光纤色散课件

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1、第五部分光纤色散主要内容主要内容一．概述二．单模光纤中的色散三．光信号在色散光纤中的传输四．色散优化光纤五．偏振模色散一、概述色散的一般描述色散的一般描述色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素光纤色散构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象模间色散：不同模式不同传输速度材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布长途系统使用单模光纤偏振模色散：不同偏振态不同传输速度色度色散定义：单位长度光纤传输时延随波长的变化率dτ(λ)D()λ=,τ()λ波长λ的光通过单位长度光纤的时延,psnm⋅kmdλ色散调节手段：改变光

2、纤结构，改变波导色散色散对光通信系统的影响信号畸变光脉冲形状畸变引起误码脉冲展宽时间多模光纤中的模式色散1.概念光脉冲能量的载体：所有模式不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。2.模式色散的表示单位光纤长度上，模式的最大时延差Δτ传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差。子午线与斜射线子午线与斜射线子午线：轨迹通过光纤的中心轴线，在光纤端面上的投影与光纤芯子的直径相重合斜射线：阶跃光纤轨迹不通过光纤的中心轴线，在光纤端面上的投影为芯、包界面上的内接多边形渐变型

3、折射率光纤轨迹不通过光纤的中心轴线，在光纤端面上的投影为以光纤轴线为圆心，半径小于芯子半径的圆子午线子午线θz斜射线斜射线模式色散的计算模式色散的计算－几何光学方法－几何光学方法包层n2②①传输最快的子午线芯区nθ1c②传输最慢的子午线①对于①，单位长度光纤传输的时延：11n===1多模光纤的模式色散为τ1Vc/nc112nn11Δτ=τ−τ=−对于②，单位长度光纤传输的时延：21cnc2⎧=1=1=n1n1n1−n2n1⋅Δ⎪τ2=⋅≈(/)sinsin2⎪V2cn1θccθcncnc12⎨τ=n2⎪2cnsinθ=2c⎪n⎩1模式色散的

4、计算模式色散的计算－波动光学方法－波动光学方法LP光纤中传输的基模为01模，模式的传输常数为β01光纤中传输的最高次模为模，模式的传输常数为βLPmnmn单位长度上的传输群时延为：dβmnτ=mndω多模光纤的模式色散为：d(β−β)mn01τ=τ−τ=mn01dω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nΔ2nΔ1Δ=1Δτ=τ12c2cΔτΔ2=<<1Δτ21抛物型光纤中的自聚焦效应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，

5、这种现象称为自聚焦现象。这种光纤称为自聚焦光纤。单模光纤色散单模光纤色散1.概念不同频率的电磁波在光纤中具有不同的群速度或群时延的材料属性，从而在传输过程中信号展宽。2.单模光纤色散的表示用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示dτ2dτβ=[pskm]D=[ps/nm⋅km]2dωdλG.652@1.55μm:~20ps2/km~17ps/nm⋅kmSellmeyerSellmeyer定律－材料色散定律－材料色散不论任何介质，由于在某些波长上，材料对电磁波存在谐振吸收现象，因此，材料对外场的响应与电磁波的波长相关。即材料的折射率应当是电磁波

6、频率或波长的函数。一般取3即可获得足够的性质N2BNw2λ()2jjn=fλn=1+∑=1+∑2222j=1λ−λjj=1wj−w与材料组成有关的常数,称为Sellmeyer常数，对于纯石英材料B1=.069681B2=.040817B3=.089493λ1=.006853λ2=.011612λ3=.991410石英中少量掺杂的影响●掺Ge,P,Al折射率●掺B,F,折射率●微量掺杂时,折射率的改变量与掺杂剂的mol浓度呈线性变化关系●材料的Sellmeyer常数将发生相应的微小变化群时延、群折射率与群速度群时延、群折射率与群速度无限大介质

7、中2πβ=nλ2πfnwn材料色散β==cccλ=⎛2⎞2fdτ1dndnωdnβ==⎜2+ω⎟≈2⎜2⎟2dωc⎝dωdω⎠cdω群时延（ps2/km）dβ1dn11τ==(n+ω)==dωcdωvc/nggdn2群折射率n=n+ωdτ2πcλdngD==−β≈−dω222cdλλcdλ群速度vg=（ps/km.nm）ng波导色散波导色散1.概念由于波导效应的存在,使模式的不同频率成分在波导中的传输速度不同,由此引起的色散2.波导色散的表示用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示ddττdωdλ模式的有效折射率模式的有效折射率光纤中的模式能

8、量分布于纤芯与包层,其感受到的折射率既不是n,也不是n,而是介于二者之间的某一值,通常用n来12eff表示,n称为有效折射率eff模式的传输常数2πneffβ==kn0effλ模