光纤的色散特性
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。
光纤中的色散
光纤中的色散
一、什么是光纤中的色散
光纤中的色散是指光信号的不同频率成分或不同模式分量以不同速度传播，导致信号失真和脉冲展宽的现象。
二、导致光纤的色散的因素
光纤中的色散产生基于两个方面的因素：一是进入光纤中的光信号不是单色光（光源发出的光不是单色或是调制信号具有一定的带宽）；二是光纤对光信号的色散作用。
具体来说，光源发出的光不是单色的，有一定的波长范围，这个范围就是光源的线宽。
在对光源进行调制时，可认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。
一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。
进入光纤中去的是一个调制了的光谱，如果是单模光纤，它将激发出基模。
如果是多模光纤，则激发出大量模式。
由此可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。
三、影响光纤的色散的因素
1.光源的带宽：光源发出的光不是单色光，而是具有一定带宽的连续
光。
这个带宽会导致光信号中不同频率成分的传输速度不同，从而引起色散。
2.光纤的折射率：不同频率的光在光纤中的折射率不同，导致它们的
传输速度也不同，进一步引起色散。
3.光纤的长度：光纤的长度也会影响色散，因为不同长度的光纤对光信号的传输特性会有所不同。
4.光纤的材料：不同材料的光纤对光的色散效应也不同，因为材料对不同频率的光的吸收和散射特性会有所差异。
5.光纤的结构：光纤的结构也会影响色散，例如多模光纤和单模光纤对色散的影响就存在显著差异。
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
2-4光纤的色散特性
2.4 光纤的色散特性
光纤3dB带宽和脉冲展宽的定义 带宽和脉冲展宽的定义 光纤
输入脉冲 1 1/ e 1/2 输出脉冲 2σ ∆τ
光 纤
t 10lgH( f )/dB 0 -3
f
f3dB
t
∆τ = 2.355δ
δ ：均方根脉冲宽度
2.4 光纤的色散特性
色散的种类
1、模式色散 ∆τ n（仅多模光纤有） 、 仅多模光纤有） 波动光学角度： 波动光学角度：多模光纤中各个模式在同一频率 （同一波长）下具有不同的传播速度。 同一波长）下具有不同的传播速度。 射线光学角度： 射线光学角度：
2.4 光纤的色散特性
1、光纤色散产生的原因和色散的种类？ 光纤色散产生的原因和色散的种类？ 激光二极管（ LD） 的谱线宽度Δλ nm,某 2 、 激光二极管 （ LD ） 的谱线宽度 Δλ1 ＝ 1.5nm, 某 nm， 发光二极管(LED) 谱线宽度 发光二极管 (LED)谱线宽度 Δλ2 ＝ 40nm ， 某单模 (LED) 谱线宽度Δλ 40nm 光纤在波长1 μm 时材料色散系数为 20ps/km 时材料色散系数为20ps/km. 光纤在波长 1.5μm时材料色散系数为 20ps/km.nm, 求经1km光纤传播不同光源的光脉冲展宽值。 求经1km光纤传播不同光源的光脉冲展宽值。 光纤传播不同光源的光脉冲展宽值 一个15 km长的多模渐变型光纤线路 15km 长的多模渐变型光纤线路， 3 、 一个 15 km 长的多模渐变型光纤线路 ， 工作波长 λ=1 μm， 使用的LED 光源谱宽Δλ 16nm LED光源谱宽 Δλ＝ nm， λ=1.3μm， 使用的 LED 光源谱宽 Δλ＝16nm， 已 知该光纤材料色散系数是5 ps/km.nm， 模式色散 知该光纤材料色散系数是 5 ps/km.nm， 是0.3ns/km，问此光纤线路总色散是多少？ ns/km，问此光纤线路总色散是多少？
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
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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
通信技术《知识点光纤的色散特性课件》
•色散系数D〔λ〕为每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值。
•单位是•nm
第三页，共八页。
1模式色散
• 由于不同传播模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延 不同而引起的色散，称为模式色散，又称为模间色散。
•不同入射角的光线在光纤中的传播路径不同，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。
第一教学情境内容和要求
掌握光的反 射、折射和 全反射
光纤通信系统认识
了解SDH、 WDM传 输设备
认识光学
认识光纤
认知光纤通 信系统
认知光纤设备
掌握础
第一页，共八页。
掌握光纤通信系统 组成，理解SDH
第二章 光纤通原信理系及统保护
14光纤的根本特性
141 光纤的几何特性 142 光纤的损耗特性 143 光纤的色散特性 144 光纤的机械特性 145 光纤的温度特性
• 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。
第四页，共八页。
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 的光时延不同，而产 生的色散。
• 石英玻璃的折射率， 并不是固定的，对不 同的传输波长有不同 的折射率。
第五页，共八页。
3波导色散
• 由于光纤中的光波导结构参数与波长有关而引起的色散，叫做波导色散。
• 色度色散有以下特点：
• ① 色度色散是指折射率随波长的非线性
变化。
• ② 传播特性〔特别是群速率〕随波长变
化。
• ③ 色散可正可负。
第六页，共八页。
4偏振模色散
• 由于光纤本身形状不对称或光纤受到外界磁场的干扰等因素造成双折射现象， 引起了偏振模色散〔ode DisD〕。偏振模色散起因于实际的单模光纤中基模 含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤受到外部的作用， 如温度、压力、外界磁场等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，两个偏 振的方向相互垂直的模传播速度不一样，形成双折射，从而导致光脉冲展宽。
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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t
t2
t1
Ln1
C sin 0
Ln1 C
L ( n1 C n2
1)
Ln1 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。
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，从而产生脉冲 展宽，形成模式色散。
一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为
m
1 2
n(0) 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Δ λ 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
c
L C
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
t1
Ln=1 C
Ln1 C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时来自延t2是最大时延，等于：
t2
L / sin0
C / n1
=
Ln1
C sin 0
所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差Δ t为：
光纤的色散特性
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。
单模光纤色散波谱特性曲线
d 2n
d2
该式也可写成
c m
式中，C = 3×108m/s,是真空中的光速,
—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。