《光纤通信技术教学资料》第2章第4节.ppt

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1、1,光色散概念:光在媒质中的传播速度随波长而变动的现象,称为色散。光纤的色散是在光纤中传输的光脉冲，随传输距离增加，由于光波中不同成分(不同模式或不同波长成分)以不同的速度传输,产生时延不同而引起的光脉冲展宽的物理效应。,（1-光纤色散示意图）,2.4 单模光纤的色散,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，限制通信容量与通信距离。,2,3,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

2、色散 模式色散 偏振色散,2.4.1 光纤色散的形成机制和类别,4,（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。,5,光源的谱线宽度,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,6,（3）波导色散（Waveguide Dispersion）某导波模式的传播常数随波长的非线性变化

3、特性产生的色散，这是单模光纤色散的主要原因。(P15)（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。,7,（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

4、，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。,8,2.4.2 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0、脉冲展宽和光纤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 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。,9,什么是最大时延差 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

5、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。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。,10,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,（）,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g(ps/km)可近似为,（）,11,色散参数 D 通常用色散参数 D 表示光纤色散的严重程度。,（）,它定义为两个波长间隔为1nm 的光波经过单位长度光纤产生的时延，

6、其单位为ps/（nm.km）。,12,2.4.3 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。,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,13,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=1.273m处，DM0，这个波长称为零色散波长（0）。在0区，DM为正值。在1.25m1.66m波长区，DM可用下列经验公式近似，即,（）,14,我们由图（b）可见：长波长窗口的材料色散较短波长的小！,SiO2折射率（a）

7、及材料色散系数（b）与波长的关系,15,2、波导色散(P6)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。波导色散参数由式(2.4.20a)计算得到。我们可以通过图2.13 和 图2.14 做进一步讨论。,图2.13 Vb的一阶及二阶微分与V的关系,图2.13展示了 b、和 的计算结果，由此即可计算群延时、脉冲展宽和色散参数Dw。可见，在V1.2处，达到最大值。,16,图2.13,在V2.02.4的实际单模应用范围内，这个因子的值为0.10.2。由于 和 都是正值，因而 DW 在 0m1.6m都是负值。,17,图2.14展示了材料色散、波导色散以及两者之

8、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 m向右移动了3040nm，总色散D在1.31 m附近为零。,图2.14 普通单模光纤的DM、DW和D随波长的变化,18,由于制造和应用引起实际单模光纤的结构的形变产生了双折射，导致简并的两个正交线偏振模分裂为两个传播常数不等的 和 模，其传输速度不等而产生相对延时和脉冲展宽形成色散，称为偏振模色散。在无双折射或弱双折射时，两偏振模传播常数相等或相近。两模式间耦合较强，彼此约束，使两偏振分量的传播常数变一致了，不存在或只存在很弱的脉冲展宽，如图2.15（b）所示。当双折射较高时，两偏振模传播常数差增

9、大，模间耦合变弱，导致相对延时和脉冲展宽增大，因而导致了偏振模色散PMD，如图2.15（a）所示。,2.4.4 单模光纤的偏振色散,19,图2.15偏振模色散形成原理及其对光脉冲传输的影响（a）高双折射光纤；（b）低或无双折射光纤。,20,色散引起脉冲展宽，可能导致相邻光脉冲重叠，限制了通信系统比特率 B 和通信距离 L。为防止相邻脉冲发生重叠，一般应使 Bg 1。对光源线宽为，系统长度为 L 的系统，由式（）可知，g可写成,2.4.5 高阶色散,（）,称为群速度色散(GVD)，由此可见，GVD使光纤传输的比特率距离积（即通信容量）限制在以下范围，即 Bg=BL|D|1,21,从上式中，若系统

10、运行于零色散波长=0、D0时，BL可无限增大，但实际上并不可能。实际上，在=0处色散并未完全消失，此时只是，而 并不能忽略。,因为虽然信号脉冲中心波长（取在零色散波长0）处的 D0，但并不意味着脉冲信号包含的其它波长成分处的 D 均为零。D 随着波长而变的特性，就决定了信号传输仍受到色散的限制，引起脉冲展宽。高阶色散取决于色散斜率：S=dD/dS也称微分色散参数或二阶色散参数。,22,为高阶色散。,(2.4.32),式中：,其中g为群速；,，为(二阶)群速度色散 GVD 参量，即通常说的“色散”。,对标准单模光纤，S的典型值为：,对0=1.55m的色散位移光纤S的典型值为：,23,（）,对于=

11、2nm 的多模半导体激光器，0=1.55m，S=0.05ps/(km)的色散位移光纤，BL积接5(Tb/s)km。,高阶色散斜率和光源谱宽对光波系统比特率距离积的限制关系：,进一步提高BL积的办法是使用单纵模半导体光源！,高阶色散或色散斜率越大，光源谱宽越宽，BL越小。,24,2.4.6 光纤色散的调整与新型单模光纤,单模光纤的色散是以材料色散和波导色散为主，分布色散一般可以忽略。在大多数情况下，材料色散都可以用式（）进行计算(P37)。波导色散一般为负值，计算较为复杂。对于阶跃光纤，可按式（）(P37)计算，当调节：纤芯半径 a 相对折射率差 归一化频率 V即可改变 DW 值。对于梯度光纤，

12、计算更为复杂。,25,a）G.652光纤（SSF）对普通的单模光纤，全色散为零的波长约在1.31m，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。这种光纤就是最早实用的标准单模光纤，世界上目前铺设最多的就是这种光纤，国际电信联盟(ITU)将它命名为G.652光纤。G.652光纤的主要缺点是其最小损耗波长(1.55m)与零色散波长不一致，影响了系统性能。在1.55m 波长，虽然损耗最低，但在该波长上的色散较大，达1620ps(nmkm)。因而，10Gbs的信号传输距离超过50km时就需要采用昂贵的色散补偿模块来进行色散补偿。,可以改进普通或标准单模光纤（G.652）的结构和参数，制造出各种新型光纤

13、，下面分别介绍。,26,b)G.653光纤(DSF)通过改变折射率分布及包层结构，可将零色散波长从1.31m移到1.55m，这就是色散位移光纤(DSF)。,为了把零色散波长从1.3 m移到1.55m，需要增大波导色散的绝对值。这种光纤在20世纪80年代中开发成功，ITU命名它为C.653光纤。,1.31m,1.55m,27,C)G.654光纤(CSF)：截止波长位移光纤，设计的出发点进一步降低1550nm处的衰减，而零色散波长仍为1310nm。,28,d)G.655光纤(NZ-DSF)20世纪90年代，波分复用(WDM)技术及掺铒光纤放大器(EDFA)迅速发展，在1550m窗口上可实现几个、几

14、十甚至上百个波长信号在一根光纤内同时传输及全光中继放大，使光纤传输系统的容量急剧增加。这时如采用1550m 波长上色散为零的G.653光纤，会出现一种四波混频(FWM)效应，引起波长信道间的串扰，严重影响WDM系统的性能。,29,这种FWM的效率与光纤色散有关，零色散时FWM效率最高，串扰影响最大。因此研制出了一种新型光纤，即非零色散位移光纤(NZDSF)，称为G.655光纤。G.655光纤的零色散波长在1525nm或1585nm。在1530-1565nm范围内有微小的色散，如 2ps(nmkm)其值足以使波长信道间的相位失配，将WDM信道间的有害非线性效应(如FWM)降到最低；使得10Gbs

15、的信号传输300400km而无需色散补偿。,30,使用这种光纤既可降低光纤网络的铺设成本，同时又保证了未来网络扩容需要。G.655光纤的一个例子是Luscent公司的true wave光纤，它又包括两种：一种是零色散波长偏向短波长，1550nm处色散为正(D23ps(nmkm)称为true wave)；另一种的零色散波长偏向长波长，1550nm处色散为负(D1.5ps(nmkm)称为true wave)。G.655光纤具有G.652和G.653光纤二者的优点，是一种优良的WDM光纤传输系统的传输媒质。,31,d)大有效面积光纤 另外，Corning公司生产了一种LEAF(Large effective area fiber)光纤，其零色散波长在15061514nm。其特点是纤芯有效面积较大，达7278m2，因此纤芯内功率密度较低，可减小非线性效应的影响及采用较高的传输功率，更适合于密集WDM系统的应用。,32,图2.18展示了以上介绍的几种单模光纤的结构和折射率分布及色散特性。,图2.18 几种单模光纤结构和色散特性的比较,33,表2.1 几种典型光纤参数比较,