单模光纤色散
单模光纤传输色散的主要原因
单模光纤传输色散的主要原因单模光纤是一种用于光通信的传输介质，它具有传输带宽大、传输损耗小的优势，因此被广泛应用于长距离的光通信系统中。
然而，在光纤传输过程中，会出现一种现象称为色散，它会影响信号的传输质量和距离。
本文将介绍色散的主要原因以及对光纤传输的影响。
色散是指光信号在传输过程中不同波长的光的传播速度不同，从而导致光信号发生扩散现象。
色散的主要原因可以归结为两点：色散介质的折射率对波长的依赖性以及光纤的结构特性。
色散介质的折射率对波长的依赖性是导致色散的主要原因之一。
在光纤中，光信号是通过光的全反射来进行传输的。
而光在光纤中的传播速度与介质的折射率有关。
不同波长的光在同一介质中的折射率是不同的，这就导致了不同波长的光在传输过程中会出现不同的传播速度。
当光信号中包含多个波长的光同时传输时，由于波长的差异，它们会以不同的速度传播，从而导致光信号的扩散现象，即色散。
光纤的结构特性也会影响光信号的传输质量和距离。
光纤是由芯和包层构成的，芯是光信号传输的核心部分，而包层则用于保护和引导光信号。
而光纤的结构特性主要体现在芯的直径和包层的折射率上。
当光纤的芯直径较大时，光信号在传输过程中会发生多次反射，从而导致不同路径的光信号传播时间不同，进而引起色散现象。
此外，包层的折射率也会影响光信号的传输速度，当包层的折射率不均匀或与芯的折射率存在差异时，也会导致光信号的色散。
色散对光纤传输的影响主要体现在两个方面：信号失真和传输距离的限制。
由于不同波长的光在传输过程中会以不同的速度传播，当光信号中包含多个波长的光同时传输时，它们会在一定距离后发生扩散，导致信号失真。
这会降低光信号的传输质量，使得接收端无法正确解读信号。
此外，色散还会限制光信号的传输距离。
由于光纤中不同波长的光在传输过程中会以不同的速度传播，当传输距离较长时，不同波长的光会逐渐分离，使得信号质量下降，传输距离受到限制。
为了克服色散对光纤传输的影响，人们采用了一系列的补偿措施。
光纤的色散波长范围
光纤的色散波长范围
光纤的色散波长范围取决于它的材料、制造工艺和设计。
光纤的色散分为色散波长和色散量两种。
1. 色散波长（Dispersion wavelength）：光纤在这个波长附近的色散效应最为显著。
不同材料的光纤具有不同的色散波长范围。
- 单模光纤：单模光纤的色散波长范围通常在1.26μm至1.64μm之间。
这个范围内的光纤称为C波段光纤。
- 多模光纤：多模光纤的色散波长范围通常在0.8μm至1.4μm之间。
这个范围内的光纤称为通用光纤。
2. 色散量（Dispersion）：光纤在特定波长下的色散量用来描述光信号在光纤中传播时的色散现象。
色散量通常以补偿模的传输距离（Dispersion Compensated Fiber Length）来表示。
不同材料、制造工艺和设计的光纤具有不同的色散量。
总结来说，光纤的色散波长范围可以根据材料和设计进行调整，但常见的单模光纤的色散波长范围是在1.26μm至1.64μm之间，多模光纤的色散波长范围通常在0.8μm至1.4μm之间。
单模光纤色散与衰减系数的关系
单模光纤色散与衰减系数的关系光纤是一种用于传输光信号的基础材料。
光通过光纤行进时，会出现色散和衰减现象。
色散是指在不同波长的光在光纤中传播的速度不同，导致光波形失真。
衰减是指光在光纤中传播过程中逐渐减弱的现象。
本文将重点探讨单模光纤的色散和衰减系数之间的关系。
单模光纤是一种光学纤维，其内部只有一个传播模式。
由于其传输模式单一，其传输速度较快，且可传输更多的信息。
然而，由于光在光纤中传播时，会与光纤材料相互作用，因此会出现色散和衰减现象。
色散可分为色散量和相位色散。
1. 色散量色散量是指不同波长的光在光纤中传播距离相同时，波形间的相对时移量。
色散量可分为色散时间和色散频率。
其中，色散时间是指不同波长的光在光纤中行进一定距离时，波形之间的时间差。
色散频率是指不同频率的光在光纤中传播时，波形相对移动的频率。
相位色散是指光在波长发生变化时，光波相对相位差发生的变化。
由于不同波长的光在光纤中传播的速度不同，波形在传播过程中会出现变形，导致相位差发生变化。
相位色散可通过引入折射率色散补偿来减少，其原理是通过改变纤芯和包层的折射率，使光在波长变化时产生相反的色散，达到抵消色散的目的。
3. 衰减衰减是指光在光纤中传输时，由于光与光纤材料相互作用，导致光能量逐渐减弱的现象。
衰减主要分为吸收衰减和散射衰减。
吸收衰减是指光在光纤材料中被吸收消耗的能量，导致光能量逐渐减弱。
散射衰减是指光在光纤中发生散射，导致光能量逐渐减弱。
为了减少衰减，可采取多种措施，如优化光纤材料、减少截面损耗等。
单模光纤的色散和衰减系数之间有一定的关系。
色散系数性质可以用来描述光纤中不同波长的光的传播速度差异。
因此，色散系数越小，光纤中不同波长的光传播的速度差异越小，波形失真越小。
同样，衰减系数可以用来描述光在传输过程中逐渐减弱的情况。
因此，衰减系数越小，光在传输过程中逐渐减弱的情况越小，传输距离越远。
综合考虑，当单模光纤的色散系数和衰减系数较小时，光在光纤中传输时波形失真较小，传输距离较远，传输质量较高。
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。
1.5单模光纤
法二：制作可能高的双折射光纤，使两个基模的传 输系数之差很大，使光纤微扰产生的耦合作用很 小，当光纤输入端激发起某一个极化方向的基模 时，可以在较长的距离里保持它的主导地位，从 而得到单模单极化传输；
法三：把光纤设计成水平极化或垂直极化被，使 两个极化方向的模式的传输损耗不等，以致使 其中一个截止，得到绝对单模光纤。
两模式间的相位差
两个正交的LP01模 Ex E0 cos cos( t x z) Ey E0 sin cos( t x z)
y
xz
Ex、Ey平方相加得椭圆公式，长轴Emax与x轴夹
角ψ
tan 2 tan 2 cos tan 2 cos( y x )z
可见，输入线极化波，沿线可能变成椭圆极化、 圆极化、线极化等，使极化方向旋转。
1.5 单模光纤
单模光纤应用范围：光通信、光纤传感器、激光放 大器件等 1.5.1 单模光纤的基本分析 传输基模是HE11模（或LP01模），但其简并度为2； 理想阶跃折射率光纤，归一化频率V<2.405时
横向电场分量：
定义λc为单模光纤截止波长，则有
2 n0a 2
c
2.405
当传输光波长大于λc时，满足在该光纤中的单模传输条件
1.5.2 单模光纤的结构
常规型
W型
凹陷型
多层结构：纤芯、内包层、外包层。
采用内包层的作用： 减小基模的损耗；
（电磁场集中纤芯←→单模传输） 得到纤芯半径较大的单模光纤； （单模传输←→ 非线性光学效应）
1.5.3 单模光纤的频率色散
材料色散；波导色散 1、单模光纤频率色散的计算
单位长度的光纤中的传输时延 d d Ld
单模光纤的色散
光纤色散在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象称为光纤的色散或弥散。
光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。
同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。
光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。
其中，模间色散是多模光纤所特有的。
这四种色散作用还相互影响，由于材料折射率n是波长λ（或频率w）的非线性函数，d2n/d2λ≠0，于是不同频率的光波传输的群速度不同，所导致的色散成为材料色散。
由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数，使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化，所产生的色散成为波导色散（或结构色散）。
偏振模色散指光纤中偏振色散，简称PMD(polarization modedispersion)，它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。
不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散，模间色散只存在与多模光纤中。
色散限制了光纤的带宽—距离乘积值。
色散越大，光纤中的带宽—距离乘积越小，在传输距离一定（距离由光纤衰减确定）时，带宽就越小，带宽的大小决定传输信息容量的大小。
光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。
这是在通信网中必须避免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。
一般来说，光纤色散包括材料色散和波导结构色散两部分，材料色散取决于制造光纤的二氧化硅母料和掺杂剂的分散性，而波导色散通常是一种模式的有效折射率随波长而改变的倾向。
材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。
材料色散：是由光纤材料自身特性造成的。
17-光纤色散及补偿方法简述
目录色散及其补偿介绍 (2)一、色散的基本概念 (2)1.1 基本概念 (2)1.2 光纤中色散的种类 (2)1.3 光纤色散表示法 (2)1.4 单模光纤的色散系数 (3)1.5 光纤色散造成的系统性能损伤 (3)1.6 减小色散的技术 (4)1.7 偏振模色散（PMD） (6)二、非线性问题 (7)色散及其补偿介绍当前，光纤通信正向超高速率、超长距离的方向发展。
EDFA的出现为1.55um波长窗口实现大容量、长距离光通信创造了条件，并使光纤通信中衰耗的问题得到了一定的解决。
然而光纤的色散影响仍然是制约因素之一，加之引入光放大器使光信号功率提高之后，光纤的非线性影响又突显出来。
一、色散的基本概念1.1 基本概念光纤色散是由于光纤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。
所谓群速度就是光能在光纤中的传输速度。
所谓光信号畸变，一般指脉冲展宽。
1.2 光纤中色散的种类光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式色散。
材料色散和波导色散也称为模内色散，模式色散也称为模间色散。
材料色散是由于光纤材料的折射率随光源频率的变化引起的，不同光源频率所所应的群速度不同，引起脉冲展宽。
波导色散是由于模传播常数随波长的变化引起的，与光纤波导结构参数有关，它的大小可以和材料色散相比拟。
材料色散和波导色散在单模光纤和多模光纤中均存在。
模式色散是由于不同传导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度，所引起的脉冲展宽。
模式色散主要存在于多模光纤中。
简而言之，材料色散和波导色散是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的，模式色散是由于光纤传输的信号不是单一模式所引起的。
1.3 光纤色散表示法在光纤中，不同速度的信号传过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差，时延差越大，表示色散越严重。
因而，常用时延差来表示色散程度。
时延并不表示色散值，时延差用于表示色散值。
若各信号成分的时延相同，则不存在色散，信号在传输过程中不产生畸变。
单模光纤中的色散及色散补偿技术
单模光纤中的色散及色散补偿技术This manuscript was revised on November 28, 2020光通信光纤中的色散补偿技术(原理、优点、缺点)姓名:__彭坚大_ 学号:_ 专业班级:_电04摘要：本文叙述了光通信系统中一个重要的参数——色散，详细介绍了各种色散补偿技术的原理,以及色散补偿光纤和啁啾光纤光栅色散补偿等多种解决方案的特点。
Abstract: This paper describes an important parameter dispersion in optical communication systems. The principles of various dispersion compensation techniques and the characteristics of dispersion compensation fiber and chirped fiber grating dispersion compensation are introduced in detail.关键词：色散效应，色散补偿1.引言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,自从光纤通信商用开始，至今20余年，国内外已大量敷设了常规单模光纤(G652)的光缆，这类光缆工作在1550nm波段时，有18ps/nm·km的色散，成为影响中继距离的主要因素。
所以，对高速率长距离的系统必须要考虑色散补偿问题，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。
光纤色散产生的因素有:材料色散、波导色散、模式色散等等。
但主要是前面两项因素引起不同波长的光在光纤中传播造成群时延差。
解决光信号色散引起群时延差的方法就是色散补偿技术。
2.色散补偿原理光纤色散述语一、色散及其表示：由于光纤中所传信号的不同频率成分，或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。
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通常用色散参数 D 表示光纤色散的严重程度。
D ? ??g ??
（2.4.3）
它定义为两个波长间隔为 1nm 的光波经过单位公里长度光纤产生 的时延差，其单位为ps /（nm·km）。
10
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2.4.3 光纤的色度色散
单模光纤的色度色散包含两个因素产生的色散，即材料色散和波 导色散。
不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同时间。即各自信号的 时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用 △? 表示。
7
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● 什么是最大时延差
最大时延差指描述光纤中速度最快和速度最慢的光波成分的时延 差。
脉冲展宽和光纤带宽描述光纤色散对传输信号的影响程度，常将 光纤看作一个线性网络，用时域和频域方法分析其色散特性。
( ps / nm ?km)
SiO2折射率（a）及材料色散系数（b）与波长的关系
我们由图（b）可见： 长波长窗口的材料色散较短波长的小！
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2、波导色散 波导色散与归一化频率 V、归一化传播常数 b及光纤芯和包层群折射
率（n1g、n2g）有关。
我们可以通过图2.13 和 图2.14 做进一步讨论。
2
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（1） 色度色散（Chromatic Dispersion ）
光源光谱中不同频率（波长）成分在光纤中传输的群延时差引起 的光脉冲展宽现象，亦称色弥散，它包括材料色散和波导色散。
（2） 材料色散（ Material Dispersion ）
材料的折射率 n随波长的非线性变化特性（一般取决于折射率对 波长的二阶导数），从而使光的传播速度随波长而变，由此引起的色 散称材料色散。
0.1～0.2。
由于 dVb 和 V d 2 (Vb) 都是
dV
dV 2
正值，因而 DW 在 0μ m～1.6μ m
都是负值。
图2.13
15
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图2.14展示了材 料色散、波导色散以 及两者之合随波长的 变化，（DM 、Dw与 D = DM+Dw ）。
可见，波导色散 使零色散波长 ? 0 从 1.273 μm向右移动了 30—40nm，总色散D在 1.31 μm附近为零。
图2.14 普通单模光纤的DM、DW和D随波长的变化
16
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L T?
vg
?g
?
vg?1 ?
d? d?
?
1 d?
? c dk0
?
(?
?2 d?
)?
2? c d?
（2.4.1）
● 光脉冲群时延差 单位长度光纤传输后的群时延差或脉冲展宽 Δ τ g(ps/km)可近似为
??g
?
??
( d?0 d?
)? ? ?
dd(?2 ?2
)
（2.4.2）
9
第9页/共32页● 色散Fra bibliotek数 D3
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线宽 --- 光功率升高 到峰值一半到降低 到峰值一半的时间
间隔
光源的谱线宽度
4
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（3） 波导色散（ Waveguide Dispersion ） 某导波模式的传播常数 β随波长的非线性变化特性产生的色散，这是单
模光纤色散的主要原因。
（4）模式色散（ Model Dispersion ） 多模光纤中，即使在同一波长，不同模式的传播常数也不同，由此引起
个波长称为零色散波长（λ 0）。 在λ <λ 0区，DM为负值； 在λ >λ 0区，DM为正值。 在1.25μ m～1.66μ m波长区，
DM可用下列经验公式近似，即
DM
? 1.22(1?
?0 ?
)
( ps / nm ?km)
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（2.4.13）
12
DM ? 1.22(1? ?0 ? )
1、材料色散
（2-光纤的材料色散）
材料色散可通过分析均匀介质中平面波的传播特性得到，材料 色散参数为：
DM
?
d? g d?
?
?
1?
c
d 2n
d? 2
（2.4.9）
11
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图2.12描绘出光纤材料的折射率n随波长的变化规律。
图2.12 熔融石英的折射率和群 折射率随波长的变化
通过计算和实验发现： 在λ =1.273μ m处，DM＝0，这
1
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2.4.1 光纤色散的形成机制和类别
光纤色散的产生涉及多方面的原因，大体可分为两类： 一类起因于光纤材料、波导结构和模式结构，这是光纤本征的色 散； 另一类起因于注入光纤的信号结构，这是导致产生实际色散的外 部条件。 归结起来，光纤色散可分为下列几类 :
色度色散 材料色散 波导色散 模式色散 偏振模色散
在时域分析时，色散影响用脉冲展宽表示 ；
在频域分析时，用光纤带宽来表示 。
在光纤中，信号的不同频率成分传过同样的距离会有不同的时延， 由此产生时延差，色散越强，时延差越大，信号畸变越严重。
常用最大时延差来表示光纤的色散程度 。
8
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● 光脉冲群时延
光脉冲沿光纤单位长度上传播的延迟时间称为群时延，它可表示为
图2.13展示了 b、 dVb 和
dV
V d 2 (Vb) 的计算结果，由此
dV 2
即可计算群延时、脉冲展宽
和色散参数Dw。
可见，在V＝1.2处，
图2.13 Vb的一阶及二阶微分与 V的关系
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d 2 (Vb) V dV 2
达到最大值。 14
在V＝2.0～2.4的实际单模
应用范围内，这个因子的值为
6
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2.4.2 光纤色散的表示方法和技术指标
光纤色散可用不同的方法来表示，常用的方法有最大时延差
Δ τ 0 、脉冲展宽σ 和光纤3dB带宽B。 ● 什么是时延
设有一个单一的载频 fc ，携带一个调制信号，当光波频率很高，相 对调制带宽很窄时，则它传输每一单位长度时，所需要的时间 ? 就称为 每单位长度的时延。 ● 什么是时延差
的色散称为模式或模间色散，它不同于波导色散。
波导色散是指同一模式、不同波长，亦称模内色散，而模式色散是对 不同模式、相同波长时的色散。
5
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（5）偏振模色散（ Polarization Dispersion ） 单模光纤中，实际上存在简并的偏振方向正交的两个偏振模，当光
纤存在双折射时，这两个模式的传播速度改变而不相等，由此引起的色 散称为偏振模色散。 ★ 多模光纤中，有模式色散、波导色散和材料色散，以 模式色散为主。 ★ 单模光纤中，有材料色散和波导色散，一般情况下以 材料色散为主。 偏振模式色散是单模光纤一种特殊的模式色散。