第五讲 光纤的色散特性
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1-5_光纤色散
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。
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!
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!
光纤的色散特性.
Copyright Wang Yan
1-5 2019/7/17
B.
单位长度上的时延：
0
1/Vg
d
/ d
1 c
d
dk
or
0 d dk k0
0
2 2 c
d d a0
C. 时延差 n n() n()
(s/m)
设光谱宽为 f
，单位长度光纤的时延差用
延差。 单位：ps km nm
0 D ( : 光源线宽) 三、冲击响应h(t)与脉冲展宽
半高全宽 （h Full Width at Half Maximum
A.
脉冲宽度
1 e
脉冲宽度
均方根宽度
e
—FWHM）
Optical fiber communications
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。
A. 假若有一频率为f的已调光载频在光纤中传播，信号的群
速度：
Vg
d d
（包络线中心前进的速度 vg
d
）
dk
β：信号纵向相位常数，ω：角频率
Optical fiber communications
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications
§2 光纤的色散特性
1-1 2019/7/17 光纤经常选择在色散最小的工作波段 dn2 / d2 0 。所
以群速度色散在感兴趣的波长两面要变号。
光纤色散：
1 相
A. 光源的线宽 一般调制带宽
对 输 出 0.5
第5次课 4 光纤的基本理论 色散--光缆
折射率扰动主要引起4种非线性效应：
自相位调制(SPM)
交叉相位调制(XPM)
四波混频(FWM) 光孤子形成
自相位调制 SPM
SPM是指光在光纤内传输时光信号强度随时间的变化 对自身相位的作用。导致光脉冲频谱展宽，影响系统性能。
k0 n2 P Aeff P
式中：
2 n 2
单模光纤的特性参数
1、截止波长 2、模场直径（模场半径）
3、色度色散
4、高阶色散 5、偏振和偏振模色散
1、截止波长
单模光纤的截止波长是指光纤的第一个高 阶模LP11模截止时的波长。工作波长要大于单 模光纤的截止波长时，才能保证光纤工作在单 模状态。
C
2 VC n1 a 2
VC是光纤的第一个高次模LP11模的截止频率， VC = 2.405
D PM D
L
km
DPMD是光纤的偏振模色散的平均值，单位是p s
其
ps km
，
典型值为0.1～1.0
。
单模光纤分类
非色散位移单模光纤 G.652光纤
常规单模光纤:使用最广泛、在1310nm处色散为零、在 1550nm处衰减系数最小，但有最大的色散系数 低水峰单模光纤:(全波光纤)、消除了OH-损耗峰，长期的 衰减稳定性，1280-1625nm全波段传输，色散较小
g
1 d C dk0
g
d
g
d
可以推出材料色散与波导色散的表达式，这里不再 赘述。
4、高阶色散
色散对光纤所能传输的最大比特速率B的影响可利用 相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定：
g
1 B
对于光源光谱宽度为Δλ ，光纤长度为L，Δτg可以写成:
宽带接入-光纤的色散
损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。 • 衰减系数
Multi-mode 850~900nm
dB/km 5
4
3
（
2
O
E SC L U
band
-
OH
1 ）
900
nm
1200 1300 1400 1500 1600 1700
三、光纤中的色散
• 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和 模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。
λ3 λ3λ1 λ1
七、色散的影响
• 光脉冲幅度降低 • 脉宽展宽和畸变
高富帅 武松 相当于入纤信号
隧道相当于光纤
矮贫丑 武大郎 相当于出纤信号
八、总结与思考
• 通过这次的学习，我们了解了光纤的损耗以及光纤的色散。光纤的色散分 为多种，已成为影响光纤通信的距离和容量的最大因素。
• 请大家思考一下，在光纤通信技术中，我们一般采用多少波长的光进行通 信？为什么？
光纤的色散
目录
CONTENTS
01 光纤的损耗 02 光纤的色散 03 总结和思考
一、光纤的工作波长
• 光纤工作波长区有三个： • 850nm窗口 • 1310nm窗口 • 1550nm窗口
• 三个工作区的使用情况 • 850nm、1310nm波长，主要用于提供2Mb/s及以下的业务 • 1550nm波长用于异波长双工的下行通信，以及宽带的新业务
• 色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同 样的距离所需要的时间之差。
• 光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散
功率 光脉冲信号
传送L1 (km)
Multi-mode 850~900nm
dB/km 5
4
3
（
2
O
E SC L U
band
-
OH
1 ）
900
nm
1200 1300 1400 1500 1600 1700
三、光纤中的色散
• 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和 模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。
λ3 λ3λ1 λ1
七、色散的影响
• 光脉冲幅度降低 • 脉宽展宽和畸变
高富帅 武松 相当于入纤信号
隧道相当于光纤
矮贫丑 武大郎 相当于出纤信号
八、总结与思考
• 通过这次的学习，我们了解了光纤的损耗以及光纤的色散。光纤的色散分 为多种，已成为影响光纤通信的距离和容量的最大因素。
• 请大家思考一下，在光纤通信技术中，我们一般采用多少波长的光进行通 信？为什么？
光纤的色散
目录
CONTENTS
01 光纤的损耗 02 光纤的色散 03 总结和思考
一、光纤的工作波长
• 光纤工作波长区有三个： • 850nm窗口 • 1310nm窗口 • 1550nm窗口
• 三个工作区的使用情况 • 850nm、1310nm波长，主要用于提供2Mb/s及以下的业务 • 1550nm波长用于异波长双工的下行通信，以及宽带的新业务
• 色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同 样的距离所需要的时间之差。
• 光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散
功率 光脉冲信号
传送L1 (km)
光纤的基本特性衰耗、色散
光纤的基本特性衰耗、色散1、光纤的损耗光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。
光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。
光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。
1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。
a:红外和紫外吸收损耗光纤材料组成的原子系统中，一些处于｛氐能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，这种吸收的中心波长在紫外的0.16μm处，吸收峰很强，其尾巴延伸到光纤通信波段，在短波长区，吸收峰值达ldB/km,在长波长区则小得多，约O.O5dB∕km.在红外波段光纤基质材料石英玻璃的Si-O键因振动吸收能量，这种吸收带损耗在9.1μm,12.5μm及21μm处峰值可达IOdB∕km以上,因此构成了石英光纤工作波长的上限。
红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸。
但影响小于紫外吸收带。
在λ=L55μm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB∕kmβb:氢氧根离子（OH-）吸收损耗在石英光纤中，O-H键的基本谐振波长为2.73μm,与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95μm波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。
目前,由于工艺的改进,降低了氢氧根离子（OH-）浓度，这些吸收峰的影响已很小。
c:金属离子吸收损耗光纤材料中的金属杂质，如：金属离子铁（Fe3+）、铜（Cu2+）、镒（Mn3+）、镇（Ni3+）、钻（Co3+）、铭（Cr3+）等,它们的电子结构产生边带吸收峰（0.5~Llμm）,造成损耗。
现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。
在光纤材料中的杂质如氢氧根离子（OH・）、过渡金属离子（铜、铁、铭等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。
因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。
光纤的色散
光纤的色散---- 由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，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畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。
从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。
前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。
光纤色散如图2-19所示。
图2-19 光纤色散---- 单模光纤中只传输基模(主模) HE 11 ( LP 01 ),总色散由材料色散、波导色散组成。
这两种色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。
光纤的波长色散系数是单位光纤长度的波长色散，通常用表示，单位为。
光纤的波长色散总系数为：(2-77)是纯材料色散系数，为：(2-78)为波导色散系数，为：(2-79)式中，为信号的波长；为真空中的光速；为光纤材料的折射率；为信号的相位传播常数。
2．5．1 材料色散---- 材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散，如图2-20所示。
图2-20 材料色散2．5．2 波导色散---- 波导色散是模式本身的色散。
即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。
---- 波导色散是光纤波导结构参数的函数，如图2-21所示。
从图中可看出，在一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径、相对折射率差及剖面形状决定。
通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散和负色散的目的。
正是这种方法才研制出色散位移光纤、非零色散位移光纤。
图2-21 波导色散---- 图2-22为单模石英光纤中材料色散、波导色散及总色散与波长的关系。
光纤中的色散和偏振模色散PPT教学课件
2020/12/11
7
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
2020/12/11
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
2020/12/11
5
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。
2020/12/11
3
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
《光纤的色散》PPT课件
•3. 单模光纤的色散
a) 、色散系数
单模光纤中只有主模式传输，总色散包括材料色散、波导色散 和折射率剖面色散的波长色散，还有归入模式色散的偏振模色散。 如果光纤的双折射参量很小，则波长色散是主要的。
单模光纤的波长色散用D(λ)度量，即单位波长间隔的两个频率 成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差，工程中称D(λ)为色散 系数，定义为
正常 色散
反常 色散
b) 、波导色散
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。把有一定波谱宽度的光源发出 的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所 以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。
上述三类波长色散效应产生的传播时延差与光信号的 谱宽成正比，所在光源本身起决定性作用的条件下，减 小波长色散影响的最有效措施是采用窄线宽的光源。。
2) 、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。这种色散的机理 与波长色散不同，它与光信号的谱宽没有关系，仅由传 播模式间相位常数的差异导致色散效应。
光信号的频谱宽度决定于光源的线宽和调制信号的 频谱。在大多数情况下，光纤通信系统主要采用光源为L ED和LD，此时光信号的谱宽主要取决于光源的线宽。但 对于高速率的传输系统，一般采用DFB激光器作为光源 ，这时信号谱宽几乎完全决定了光信号的谱宽。
光信号在光纤中以群速度传播，群速度定义为光载波 的角频率对相位常数的微分，即
p 2
L
即总的偏振模色散与光纤长度的平方根成正比，这是与实际测
光纤的色散特性课件
单模光纤色散波谱特性曲线
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。取决于波导尺寸和纤芯包层的相 对折射率差。 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。
第五讲 光纤的色散特性
主要内容
• • • • 一、色散的定义 二、色散的种类及其产生原因 三、色散的计算分析 四、单模光纤的色散波谱特性
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。
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δ t为：
Ln1 Ln1 L n1 Ln1 t t 2 t1 ( 1) C sin 0 C C n2 C
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。 一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
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
光纤色散
m
1 n(0) 2 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。取决于光纤材料折射率的波长特性和 光源的谱线宽度。 对于谱线宽度为 Δ λ 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
L d 2n c 2 C d
二、色散的种类
• 模式色散 • 材料色散 • 波导色散
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。
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，均为， 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。
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δ t为：
Ln1 Ln1 L n1 Ln1 t t 2 t1 ( 1) C sin 0 C C n2 C
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。 一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
光纤传输中的色散特性
色散展宽：
三维图
脉冲展宽的成因
我们从麦克斯韦方程出发，得到光脉冲振幅 A 在时域中的表达式为：
A % ( z ,t ) 2 1 A % ( 0 , ) e i te x p [ ( 2 i 2 A % 2 6 13 A % 3 ) z ] d (1)
为了简化计算，我们忽略三阶色散，并且只考虑单模光纤下情况。那么 上式包络在z处的脉冲持续时间可以写成半峰宽度（FHWM）的形式，即
光纤色散补偿技术
色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤 的传输容量。对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散， 在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。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，因而对色散补偿的研究是一项 极有意义的课题。
谢谢 观赏
1
d d 0
1
Vg
为群速度色散的倒数
2
d 2 d 2
0
为群速度色散(GVD)
3
d 3 d 3
为三阶色散
0
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色散补偿光纤（DCF）
L 1D 1()L 2D 2()0
(10)
色散补偿前后累积色散随距离变化的典型图样
光纤布喇格光栅色散补偿（FBG）
虚拟图像相移阵列技术(VIPA)
偏振模色散PMD补偿方法
偏振模色散的补偿技术也称均衡技术，是在接收端利用电域的技术或光 域的技术,以及光电混合的技术,对于由效应引起的信号损伤传输链路中插入光学器件来控制光的偏振态和调整延时, 从而实现 PMD 的补偿。一个完整的光域补偿器设备基本上都由三个部分 构成: 补偿单元, 反馈信号和控制单元。下图 所示为偏振模色散补偿结构 示意图。
《光纤的色散》课件
多模光纤的色散特性
1
升级成本低
2
相对于单模光纤，多模光纤的升
级成本较低，更适合大规模应用。
3
色散模小
多模光纤由于模式的相互作用， 色散模相对较小，使其更适合传 输高速数据。
传输距离短
多模光纤的色散效应会随着传输 距离的增加而加剧，限制了其传 输距离。
影响光纤色散的因素
光波频率
光波的频率对色散的影 响较大，高频率光波的 色散效应更明显。
结论和要点
• 光纤的色散是光信号在光纤中传输时的频率扩散现象。 • 光纤色散有不同的类型，包括材料色散、波导色散和偏振模色散。 • 单模光纤和多模光纤的色散特性和应用有所不同。 • 影响光纤色散的因素包括光波频率、光纤长度和光纤结构。 • 光纤色散在通信领域、光纤传感器和科学研究中有着广响色 散的程度，较长的光纤 会有更大的色散效应。
光纤结构
不同类型的光纤结构对 色散的影响也不同，如 单模光纤和多模光纤。
光纤色散的应用
1 通信领域
光纤色散可以用于增 加光纤传输的带宽和 距离。
2 光纤传感器
利用光纤色散的特性 可以制造各种类型的 光纤传感器。
3 科学研究
光纤色散的研究在光 学领域具有重要的科 学价值。
《光纤的色散》PPT课件
本课件将讨论光纤的色散现象，包括不同类型的色散、单模光纤和多模光纤 的色散特性，以及影响光纤色散的因素。
什么是光纤的色散
1 定义
光纤的色散是光信号在光纤中传输时，由于折射率的变化而引起的频率扩散。
2 类型
光纤的色散可以分为色散波长短和色散速度快慢的两种类型。
几种不同的色散类型
材料色散
由于不同材料的折射率随波 长变化的不同而引起的频率 扩散。
光纤的色散特性
思考
1.已知一光纤对于1310nm波长是单模传输，当传输850nm波 长和1550nm波长的光波时，其色散特性有何不同？
2.在什么条件下，光纤的色散为零？ 3.倘若光纤端面折射率分布为三角形，与平方律折射率分布 光纤相比，哪种波导色散大？为什么？
种改进的DSF，在光纤制作中，适当控制掺杂量，大到足以抑制DWDM中的四波 混频，小到足以允许单信道10Gb/s，而不需色散补偿。适用于10Gb/s以上速率 DWDM传输，是大容量传输的DWDM系统用光纤的理想选择。
三种光纤色散情况比较
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95% 18
色散补偿
色散补偿方案： 非色散位移光纤（NDSF）：单模光纤，零色散波长1.3um；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（DSF）:通过改变折射率剖面形状增大波导色散，使
零色散点往长波长方向移动：1.55um。四波混频（FWM）是主要的问题, 适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于 DWDM应用。 非零色散位移光纤（NZ－DSF）：Lucent：1.53um；Corning：>1.57um。一
偏振模色散(PMD)
基模两个互相正交的偏振模的传输速度不同导致光脉冲展宽， 称之为偏振模色散（Polarization Mode Dispersion，PMD）。
• • • • •
应力、温度、弯曲使光纤不具备圆柱的对称性，引入双折射效应； 光纤中传输的光脉冲激励了多个偏振模式； 各个偏振模式在光纤中传输速度不同； 对于高速率（>10Gbit/s）的传输系统，PMD越严重； 由于PMD的随机性，一般只能对PMD的平均值进行补偿。
光纤的色散特性
C. 脉冲宽度：当输入零宽度的 (t)脉冲时，其输出波形h（t）。 脉冲宽度： δ 脉冲时，其输出波形 （ ）。 示之。 因而h（t）的宽度即脉冲展宽，以σ 示之。 因而 （ ）的宽度即脉冲展宽，
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 = ）
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 = ）
第五讲 光纤的色散特性
t
t2
t1
Ln1
C sin 0
Ln1 C
L C
( n1 n2
1)
Ln1 C
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。
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=源自Ln1C sin 0
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：
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。取决于波导尺寸和纤芯包层的相 对折射率差。
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。
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
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单模光纤色散波谱特性曲线
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) C2材料 Nhomakorabea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。取决于光纤材料折射率的波长特性和
光源的谱线宽度。
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
t
t2
t1
Ln1
C sin 0
Ln1 C
L C
( n1 n2
1)
Ln1 C
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。
二、色散的种类
• 模式色散 • 材料色散 • 波导色散
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。
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，均为， 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。
第五讲 光纤的色散特性
主要内容
• 一、色散的定义 • 二、色散的种类及其产生原因 • 三、色散的计算分析 • 四、单模光纤的色散波谱特性
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。
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：
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。取决于波导尺寸和纤芯包层的相 对折射率差。
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。