浅谈光纤的色散.doc

浅谈光纤的色散刘继贤中南大学铁道校区现代教育技术中心410075光纤有两个重要性质即损耗和色散。损耗关系到通信系统传输距离的长短和中继站间隔距离的选择是首要的特性。损耗的波谱曲线关系到光波波长的选择。而色散会使输入脉冲在传输过程中展宽产生码间干扰增加误码率从而限制通信容量。因此研究光纤的色散合理设计光纤的剖面结构改善其传输特性制造优质的、色散小的光纤对增加通信系统的容量加大传输距离发展新型光纤通信技术都是极为重要的。为了研究如何减小色散需要了解色散的概念、来源、表示方法及色散对通信系统传输信号的影响以便在设计、生产及实际应用中采取相应的措施减少色散的影响。下面就以上问题进行论述。1色散的概念及分类1.1光纤中色散的概念由于信号在光纤中是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速率从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解也就是说光脉冲在通过光图7电感L的漆包线直径不宜过小否则用于集中供电的网络上时L容易被烧毁。下面给出一组经验值供大家制作时参考:L用0.6mm漆包线在3.5mm的圆柱上绕9匝脱胎而成。在550MHz系统上使用时C取4pF调整L的间距可使f0在10chZ9ch之间变化在300MHz系统上使用时C取6pF调整L的间距可使f0在6ch10ch之间变化。R取400时在f0频道上的陷波幅度为10dBR取200时f0的陷波幅度为6dB。本陷波器在一般的中频段凸起的网络上都可使用但有的网络情况较特殊其中频段隆起的范围较宽有可能从增补1频道至增补10频道这种情况下图7电路的陷波带宽将不够这时可采用两个并联谐振回路串接并使这两个回路谐振点错开通常可让两个回路分别谐振于Z3ch和Z8ch具体参数见图8若R用可调电阻则可做成一个幅度可调的宽带陷波器宽带陷波器的插入损耗较大一般为11.5dB左右。上述陷波器可直接焊接在去掉电路板的分配器的引脚上以便在线路上灵活插入龙海市区、乡镇及村级有图8线电视网络干线普遍存在中频段凸起这一问题并长期无法解决致使系统带内总有几个频道图像质量差甚至无法收看自本人将中频段陷波器推广后这一问题得到了有效解决全市有线电视传输质量普遍得到提高。3结束语有线电视网络幅频特性的好坏直接影响到系统的整体质量以上仅就电缆网络普遍存在的幅频失真问题提出了一些解决办法然而最有?妥罡镜慕饩霭旆故嵌韵低辰泄饫赂脑臁蛭低彻饫赂脑旌蠓糯笃骷妒臀拊雌骷拥募妒飨约跎俜凳娴幕刍嵯嘤跣卦氡取坏鞅取鞅取春先尾钆谋鹊认低称渌副暌步蟠筇岣咭虼宋颐怯谑实钡氖被韵低辰泄饫赂脑觳克跣扛龉饨诘愕母哺前刖堆细窨刂品糯笃骷妒庋绲母髦质娌拍芙档阶畹拖薅扔邢叩缡酉低车牟鲋柿坎拍艿玫礁拘缘奶岣摺崭迦掌?20002112058中国有线电视?技术交流纤传播期间其波形随时间发生展宽这种现象称为光纤的色散。1.2光纤色散的分类通常把光纤中的色散分为三种类型:模式色散、模内色散和偏振色散。而模内色散又分为材料色散和波导色散。1.2.1模式色散多模光纤中即使是同一波长模式不同传播速度也不同它所引起的色散称为模式色散。或者说不同模式的光在光纤中传输时的传输常数不同从而使传输同样长的距离后不同模式的光波之间产生了群时延差如图1所示。假设这根光纤可以传输3个模式其中高次模到达输出端所需的时间较长结果是入射到光纤的窄脉冲由于不同模式到达的时间不同或者说群时延不同从而在输出端发生了脉冲展宽。图1必须指出单模光纤只存在一个模式没有模式色散所以模式色散是多模光纤才有的。对于其中最高次模和最低次模的光根据理论分析模间最大时延差sn1Zcn1n2-1n1Zc式中:n1为光纤纤芯的折射率n2为光纤包层的折射率c为真空光速Z为光线沿光纤轴向传输的距离为相对折射率差。由上式看出阶跃光纤的最大模间时延差与成正比。若Z1kmn11.50.01取C3105km/s则s50ns/km相应带宽B12s10MHz?km这说明阶跃光纤的模式色散大能传输的带宽小。根据理论分析抛物型渐变折射率分布多模光纤中的时延差Gn1Z2c2这说明渐变折射率分布多模光纤中模间时延差与2成正比。同样当Z1km时n11.50.01则G0.25ns/km相应带宽为B12G2GHz?km。所以在同样条件下渐变折射率分布多模光纤的时延差只有阶跃光纤的0.25500.5而传输容量比阶跃光纤高出200倍。1.2.2模内色散模内色散亦称颜色色散或多色色散。主要是由于光源有一定带宽从而使信号在光中会有不同的波长成分而引起的。或者说信号的不同频率分量具有不同的群速度结果导致光脉冲的展宽。模内色散包括材料色散和波导色散。1材料色散材料色散发生在模式内部。由于光纤纤芯材料使得组成同一个模式波形的不同频率以不同的速度传播。例如在日光通过棱镜而形成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的色散这是由于棱镜材料对不同波长对应不同颜色的光呈现的折射率不同从而使不同波长或频率的光传播速度不同而引起的这就是光的材料色散。当材料的折射率n是波长的非线性函数时使得不同波长的光在纤芯中的传播速度随波长而变就说明传输中存在材料色散。材料色散在波长附近用波长间隔为的两个波长传播单位距离后的时间差表示。这一色散与成正比而且常用相对值百分比带宽表示。材料色散作为的函数对于某一固定百分比带宽其单位常以ns/km表示。典型的色散值大约为1ns/km乘以百分比带宽。因此在0.86m处10m的带宽将产生大约0.1ns/km的色散而1nm的带宽仅产生大约10-3ns/km的色散。此值极其微小因而单一模式的材料色散对通信性能的影响可以忽略。2波导色散波导色散是模式本身的色散指光纤中某一种导波模式在不同的频率下相位常数不同群速度不同而引起的色散。简单地说波导色散就是同一模式的相位常数随波长变化而引起的色散。它与光纤结构的波导效应有关因此又称结构色散。图2给出了SiO2单模光纤材料色散和波导色散与光波波长的关系曲线。从图中可以看出在波长为1.273m附近时材料色散为零这时波导色散为主9中国有线电视?技术交流要色散而当波长为1.31m时材料色散和波导色散相互抵消总色散为零。在此波段内光纤损耗也最小。因此目前人们研制的零色散位移光纤即是使工作波长在1.55m的单模光纤也可以获得最低损耗和最小色散。图21.2.3偏振色散通常的轴对称单模光纤是违背“单模”名称的。实际上有可能传播着两个模即在光纤横截面上的两个正交方向设为x方向与y方向上偏振的即在这些方向上具有场分量的HE11x模与HE11y模同时由于实际的光纤中必然存在着一些轴不对称那么光纤会存在双折射就会使这两个模式的传输速度不同由此引起的色散叫偏振色散。偏振色散是单模光纤中特有的。1.3各种色散的比较1假定为均匀纤芯的单模光纤例如以波长0.85m而言波导色散比材料色散要小1个数量级。2单模光纤中有材料色散和波导色散但二者有可能相互抵消。其条件是:石英玻璃SiO2光纤在光波长为1.311.4m时两种色散大小相等而符号相反因此能相互抵消如图2所示。这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。3偏振色散的数值对于通常制造出的轴对称单模光纤来说大约为110ps/km它比其他三类色散中的任一个都要小得多。4考虑均匀纤芯的多模光纤波导色散的大小与单模的情形大致相同且比材料色散小得多所以在0.85m波段主要为材料色散和多模色散。均匀纤芯的多模光纤中多模色散的值最大为10ns/km。5多模光纤中有模式色散、波导色散和材料色散而以模式色散占主要地位。而在单模光纤中不产生模式色散只有材料色散和波导色散。通常各种色散的大小顺序是:模式色散?材料色散波导色散因此多模光纤的传输带宽几乎由模式色散所制约。在单模光纤中由于没有模式色散所以它具有非常宽的带宽。综合以上所述光纤中各种色散的特点如表1所示。表1色散种类模式色散模内色散材料色散波导色散偏振色散产生原因即使在同一波长不同模式的传输速度不同纤芯材料的折射率随频率而变同一模式的相位常数随频率或而变单模光纤中实际存在两个基模当光纤存在双折射时这两个模式的传输速度不同光纤类型多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤多模光纤单模光纤备注多模光纤以模式色散为主单模光纤以材料色散为主2光纤色散的表示方法通常可以用不同的方法表示光纤的色散常用的有最大时延差0、脉冲展宽和光纤3dB带宽B。最大时延差描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。脉冲展宽和光纤带宽描述光纤色散对传输信号的影响。将一段广纤看作一个网络可用时域法或频域法分析其色散特性。当用时域法分析时色散影响用脉冲展宽表示而用频域法分析时则采用光纤带宽。本节主要分析用最大时延差0来表示光纤的色散。2.1时延差0在光纤中不同速度的信号传送同样的距离需要不同的时间即各信号的时延不同从而产生时延差。时延差越大色散越严重常用最大时延差来表示光纤的色散程度简称时延差0。假设有一频率为f2f的已调光载波在光纤中传输光能在光纤中传输的群速度为Ug即光能在光纤中的传输速度Ugdd式中:为光波的相位常数为角频率。传输单位长度所需的时间0称为单位长度上的01中国有线电视?技术交流脉冲时延或群时延0。其表达式为01Ugdd1cddk01式中:k0为自由空间的波长k02c是光波波长cf各信号成分的时延不同存在时延差。下面推导由频率变化所引起的时延差0表达式。光源不是单色光有一定的带宽设其带宽为则单位带宽上引起的时延差为d0d的带宽上引起的时延差应为0d0d2fd0d2严格地说在不同频率上d0d是不同的由于光源的相对带宽很窄可以近似认为在整个谱宽内d0d是不变的故采用中心频率f处的d0d值来计算。将1式代入2式可得到以下几种不同形式的时延差0的表达式0d0d2f?d0d2f?1c2d2dk20k0cffd2dk20由上式看出时延差0与光源的相对带宽ff成正比光源的相对带宽越窄时延差就愈小则引起的色散就小。还与信号的相位常数对k0或、的二阶导数有关因此采用窄线宽的半导体激光器作光源较发光二极管有利于减少色散的影响。必须指出时延并不代表色散的大小色散的程度用时延差表示。时延差的单位为ps/km。2.2色散系数D规定以色散表征单模光纤的传输容量性能具体的参数称作色散系数。即Dddps/nm?km此式的意义为单位光源谱宽在单位长度光纤上引起的群时延差。通过改变SiO2玻璃中的掺杂成分或者改变纤芯的结构参数、g等为纤芯半径为相对折射率差g为折射率分布指数可以使光纤在特定的中心波长附近色散系数为零从而大大提高传输容量。这些使色散系数为零的光波长称为零色散波长用0表示。图3为常用光纤的相对时延波长和色散系数曲线。从图中看出当光纤波长小于1.31m区域D为负值而在波长大于1.31m区域D为正值1.31m为光纤的零色散波长。图32.3光纤的传输带宽色散使沿光纤传输的光脉冲展宽最终可能使2个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收机无法区分它们造成误码。定义相邻两脉冲虽重叠但仍然能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。根据理论分析光纤的3dB带宽为BC0.44tFWHM式中:tFWHM为光脉冲的半高全宽。表2是石英光纤的典型带宽参数GHz?km。表2光源带宽参量多模光纤单模光纤阶跃型梯度型阶跃型LED0.85m50nm模式色散材料色散0.010.5150.50.5LED1.3m50nm模式色散材料色散0.0128152828LD0.85m2nm模式色散材料色散0.0125182525LD1.3m2nm模式色散材料色散0.0110015100100从表2可看出以下几点:1对阶跃多模光纤来说带宽主要受模式色散限制仅数十MHz?km。2对梯度多模光纤来说当工作在1.31m波长采用LD光源时模式色散是主要的限制。3对单模光纤来说影响带宽的是