光纤的色散特性
色散的概述
色散的补偿
色散补偿方案： 后臵色散补偿技术 前臵色散补偿技术 色散补偿滤波器 高色散补偿光纤(DCF)技术 凋啾光纤光栅色散补偿技术
色散的补偿
后臵色散补偿技术： 在接收端采用电子技术补偿因色散导致的信号畸变。 这个方法的前提是将光纤看成是线性系统，对于相干光通 信系统是可以实现的。
单模色散
光信号在光纤中以群速度传播，群速度定义为光载波的 角频率对相位常数位距离的时间，即 群时延，为 1 d vg d 则其时延展宽为
d d
d d
(
d d
)
材料色散
材料色散是由于构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是和频率有关的 函数引起的。 构成介质材料的分子、原子可看成是一个个谐振子，它们有一系列固 有的谐振频率。但在外加高频电磁场作用下，这些谐振子都将作受迫振动。 根据经典的电磁理论可以知道，这时介质的电极化率、相对介电常数或者 折射率都是频率的函数，而且都是复数。由于折射率随外加电磁场频率而 变化，所以介质呈色散特性，这就是材料色散。
光纤的色散
1 2
• 色散的概述 • 色散的分类
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4 5 6
• 单模光纤的色散
• 多模光纤的色散 • 色散的测量 • 色散的补偿技术
色散的概述
影响光信号在光纤中传输的主要因素：色散和损耗 损耗主要导致光信号幅度的衰减，是早期限制无中继 传输距离的主要因素。随着光纤制备技术的进步，特别是 近年来掺饵光纤放大器的实用化有效地补偿光功率的损耗， 使损耗已经不再是一个主要的限制因素了，所以光纤的色 散特性已经成为光纤最重要的特性指标。
8 31
z , T U 0 , e x p j T d
光纤的 色散 和波长的关系
光纤的色散和波长的关系光纤的色散与波长的关系光纤是一种能够将光信号传输的重要通信介质，其特点是传输速度快、带宽大、信号损耗小等。
然而，光纤传输过程中会出现一种现象——色散。
色散是光信号在传输过程中由于不同波长的光速度不同而导致的信号失真现象。
色散可以分为两种类型：色散分散和色散色散。
色散分散是指不同波长的光在光纤中传播速度不同，从而引起信号的时间扩散。
色散色散则是指不同波长的光在光纤中传播速度不同，从而导致信号的频率扩展。
在光纤中，色散是由于材料的色散特性和光纤结构的影响而产生的。
材料的色散特性是指不同材料对光波长的响应不同，即不同波长的光在材料中传播速度不同。
光纤结构的影响主要是指光纤的折射率剖面和光纤的直径。
波长是光的一个重要特性，可以理解为光的颜色。
不同波长的光具有不同的特点，例如红光的波长较长，紫光的波长较短。
在光纤传输中，波长与色散之间存在一定的关系。
一般来说，波长越长，色散效应越小，而波长越短，色散效应越大。
为了解释波长与色散之间的关系，可以从光的传播速度入手。
根据光的波粒二象性，光可以看作是由一系列的光子组成的。
不同波长的光子具有不同的能量，因此在光纤中传播速度也会有所不同。
根据光纤的折射率剖面和光纤直径的影响，不同波长的光子在光纤中的传播速度也会有所差异。
当光信号传输过程中遇到色散时，不同波长的光子会以不同的速度传播，从而导致信号的失真。
例如，当光信号中包含多个不同波长的光子时，由于每个光子的传播速度不同，最终的信号波形会发生变化，导致接收端无法准确还原发送端的信号。
为了减小色散效应，人们采用了一系列的技术手段。
其中一种常用的方法是使用光纤光栅。
光纤光栅是一种将光纤分成不同区段的光学元件，在每个区段中，光纤的折射率剖面会有所变化，从而改变不同波长的光子在光纤中的传播速度。
通过合理设计光纤光栅的参数，可以实现不同波长的光在光纤中的同时到达接收端，从而减小色散效应。
除了光纤光栅，还有其他一些技术手段可以减小色散效应，如使用光纤补偿器、采用特殊的光纤材料等。
光纤的分类及比较(包括各种单模光纤的色散及衰减特性)
G654
1）G654光纤又称为衰减最小光纤，这是一种应用于1550nm 波段的纯石英芯单模光纤（普通的光纤纤芯要掺锗），这种 光纤在1550nm波段衰减最小，仅为0.185dB/km。 2）G654光纤在1310nm波段的色散为0，但在1550nm处波段 色散较大，约为17-20ps/nm*km. 3)因G654光纤在1550nm波段的衰减最小特性，结合较成熟的 色散补偿技术，该光纤原主要用于超长距离的的海底光缆。 但在G655、G656成熟后，G654光纤现也基本不用，属于淘 汰产品。
2）但是零色散不利于多信道WDM传输，因为当复用的信道 数较多时，信道间距较小，这时就会产生一种称为四波混频 （FWM）的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输 波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串 扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重。 3）这种光纤适用10Gbps以上的单信道传输，但在波分复用 后会发生严重的4波混频现象，现已基本被淘汰。
光纤损耗（衰减）的定义
光纤衰减是对光信号在光纤中传输时能量损失的 一种度量，单位为dB，在工作波长为λ时的衰减 A定义为： p1 l = A( ) 10 lg (dB) p2
p1、p2分别为光纤注入端和输出端的光功率。 （ dB与dBm位长 度的衰减即衰减系数α来表示：
db与dbmlg10lg10kmdb光纤中的色散光脉冲注入光纤后长距离传输后脉冲的宽度被展宽光纤的色散严重影响了系统的误码性能并限制了光纤的色散严重影响了系统的误码性能并限制了通信系统的容量和通信距离通信系统的容量和通信距离模间色散modedispersionmodedispersion材料色散chromaticdispersionchromaticdispersion波导色散waveguidedispersion偏振模色散polarizationmodedispersionpolarizationmodedispersion光纤色散的分类
光纤的色散特性
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。
光纤的色散特性
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。
色散位移光纤
G.655单模光纤（NZ-DSF） 常规G.655
非零色散位移光纤
大有效面积G.655
光纤的色散特性
G.652单模光纤（NDSF）
大多数已安装的光纤
(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 附近其具有较大色散系数，为17ps/(nm·km)。 (3) 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。
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10
光纤的色散特性
二、色散的种类
模式色散 材料色散 波导色散
光纤的色散特性
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。
光纤的色散特性
多模光纤中的每一个模式的能量都 以略有差别的速度传播（模间色 散），因此导致光脉冲在长距离光 纤中传播时被展宽（脉冲 展宽）
波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也 称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又 有模内色散，但主要以模式色散为主。而单模光 纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散， 由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。
光纤的色散特性.
Copyright Wang Yan
1-5 2019/7/17
B.
单位长度上的时延：
0
1/Vg
d
/ d
1 c
d
dk
or
0 d dk k0
0
2 2 c
d d a0
C. 时延差 n n() n()
(s/m)
设光谱宽为 f
，单位长度光纤的时延差用
延差。 单位：ps km nm
0 D ( : 光源线宽) 三、冲击响应h(t)与脉冲展宽
半高全宽 （h Full Width at Half Maximum
A.
脉冲宽度
1 e
脉冲宽度
均方根宽度
e
—FWHM）
Optical fiber communications
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
Optical fiber communications
§2 光纤的色散特性
1-1 2019/7/17 光纤经常选择在色散最小的工作波段 dn2 / d2 0 。所
以群速度色散在感兴趣的波长两面要变号。
光纤色散：
1 相
A. 光源的线宽 一般调制带宽
对 输 出 0.5
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：
光纤的色散
的氢氧根离子的吸收。
过渡金属正离子吸收包括Cu2+，Fe2+，Cr2+，Ni2+， Mn2+，V2+，Po2+等，其电子结构产生边带吸收峰(0.5～1.1 μm)，造成损耗。 由于工艺改进，这些杂质含量低于10－9 以下，影响已忽略不计。 OH－1根负离子的吸收峰在0.95 μm、 1.23 μm和1.37 μm，由于工艺改进，降低了OH－1浓 度，吸收峰影响已忽略不计。
DWDM指密集波分复用，这是一项用来在现有的光纤骨干网 上提高带宽的激光技术。更确切地说，该技术是在一根指定 的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便利 用可以达到的传输性能（例如，达到最小程度的色散或者衰 减），这样，在给定的信息传输容量下，就可以减少所需要 的光纤的总数量。
4. G.654光纤（衰减最小光纤） 这种光纤是为了满足海底光缆长距离通信的需求而研 制的，其特点是在1.55的衰减很小，仅为0.185dB/km，
输中断。 Rc估算公式为
3n Rc 2 3/ 2 4π(n12 n2 )
2 1
（2） 光纤微弯曲是由于护套不均匀或成缆时产生不均 匀侧向压力引起的，造成光纤轴线的曲率半径重复变化。
这时弯曲的曲率半径不一定小于临界半径，但这种周期性
变化引起光纤中导模与辐射模间反复耦合，使一部分光能
量变成辐射模损耗掉，如图2-5-3所示。
3. 附加损耗 附加损耗属于来自外部的损耗， 称为应用损耗或辐 射损耗。 如在成缆、 施工安装和使用运行中使光纤扭曲、
侧压等造成光纤宏弯曲和微弯曲所形成的损耗等。 微弯
曲是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起附加损耗一 般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。 在光缆接续和施
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。
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所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δt为：
Ln1 Ln1 L n1 Ln1 ∆ ∆t = t 2 − t1 = − = ( − 1) ≈ C sin θ 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
光纤的色散特性(教材20-24）
主要内容
• • • • 一、色散的定义 二、色散的种类及其产生原因 三、色散的计算分析 四、单模光纤的色散波谱特性
色散的定义
光纤的色散是在光纤中传输的光信号， 随传输距离增加，由于不同成分的光传 输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 色散主要影响系统的传输容量，也对中 继距离有影响。色散的大小常用时延差 表示，时延差是光脉冲中不同模式或不 同波长成分传输同样距离而产生的时间 差。
该式也可写成
τ c = m ⋅ λ ⋅ ∆λ
式中，C = 3×108m/s,是真空中的光速, ∆λ —是光源的谱线宽度
波导色散
波导色散是由于波导结构参数与波长有关而 产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相 对折射率差。 波导色散和材料色散都是模式的本身色散， 也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散， 又有模内色散，但主要以模式色散为主。而单 模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导 色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常 可以忽略。
单模光纤色散波谱特性曲线
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 光纤传播时延t1最小,等于
Ln 1 Ln1 t1 = = C C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时 延t2是最大时延，等于：
L / sin θ 0 t2 = = C / n1
Ln1 C sin θ 0
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= 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Δλ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 τ c = λ ⋅ ∆λ ⋅ 2 C dλ