光纤中的色散和偏振模色散.ppt

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1、光纤中的色散和偏振模色散7.0引言色散实际上是所有光学材料的一个固有特性。这一现象主要表现为一束在透明介质中传输的光的相速度（和群速度）对其频率（或波长）的依赖性。类似地，色散也存在于由透明材料制作而成的光纤中。正是由于色散的存在，一束光脉冲沿着光纤传播时会发生展宽。这一展宽导致了相邻脉冲重叠时信号的衰减。随着传播距离和传输速度的增加，这个问题会逐渐地变得更加严重。除了常规的色散外，光纤还具有双折射的特性，即相速（群速）依赖于光束的偏振。双折射是由于光纤本身的不理想性和（或）外界的干扰造成的。因此，两个线性偏振模（如和）就不再简并了

2、。换言之，这两个传播的主模之间存在一个时延差——传播速度慢的模式和传播速度快的模式。时延的存在导致光脉冲的展宽和光信号的衰减。在本章中我们定量地讨论在光纤中传播的光脉冲的色散和双折射效应。7.1光传输系统中的色散在第1章中我们采用折射率对光频率（或波长）的依赖性来描述色散。这点对于讨论在同性介质中传播的光脉冲时是非常重要的。由于色散的存在，光的群速度依赖于频率（或波长）。这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

3、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（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，数据速率超过在一个的系统中，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。进一步降低脉冲宽度的限制因素是群速度对频率的依赖导致的脉冲展宽。这一现象叫做群速度色散（GVD）。具体地讲，我们考虑一种实际中特定的情形：单模光纤，通常的最低阶基模，

4、在处被一个时间高斯脉冲（7.2-1）激发。这里的是一个约束模式的波函数，是常数，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。我们可以把输入脉冲表示为傅里叶积分的形式（7.2-2）式中是高斯包络的傅里叶变换（7.2-3）在上面的公式中，忽略了波函数。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和幅度。为了获得输出平面处的场，需要用传输相位延迟因子（7.2-4）叠加公式（7.2-2）各个频率分量结

5、果为（7.2-5）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，这是由于陡峭边缘的原因（陡峭的上升和下降）。频谱分布越宽导致的脉冲展宽越大而“眼图”恰越小（见图7.3）。通常，高斯脉冲具有最好的脉宽—带宽积。这与物理最小波包的概念是

6、一致的。眼图是传输和网络系统工程中用来描述数字二进制脉冲由于传输过程中的脉冲展宽，畸变和噪声导致的信号退化的一种方法。接收脉冲波流被呈现在存储示波器中，示波器的水平扫描和比特速率相同。存储示波器因而可记录若干比特序列（伴随着扩展和畸变）而形成眼图。具有大的“眼睛”的眼图表示传输质量高和比特率低。7.3光纤中的偏振效应前面已经阐述了色散可以导致光脉冲的展宽，这一节中，我们可以看到光纤中的偏振效应也会导致光脉冲的展宽。在第3章中，已经讨论了圆形介质光纤中的传播模，具体地说，讨论了圆形介质单模光纤中的线性偏振模。尽管被称为“单模”，这些光

7、纤实际上支持两种偏振状态不同的（和）传播模式，由于圆对称性，这些传播模式（和）是简并的。换句话说，在任意给定的频率，它们具有完全相同的传输常数，并且以严格相同的相位和群速度传输。实际上，并非所有的圆形介质光纤都是严格圆形的。光纤的横截面在一个方向上可以被压平，在另一个方向被拉长，这就形成横截面为椭圆形的纤芯。图7.4显示了椭圆纤芯的光纤中线偏振模的偏振状态。非圆对称特性形成了传导模传播常数的不同。即椭圆形的纤芯导致单模光纤中的双折射。如果和轴分别对应纤芯椭圆的长轴和短轴，那么两种偏振模式（和）将以不同的群速度传输。在实际的光纤中，椭

8、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折射率介质。我