光纤课件PPT课件

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(2.44a)或
➢ T(f)=10 lg|H(f3dB)/H(0)|=-3
(2.44b)
➢ 一般， 光纤不能按线性系统处理， 但如果系统
光源的频谱宽度Δωλ比信号的频谱宽度Δωs大得
多，光纤就可以近似为线性系统。
➢ 光纤传输系统通常满足这个条件。
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光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设
Po(t)=h(t)=exp
光纤课件
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2.3.1 光纤色散
➢ 1. 色散、 带宽和脉冲展宽 ➢ 色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，
由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一 种物理效应。 ➢ 光信号包含不同的频率、模式、偏振分量
色散的种类： ➢ 模式色散 ➢ 材料色散 ➢ 波导色散 ➢ 偏振模色散
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光纤的传输特性——色散
普通商用光纤
色散平坦光纤
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不同结构参数的C(λ)示于图2.13，图中曲线相应于零色散波 长在1.31μm的常规单模光纤，零色散波长移位到1.55μm的色散 移位光纤，和在1.3~1.6μm色散变化很小的色散平坦光纤，这些 光纤的结构见图2.2(c)和图2.3(a)。
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É«É¢ / (ps¡¤(nm¡¤km) £-1)
(
t2
2
2
)
(2.45)
式中，σ为均方根(rms)脉冲宽度。
对式(2.45)进行傅里叶变换，代入式(2.44a)得到
exp（-2π2σ2f 23dB）=1/2 由式(2.46)得到3dB光带宽为
(2.46)
f3dB=
2 ln 2 1 187 (MHZ )
2
(2.47a)
用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)Δτ= 2ln 2=2.355σ， 代
色散定义：物质对不同波长光表现出不同折射率大小 （n(λ)），从而使不同波长光具有不同传输速度！
自然光的色散
自然光色散：不同波长光经历的有效折射率不同折射角不同 空间光色散
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模内色散：波导色散
信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度。 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。
所引起的脉冲展宽的均方根值。 8
➢ 如果光纤可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率
Pi(t)和输出光脉冲功率Po(t)的一般关系为
Po(t)= h(t t) pi (t)dt
(2.42)
➢ 当输入光脉冲Pi(t)=δ(t)时，输出光脉冲Po(t)=h(t)， 式中δ(t)为δ函数，h(t)称为光纤冲击响应。
C()
d d
M 2 ()
n1 V
c
d 2 (bv) dV 2
(1 )
(2.52)
上式右边第一项为材料色散
M 2 ()
c
d 2n2
d2
其值由实验确定。SiO2材料M2(λ)的近似经验公式为
M
2
()
1.23
10 10
(
1273
)(
ps
/
nm
k m))
式中，λ的单位为nm。
当λ=1273nm时，M2(λ)=0。式(2.52)第二项为波导色散，
其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型单模光纤的结构参数，当δ=0时，
相应于常规单模光纤。含V项的近似经验公式为
V
d（2 bv) dV 2
0.085
0.549 (2.834
V
)2
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标准单模光纤总的模内色散
总色散系数 D ≈ Dm + Dw
D Dm Dw
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- 材料色散的影响一般大于波导色散： |Dm| > |Dw|
入式(2.47a)得到
f3dB=
440 (MHZ)
(2.47b)
式(2.47)脉冲宽度σ和Δτ是信号通过光纤产生的脉冲展宽，
单位为ns。
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3. 单模光纤的色散
➢ 色度色散 材料色散和波导色散总称为色度色 散(Chromatic Dispersion)，常简称为色散，它 是时间延迟随波长变化产生的结果。
➢ 由于纤芯和包层的相对折射率差Δ<<1，即 n数1≈n2，由式(2.28)可以得到基模HE11的传输常
➢ β=n2 k (1+bΔ)
(2.51)
➢ 参数b在0和1之间。由式(2.51)可以推导出单
位长度光纤的时间延迟
1 d
c dk
➢ 式中，c为光速，k=2π/λ，λ为光波长。
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经简化，得到单位长度的单模光纤色散系数为
➢ 冲击响应h(t)的傅里叶(Fourier)变换为
H ( f )
h(t )
exp(
j 2ft
)dt
(2.43)
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输入 脉冲
t Pi(t)≈ (t)
H1(f)＝ 1
光纤
1
输出 脉冲
1/ e 1/2
来自百度文库
2
0
f
f3dB
－3
t Po(t)＝h(t)
H2( f )＝H( f )
10lgH( f )/dB
图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义
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➢ 一般，光纤频率响应|H(f)|随频率的增加而下降， 这表明输入信号的高频成分被光纤衰减了。
➢ 受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。
➢ 将归一化频率响应|H(f) / H(0)|下降一半或减小 3dB的频率定义为光纤3dB光带宽f3dB，由此得到
➢ |H(f3dB)/H(0)|= 1/2
➢ 如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽 (Pulse broadening)。 所以， 色散通常用3 dB 光带宽f3dB或脉冲展宽Δτ表示。
➢ 用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2
(2.41)
Δτn ——模式色散；
Δτm——材料色散；
Δτw ——波导色散
单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层
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色散对光通信系统传输性能的影响
10Gb/s非归零码(NRZ)经过普通单模光纤传输后的眼图 (D=17ps/nm/km)
叠加
0 km
60 km后
120 km后
180 km后 7 7
➢ 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的 表示方法不同。
➢ 如果信号是模拟调制的，色散限制带宽 (Bandwith)；
- 波导色散系数通常为负值
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单模光纤的色散优化设计
G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm
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
1320
1550 nm
普通商用光纤
色散位移光纤
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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