光纤的色散
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。
光纤中的色散
光纤中的色散
一、什么是光纤中的色散
光纤中的色散是指光信号的不同频率成分或不同模式分量以不同速度传播，导致信号失真和脉冲展宽的现象。
二、导致光纤的色散的因素
光纤中的色散产生基于两个方面的因素：一是进入光纤中的光信号不是单色光（光源发出的光不是单色或是调制信号具有一定的带宽）；二是光纤对光信号的色散作用。
具体来说，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。
三、影响光纤的色散的因素
1.光源的带宽：光源发出的光不是单色光，而是具有一定带宽的连续
光。
这个带宽会导致光信号中不同频率成分的传输速度不同，从而引起色散。
2.光纤的折射率：不同频率的光在光纤中的折射率不同，导致它们的
传输速度也不同，进一步引起色散。
3.光纤的长度：光纤的长度也会影响色散，因为不同长度的光纤对光信号的传输特性会有所不同。
4.光纤的材料：不同材料的光纤对光的色散效应也不同，因为材料对不同频率的光的吸收和散射特性会有所差异。
5.光纤的结构：光纤的结构也会影响色散，例如多模光纤和单模光纤对色散的影响就存在显著差异。
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
1-5_光纤色散
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
间不同，因此，造成光信号中的不同频率成分或不同模式的
光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形 畸变的一种现象。
3、表示方法：色散的大小用时延差Δ 表示 不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各 信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用Δ 表示。
n1 L c
图2-5-3 光纤微弯曲损耗
三、 光纤产品介绍
国际电信联盟－电信标准部ITU-T(Telecommunication
Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的几种光纤标准如下： 1.G.651光纤（渐变多模光纤） G.651光纤的工作波长有两种：1310nm和1550nm。在 1310nm处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系 数。按照纤芯/包层尺寸，G.651进一步分为4种，它们的纤 芯/包层直径/数值孔径分别为50/125/0.200， 62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.
2. G.652光纤（标准单模光纤/非色散位移单模光纤）
G.652是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的 传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤 的衰减率达到0.3~0.4dB/km。目前已经铺设的光缆线路 绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、 2.5Gb/s的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为 20 ps /(nm km)，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输 距离可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只 能传输50公里。
光纤的色散特性
1-1 2020/3/1
Copyright Wang Yan
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-2 2020/3/1
1、材料色散：n=n(λ) ，n是波长λ的非线性函数。
2、波导色散：同一模式的相位常数β随波长λ而变，从而引 起色散。
Copyright Wang Yan
1-4
2020/3/1
low
high
n1 c
k0
dn1
d
n2 c
k0
dn2
d
n1 c
n2 c
k0
(
dn1
d
dn2
d
)
n1 n2
cc
二、在时光延纤差中，不0 同速度的信号经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，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
1-5 2020/3/1
一、Model Dispersion
Copyright Wang Yan
1-3 2020/3/1
Group delay:
g
d d
波长相同，β不同
波长为 的光纤色散系数
波长为的光纤色散系数
光纤色散系数是指光波在光纤中传播时由于折射率的变化而引起的色散现象。
一般情况下，光纤色散系数与光波的波长有关，不同波长的光波在光纤中传播的速度和折射率不同，因此发生的色散现象也不同。
对于波长为λ的光波，其光纤色散系数可以表示为：
D(λ) = (2πc/λ^2) * [(n1-n2) / (n0*Δλ)]
其中，c为光速，n1为光波在光纤芯层的折射率，n2为光波在光纤包层的折射率，n0为真空中的折射率，Δλ为光波的带宽。
可以看出，波长越短，光波的色散现象越明显，光纤色散系数也越大。
因此，对于需要进行高速数据传输的应用，需要选用波长较长的光波或采用各种补偿技术来抵消光纤色散的影响。
色散位移光纤和零色散位移光纤
色散位移光纤和零色散位移光纤光纤是一种用于传输光信号的光导体，其内部是由一种或多种光学材料构成的。
光纤的传输特性对于光信号的传输质量起着至关重要的作用。
其中，色散是光信号在光纤中传输过程中不可避免的一个问题。
色散是指不同波长的光信号在光纤中传输速度不同，导致信号失真的现象。
光纤中的色散主要有两种类型：色散位移光纤和零色散位移光纤。
色散位移光纤是指光信号在光纤中传输时会发生位移的现象。
简单来说，不同波长的光信号在光纤中会以不同的速度传播，从而导致波形的变形。
这种变形会导致信号的失真，影响信号的传输质量。
为了解决这个问题，人们设计了色散补偿技术，其中一种方法就是使用色散位移光纤。
色散位移光纤是一种特殊的光纤，其折射率随着波长的变化而变化。
通过在光纤中引入一定的折射率剖面，可以实现不同波长的光信号在光纤中传播速度的调节，从而达到补偿色散的效果。
色散位移光纤可以有效减小光信号的色散，提高传输质量。
除了色散位移光纤，还有一种更为理想的光纤类型，即零色散位移光纤。
零色散位移光纤是一种特殊的光纤，其折射率剖面设计得非常精确，可以实现在特定波长下光信号的传输速度为零。
这意味着不同波长的光信号可以在光纤中同时到达终点，不会出现位移和变形的现象，从而实现了无色散传输。
零色散位移光纤的设计原理是通过选择适当的折射率剖面，使得不同波长的光信号在光纤中的传播速度相等。
这样一来，即使光信号经过长距离传输，也不会出现色散现象，保持信号的完整性和准确性。
零色散位移光纤在现代光通信系统中得到了广泛的应用。
它可以用于长距离信号传输，保证信号的传输质量。
同时，由于零色散位移光纤能够同时传输多个波长的光信号，因此可以实现光波分复用技术，提高光通信系统的传输容量。
总结起来，色散是光信号在光纤中传输过程中不可避免的一个问题。
为了解决色散带来的信号失真问题，人们设计了色散位移光纤和零色散位移光纤。
色散位移光纤通过引入特殊的折射率剖面，可以补偿不同波长光信号的传输速度差异，减小色散现象。
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。
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
光纤色散常数 与 群速度色散
光纤色散常数（Dispersion Parameter）和群速度色散（Group Velocity Dispersion）是描述光纤中光信号传播特性的两个重要参数。
光纤色散常数是描述光信号在光纤中传播时，不同频率成分或不同模式分量以不同速度传播而引起的信号失真的参数。
它主要包含模间色散、色度色散和偏振模色散三种情况。
其中，色度色散是由于光源中不同波长分量在光纤中的群速不同所引起的光脉冲展宽现象。
这包括材料色散和波导色散。
材料色散是由折射率对纤芯材料的波长依赖性造成的，而波导色散则是由模态传播常数对光纤参数（纤芯半径、纤芯和包层的折射率差）和信号波长的依赖性造成的。
群速度色散是一种特殊类型的色散，它发生在强限制性光纤中，主要是由于传播常数的二阶导数不为零。
在弱限制性光纤中，此二阶导数近似为零，因此不出现群速度色散。
如需了解更多关于光纤色散常数与群速度色散的信息，建议查阅光学相关书籍或咨询专业人士。
光纤的损耗和色散
2a
n12
n22
1/ 2
2a
NA
2W0 2a 0.65 1.619V 3/2 2.879V 6
增加，V减少，W0越大
宏弯带来的应用局限：Verizon的 烦恼 Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180
万用户家中，提供高速因特网和电视服务
光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减
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
色散补偿光纤 (DCF)
色散补偿光纤
TX
RX
传输光纤
100
总色散 (ps/km·nm)
0
50
100
150
200
传播长度
正负色散率搭配使系统累积色散为零
缺点：(1) 高损耗； (2) 短波长过补偿、长波长欠补偿，不宜用于WDM系统
D(
)
2c 2
2
正色散、负色散和零色散
D(
)
2c 2
2
1. 色散系数D为正：负色散 2 < 0
v高频光 > v低频光
2. 色散系数D为负：正色散 2 > 0
v高频光 < v低频光
3. 色散系数D为零：零色散
材料色散
光纤的折射率是波长的函数n()，不同的波长的传播函数不同：
可以得到传播了L后由2Dn所(带) 来的T群延L时差为：2L L n dn
第三章 光纤的损耗和色散
光纤的损耗
主要内容
色散及其引起的信号失真
单模光纤的色散优化
3.1 光纤的损耗
损耗
即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。这些损耗主要包括：
第二章光纤的色散特性ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
最大时延差是描述最快和最慢两种模式 的时延之差。
n2
①
θC
n1
②
L
20
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
多模渐变型光纤中的子午线
28
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
二、光纤色散的种类及简单计算
1、模式色散
多模渐变型光纤的模式色散表达式推导 过程比较复杂，现直接给出其表达式：
tM
Ln ( 0 ) 2
tM
n( 0 ) 2
2c
(g=2)
tM
（
g - 2）n g+2
(0)
c
（g≠2）
30
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
二、光纤色散的种类及简单计算 1、模式色散
和阶跃型光纤的模式色散作一个比较，我 们也举一个参数和前面一样的例子。如△ ＝1%，n(0)=1.5，L=1km，g=2的渐变 光纤，求得模式色散为：
变决定，单模光纤脉冲展宽主要是材料色 散的影响。在一般情况下，模式畸变对光 脉冲的影响比材料色散大得多，故单模光 纤的带宽比多模光纤大得多。
16
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
光纤的色散与非线性效应
色散位移光纤
色散补偿光纤
中途谱反转
啁啾光纤光栅
5.
4.
3.
2.
1.
色散补偿技术
Control of Spectral Width
External cavity DBR laser: < .01 nm
Using more complex signal coding rather than simple OOK.
Principle
This spectral inversion is performed by a process called “optical phase conjugation”. Devices that change the wavelength using either 4-Wave Mixing or Difference requency Generation invert the spectrum as a biproduct of their wavelength conversion function. These can be used as spectral inverters if we can tolerate the wavelength shift involved.
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.
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）。
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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。
光纤色散的大小关系
光纤色散的大小关系嘿，咱今儿来聊聊光纤色散的大小关系这档子事儿啊！你说这光纤啊，就好比是信息的高速公路，那里面跑着的数据就像一辆辆小汽车。
而这色散呢，就像是路上的一些小状况，会影响这些小汽车跑得顺不顺畅。
咱先说说模式色散。
这就好比是不同类型的车在同一条路上跑，有的车大，有的车小，它们跑起来的速度和方式都不一样，就容易互相干扰，让信息传输变得不那么顺畅啦。
你想想，如果路上跑的都是些奇奇怪怪的车，那能不乱套嘛！模式色散在多模光纤里比较明显，就像一条有点混乱的街道，各种车都在挤来挤去。
然后是材料色散呢。
这就好像是路的材质不太好，有的地方软，有的地方硬，车子跑过的时候速度就不太一样咯。
这就会让信息在传输过程中出现一些偏差。
这就像是你走在一条有点坑坑洼洼的路上，你得小心翼翼地保持平衡，不然就容易摔跤。
还有波导色散呀。
这个就像是路的形状不太规则，有的地方宽，有的地方窄，车子跑起来也会受到影响。
它和光纤的结构有关系，就好像路的设计不合理，让车子开起来不那么顺手。
那这几种色散的大小关系是咋样的呢？一般来说啊，模式色散是比较大的那个，它就像个调皮捣蛋的家伙，老是出来捣乱。
材料色散和波导色散相对来说就小一些啦，但它们也不能小瞧呀，积少成多也会出问题的哟！那咱怎么对付这些色散呢？嘿嘿，科学家们可有办法啦！他们会想各种招儿来减少这些色散的影响，让信息在光纤里跑得更欢快。
就好像给路做个大改造，让它更平坦、更宽敞、更规则，这样车子跑起来不就更爽了嘛！咱平时生活中也会遇到各种类似的情况呀。
比如说你要去一个地方，路上有各种各样的阻碍，那你就得想办法绕过去或者克服它们，才能顺利到达目的地。
这和光纤传输信息是一个道理呀！你说是不是很有意思？所以啊，可别小看这光纤色散的大小关系，它可关系到我们信息传输的速度和质量呢！咱得好好研究研究，让它为我们服务，而不是给我们找麻烦呀！这就是关于光纤色散大小关系的那些事儿，你明白了吗？。
光纤色散系数的单位为
光纤色散系数的单位为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。
光纤色散系数的定义：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。
其计算公式为：σ= δλ*D*L其中：δλ为光源的均方根谱宽，D(λ ) 为色散系数，L 为长度，现在的单模光纤色散系数一般为20ps/km.nm ，光纤长度越长，则引起的色散总值就越大。
色散系数越小越好，，因色散系数越小，根据上式可知，光纤的带宽越大，传输容量也就越大。
所以，传输2.5G 以上光信号时，要考虑光纤色散对传输距离的影响，最好采用零色散的G.653 光纤传输，但光纤色散为零时，传输WDM 波分光信号会产生四波混频等非线性效应，所以色散要小，但不能为零，最终采用的光纤为G.655 光纤来传输10G 的光信号和WDM 波分复用信号。
对于单模光纤，其带宽系数在25GHz.km 以上，但多模光纤的带宽系数一般在1GHz.km 以下。
所以，多模光纤一般用于622M 以下短距离的通信，而单模光纤可用于多种速率的通信。
ITU-T G.652 建议规定零色散波长范围为：1300nm~1324nm ，最大色散斜率为0.093ps/（nm 2 .km ），在1525~1575nm 波长范围内的色散系数约为20ps/（nm.km ）。
ITU-T G.653 建议规定零色散波长为：1550nm ，在1525~1575nm 区的色散斜率为0.085ps/（nm2 .km ）。
在1525~1575nm 波长范围内的最大色散系数为 3.5ps/（nm.km ）。
G.655 光纤在1530~1565nm 范围内的色散系数在绝对值应处于0.1~6.0 ps/（nm 2 .km ）。
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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。
总色散为材料色散、波导色散的近似相加。
从图中可以看到，在某个特定波长下，材料色散和波导色散相抵消，总色散为零。
对普通的单模光纤。
总色散为零的波长在1.31μm，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。
在波长
1.55μm，虽然损耗最低，但在该波长上的色散较大，如将零色散波长从1.31μm 移到1.55μm，这就是色散位移光纤(DSF)。
这种低损耗色散的光纤，对长距离大容量光纤通信系统十分有利。
---- 显然，为了把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，可以增加波导色散的绝对值。
图2-22 改变纤芯半径来移动零色散波长2．5．3 模式色散
--- 模式色散是指多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。
如图2-23所示。
图2-23 模式色散
--- 对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。
离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。
结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。
如图2-24所示。
图2-24 渐变型多模光纤的模式色
--- 对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。
单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。
2．5．4 非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤
1、非色散位移单模光纤ITU-T G.652
--- G.652 称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：(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附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)。
（3）这种光纤工作波长即可选在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。
2、色散位移单模光纤ITU-T G.653
--- 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。
它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。