第八讲 光纤的色散特性

一、色散的定义

光纤色散的概念 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的速 度不同，到达光纤终端有先有后，使光脉冲发生 展宽，这就是光纤的色散。
色散引起的脉冲展Βιβλιοθήκη Baidu示意图
一、色散的定义
光纤色散的影响：使信号在目的端产生码间干扰， 给信号的最后判决造成困难
一、色散的定义
光纤色散的表示方法
时延：光信号在光纤中传输一段距离所需的时间
光纤的色散特性与物 理特性
光纤的色散特性

色散的定义 色散的起因 色散的分类 单模光纤的色散波谱特性 色散补偿技术
1.4 .1 .4 光纤的色散特性
1.4.1.4.1 色散的物理意义
根据物理光学中“色散”的定义，色散是指复色光分解 成单色光而形成光谱的现象。
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一、色散的定义
色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝 紫顺序排列的彩色光谱。 这是由于棱镜材料对不同波长（不同颜色）的光 呈现的折射率不同，使光的传播速度不同和折射角度 不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。
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。 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，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。
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的时延t1最小,等于 Ln Ln t1 1 = 1 C C 路径最长的是以临界角入射的光线②，产生的时延 t2 是最大 时延，等于： L / sin 0 Ln1 = t2 C / n1 C sin 0 所以光纤中不同的模式的最大时延差Δ t为：
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二、色散的起因
为了了解光纤色散，需知道送进光纤中 的信号结构。 首先，送进光纤的并不是单色光。这由 两方面的原因引起： 一是光源发出的并不是单色光； 二是光信号有一定的带宽。
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二、色散的起因
实际光源发 出的光不是单色 的 ( 或单频的 ) ， 而是在一定的波 长范围。这个范 围常是光源的线 宽或谱宽。
1.4 .1 .4 光纤的色散特性
1.4.1.4.4 偏振模色散
偏振模色散（ PMD ）也称为极化色散。由于光信号的两 个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏 振模色散。
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单模光纤中存在着材料色散、波导色散、和偏振模色散。
多模光纤除具有单模光纤中存在的各种色散外，还存在 一种模式色散。

式中：λ 和ƒ分别是光源的 中心波长和中心频率。
二、色散的起因
线宽越窄，光源的相干性就越强。一个 理想的相干光源发出的是单频光，即具有零 线宽。实际光源的线宽视光源的种类而异。
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二、色散的种类
模式色散 材料色散 波导色散
二、色散的种类
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。 模式色散，用光的射线理论来说，就是由于 轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成 的时延差。
二、色散的种类
材料色散
掺GeO2石英玻璃的折射率-波长特性曲线的关系
二、色散的种类
波导色散 波导色散: 波导色散 D w ，单模光纤中只有约 80 ％的光功 率在纤芯中传播，20％在包层中传播。 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。
相 对 输 出 功 率
1
0.5

f 光源的谱宽 f
0 780
800
820
840
860
波长(nm)
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二、色散的起因
一般认为光功率降低为 峰值的一半 所 对应的波长范围即为光源的 线宽或谱宽 。 线宽即可用波长范围△ λ 表示，也可用频 率范围△ƒ来表示。它们的关系为：


f f
Ln1 Ln1 Ln1 n1 t t2 t1 ( 1) C sin 0 C C n2
二、色散的种类
材料色散 材料色散是材料的折射率 n 是波长 λ 的函数，从 而使光的传播速度随波长而变。由此引起的色散 叫材料色散。 引起材料色散的原因，是因为光源器件不是 工作于单一频率，即光源器件所发出的光都有一 定的谱线宽度△ λ ；而光纤材料的折射率并非固 定不变的，它会随传输的光波波长 ( 或光波频率 ) 发生变化。
模式色散＞材料色散＞波导色散＞偏振模色散
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时延差：信号的速度不同，即各信号的时延不同
通常用最大时延差： 即光纤中速度最快和最慢的 光波成分的时延之差来描述。
时延差越大，脉冲展宽越大，色散就越严重。
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色散描述方式 带宽（B）
光纤的带宽(f为调制信号频率)
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通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一 半 ( 即 3dB) 时的频率 (fc) 的大小，定义为光纤的带宽 (B) 。由于它是光功率下降 3dB 对应的频率，故也称为 3dB光带宽。可用下式表示。