光纤光学讲义二教材
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•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。
单模光纤中的偏振模色散
光纤本身固有以及外界因素导致纤芯不均匀，破坏两正 交偏振模的简并，产生双折射模传播常数对于X,Y方向 偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为模式双折射。
慢轴：模 折射率大 的轴
快轴：模 折射率小 的轴
拍长
450线偏振光在双折射光纤中偏振态 的演变
B沿轴随机变化，使入射到光纤的线偏振光很快成为 任意偏振光。一个脉冲内的不同频率分量获得不同的 偏振态，结果导致脉冲展宽。这种现象称为偏振模色 散，是高速通信系统的主要限制因素。
（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
1550 nm
1310
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
2w
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：
2a
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
W a 0.69 1.1619V 3 2 2.879V 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
材料色散
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，
纤
脉冲的不同频率分量将以不同
色
的群速度传播，因而在传输过
散wenku.baidu.com
波导色散
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。
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。
入射无啁啾 高斯脉冲
A z, t
T02
A0T0
i2z 1
iC 1
2
exp
2
1
T02
iC i
t 1z2 2z 1 iC
啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化
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
单模光纤的色散
D=DM+DW
17ps/nm.k 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
> 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
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。
A z,t 1
2
A% 0,
exp
i1z
i 2
2 z 2
it
d
A 0, t
A0
exp
1
iC
2
t T0
2
expi0t
C=0时，高斯脉冲的波形
FWHM：半极 大值全宽度或
传输功率法测截止波长
HE11模的模场分布
Ex
E0
J0 K 0
ur ur
a a
J0 u exp i z K0 u exp i z
H y n2 0 0 1 2 Ex
ra ra
Gaussian近似
Ex Aexp r2 W 2 expi z
模场直径MFD
对单模光纤，2a与处
于同一量级，由于衍射
Inter-symbol interference(ISI)
Dispersion
OA
Dispersion
OA
Dispersion Induced Power Penalty
偏振模色散(PMD)
在理想的单模光纤中，基模是由两个相互 垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这 两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的 迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。
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
Time Slot
2.5Gb/s
10Gb/s
速率越高，色散影响越严重！
偏振模色散产生的原因？
本征光纤双折射 随机的偏振模耦合 双折射的光通信器件
• 外界的挤压 • 光纤的弯曲、扭转 • 外界环境温度的变化 等
半高全宽
T0 : 1/e强 度点的半宽
°A0,
A0
2
1
T02 iC
1/ 2
exp
2T02
21 iC
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.
光纤色散
对光纤色散的理解
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）
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。
1550 nm
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
光源 振荡器
包层模消除器
光检测器
波长选择器
被测光纤
相位计 计算机
¡¡¡««« 滤波器
传输方程
A z
1
A t
i
2
2
2A t 2
0
vg d d 1 1
•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。
单模光纤中的偏振模色散
光纤本身固有以及外界因素导致纤芯不均匀，破坏两正 交偏振模的简并，产生双折射模传播常数对于X,Y方向 偏振模稍有不同，光纤的这种性质称为模式双折射。
慢轴：模 折射率大 的轴
快轴：模 折射率小 的轴
拍长
450线偏振光在双折射光纤中偏振态 的演变
B沿轴随机变化，使入射到光纤的线偏振光很快成为 任意偏振光。一个脉冲内的不同频率分量获得不同的 偏振态，结果导致脉冲展宽。这种现象称为偏振模色 散，是高速通信系统的主要限制因素。
（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
1550 nm
1310
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
2w
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：
2a
e=2.71828
电场强度 降到峰值 的1/e
E0/e
W a 0.69 1.1619V 3 2 2.879V 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
材料色散
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，
纤
脉冲的不同频率分量将以不同
色
的群速度传播，因而在传输过
散wenku.baidu.com
波导色散
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。
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。
入射无啁啾 高斯脉冲
A z, t
T02
A0T0
i2z 1
iC 1
2
exp
2
1
T02
iC i
t 1z2 2z 1 iC
啁啾高斯脉冲展宽因子T1/T0随传输距离的变化
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
单模光纤的色散
D=DM+DW
17ps/nm.k 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
> 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
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。
A z,t 1
2
A% 0,
exp
i1z
i 2
2 z 2
it
d
A 0, t
A0
exp
1
iC
2
t T0
2
expi0t
C=0时，高斯脉冲的波形
FWHM：半极 大值全宽度或
传输功率法测截止波长
HE11模的模场分布
Ex
E0
J0 K 0
ur ur
a a
J0 u exp i z K0 u exp i z
H y n2 0 0 1 2 Ex
ra ra
Gaussian近似
Ex Aexp r2 W 2 expi z
模场直径MFD
对单模光纤，2a与处
于同一量级，由于衍射
Inter-symbol interference(ISI)
Dispersion
OA
Dispersion
OA
Dispersion Induced Power Penalty
偏振模色散(PMD)
在理想的单模光纤中，基模是由两个相互 垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这 两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的 迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。
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
Time Slot
2.5Gb/s
10Gb/s
速率越高，色散影响越严重！
偏振模色散产生的原因？
本征光纤双折射 随机的偏振模耦合 双折射的光通信器件
• 外界的挤压 • 光纤的弯曲、扭转 • 外界环境温度的变化 等
半高全宽
T0 : 1/e强 度点的半宽
°A0,
A0
2
1
T02 iC
1/ 2
exp
2T02
21 iC
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.
光纤色散
对光纤色散的理解
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）
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。
1550 nm
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
光源 振荡器
包层模消除器
光检测器
波长选择器
被测光纤
相位计 计算机
¡¡¡««« 滤波器
传输方程
A z
1
A t
i
2
2
2A t 2
0
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