光纤光学教学课件-第十一讲-共

二、光纤的色散12/19/2022二、光纤的色散12/16/202213、阶跃型弱导光纤的色散（单模）12/19/20223、阶跃型弱导光纤的色散（单模）12/16/20222在上式中：材料色散引起的群延时——第一项；波导色散引起的群延时——第二项；（一）材料色散材料色散是折射率对波长的二阶导数，属折射率随波长的非线性变化，不能简单地认为折射率随波长而变所引起的。12/19/2022在上式中：（一）材料色散材料色散是折射率对波长的二阶导数，3对石英光纤：材料色散小于0，正常色散区;长波长光传播快，短波长光传播慢!（负色散值）。材料色散大于0，反常色散区;短波长光传播快，长波长光传播慢!（正色散值）。12/19/2022对石英光纤：材料色散小于0，正常色散区;长波长光传播快，材料4（二）波导色散波导色散引起的群延时：由色散的计算式可得：12/19/2022（二）波导色散波导色散引起的群延时：由色散的计算式可得：12512/19/202212/16/2022612/19/202212/16/202271320-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm|>|Dw|-波导色散系数通常为负值总色散系数D≈Dm+Dw(单模光纤)12/19/20221320-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm|>8标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，国际电信联盟（ITU－T）把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大，约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。12/19/2022标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，12/9大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。12/19/2022大多数已安装的光纤12/16/202210（三）色散位移光纤原理：在1.3mm~1.7mm范围内任何波长，通过适当调整光纤波导的结构参量（a,△和g），总可以获得零色散，这就是色散位移光纤所依据的原理，将零色散波长从1.3mm移至1.55mm，可以使其与最低损耗波长一致。12/19/2022（三）色散位移光纤原理：12/16/2022111550nm13201550nmG.653色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550nm办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动普通商用光纤色散位移光纤12/19/20221550nm13201550nmG.653色散位移光纤12

标准单模光纤(SMF)

01310nmDcrom<20ps/nm-km1550nm

色散位移光纤(DSF)

01550nm

非零色散位移光纤(NZDSF)在1550nm存在小正或负色散，减少光纤中非线性效应的影响。12/19/2022标准单模光纤(SMF)12/16/202213针对色散位移光纤在1.55μm色散为零，会产生四波混频，导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM系统的问题，如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一特点，人们研制了非零色散光纤（NZ－DSF）。非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm处。非零色散光削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质12/19/2022针对色散位移光纤在1.55μm色散为零，会产生四波混频，导14在1530－1565nm窗口有较低的损耗;工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生;可以有正的或负的色散——海底传输系统;为DWDM系统的应用而设计的.结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。12/19/2022在1530－1565nm窗口有较低的损耗;结论:115G.656色散平坦光纤20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030l(mm)普通光纤l1总色散l2色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤12/19/2022G.656色散平坦光纤20-10-20-30101.11.1612/19/202212/16/202217色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零存在的问题：(1)高损耗；(2)短波长过补偿、长波长欠补偿12/19/2022色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤0100501018中途谱反转技术非线性器件等长、色散性质相同的光纤12/19/2022中途谱反转技术非线性等长、色散性质相同的光纤12/16/2019利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件12/19/2022利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：FBG是一种可以反射特20（四）偏振模色散光纤中传输的光信号的偏振态是随机变化的；光纤中由于残余机械应力的存在，光纤不是严格的各向同性介质；维持光传输的偏振态，需用保偏光纤（PMF）。12/19/2022（四）偏振模色散光纤中传输的光信号的偏振态是随机变化的；1221偏振模色散起因：光纤制备中的应力、温度、弯曲使光纤不具备圆柱的对称性，从而引入了双折射效应;光纤中传输的光脉冲激励了多个偏振模式；各个偏振模式在光纤中传输的速度不相同；对高速率（>10Gbit/s）的传输系统，偏振模色散越严重；由于偏振模色散的随机性，一般仅能对偏振模色散的平均效应进行补偿。12/19/2022偏振模色散起因：光纤制备中的应力、温度、弯曲使光纤不具备圆柱2212/19/202212/16/20222312/19/202212/16/202224偏振模色散与传输速率的对应关系12/19/2022偏振模色散与传输速率的对应关系12/16/202225光纤的演变G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/kmG.652光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm；最低损耗窗口1550nmG.653光纤：DSF，零色散波长1550nm；最低损耗窗口1550nmG.655光纤：NDSF，Lucent：零色散波长1530nm；Corning：>1570nm大有效面积光纤：LEAF降低非线性效应的影响。色散补偿光纤：全波光纤：消除OH的吸收损耗通信窗口：由0.85、1.31、1.55到S波(1.49~1.53)、C波(1.53~1.57)、L波(1.57~1.61)12/19/2022光纤的演变G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：326三、光纤中的脉冲展宽光脉冲：由麦克斯韦方程得到：光纤的色散：12/19/2022三、光纤中的脉冲展宽光脉冲：由麦克斯韦方程得到：光纤的色散：27时域的非线性薛定谔方程：参照系变换：忽略光纤的高阶色散：假设初始注入为高斯脉冲：应用傅里叶变换的方法对微分方程求解：脉冲展宽脉冲形状不变；产生附加相位。12/19/2022时域的非线性薛定谔方程：参照系变换：忽略光纤的高阶色散：假设28假设初始注入为啁啾高斯光脉冲：12/19/2022假设初始注入为啁啾高斯光脉冲：12/16/202229光纤的传输带宽光纤的传输带宽不是以脉冲展宽程度来衡量，是以单位长度光纤的频带宽度来说明。假设光纤是一个线性变换系统。高斯脉冲：也为高斯脉冲：12/19/2022光纤的传输带宽光纤的传输带宽不是以脉冲展宽程度来衡量30当时，对应的频率为截止频率。12/19/2022当时，对应的3112/19/202212/16/20223212/19/202212/16/202233光纤光学教学课件-第十一讲-共34二、光纤的色散12/19/2022二、光纤的色散12/16/2022353、阶跃型弱导光纤的色散（单模）12/19/20223、阶跃型弱导光纤的色散（单模）12/16/202236在上式中：材料色散引起的群延时——第一项；波导色散引起的群延时——第二项；（一）材料色散材料色散是折射率对波长的二阶导数，属折射率随波长的非线性变化，不能简单地认为折射率随波长而变所引起的。12/19/2022在上式中：（一）材料色散材料色散是折射率对波长的二阶导数，37对石英光纤：材料色散小于0，正常色散区;长波长光传播快，短波长光传播慢!（负色散值）。材料色散大于0，反常色散区;短波长光传播快，长波长光传播慢!（正色散值）。12/19/2022对石英光纤：材料色散小于0，正常色散区;长波长光传播快，材料38（二）波导色散波导色散引起的群延时：由色散的计算式可得：12/19/2022（二）波导色散波导色散引起的群延时：由色散的计算式可得：123912/19/202212/16/20224012/19/202212/16/2022411320-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm|>|Dw|-波导色散系数通常为负值总色散系数D≈Dm+Dw(单模光纤)12/19/20221320-材料色散的影响一般大于波导色散：|Dm|>42标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，国际电信联盟（ITU－T）把这种光纤规范为G.652光纤。其特点是当工作波长在1.3μm时，光纤色散很小，系统的传输距离只受光纤衰减所限制。但这种光纤在1.3μm波段的损耗较大，约为0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的损耗较小，约为0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段为3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的损耗较大，约为20ps/nm·km。这种光纤可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于在该波段的色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过50公里时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。12/19/2022标准单模光纤是指零色散波长在1.3μm窗口的单模光纤，12/43大多数已安装的光纤低损耗大色散分布大有效面积色散受限距离短2.5Gb/s系统色度色散受限距离约600km10Gb/s系统色度色散受限距离约34kmG.652+DCF方案升级扩容成本高结论:不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。12/19/2022大多数已安装的光纤12/16/202244（三）色散位移光纤原理：在1.3mm~1.7mm范围内任何波长，通过适当调整光纤波导的结构参量（a,△和g），总可以获得零色散，这就是色散位移光纤所依据的原理，将零色散波长从1.3mm移至1.55mm，可以使其与最低损耗波长一致。12/19/2022（三）色散位移光纤原理：12/16/2022451550nm13201550nmG.653色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550nm办法：材料色散不变，通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散，使零色散点往长 波长方向移动普通商用光纤色散位移光纤12/19/20221550nm13201550nmG.653色散位移光纤46

标准单模光纤(SMF)

01310nmDcrom<20ps/nm-km1550nm

色散位移光纤(DSF)

01550nm

非零色散位移光纤(NZDSF)在1550nm存在小正或负色散，减少光纤中非线性效应的影响。12/19/2022标准单模光纤(SMF)12/16/202247针对色散位移光纤在1.55μm色散为零，会产生四波混频，导致信道间发生串扰，不利于多信道的WDM系统的问题，如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一特点，人们研制了非零色散光纤（NZ－DSF）。非零色散光纤实质上是一种改进的色散位移光纤，其零色散波长不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm处。非零色散光削减了色散效应和四波混频效应，而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种，所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好的传输特性，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质12/19/2022针对色散位移光纤在1.55μm色散为零，会产生四波混频，导48在1530－1565nm窗口有较低的损耗;工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生;可以有正的或负的色散——海底传输系统;为DWDM系统的应用而设计的.结论:适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，是未来大容量传输，DWDM系统用光纤的理想选择。12/19/2022在1530－1565nm窗口有较低的损耗;结论:149G.656色散平坦光纤20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030l(mm)普通光纤l1总色散l2色散平坦光纤在较大的范围内保持相近的色散值，适用于波分复用系统普通商用光纤色散平坦光纤12/19/2022G.656色散平坦光纤20-10-20-30101.11.5012/19/202212/16/202251色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/nm)TXRX正负色散率搭配使系统累积色散为零存在的问题：(1)高损耗；(2)短波长过补偿、长波长欠补偿12/19/2022色散补偿光纤(DCF)色散补偿光纤传输光纤0100501052中途谱反转技术非线性器件等长、色散性质相同的光纤12/19/2022中途谱反转技术非线性等长、色散性质相同的光纤12/16/2053利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：FBG是一种可以反射特定波长的光栅器件12/19/2022利用光纤光栅(FBG)进行色散补偿注：FBG是一种可以反射特54（四）偏振模色散光纤中传输的光信号的偏振态是随机变化的；光纤中由于残余机械应力的存在，光纤不是严格的各向同性介质；维持光传输的偏振态，需用保偏光纤（PMF）。12/19/2022（四）偏振模色散光纤中传输的光信号的偏振态是随机变化的；1255偏振模色散起因：光纤制备中的应力、温度、弯曲使光纤不具备圆柱的对称性，从而引入了双折射效应;光纤中传输的光脉冲激励了多个偏振模式；各个偏振模式在光纤中传输的速度不相同；对高速率（>10Gbit/s）的传输系统，偏振模色散越严重；由于偏振模色散的随机性，一般仅能对偏振模色散的平均效应进行补偿。12/19/2022偏振模色散起因：光纤制备中的应力、温度、弯曲使光纤不具备圆柱5612/19/202212/16/20225712/19/202212/16/202258偏振模色散与传输速率的对应关系12/19/2022偏振模色散与传输速率的对应关系12/16/202259光纤的演变G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/kmG.652光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm；最低损