光纤色散
《光纤色散》PPT课件
D()cdd22cdd22
D()为色散系数，单位是ps/nm/km。
对于谱线宽度为的光源，波导色散产生的 总时延 差为 ＝ ·D()(ps)
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单模光纤色散波谱特性曲线
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21
传输使用的三种不同类型的单模光纤
G.652单模光纤（NDSF）
非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤
G.653单模光纤（DSF） DSF：DispersionShifted Fiber
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3
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。
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4
光纤的色散
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。
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材料色散：不同波长的光 ，折射率不同。 波导色散：不同波长的光，传播常数不同。
对于谱线宽度为Δλ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 Nhomakorabea LC
d2n
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(同一模式的光，其传播常数β随λ变化而引 起的色散)。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折 射率差。
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!
光纤色散在光信息处理中的应用探讨
光纤色散在光信息处理中的应用探讨光信息处理是指利用光的性质来处理、传输、存储和检测信息的一种技术，已经被广泛应用于通信、计算机、传感器、医疗、生物等各个领域。
其中，光纤色散是光信息处理中一个重要的物理现象，因为它对光信号的传输速度和质量有着重要的影响。
本文将从光纤色散的基本原理、种类及其应用等方面进行深入探讨。
一、光纤色散的基本原理光纤色散是指不同波长的光在光纤中传输时速度不同的现象，它是由于介质折射率随波长的变化造成的。
光纤的折射率是由其材料的组成和结构决定的，而材料的组成和结构又随着波长的变化而变化，这就导致了不同波长的光在光纤中传播速度不同的现象。
光的传输速度是与其波长的平方成反比的，即波长越长，速度越快；波长越短，速度越慢。
因此，当光在光纤中传输时，不同波长的光将按照其传输速度的不同而分散，这就是光纤色散现象的基本原理。
二、光纤色散的种类光纤色散可以分为两种：色散和色散增强。
色散是指不同波长的光在光纤中传播时出现速度差异的现象，它可以进一步分为色散漫化和色散色拉。
色散增强是指在特定条件下，光纤色散的强度会被增强。
可以进一步分为两种：正色散增强和负色散增强。
1、色散漫化：色散漫化是指在光纤中传播的光发生时间延迟和增宽的现象，这种延迟和增宽不仅与波长有关，还与传播距离有关。
色散漫化是由光纤中的直线色散和波导色散引起的。
2、色散色拉：色拉是指光在光纤中传播时，由于光纤的色散效应使不同波长的光的传输速度不同，导致光的波前形状变形的现象。
色拉可以分为正弯曲色拉和负弯曲色拉两种类型。
3、正色散增强：正色散增强是指当光在光纤中传播时，由于特定的色散条件使得光的色散增强的现象。
这种色散增强对于分光、分波、分时多路复用和光滤波等应用非常有用。
1、光通信：在光通信中，控制光纤色散是提高光传输质量和延长传输距离的关键。
例如，使用补偿器对光纤的色散进行补偿，可以减少色拉和漫化对光信号的影响，提高光信号的质量和传输距离。
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：
第八讲光纤的色散特性ppt课件
带宽（B）
色散描述方式
光纤的带宽(f为调制信号频率)
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通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一 半 ( 即 3dB) 时 的 频 率 (fc) 的 大 小 ， 定 义 为 光 纤 的 带 宽 (B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为 3dB光带宽。可用下式表示。
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二、色散的起因
材料色散
材料色散是材料的折射率n是波长λ的函数，从 而使光的传播速度随波长而变。由此引起的色散 叫材料色散。
引起材料色散的原因，是因为光源器件不是 工作于单一频率，即光源器件所发出的光都有一 定的谱线宽度△λ；而光纤材料的折射率并非固 定不变的，它会随传输的光波波长(或光波频率) 发生变化。
二、色散的种类
紫顺序排列的彩色光谱。 这是由于棱镜材料对不同波长（不同颜色）的光
呈现的折射率不同，使光的传播速度不同和折射角度 不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。
一、色散的定义
光纤色散的概念 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的速
度不同，到达光纤终端有先有后，使光脉冲发生 展宽，这就是光纤的色散。
色散引起的脉冲展宽示意图
为了了解光纤色散，需知道送进光纤中 的信号结构。
首先，送进光纤的并不是单色光。这由 两方面的原因引起： 一是光源发出的并不是单色光； 二是光信号有一定的带宽。
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二、色散的起因
1
相
实际光源发
对 输
出的光不是单色 出
的(或单频的)，
功 率
而是在一定的波 0.5
长范围。这个范
围常是光源的线
宽或谱宽。
光源的谱宽 f f
材料色散
掺GeO2石英玻璃的折射率-波长特性曲线的关系
二、色散的种类
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。
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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。
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：
1 A( z, t ) 2
i 1 A(0, )eit exp[( 2 A2 3 A3 ) z ]d 2 6
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。
谢 谢 观 赏
d 1 1 d 0 Vg
为群速度色散的倒数
d 2 2 d 2
为群速度色散(GVD)
0
d 3 3 d 3
0
为三阶色散
戻り
光纤色散
主要内容
• 历史背景及发展现状
• 色散的基本概念、原理和分类
• 色散补偿技术研究
历史背景及发展现状
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 ,
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
(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
2 N i (2 N 2)
i 1 i d D ( ) i 1 i d
(8)
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：
(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
( z) 0 1 (
群速பைடு நூலகம்色散：
4 2 zIn2
0
2
)
2
(2)
0 ( )1/2 其中，
2 In 2
2 c d 2 2 c D ( 2 )0 2 d
t mat w PMD [Dmat () Dw ()]L DPMD L
(9)
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。
(3)
飛び
那么传播一段距离L后，脉冲宽度表达式为：
( L) 0
在 DL
2
2 In 2 DL 2 2 1 ( ) 2 c 0
(4)
0 2 下，上式化简为：
2 In2 DL 2 ( L) c 0
我们可以把式(5)改写成：
(5)
DL
(6)
2 In2 2 其中 c 0
色散补偿光纤（DCF）
L1D1 ( ) L2 D2 () 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。