第八讲 光纤的色散特性
Ln1 Ln1 Ln1 n1 t t2 t1 ( 1) C sin 0 C C n2
二、色散的种类
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。
9
二、色散的起因
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。
10
பைடு நூலகம்
二、色散的起因
实际光源发 出的光不是单色 的 ( 或单频的 ) ， 而是在一定的波 长范围。这个范 围常是光源的线 宽或谱宽。
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。 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，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。
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的时延t1最小,等于 Ln Ln t1 1 = 1 C C 路径最长的是以临界角入射的光线②，产生的时延 t2 是最大 时延，等于： L / sin 0 Ln1 = t2 C / n1 C sin 0 所以光纤中不同的模式的最大时延差Δ t为：
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
一、色散的定义
光纤色散的影响：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
一、色散的定义
光纤色散的表示方法
时延：光信号在光纤中传输一段距离所需的时间
模式色散＞材料色散＞波导色散＞偏振模色散
23
1.4 .1 .4 光纤的色散特性
1.4.1.4.4 偏振模色散
偏振模色散（ PMD ）也称为极化色散。由于光信号的两 个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏 振模色散。
22
单模光纤中存在着材料色散、波导色散、和偏振模色散。
多模光纤除具有单模光纤中存在的各种色散外，还存在 一种模式色散。
相 对 输 出 功 率
1
0.5
f 光源的谱宽 f
0 780
800
820
840
860
波长(nm)
11
二、色散的起因
一般认为光功率降低为 峰值的一半 所 对应的波长范围即为光源的 线宽或谱宽 。 线宽即可用波长范围△ λ 表示，也可用频 率范围△ƒ来表示。它们的关系为：
f f
式中：λ 和ƒ分别是光源的 中心波长和中心频率。
二、色散的起因
线宽越窄，光源的相干性就越强。一个 理想的相干光源发出的是单频光，即具有零 线宽。实际光源的线宽视光源的种类而异。
13
二、色散的种类
模式色散 材料色散 波导色散
二、色散的种类
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。 模式色散，用光的射线理论来说，就是由于 轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成 的时延差。
时延差：信号的速度不同，即各信号的时延不同
通常用最大时延差： 即光纤中速度最快和最慢的 光波成分的时延之差来描述。
时延差越大，脉冲展宽越大，色散就越严重。
7
色散描述方式 带宽（B）
光纤的带宽(f为调制信号频率)
8
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。
光纤的色散特性与物 理特性
光纤的色散特性
色散的定义 色散的起因 色散的分类 单模光纤的色散波谱特性 色散补偿技术
1.4 .1 .4 光纤的色散特性
1.4.1.4.1 色散的物理意义
根据物理光学中“色散”的定义，色散是指复色光分解 成单色光而形成光谱的现象。
3
一、色散的定义
色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝 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。
二、色散的种类
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
波导色散 波导色散: 波导色散 D w ，单模光纤中只有约 80 ％的光功 率在纤芯中传播，20％在包层中传播。 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。进入包层内的这部 分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输 路径长度随光波波长的不同而异。
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光纤的色散特性
色散受限距离短
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。
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。
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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。
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？
光纤损耗特性及色散特性
本征吸收：是光纤基础材料（SiO2）固有吸收，与波长有关， 对于SiO2石英系光纤，主要有两个吸收带，紫外吸收带和红 光吸收带。 杂质吸收：是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗， 例如金属过渡离子和水的氢氧根离子吸收电磁能而造成的损 耗。
散射损耗
光在通过密度或折射率等不不均匀的物质时， 除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以 看到光，这种现象称为光的散射。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分 布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生 散射，由此产生的损耗为散射损耗。 散射损耗中主要是瑞利散射和结构缺陷散射对 光纤通信的影响比较大。
光纤的损耗特性及色散特性
June 2011 Alex Wang
损耗特性
光纤损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离 的增加而光功率逐渐下降。 损耗原因：光纤本身损耗、光纤与光源的耦合 损耗以及光纤之间的连接损耗。 本身损耗：吸收损耗和散射损耗
吸收损耗
吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分变 成热能，造成光功率的损失，与光纤材料有关， 主要分为本征吸收和杂质吸收。
瑞利散射
属于光纤的本征散射损耗，主要是由于光纤材 料的折射率随机性变化而引起。 材料折射率变化是由于密度不均匀或内部应力 不均匀而产生。 瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，随波 长的增加而急剧减小，在短波长0.85um处对 损耗的影响最大。
结构缺陷散射
光纤在制作过程中，由于结构缺陷（如光纤中 的气泡、未发生反应的源材料以及纤芯和包层 交界处粗糙），将会产生散射损耗，与波长无 关。
色散的表示方法源自色散的大小用时延差表示。 时延是指信号传输单位长度时所需要的时间。 时延差是指不同速度的信号，传输同样的距离， 需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种 时延上的差别，称为时延差。
散射损耗
光在通过密度或折射率等不不均匀的物质时， 除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以 看到光，这种现象称为光的散射。 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分 布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生 散射，由此产生的损耗为散射损耗。 散射损耗中主要是瑞利散射和结构缺陷散射对 光纤通信的影响比较大。
光纤的损耗特性及色散特性
June 2011 Alex Wang
损耗特性
光纤损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离 的增加而光功率逐渐下降。 损耗原因：光纤本身损耗、光纤与光源的耦合 损耗以及光纤之间的连接损耗。 本身损耗：吸收损耗和散射损耗
吸收损耗
吸收损耗是光波通过光纤材料时，有一部分变 成热能，造成光功率的损失，与光纤材料有关， 主要分为本征吸收和杂质吸收。
瑞利散射
属于光纤的本征散射损耗，主要是由于光纤材 料的折射率随机性变化而引起。 材料折射率变化是由于密度不均匀或内部应力 不均匀而产生。 瑞利散射损耗与光波长的四次方成反比，随波 长的增加而急剧减小，在短波长0.85um处对 损耗的影响最大。
结构缺陷散射
光纤在制作过程中，由于结构缺陷（如光纤中 的气泡、未发生反应的源材料以及纤芯和包层 交界处粗糙），将会产生散射损耗，与波长无 关。
色散的表示方法源自色散的大小用时延差表示。 时延是指信号传输单位长度时所需要的时间。 时延差是指不同速度的信号，传输同样的距离， 需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种 时延上的差别，称为时延差。
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
Optical fiber communications
Copyright Wang Yan
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
第八讲光纤的色散特性ppt课件
6
带宽（B）
色散描述方式
光纤的带宽(f为调制信号频率)
7
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。
8
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。
9
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
带宽（B）
色散描述方式
光纤的带宽(f为调制信号频率)
7
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。
8
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。
9
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
宽带接入-光纤的色散
损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。 • 衰减系数
Multi-mode 850~900nm
dB/km 5
4
3
（
2
O
E SC L U
band
-
OH
1 ）
900
nm
1200 1300 1400 1500 1600 1700
三、光纤中的色散
• 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和 模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。
λ3 λ3λ1 λ1
七、色散的影响
• 光脉冲幅度降低 • 脉宽展宽和畸变
高富帅 武松 相当于入纤信号
隧道相当于光纤
矮贫丑 武大郎 相当于出纤信号
八、总结与思考
• 通过这次的学习，我们了解了光纤的损耗以及光纤的色散。光纤的色散分 为多种，已成为影响光纤通信的距离和容量的最大因素。
• 请大家思考一下，在光纤通信技术中，我们一般采用多少波长的光进行通 信？为什么？
光纤的色散
目录
CONTENTS
01 光纤的损耗 02 光纤的色散 03 总结和思考
一、光纤的工作波长
• 光纤工作波长区有三个： • 850nm窗口 • 1310nm窗口 • 1550nm窗口
• 三个工作区的使用情况 • 850nm、1310nm波长，主要用于提供2Mb/s及以下的业务 • 1550nm波长用于异波长双工的下行通信，以及宽带的新业务
• 色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同 样的距离所需要的时间之差。
• 光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散
功率 光脉冲信号
传送L1 (km)
Multi-mode 850~900nm
dB/km 5
4
3
（
2
O
E SC L U
band
-
OH
1 ）
900
nm
1200 1300 1400 1500 1600 1700
三、光纤中的色散
• 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和 模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。
λ3 λ3λ1 λ1
七、色散的影响
• 光脉冲幅度降低 • 脉宽展宽和畸变
高富帅 武松 相当于入纤信号
隧道相当于光纤
矮贫丑 武大郎 相当于出纤信号
八、总结与思考
• 通过这次的学习，我们了解了光纤的损耗以及光纤的色散。光纤的色散分 为多种，已成为影响光纤通信的距离和容量的最大因素。
• 请大家思考一下，在光纤通信技术中，我们一般采用多少波长的光进行通 信？为什么？
光纤的色散
目录
CONTENTS
01 光纤的损耗 02 光纤的色散 03 总结和思考
一、光纤的工作波长
• 光纤工作波长区有三个： • 850nm窗口 • 1310nm窗口 • 1550nm窗口
• 三个工作区的使用情况 • 850nm、1310nm波长，主要用于提供2Mb/s及以下的业务 • 1550nm波长用于异波长双工的下行通信，以及宽带的新业务
• 色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同 样的距离所需要的时间之差。
• 光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散
功率 光脉冲信号
传送L1 (km)
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。
光纤中的色散和偏振模色散PPT教学课件
2020/12/11
7
其他形状的脉冲
高斯形状的光脉冲，经过傅里叶变换后仍为高 斯型，即频谱在载波频率附近服从高斯分布。实 际上，光通信中的脉冲并不是严格的高斯脉冲， 脉冲形状的变化导致频谱分布的变化，因而会影 响到在色散介质中传输后脉冲的展宽。图7.3展示 了三种不同脉冲的展宽。它们是梯形脉冲，高斯 脉冲和余弦脉冲。注意它们有不同的频谱分布和 不同脉冲展宽。梯形脉冲具有最宽的频带宽度，
式中 F是高斯包络ex tp 2的傅里叶变换
F 4 1e x p 4 2
（7.2-3）
在上面的公式中，忽略了波函数u0x,y。波函数
在信号频带范围内保持不变时，这种忽略是合理
的。注意，高斯函数的频谱函数也是高斯函数。
可以把式（7.2-2）看成是谐波场的集合，每个谐
波都是其独特的频率
2020/12/11
激发。这里的 u0x,y是一个约束模式的波函数，
是常数， 0 是光载波的频率。考虑慢变包络的情 形以使包络包含多个光振荡，这种情形对应于
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12 0。我们可以把输入脉冲 E x ,y ,z 0 ,t表示
为傅里叶积分的形式
E z 0 , t e ix 0 t F p e i t d （7.2-2）
就是众所周知的群速度色散（GVD）。在光电子
学中，我们经常要处理光波在各种光学系统中的
传输，包括光纤，调制器，以及放大器。在这样
一个普通光学系统中的群速度色散，可以通过相
移是频率的函数来描述。
2020/12/11
3
7.2 色散介质中的光脉冲传播
事实上在现代通信中，光纤中所携带的载流子 基本上都是以数字脉冲的形式存在的，每个脉冲 代表一个比特的信息。因此，脉冲越窄，在一个 给定的时隙中就能容纳更多的脉冲，更多的数据 （比特）就能在时隙中传输。实际上，现代通信 系统的脉冲宽度窄至 311 0s 1，数据速率超过1010bits 在一个 10Gbs的系统中，每秒钟就有100亿个比特。 窄脉冲高速度的趋势一直不会衰减。进一步降低
《光纤色散》课件
Nhomakorabea分类
光纤色散分为色散模和波长色散。在光纤中， 有两种产生色散的主要原因：模式色散和材料
光纤色散的影响
1
降低传输速度
2
脉冲扩散导致传输速度下降，需要进
行补偿，否则会降低传输的可靠性和
质量。
3
浪费带宽
因为脉冲扩散，信号就不再能正确地 传播，从而浪费了带宽。
失真的信号
色散会导致信号形状变得模糊，从而 夹杂着噪音，使传输变得更加容易受 到干扰。
新型补偿技术的探索
通过光子晶体光纤、非线 性抗色散光纤等新型补偿 技术，提高光纤色散的补 偿效果。
2
增加传输距离
可以利用分散补偿技术等来扩大传输距离。
3
提高传输质量
可以通过自适应光纤色散补偿技术等来提高传输质量。
未来光纤色散的发展方向
基于人工智能的控制 系统
通过人工智能提高光纤色 散补偿的效果，使色散补 偿更加智能化。
新型材料的研究
通过研究新型材料和不同 形态的纤芯等，降低或消 除波长色散和模式色散。
实验室中的光纤色散测量方法
频域方法
将信号传输到光频域，再分析频域波形，根据信 号的变形程度来计算色散。可以使用光谱分析仪 来进行计算。
时域方法
信号被分析为各个时刻的波形，从而得到一个时 序图。可以使用奥托卡尔曼滤波器等算法来进行 计算。
光纤色散在通信领域的应用
1
测量光纤长度
通过光纤中的色散特征，可以精确地测量出光纤的长度。
光纤色散
在本课程中，我们会探讨光纤色散的定义、分类、对光信号传输的影响，以 及实验室中的测量方法和未来的发展方向。
什么是光纤色散？
定义
光纤色散是指出现在光纤中的信号延迟不同而 导致脉冲扩散的现象。
光纤色散分为色散模和波长色散。在光纤中， 有两种产生色散的主要原因：模式色散和材料
光纤色散的影响
1
降低传输速度
2
脉冲扩散导致传输速度下降，需要进
行补偿，否则会降低传输的可靠性和
质量。
3
浪费带宽
因为脉冲扩散，信号就不再能正确地 传播，从而浪费了带宽。
失真的信号
色散会导致信号形状变得模糊，从而 夹杂着噪音，使传输变得更加容易受 到干扰。
新型补偿技术的探索
通过光子晶体光纤、非线 性抗色散光纤等新型补偿 技术，提高光纤色散的补 偿效果。
2
增加传输距离
可以利用分散补偿技术等来扩大传输距离。
3
提高传输质量
可以通过自适应光纤色散补偿技术等来提高传输质量。
未来光纤色散的发展方向
基于人工智能的控制 系统
通过人工智能提高光纤色 散补偿的效果，使色散补 偿更加智能化。
新型材料的研究
通过研究新型材料和不同 形态的纤芯等，降低或消 除波长色散和模式色散。
实验室中的光纤色散测量方法
频域方法
将信号传输到光频域，再分析频域波形，根据信 号的变形程度来计算色散。可以使用光谱分析仪 来进行计算。
时域方法
信号被分析为各个时刻的波形，从而得到一个时 序图。可以使用奥托卡尔曼滤波器等算法来进行 计算。
光纤色散在通信领域的应用
1
测量光纤长度
通过光纤中的色散特征，可以精确地测量出光纤的长度。
光纤色散
在本课程中，我们会探讨光纤色散的定义、分类、对光信号传输的影响，以 及实验室中的测量方法和未来的发展方向。
什么是光纤色散？
定义
光纤色散是指出现在光纤中的信号延迟不同而 导致脉冲扩散的现象。
光纤中的色散和偏振模色散
斯矢量 由式（7.5-27）给出。对于一个均匀双
折射率网络或者波阵面，PMD矢量平行于慢模的偏
振方向，其大小由式（7.3-1）给出。
无穷小旋转和微分方程
从刚体力学可知，当旋转为无限小时，旋转定
律变得尤为简单。考虑一段无限小的双折射光纤，
斯托克斯空间的旋转角正比于光纤的长度 即 dz （7.5-35） 式中 dz k ns n f dz kndz和 为双折射的度量， 入-输出关系的琼斯矩阵可以写为 分别为慢模和
传输，包括光纤，调制器，以及放大器。在这样
一个普通光学系统中的群速度色散，可以通过相
移是频率的函数来描述。
7.2 色散介质中的光脉冲传播
事实上在现代通信中，光纤中所携带的载流子 基本上都是以数字脉冲的形式存在的，每个脉冲 代表一个比特的信息。因此，脉冲越窄，在一个
给定的时隙中就能容纳更多的脉冲，更多的数据
折射。如果 x 和 y 轴分别对应纤芯椭圆的长轴和
短轴，那么两种偏振模式（ LP01 x 和 LP01 y）将以不
同的群速度传输。在实际的光纤中，椭圆形纤芯
的长轴方向可能（由于光纤的弯折和扭曲）沿着
光纤的方向变化。而且，由于光纤方向的拉力引 起的光测弹性效应能导致传播模式之间的耦合。 因此由于制造缺陷和环境干扰（弯折和扭曲等）， 光纤实际成为慢轴方向随光纤位置不断变化的双
2 F exp 4 4 1
（7.2-3）
波都是其独特的频率 0 和幅度F d 。为了
获得输出平面 z 处的场，需要用传输相位延迟因
子
exp i 0 z
（7.2-4）
叠加公式（7.2-2）各个频率分量F d expi0
各个分量的定义（第1章），利用泡利自旋矩阵和
折射率网络或者波阵面，PMD矢量平行于慢模的偏
振方向，其大小由式（7.3-1）给出。
无穷小旋转和微分方程
从刚体力学可知，当旋转为无限小时，旋转定
律变得尤为简单。考虑一段无限小的双折射光纤，
斯托克斯空间的旋转角正比于光纤的长度 即 dz （7.5-35） 式中 dz k ns n f dz kndz和 为双折射的度量， 入-输出关系的琼斯矩阵可以写为 分别为慢模和
传输，包括光纤，调制器，以及放大器。在这样
一个普通光学系统中的群速度色散，可以通过相
移是频率的函数来描述。
7.2 色散介质中的光脉冲传播
事实上在现代通信中，光纤中所携带的载流子 基本上都是以数字脉冲的形式存在的，每个脉冲 代表一个比特的信息。因此，脉冲越窄，在一个
给定的时隙中就能容纳更多的脉冲，更多的数据
折射。如果 x 和 y 轴分别对应纤芯椭圆的长轴和
短轴，那么两种偏振模式（ LP01 x 和 LP01 y）将以不
同的群速度传输。在实际的光纤中，椭圆形纤芯
的长轴方向可能（由于光纤的弯折和扭曲）沿着
光纤的方向变化。而且，由于光纤方向的拉力引 起的光测弹性效应能导致传播模式之间的耦合。 因此由于制造缺陷和环境干扰（弯折和扭曲等）， 光纤实际成为慢轴方向随光纤位置不断变化的双
2 F exp 4 4 1
（7.2-3）
波都是其独特的频率 0 和幅度F d 。为了
获得输出平面 z 处的场，需要用传输相位延迟因
子
exp i 0 z
（7.2-4）
叠加公式（7.2-2）各个频率分量F d expi0
各个分量的定义（第1章），利用泡利自旋矩阵和