入包层而造成的。
根据色散的不同，有不同的光纤，例如色散位移光纤、色散平坦光纤、折射率渐变型光纤。
单模光纤与多模光纤的色散
一、概述色散是光纤的传输特性之一。
由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。
光纤的色散现象对光纤通信极为不利。
光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。
为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。
另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。
因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。
光纤的色散可分为：1．模式色散又称模间色散光纤的模式色散只存在于多模光纤中。
每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。
2．材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。
3．波导色散又称结构色散它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。
光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。
但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。
4、偏振模色散（PMD）又称光的双折射单模光纤只能传输一种基模的光。
基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。
若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。
因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。
PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。
二、色散（带宽）的描述模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）[ps/（nm·km）]。
光纤的色散与非线性效应 51页
Polarisation Mode Dispersion (PMD)
• There is usually a very slight difference in RI for each polarisation. It can be a source of dispersion, usually less than .5 ps/nm/km.
• At 1 Gbps a pulse is 1 ns long. So the system would not work. (20% is a good guideline for the acceptable limit.) But it would probably work quite well at a data rate of 155 Mbps (a pulse length of 6.5 ns).
• since a greater proportion of the wave at shorter wavelengths is confined within the core, the shorter wavelengths “see” a higher RI than do longer wavelengths. Therefore shorter wavelengths tend to travel more slowly than longer ones.
光纤中的色散和偏振模色散PPT课件
• 引言 • 光纤中的色散 • 偏振模色散 • 色散和偏振模色散在光纤通信中的应
用 • 实验和案例分析 • 结论和展望
01
引言
主题简介
色散
色散是光在光纤中传输时，不同 频率或模式的光以不同速度传播 的现象。
偏振模色散
偏振模色散是由于光纤中不同偏 振态的光以不同速度传播而引起 的。
色散产生的原因和影响
原因
01
色散的产生与光纤的材料、折射率、波长、温度等因素有关。
误码率，限制传输距离和
数据速率。
解决方法
03
采用色散补偿技术，如色散补偿光纤、啁啾脉冲等，以减小或
消除色散对信号的影响。
03
偏振模色散
偏振模色散定义
偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，简称PMD）是指光纤中两个正交偏 振模式传播速度不同而引起的脉冲展宽现象。
2. 将激光器发出的光信号通过光纤传输，并使用偏振控制器和示波器测 量光信号的偏振态和波形。
偏振模色散实验
3. 改变光纤的长度或弯曲程度，观 察光信号的偏振态和波形变化。
4. 分析实验数据，探究偏振模色散对 光信号传输的影响。
光纤通信系统中的色散和偏振模色散案例分析
案例一
长距离光纤通信系统中的色散和偏振模色散
产生原因
色散是由于光纤材料对光 的折射率随波长变化而引 起的。
影响
色散会导致光信号的脉冲 展宽，影响信号的传输质 量和距离。
色散类型
材料色散
由于光纤材料对不同波长 的光具有不同的折射率而 引起的色散。
波导色散
由于光纤的几何结构对不 同模式的信号具有不同的 传播速度而引起的色散。
光纤的色散特性
2 ∞ ∞ 2 th(t)dt ∫∞ t h(t)dt ∫∞ σ = ∞ ∞ h(t)dt ∫∞ h(t)dt ∫∞ 1 2
σin ，输出脉冲宽度σout ：
带宽B 四、频率响应H（F）与3dB带宽 频率响应 （ ） 带宽 A. H(F) =
ns/km，ps/km） ， ）
P (F) out (F P (F) in
3dB带宽 ：使H（F）降低到最大值一半时的带宽，单位长 带宽B： 带宽 （ ）降低到最大值一半时的带宽， 度光纤的基带3dB带宽常用B0表示。 度光纤的基带 带宽常用 表示。 对SMF： B0 = B L B = B0 / L ： B：MHz，GHz ： ， ， B0：MHzkm，GHzkm 以上指的是光带宽，它是由光功率来定义的。 以上指的是光带宽，它是由光功率来定义的。
∞
Optical fiber communications 1-10 2010-9-4
Copyright Wang Yan
②P
in
P (t) = ∫ h(t τ )P (τ )dτ out in = P (t) h(t) in
∞
(t)不是δ函数
∞
P (t)可用 P (t) 和h（t）的卷积得到 （） out in
在光纤中， 在光纤中，不同速度的信号经过同样的距离会有不同的时 从而产生时延差。时延差越大，色散越严重。 延，从而产生时延差。时延差越大，色散越严重。常用最大 时延差来表示光纤色散程度，简称时延差。 时延差来表示光纤色散程度，简称时延差。 A. 假若有一频率为 的已调光载频在光纤中传播，信号的群 假若有一频率为f的已调光载频在光纤中传播 的已调光载频在光纤中传播， dω 速度： 速度： dω Vg = （包络线中心前进的速度 vg = ）
单模光纤与多模光纤的色散
单模光纤与多模光纤的色散2007-10-18 08:20在对光纤进行分类时，严格地来讲应该从构成光纤的材料成分、光纤的制造方法、光纤的传输点模数、光纤横截面上的折射率分布和工作波长等方面来分类。
现在计算机网络中最常采用的分类方法是根据传输点模数的不同进行分类。
根据传输点模数的不同，光纤可分为单模光纤和多模光纤。
所谓"模"是指以一定角速度进入光纤的一束光。
单模光纤采用固体激光器做光源，多模光纤则采用发光二极管做光源。
多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散(因为每一个“模”光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散。
)，模分散技术限制了多模光纤的带宽和距离，因此，多模光纤的芯线粗，传输速度低、距离短，整体的传输性能差，但其成本比较低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。
单模光纤只能允许一束光传播，所以单模光纤没有模分散特性，因而，单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大，传输距离长，但因其需要激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散时使用。
同时，单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点，也是光纤通信与光波技术发展的必然趋势。
多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率和渐变型折射率。
以突变型折射率光纤作为传输媒介时，发光管以小于临界角发射的所有光都在光缆包层接口进行反射，并通过多次内部反射沿纤心传播。
这种类型的光缆主要适用于适度比特率的场合，多模突变型折射率光纤的散射通过使用具有可变折射率的纤心材料来减小，折射率随离开纤心的距离增加导致光沿纤心的传播好象是正弦波。
将纤心直径减小到一种波长（3-10um），可进一步改进光纤的性能，在这种情况下，所有发射的光都沿直线传播，这种光纤称为单模光纤，这种单模光纤通常使用ＩＬＤ(注入式激光二极管)作为发光组件，可操作的速率为数百Mbps。
从上述三种光纤接受的信号看，单模光纤接收的信号与输入的信号最接近，多模渐变型次之，多模突变型接收的信号散射最严重，因而它所获得的速率最低。
光纤色散原理
当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。
这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。
G.652 光纤是1310nm 窗口零色散，在1550nm 窗口存在色散，在传输10G 信号时需加色散补偿光纤，进行色散补偿；G.653 光纤是色散位移光纤，在1550nm 窗口零色散，可传输10G 的光信号，但传输WDM 波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于WDM 波分的传输。
G.655 光纤在1550nm 窗口有很小的色散，可用于SDH 光信号和WDM 信号的传输。
光纤的色散可以分为三部分，即模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散：主要对多模光纤而言，对单模光纤来说，因只有一个模式传播，不存在模式色散的问题。
定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式，而每种传输模式具有不同的传播速度和相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致，于是产生了脉冲展宽的现象，叫模式色散。
材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散。
波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。
对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位，波导色散对多模光纤的影响甚小，所以，多模光纤主要考虑其模式色散。
而单模光纤传输的是一个单模，不存在模式色散，模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散。
光纤的总色散所引起的脉冲展宽为三种色散各自平方的和后开平方。
色散主要用色散系数D(λ ) 表示。
色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。
色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。
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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。
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。
Polarisation Mode Dispersion (PMD)
There is usually a very slight difference in RI for each polarization. It can be a source of dispersion, usually less than 0.5 ps/nm/km.
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
随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
Group Velocity Dispersion (GVD)
Normal Dispersion Regime :the long wavelengths travel faster than the short ones! Thus after travelling on a fibre wavelengths at the red end of the pulse spectrum will arrive first. This is called a positive chirp!
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
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）
8
9
10
二、色散的种类
模式色散 材料色散 波导色散
模式色散
色散位移光纤
在长距离的传输中，光纤色散为零是重要 的，但不是唯一的。其它性能还有损耗小、 接续容易、成缆化容易和工作中的特性变 化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。 DSF就是在设计中，综合考虑这些因素。
G.653单模光纤（DSF）--色散位移光纤
--- G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改 变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散， 从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm 处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在 1550nm区域, 非常适合于长距离单信道光纤通信系统。 但不适用于 DWDM应用。
d d
2 2c
d 2 d2
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)
单模光纤色散波谱特性曲线
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
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
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。
结论: 适用于10Gb/s以上速率DWDM传输， 是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。
三种光纤色散情况比较
18
色散 0 ps/nm•km
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95%
正常色散区
DWDM 波长范围
1310nm
反常色散区
1550nm
波长
色散位移光纤（DSF,G.653） 非零色散位移光纤（NZDSF,G.655）
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）。
由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA） 是工作在1.55μm波段的，如果在此波段也能实现零 色散，就更有利于1.55μm波段的长距离传输。
色散位移光纤
巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结 构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3μm段的 零色散，移位到1.55μm段也构成零色散，被命名 为色散位移光纤。 （DSF：DispersionShifted Fiber）
阶跃型光纤中模式色散示意图
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
Ln1 C
=
Ln1 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
=
Ln1
C sin 0
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：
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
d 2n
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源自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。
Anomalous Dispersion Regime: the short wavelengths (blue end of the spectrum) travel faster than the long wavelengths (red end). After travel on a fibre the shorter wavelengths will arrive first. This is considered a negative chirp.
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。
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() c
The effect is to cause a circular or elliptical （椭圆的）polarization to form as the signal travels along the fiber.
Dispersion resulting from the birefringent （双折射的）properties of fiber is called “Polarization Mode Dispersion” (PMD).
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
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。
since a greater proportion of the wave at shorter wavelengths is confined within the core, the shorter wavelengths “see” a higher RI than do longer wavelengths. Therefore shorter wavelengths tend to travel more slowly than longer ones.
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。
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）
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。
低损耗 零色散 小有效面积 长距离、单信道超高速EDFA系统
适用于10Gb/s以上速率单信道传输
四波混频（FWM）是主要的问题，不利于DWDM技术
G.655单模光纤（NZ-DSF）
在1530－1565nm窗口有较低的损耗 工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应 （四波混频）的发生。 可以有正的或负的色散——海底传输系统 为DWDM系统的应用而设计的