《光纖的色散》PPT課件

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1、八、光纖的色散(1)1.色散的概述2.色散的分類3.單模光纖的色散4.多模光纖的色散色散和損耗一樣都是影響光信號在光纖中傳輸?shù)闹饕蛩?。損耗主要導致光信號幅度的衰減，是早期限制無中繼傳輸距離的主要因素。隨著光纖制備技術的進步，特別是近年來摻餌光纖放大器的實用化有效的補償光功率的損耗，使損耗已經(jīng)不再是一個主要的限制因素了，所以光纖的色散特性已經(jīng)成為光纖最重要的特性指標。色散主要特點是導致光纖中傳輸?shù)墓饷}沖展寬，引起信號的畸變。1.光纖色散的概述色散的定義：光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺S傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時延

2、不同引起的脈沖展寬的物理效應。色散主要影響系統(tǒng)的傳輸容量，也對中繼距離有影響。色散的大小常用時延差表示，時延差是光脈沖中不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時間差。2.光纖色散的分類首先，不同頻率或波長的光顯然是以不同速進行傳播的。另外，不同多模光纖中，不同的傳播模式具有不同的相位常數(shù)，因而也具有不同的相速度和群速度。根據(jù)上述不同機理引起的色散效應，可以把光波在光纖中傳輸?shù)纳F(xiàn)象分成波長色散、模式色散兩大類。。1)、波長色散光纖中傳輸?shù)墓庑盘柺怯眯枰獋鬏數(shù)男盘柸フ{(diào)制光源所發(fā)出的連續(xù)光波產(chǎn)生的，因而這種光信號是由多種頻率

3、成分的光波構成的。光信號的頻譜寬度決定于光源的線寬和調(diào)制信號的頻譜。在大多數(shù)情況下，光纖通信系統(tǒng)主要采用光源為LED和LD，此時光信號的譜寬主要取決于光源的線寬。但對于高速率的傳輸系統(tǒng)，一般采用DFB激光器作為光源，這時信號譜寬幾乎完全決定了光信號的譜寬。光信號在光纖中以群速度傳播，群速度定義為光載波的角頻率對相位常數(shù)的微分，即于是可以得到光信號在光纖中傳播單位距離的時間，即群時延，為在自由空間中，光的速度c是個物理常數(shù)，相位常數(shù)為，同時注意到，則又可群時延寫成波長的關系式可以看到，一般情況下，群時延都是波長的函數(shù)，除非相位常

4、數(shù)正好是波數(shù)的線性關系。正因為這種函數(shù)關系，所以光信號中不同頻率的成分以不同的速度傳播。在輸入端，這些不同頻率的成分同時出發(fā)，將在不同時刻到達終端，引起信號畸變。對于數(shù)字信號，將導致光脈沖的展寬，展寬的程度用時延差來表示。所謂時延差，是指光信號中傳播速度最慢的頻率成分的傳輸時延與傳播速度最快的頻率成分的傳輸時延之差，記Δτ。若忽略高階項，可表示為由此可以看到，光信號非單色波引起的群時延與光信號的譜寬Δλ成正比。這種與光信號譜寬成比例的色散效應是波長色散，或叫色度色散。根據(jù)波長色散產(chǎn)生的機理，又可以將波長色散區(qū)分為材料色散、波導

5、色散和折射率剖面色散。a)、材料色散材料色散是由于構成光纖的纖芯和包層材料的折射率是頻率的函數(shù)引起的。構成介質材料的分子、原子可看成是一個個諧振子，它們有一系列固有的諧振頻率。但在外加高頻電磁場作用下，這些諧振子都將作受迫振動。根據(jù)經(jīng)典的電磁理論可以知道，這時介質的電極化率、相對介電常數(shù)或者折射率都是頻率的函數(shù)，而且都是復數(shù)。由于折射率隨外加電磁場頻率而變化，所以介質呈色散特性，這就是材料色散。外加電磁場后，介質折射率可寫為正常色散反常色散從圖中可以看出，是諧振偶極子的一個諧振頻率.在外加電磁場時，隨著頻率的升高，折射的實部n

6、上升，波的相速度隨頻率升高而下降，這種色散稱為正常色散。此時，折射率虛部很小中，介質對電磁能量的吸收很小。正常色散反常色散同樣可以看出，在外加電磁場時，隨著頻率的升高，折射的實部n反而下降，這時波的相速度是隨頻率升高而升高的，這種色散稱為反常色散。另外，在反常色散區(qū)，折射率的虛部很大，在大時達到極大值，此處介質對電磁波有強烈吸收，稱共振吸收。材料色散是伴隨著損耗的。b)、波導色散由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反射時，就可能有一部分光進入包層之內(nèi)。這部分光在包層內(nèi)傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續(xù)傳輸。

7、進入包層內(nèi)的這部分光強的大小與光波長有關，這就相當于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。把有一定波譜寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長的光傳輸路徑不完全相同，所以到達終點的時間也不相同，從而出現(xiàn)脈沖展寬。具體說，入射光的波長越長，進入包層中的光強比例越大，這部分光走過的距離就越長。這種色散是由光纖中的光波導引起的，由此產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導色散。c)、折射率剖面色散折射率剖面色散是由于光纖纖芯和包層的相對折射率差Δ是頻率的函數(shù)而產(chǎn)生的。Δ是頻率的函數(shù)表明纖芯折射率和包層折射率隨頻率變化的規(guī)律不一致。但實際光纖都

8、是弱導光纖，Δ很小，所以與材料色散和波導色散相比，折射率剖面色散通常是可以忽略的。上述三類波長色散效應產(chǎn)生的傳播時延差與光信號的譜寬成正比，所在光源本身起決定性作用的條件下，減小波長色散影響的最有效措施是采用窄線寬的光源。。2)、模式色散模式色散是由于光纖不同模式在同一波長下