光纤传输中的色散特性
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。
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。
（1）光纤的损耗特性。
在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。
光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。
下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。
（2）光纤的色散特性。
色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。
光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。
①模式色散。
模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。
②材料色散。
材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。
就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。
每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。
③波导色散。
波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。
波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。
这种色散通常很小，可以忽略不计。
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。
8
9
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。
光纤的分类及比较(包括各种单模光纤的色散及衰减特性)
4 对各种单模光纤特性的比较
• G652 • G653 • G654 • G655
1 ）G652光纤又被称为标准单模光纤，这种光纤是目前应用在1310nm窗口的最广泛的零色散波长的单模光纤。
2）其特点是当工作波长在1310nm时，光纤的色散很小，约为3.5ps/nm*km,系统的传输距离基本上只受光纤衰减所限制；但在1550nm波段色散较大，约为20ps/nm*km。
1）G654光纤又称为非零色散光纤，这是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1550nm处，而在1525nm或1585nm处。 2）零色散光纤同时削减了色散效应和四波混频效应，所以非零色散光纤综合了标准单模光纤和色散位移光纤，有比较好的传输特性，特别适合于高密度的波分复用系统的传输。
G655
A(l) = 10lg p1 (dB)
p2
p1、p2分别为光纤注入端和输出端的光功率。 （ dB与dBm）
光纤损耗（衰减）的定义
若光纤是均匀的，则还可以用单位长 度的衰减即衰减系数α来表示：
a (l) = 1 A(l) = 1 10 lg p1 (dB / km)
L
L
p2
光脉冲注入光纤后，长距离传输后脉冲的宽 度被展宽
色散补偿技术
当前，发展比较成熟的、主流的色散补偿技术主要是采用色散补偿光纤（DCF）来进行色散补偿。其主要技术是在每个（或几个）光纤段的输入或输出端通过放置 DCF色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路上累积的色散接近零，从而可以使单信道1550nm外调制光纤干线的色散得到较好的补偿。
因此，对于超长距离的光纤传输，现有的色散补偿技术可以相对较好的解决色散问题，对于超远距离的传输，其首要考虑的因素是光纤的衰减特性。
ps/nm·km
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
光纤的传输特性
光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。
光纤的损耗特性*************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数〔损耗系数〕，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。
其表达式为：式中求得波长在λ 处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。
（1）光纤的损耗特性曲线•μμm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。
总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。
•从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。
目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。
（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。
这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。
包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。
散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。
物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。
光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。
另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。
3、波导散射损耗交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。
在光纤中传输的各种模式衰减不同，长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。
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：
光纤通信中的光衰减与色散机制
光纤通信中的光衰减与色散机制光纤通信是一种高速、远距离传输信息的技术，运用的是利用光纤进行信息传输的原理，它比传统的电信技术具有更快的传输速度和更高的带宽能力。
但是，光纤通信也有一些不利因素，例如光衰减和色散。
这些因素会影响通信质量和距离，因此，研究光衰减和色散机制是非常重要的。
一、光纤通信中的光衰减机制在光纤通信中，光信号需要通过光纤进行传输。
在传输过程中，光信号会受到衰减，这是因为光纤材料本身的吸收和散射作用。
另外，由于光信号的传输距离越长，信号衰减就越严重。
1.光纤本质吸收光纤本质吸收是由于光纤的材料通过分子、原子的振动、旋转和电子跳跃过程中发生的能量吸收引起的。
这种吸收是光信号的主要衰减来源之一，会随着光纤的纯度提高而降低。
2.弯曲损耗当光纤被弯曲时，由于光线传输路径发生变化，会导致光信号发生衰减。
这种损耗叫做弯曲损耗，通常在弯曲半径小于光纤直径的1-2倍时最为严重。
这就要求我们在光纤的安装和使用过程中要尽量避免弯曲和扭曲。
3.连接损耗在光纤通信系统中，由于需要进行光纤的连接，连接之间也会引起信号的衰减，这种衰减叫做连接损耗。
其大小取决于连接器和适配器的精度和质量。
4.杂散散射杂散散射是指光线在光纤中碰到颗粒、气泡等物质时释放出的光信号，这些光信号与主信号相互干扰，导致信号衰减。
因此，在光纤通信中，要尽量避免在环境中存在这样的杂散物质。
5.色散色散是指由于光的色散性质，在光纤中传输时引起的信号的扩散和失真。
关于色散的机制将在下面的内容中讨论。
二、光纤通信中的色散机制光的色散是指在介质中传播时，由于波长和群速度的不同，导致光速的差异而引起的信号失真。
光纤通信中的色散可以分为两种类型：色散和色散。
以下将对这两种色散机制作简要介绍。
1.色散色散是指不同波长的光信号，在光纤中的传播速度不同，导致信号扩散和形变的现象。
这种色散又可分为两种类型：多模色散和单模色散。
*多模色散多模光在光纤中传播时，会发生信号的色散现象。
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1
d d 0
1
Vg
为群速度色散的倒数
2
d 2 d 2
0
为群速度色散(GVD)
3
d 3 d 3
为三阶色散
0
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(z)0
1(42zIn2)2 02
(2)
群速度色散：
2c d2 D(d2)0
2c2
其中，
0
(2In2)1/2
(3)
飛び
那么传播一段距离L后，脉冲宽度表达式为：
(L)0 1(2Inc2D L02 2)2
(4)
在 DL2 02 下，上式化简为：
(L) 2In2 DL2
(5)
c 0
我们可以把式(5)改写成：
光域补偿
光域补偿是在光纤传输链路中插入光学器件来控制光的偏振态和调整延时, 从而实现 PMD 的补偿。一个完整的光域补偿器设备基本上都由三个部分 构成: 补偿单元, 反馈信号和控制单元。下图 所示为偏振模色散补偿结构 示意图。
色散补偿技术的展望
(1)色散管理光缆系统 (2)色散补偿光纤放大器 (3)动态可调谐色散补偿器件
电域补偿
电域补偿是最先出现的偏振模色散补偿方案, 它利用分集接收技术分别接 收不同的偏振分量后, 再在接收电路中分别插入不同的相移达到消除偏振模色 散的目的。
优点：结构紧凑, 性能稳定, 技术比较成熟, 缺点：补偿能力不可避免的要受到电子瓶颈的限制, 响应速率不高, 对 40Gbit/s 及以上传输系统不适用。
色散补偿光纤（DCF）
L 1D 1()L 2D 2()0
(10)
色散补偿前后累积色散随距离变化的典型图样
光纤布喇格光栅色散补偿（FBG）
虚拟图像相移阵列技术(VIPA)
偏振模色散PMD补偿方法
偏振模色散的补偿技术也称均衡技术，是在接收端利用电域的技术或光 域的技术,以及光电混合的技术,对于由效应引起的信号损伤进行恢复。
光纤色散补偿技术
色散是光纤的一种重要的光学特性，它引起光脉冲的展宽，严重限制了光纤 的传输容量。对于在长途干线上实际使用的单模光纤，起主要作用的是色度色散， 在高速传输时偏振模色散也是不可忽视的因素。随着脉冲在光纤中传输，脉冲的 宽度被展宽，劣化的程度随数据速率的平方增大，因而对色散补偿的研究是一项 极有意义的课题。
光纤传输中的色散
主要内容
• 历史背景及发展现状 • 色散的现状
数据业务爆炸式增长 单信道速率正向40Gbit/s，甚至更高速率发展 影响光纤通信系统的因素
622M
2.5G
色散的定义：
色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速 度不同 ,而引起传输信号畸变的一种物理现象。在光纤中 ,脉冲色散越小 , 它所携带的信息容量就越大。其链路的色散累积直接影响系统的传输性能 , 这在波分复用(WDM)系统中尤为重要。
D L
(6)
其中
2 In 2
c
2 0
(7)
色散的测量
相移法测量单模光纤色散的实验原理示意图
2N i(2N2)
i1i d D()
(8)
i1i d
单模光纤色散测量实验装置示意图
光纤色散种类
材料色散 波导色散 偏振模色散 模式色散
单模光纤总色散导致的脉冲展宽为：
t m a t w P M D [ D m a t () D w () ] L D P M D L(9)
色散展宽：
三维图
脉冲展宽的成因
我们从麦克斯韦方程出发，得到光脉冲振幅 A 在时域中的表达式为：
A % ( z ,t ) 2 1 A % ( 0 , ) e i te x p [ ( 2 i 2 A % 2 6 13 A % 3 ) z ] d (1)
为了简化计算，我们忽略三阶色散，并且只考虑单模光纤下情况。那么 上式包络在z处的脉冲持续时间可以写成半峰宽度（FHWM）的形式，即