《光纤光学教学课件》第十一讲

1、2020/8/10,二、光纤的色散,2020/8/10,3、阶跃型弱导光纤的色散（单模）,2020/8/10,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。,2020/8/10,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）。,2020/8/10,（二）波导色散,波导色散引起的群延时：,由色散的计算式可得：,2020/8/10,202

2、0/8/10,2020/8/10,- 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),2020/8/10,标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤， 国际电信联盟（ITUT）把这种光纤规范为G.652光纤。 其特点是当工作波长在1.3m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1.3m波段 的损耗较大，约为0.3dB/km0.4dB/km；在1.55m波段 的损耗较小，约为0.2dB/km0.25dB/km。色散在1.3m 波段为3.5ps/nmkm，在1.55m波段的损耗较大，约

3、为 20ps/nmkm。这种光纤可支持用于在1.55m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。,2020/8/10,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600km 10Gb/s系统色度色散受限距离约34km G.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。,2020/8/10,（三）色散位移光纤,原理： 在1.3mm1.7mm范围内任何波长，

4、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。,2020/8/10,1550 nm,G.653 色散位移光纤：让损耗和色散最低点都在1550 nm,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,2020/8/10,标准单模光纤 (SMF) 0 1310 nm Dcrom 20 ps/nm-km 1550 nm 色散位移光纤 (DSF) 0 1550 nm 非零色散位移光纤 (NZDSF) 在 15

5、50 nm存在小正或负色散，减少光纤中非线性效应的影响。,2020/8/10,针对色散位移光纤在1.55m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（NZDSF）。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1.55m，而是 在1.525m或1.585m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

6、色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质,2020/8/10,在15301565nm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。,2020/8/10,G.656 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,2020/8/10,2020/8/10,色散补偿光纤 (DCF),色散补偿光纤,传输光纤,0,100,50,100,150,200,

7、传播长度,总色散 (ps/nm),TX,RX,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,2020/8/10,中途谱反转技术,非线性 器件,等长、色散性质相同的光纤,2020/8/10,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,2020/8/10,（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）。,2020/8/10,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

8、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。,2020/8/10,2020/8/10,2020/8/10,偏振模色散与传输速率的对应关系,2020/8/10,光纤的演变,G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/km G.652光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm ；最低损耗窗口1550 nm G.653光纤：DSF，零色散波长1550nm ；最低损耗窗口1550 nm G.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(1.491.53)、C波(1.531.57)、 L波(1.571.61),2020/8/10,三、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：,2020/8/10,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。,2020/8/10,假设初始注