光纤的色散
光纤色散定义
光纤色散定义
光纤色散是指在光纤中，不同波长（或频率）的光信号在传输过程中，由于传播速度的不同，导致到达接收端的时间不同，从而使光脉冲发生展宽的现象。
这种现象会影响光纤通信系统的传输质量和传输距离。
光纤色散主要有以下几种类型：
1. 模式色散：在多模光纤中，由于不同模式的光在光纤中的传播路径和速度不同，导致模式色散。
2. 材料色散：由于光纤材料对不同波长的光的折射率不同，导致不同波长的光在光纤中的传播速度不同，从而产生材料色散。
3. 波导色散：在单模光纤中，由于光的波长与光纤的核心直径相近，导致光的传播速度受到影响，从而产生波导色散。
4. 极化模色散：在单模光纤中，由于光的两个正交偏振模式的传播常数不同，导致色散。
这些色散都会对光纤通信系统的性能产生影响，因此在设计和使用光纤通信系统时，需要考虑如何减小色散的影响。
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。
光纤色散
n1 n1 − n2 n1 ⋅ Δ = ⋅ ≈ c n2 c
模式色散的计算－波动光学方法
光纤中传输的基模为 LP01 模，模式的传输常数为 β 01 光纤中传输的最高次模为 LPmn 模，模式的传输常数为 β mn 单位长度上的传输群时延为：
τ mn
dβ mn = dω
多模光纤的模式色散为：
d ( β mn − β 01 ) τ = τ mn − τ 01 = dω
抛物型折射率分布多模光纤 抛物型光纤的群时延<<阶跃光纤的群时延
n1Δ Δτ 2 = 2c
2
n1Δ Δτ 1 = c
Δτ 2 Δ = << 1 Δτ 1 2
抛物型光纤中的自聚焦效应
纤芯折射率沿r方向渐变，选择抛物型折射率分布，从而使 全部射线以同样的轴向速度在光纤中传输，有效消除了模 式色散，这种现象称为自聚焦现象。 这种光纤称为自聚焦光纤。
频域分析
在光纤中沿着Z方向传输的载有信号的线偏振的电磁波可表示为：
ω 0 对应的传输常数
E (u , v, z , t ) = A( z , t )ψ (u , v) exp[ j (ω 0t − β 0 z )]
光信号的幅度，与损耗有关 横向坐标
A(0,t) = f(t)
光信号的中心频率， 具有一定的光谱宽度
群时延、群折射率与群速度
无限大介质中
β=
λ =
2π
λ
c f
n
2πfn wn = β= c c
材料色散
dτ 1 ⎛ dn d 2n ⎞ ω d 2n β2 = = ⎜2 ⎜ dω + ω dω 2 ⎟ ≈ c dω 2 ⎟ dω c ⎝ ⎠
群时延
1-5_光纤色散
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。
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。
Polarisation Mode Dispersion (PMD)
There is usually a very slight difference in RI for each polarization. It can be a source of dispersion, usually less than 0.5 ps/nm/km.
对色散有4种表示方法：
1．单位长度上的群延时差，即在单位长度上 模式最先到达终点和最后到达终点的时间差。
2. 用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。
3．用光纤的冲激响应经傅氏变换得到的频率 响应的3dB带宽表示。
4．用单位长度的单位波长间隔内的平均群延 时差来表示。
光纤的色散
随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽
Group Velocity Dispersion (GVD)
Normal Dispersion Regime :the long wavelengths travel faster than the short ones! Thus after travelling on a fibre wavelengths at the red end of the pulse spectrum will arrive first. This is called a positive chirp!
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。
光纤的色散
间不同，因此，造成光信号中的不同频率成分或不同模式的
光到达光纤终端有先有后，形成时间的展宽，从而产生波形 畸变的一种现象。
3、表示方法：色散的大小用时延差Δ 表示 不同速度的信号传输同样的距离所需的时间不同，即各 信号的时延不同，这种时延上的差别称为时延差，用Δ 表示。
n1 L c
图2-5-3 光纤微弯曲损耗
三、 光纤产品介绍
国际电信联盟－电信标准部ITU-T(Telecommunication
Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的几种光纤标准如下： 1.G.651光纤（渐变多模光纤） G.651光纤的工作波长有两种：1310nm和1550nm。在 1310nm处具有最小色散值，在1550nm处具有最小衰减系 数。按照纤芯/包层尺寸，G.651进一步分为4种，它们的纤 芯/包层直径/数值孔径分别为50/125/0.200， 62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.
2. G.652光纤（标准单模光纤/非色散位移单模光纤）
G.652是零色散波长在1310nm处的单模光纤，它的 传输距离一般只受光纤衰减的限制。在1310nm处，该光纤 的衰减率达到0.3~0.4dB/km。目前已经铺设的光缆线路 绝大部分都采用这种光纤，该光纤也可用于1.55波段、 2.5Gb/s的干线传输，虽然在1550nm处的色散较大，为 20 ps /(nm km)，但如果采用高性能的电吸收调制器，传输 距离可达600公里。但如果传输的数据速率达10Gb/s，只 能传输50公里。
光纤的色散特性
1-1 2020/3/1
Copyright Wang Yan
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Optical fiber communications 1-2 2020/3/1
1、材料色散：n=n(λ) ，n是波长λ的非线性函数。
2、波导色散：同一模式的相位常数β随波长λ而变，从而引 起色散。
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1-4
2020/3/1
low
high
n1 c
k0
dn1
d
n2 c
k0
dn2
d
n1 c
n2 c
k0
(
dn1
d
dn2
d
)
n1 n2
cc
二、在时光延纤差中，不0 同速度的信号经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，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
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1-5 2020/3/1
一、Model Dispersion
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1-3 2020/3/1
Group delay:
g
d d
波长相同，β不同
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光纤的色散
---- 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。
光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。
从机理上说，光纤色散分为材料色散，波导色散和模式色散。
前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。
光纤色散如图2-19所示。
图2-19 光纤色散
---- 单模光纤中只传输基模(主模) HE 11 ( LP 01 ),总色散由材料色散、波导色散组成。
这两种色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。
光纤的波长色散系数是单位光纤长度的波长色散，通常用表示，单位为。
光纤的波长色散总系数为：
(2-77)
是纯材料色散系数，为：
(2-78)
为波导色散系数，为：
(2-79)
式中，为信号的波长；为真空中的光速；为光纤材料的折射率；为信号的相位传播常数。
2．5．1 材料色散
---- 材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散，如图2-20所示。
图2-20 材料色散
2．5．2 波导色散
---- 波导色散是模式本身的色散。
即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。
---- 波导色散是光纤波导结构参数的函数，如图2-21所示。
从图中可看出，在
一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径、
相对折射率差及剖面形状决定。
通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散和负色散的目的。
正是这种方法才研制出色散位移光纤、非零色散位移光纤。
图2-21 波导色散
---- 图2-22为单模石英光纤中材料色散、波导色散及总色散与波长的关系。
总色散为材料色散、波导色散的近似相加。
从图中可以看到，在某个特定波长下，材料色散和波导色散相抵消，总色散为零。
对普通的单模光纤。
总色散为零的波长在1.31μm，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。
在波长
1.55μm，虽然损耗最低，但在该波长上的色散较大，如将零色散波长从1.31μm 移到1.55μm，这就是色散位移光纤(DSF)。
这种低损耗色散的光纤，对长距离大容量光纤通信系统十分有利。
---- 显然，为了把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，可以增加波导色散的绝对值。
图2-22 改变纤芯半径来移动零色散波长2．5．3 模式色散
--- 模式色散是指多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。
如图2-23所示。
图2-23 模式色散
--- 对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。
离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。
结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。
如图2-24所示。
图2-24 渐变型多模光纤的模式色
--- 对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。
单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。
2．5．4 非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤
1、非色散位移单模光纤ITU-T G.652
--- G.652 称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：(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附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)。
（3）这种光纤工作波长即可选在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。
2、色散位移单模光纤ITU-T G.653
--- G.653称为色散位移单模光纤。
色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。
这种光纤工作波长在1550nm区域。
它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。