光纤光学讲义二

1 iC t 2 A 0, t A0 exp exp i0t 2 T0
C=0时，高斯脉冲的波形
FWHM：半极 大值全宽度或 半高全宽 T0 : 1/e强 度点的半宽
2T02 2 T02 A 0, A0 exp 1 iC 2 1 iC
意义：具有单位频率间隔的两个光波在光纤中传输单位距离 时产生的时延差。
单模光纤的色散
D=DM+DW
17ps/nm.k源自文库m@1550nm
零色散 波长
Dispersion of “Standard” Single-Mode Fiber
D
零色散 波长
< D 正常色散区 2>0, D<0 红快兰慢 光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得慢
A A 2 2 A 1 i 0 2 z t 2 t
vg d d 1 1
2 d 2 d2
传输方程是决定光脉冲在光纤中传输演 变的基本方程，表明了在光脉冲传输过 程中，其波形如何受光纤色散的影响。
1 A z, t 2 i 2 A 0, exp i z z i t 1 2 d 2
1550 nm
1550 nm 1310
匹配包层单模光纤
三角形芯型
G.656 色散平坦光纤
在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统
普通商用光纤
色散平坦光纤
相移法测量光纤色散
包层模消除器 光源 波长选择器 被测光纤 振荡器 相位计 ¡ « ¡ « ¡ « 滤波器 计算机 光检测器
传输方程
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
2w
2a
W a 0.69 1.1619 V
3 2
2.879 V
6
光纤内的模斑参量随光纤参量的变化
色散（Dispersion）的分类
模间色散
不同模式对应不同的模折射率
光 纤 色 散
材料色散
波导色散
由光源发出的进入光纤的光脉 冲包含许多不同的频率分量， 脉冲的不同频率分量将以不同 的群速度传播，因而在传输过 程中必将出现脉冲展宽，这种 现象成为群速度色散，或简称 为光纤色散。
> D 反常色散区 2<0, D>0兰快红慢 光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得快
光纤色散(dispersion)
正常色散(长波长速度快)
反常色散(短波长速度快)
G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm
办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动
传输功率法测截止波长
HE11模的模场分布
J 0 ur a J 0 u exp i z Ex E0 K 0 ur a K 0 u exp i z H y n2 0 0 Ex
偏振模色散
材料色散
•纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同波长承载的 光脉冲成分的传播速度也随波长而变化，使得光脉冲波形被展 宽，称之为材料色散。
•材料色散取决于折射率对波长的 二阶导数，即折射率随波长的非 线性变化。
•减小材料色散：选择谱宽窄的 光源
波导色散 •波导结构影响光波群速度，因为导模场分 布实际上是在纤芯和包层中都存在的，因此 光波群速度取决于两者的比例。
•通常长波长光的场分布在包层中延伸更远， 因此长波长光“经历”的材料折射率更小，其 群速度就会比短波长光更大一些。因此考虑波 导色散，长波长光传播快，短波长光传播慢。
对光纤色散的理解
光纤色散 构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象
模间色散：不同模式不同传输速度
材料色散：不同频率不同折射率 波导色散：不同频率不同模场分布 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度 群速度色散（Group－Velocity Dispersion）
2 1 iC t z A0T0 1 A z, t exp 12 2 2 2 T0 i2 z 1 iC T i z 1 iC 0 2
啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化
1/2
脉冲的线性啁啾
This pulse increases its frequency linearly in time (from red to blue).
In analogy to bird sounds, this pulse is called a "chirped" pulse.
入射无啁啾 高斯脉冲
Inter-symbol interference(ISI)
Time Slot
2.5Gb/s
Dispersion
OA
10Gb/s
速率越高，色散影响越严重！
Dispersion
OA
Dispersion Induced Power Penalty
12
ra r a
Gaussian近似
Ex A exp r 2 W 2 exp i z
模场直径MFD
对单模光纤，2a与处 于同一量级，由于衍射 效应，模场强度有相当 一部分处于包层中，不 易精确测出2a的精确值， 因而只有结构设计上的 意义，在应用中并无实 际意义，实际应用中常 用模场直径2w，即光 斑尺寸表示，近似为：
同号时2C>0，啁啾高 斯脉冲单调展宽的速度 比无啁啾脉冲的快 异号时2C<0 ， 在传输初始阶段 脉冲宽度变窄， 而后迅速展宽
无啁啾脉冲，不论色散正 负，脉宽随[1+(z/LD)2]1/2 成比例展宽
Dispersion induced limitations
Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2 Bit 1 Bit 2