光纤色散为什么会影响传输距离
色散对光纤通信系统的影响与补偿
编号：审定成绩：×××××××××××××××届毕业设计（论文）色散对光纤通信系统的影响与补偿设计（论文）题目：——基于Optisystem运用学院名称：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：日期：××××年××月中文摘要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。
色散是影响光纤通信质量的一个主要因素，啁啾光纤光栅色散补偿技术是一种实用的色散补偿方式，因而成为目前光纤通信领域的一个研究热点。
本论文以光纤传输通信系统为研究对象，对系统的模型，仿真方法和系统的性能进行了深入的研究和探索，通过对仿真结果的研究验证系统的性能，得到最佳系统参数，采取了较佳的方案。
论文主要工作如下：1）介绍、分析布拉格光纤光栅的基本原理及其相关基础知识；2）分析研究色散对光纤的短程及远程传输信号的影响；3）利用OptiSystem仿真软件对色散对光纤传输的影响进行适当的仿真分析。
4）利用OptiSystem仿真软件实现布拉格光纤光栅对光纤脉冲信号传输中色散的补偿作用。
关键词：光纤光栅，色散补偿，时延，带宽，补偿距离，光通信系统，OptiSystem，仿真ABSTRACT IN CHINESEDispersion is an important optical properties of the fiber, which causes optical pulse broadening, and severely limits the transmission capacity of optical fiber. Play a major role for actual use on a long haul single-mode fiber, chromatic dispersion, polarization mode dispersion in high-speed transmission, can’t be ignored. Pulses in optical fibers, the pulse width broadening the extent of degradation increases with the square of the data rate, and thus the study of the dispersion compensation is a very significant issue.So dispersion is an important factor that impact the optical communication. Chirped fiber grating is considered to be one of the most useful technology for high-bit-rate optical communication. Therefore, it has been a hot topic in recent years. The communication optical fiber transmission system, the system model, simulation method and system performance conducted in-depth study and exploration of the performance of the verification system through the simulation results, the optimal system parameters, adopted a more excellent program.The research works in the dissertation are summarized as follows:1) Introduction and analysis of the basic principles and basic knowledge of fiber Bragg gratings;2) Analyze the impact of dispersion on the short-and long-range transmission signal of the fiber;3) The use of appropriate simulation analysis the simulation OptiSystem software dispersive optical fiber transmission.4) Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in optical pulse signal transmission of OptiSystem simulation software.Key words：Optical fiber grating, the dispersion compensation and time delay, bandwidth, compensation distance, optical communication system, OptiSystem, simulation目录中文摘要 (1)ABSTRACT IN CHINESE (2)第一章绪论 (4)1.1 光纤通信的发展历程 (4)1.2 光纤通信研究的目的和意义 (5)1.3 光纤通信系统的概述 (6)第二章光纤色散与布拉格光纤光栅的补偿 (8)2.1 光色散与光时延 (8)2.1.1 光的色散、相速、群速和时延 (8)2.1.2 色散和时延 (10)2.2 光纤光栅的色散 (11)2.3 光纤光栅的色散特性及其应用 (13)第三章 OptiSystem系统仿真设计 (16)3.1 OptiSystem系统简介 (16)3.2 OptiSystem系统运用及仿真 (18)3.2.1 系统一：光纤通信光信号传输中时域与频域的变化 (18)3.2.2 系统二：光纤光栅对光信号传输中的色散补偿分析 (21)3.2.3 系统三：光纤光栅色散补偿系统改进及数据分析 (25)结论 (27)附录 (28)参考文献 (29)致谢........................................................ 错误!未定义书签。
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。
研究报告光纤色散道理
当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。
这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。
G.652,光纤是1310nm,窗口零色散，在1550nm,窗口存在色散，在传输10G,信号时需加色散补偿光纤，进行色散补偿；G.653,光纤是色散位移光纤，在1550nm,窗口零色散，可传输10G,的光信号，但传输WDM,波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于WDM,波分的传输。
G.655,光纤在1550nm,窗口有很小的色散，可用于SDH,光信号和WDM,信号的传输。
光纤的色散可以分为三部分，即模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散：主要对多模光纤而言，对单模光纤来说，因只有一个模式传播，不存在模式色散的问题。
定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式，而每种传输模式具有不同的传播速度和相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致，于是产生了脉冲展宽的现象，叫模式色散。
材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散。
波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。
对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位，波导色散对多模光纤的影响甚小，所以，多模光纤主要考虑其模式色散。
而单模光纤传输的是一个单模，不存在模式色散，模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散。
光纤的总色散所引起的脉冲展宽为三种色散各自平方的和后开平方。
色散主要用色散系数D(λ,),表示。
色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。
色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。
光纤的损耗和色散
全光放大 EDFA 拉曼放大器
掺铒光纤放大器
主要内容
光纤的损耗 色散及其引起的信号失真 单模光纤的色散优化
3.2 色散引起的信号失真
不同的频率、模式、偏振分量 色散使信号不同的成分传播速度不同，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
分类： 1. 模内色散 - 材料色散 - 波导色散 2. 模间色散 3. 偏振模色散
标准单模光纤损耗曲线
掺GeO2的低损耗、低OH¯ 含量石英光纤 AllWave：逼近本征损耗 单模：本征损耗+OH¯ 吸收损耗
OH－
AllWave fiber
0.154 dB/km
常温且未暴露 在强辐射下
商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较
多模光纤
单模光纤
多模光纤的损耗大于单模光纤： - 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大) - 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗
模内色散影响下的光纤带宽：宽谱光源
∆λ比较大的时候，单模光纤带宽：
BSMF = 1/ 4 1/ 4 = ∆T ∆λ ⋅ D(λ ) ⋅ L
1 1/ 4 ∆T = Tbit = 4 BSMF
带宽和距离乘积：
BSMF ⋅ L =
1/ 4 ∆λ ⋅ D(λ )
(Gb/s ⋅ km )
例：考虑一个工作在1550 nm的系统，光源谱宽为15 nm，使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm，那么系统带宽和距离乘积 带宽和距离乘积： 带宽和距离乘积 BL < 1 (Gb/s)·km
3.5 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
影响光纤通信传输距离的因素与对策
影响光纤通信传输距离的因素与对策摘要：光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。
因其通信容量大、传输距离长、重量轻、抗电磁干扰能力强，资源丰富、环保等优越性，已日益成为当今通信网络的中坚力量。
本文阐述了光纤传输的关键技术，结合影响传输距离的几个因素来分析可以从哪些方面入手来延长光纤通信的传输距离。
关键词：光纤通信；传输距离；影响因素，对策Abstract: the optical fiber communication is using light as an information carrier, optical fiber as the transmission way of communication. Because of its large communication capacity, long transmission distance, light weight, resistance to electromagnetic interference ability strong, rich resources, environmental protection and other advantages, has increasingly become the backbone of the communication network today. This paper expounds the key technology of optical fiber transmission, the combination of several factors affecting the transmission distance to analyze from which aspects to extend the transmission distance of optical fiber communication.Key words: optical fiber communication; Transmission distance; Influencing factors and countermeasures引言光纤作为一种具有大容量，低损耗，保密性好，抗干扰性强，材料资源丰富等优点的传导介质，使得光纤通信成为发展最快的一门通信技术，应用范围十分广泛，因此，在通信信号传输中产生的问题，也值得我们去认真思考并加以解决。
光纤传输特性和影响
2
3
光纤传输特性和影响
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
4
5
光纤传输特性和影响
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。
Mode Fiber)中插入一段或几段与其色散相 反的DCF，传输一定距离后色散达到一定的 均衡，从而把系统色散限制于规定范围内 ➢DCF的长度、位置与系统需要补偿色散的量 和其自身性能有关。
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光纤传输特性和影响 色散补偿光纤
TX
RX
传输光纤
100
总色散 (ps/km·nm)
0
50
100
150
200
➢ 冲击响应h(t)的傅里叶(Fourier)变换为
H (f) h (t)ex p j2( f) td
t
(2.43)
9
输入脉冲
t
Pi(t)≈(t)
H1(f)＝1
1
输出脉冲
光纤
1/ e1/2ຫໍສະໝຸດ 2 0ff3dB
－3
t
Po(t)＝h(t)
H2( f )＝H( f )
1l0g H( f )/dB
图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义
➢ 用相当简单的方式表示很大比值
➢ 在光通信中有三种用法：
➢ 表示功率单位(dBm) P(dBm)=10log10(P/1mW) • 1mW——0dBm
光纤色散原理
当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。
这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。
G.652 光纤是1310nm 窗口零色散，在1550nm 窗口存在色散，在传输10G 信号时需加色散补偿光纤，进行色散补偿；G.653 光纤是色散位移光纤，在1550nm 窗口零色散，可传输10G 的光信号，但传输WDM 波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于WDM 波分的传输。
G.655 光纤在1550nm 窗口有很小的色散，可用于SDH 光信号和WDM 信号的传输。
光纤的色散可以分为三部分，即模式色散、材料色散和波导色散。
模式色散：主要对多模光纤而言，对单模光纤来说，因只有一个模式传播，不存在模式色散的问题。
定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式，而每种传输模式具有不同的传播速度和相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致，于是产生了脉冲展宽的现象，叫模式色散。
材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散。
波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。
对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位，波导色散对多模光纤的影响甚小，所以，多模光纤主要考虑其模式色散。
而单模光纤传输的是一个单模，不存在模式色散，模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散。
光纤的总色散所引起的脉冲展宽为三种色散各自平方的和后开平方。
色散主要用色散系数D(λ ) 表示。
色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。
色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。
光纤传输特性和影响
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
Vd（ 2b)v0.08 0 5 .54 (2.8 93 V 4)2
d2 V
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ห้องสมุดไป่ตู้
光纤传输特性和影响
➢ 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(
➢ 由于纤芯和包层的相对折射率差Δ<<1，即 n1≈n2，由式(2.28)可以得到基模HE11的传输常 数
➢ 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
总色散系数 D ≈ Dm + Dw
DDmDw
1320
- 材料色散的影响一般大于波导色散： |Dm| > |Dw| - 波导色散系数通常为负值
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光纤传输特性和影响
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
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1、光纤色散为什么会影响传输距离
光信号再光纤中传输时不但幅度会因损耗而减小，波形也会由于信号中的发送信号调制和光源谱宽中的频率分量小，光纤步同模式分量再光纤中的群速度不同二发生愈来愈大的失真，脉冲带宽，从而限制光纤的最高信息传输速率，影响传输距离。
2、G.652--G.655的主要特点及适用场合
G.652:国内大规模使用，具有1310nm，零色散，损耗
0.3-0.4db/km
G.653:适用波分复用系统，1550nm,零色散，有四波混频效应G.655:试用波分复用光纤传输系统，1530-1565nm，少量色散，有效控制非线性效应
3、LED发光原理：半导体发光基里是，在构成半导体晶体的原子内部，存在这不同的能带。
如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将期间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。
其波长由能带差所决定。
能带差和发出光的振荡频率之间有
4、半导体激光器的工作原理
半导体激光器产生激光输出的基本条件是形成的粒子反转、提供光反馈以及满足激光振荡的阈值条件。
通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带和价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用，产生激光。
5、光纤通信特点：优点：传输频带宽，通信容量大；损耗小，中继距离远；抗电磁干扰能力强，无串话；光纤细，光缆轻；经济效应好；抗腐蚀，不怕潮湿
缺点：质地脆，机械强度低；连接比较困难，耦合不方便6、自聚焦定义
所有光纤同时到达光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期L，这种现象称为自聚焦
7、平面光波导：包层、衬底、波导薄膜
8、光纤的损耗特性：
定义：损耗是光纤的一个重要传输质量，是光纤传输系统中中继距离的组要限制因素之一
分类：材料的吸收损耗、光纤的散射损耗、辐射损耗
材料的吸收损耗：红外和紫外吸收损耗（本根吸收）、OH离子吸收损耗（杂质吸收）、金属离子吸收损耗（杂质吸收）9、光纤的色散
定义：由于信号中的各种分量在光纤中的群速度不同引起的分类：模间色散、波导色散、材料色散、偏振模色散10、单模光纤的非线性效应：
受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频、自相位调制
9、跃迁三种过程：受激吸收、自发发射、受激发射
10、噪声源
分类：光检测器噪声（量子噪声：与信号电平成正比；APD 倍增噪声；暗黑流噪声和漏电流噪声）和背景噪声
13：EDFA放大器（掺铒光纤放大器）
主要工作在C波段，由有源媒质（即掺铒石英光纤）、泵浦光源、光耦合器、光隔离器
14:波分复用（WDM）
在一条光纤上同时传输几个、几十个、甚至几千个不同波长的光载波信道，每个光载波携带不同的信息
15：简述WDM设备的两种传输方式
单纤单向：一般使用
单纤双向：节省光纤’系统复杂‘减少传输效率
16、光纤的导光特性基于光射线在芯包界面上的全反射，使光线限定在纤芯中传输
17、P-I特性：温度高时，同样工作电流下LED输出功率下降1、光发生全反射的条件：入射角大于等于临界角
1.如只要求中继器对光信号进行放大则可以：使用放大器
2.单模光纤能够支持传导模式：一个
3.光在光纤中传输的速度比在空气中传输的慢
4.非零色散移位光纤是：G.655光纤
5.单模光纤的色散：波长色散
6.普通单模光纤是：G.652光纤
7.G.652光纤在1.3um的损耗是：0.35dB
8.波导色散不是引起光纤传输衰弱的原因
9.在光纤通信系统中，当需要从光纤的主传输信道中取出一部分光作为测试用是，需要光耦合器来完成
10.光纤调制方式：强度调制（IM/DD）
11. 光纤结构：自内而外为纤芯，包层，涂覆层
12.梯度光纤分为子午光纤和斜射光纤
13.当节约光纤的归一化频率V<2.405时，实现单模传输
14.半导体光电：PIN光电二极管和APD
15.光纤分类：模式（多模和单模），折射率（阶跃和梯度）
16.损耗影响传输距离。