光纤技术及应用---第四章浅析.ppt

4.2 色散 光脉冲在光纤中传输时，由于 传输常数 是光频率 的函数，当 与更高阶导数不为零时，意味着 光信号中不同频率（或波长）成分具有不同的群延迟或 群速度，这种群速度随光频率变化的现象称为群速度色 散(GVD)，简称为色散。 色散将导致光脉冲在光纤中传输时的脉冲展宽，从而限制了光纤通信的信息传输速率，即通信容量。 4.3 偏振特性 双折射现象，即当一束线偏光（圆偏光也有类似定义）通过光纤时，其传输常数 随偏振方向改变的现象。 双折射现象对光通信的影响主要体现为偏振模色散(PMD)。单模光纤在其基模工作时有两个正交的极化方向，每一个方向代表一个偏振模。传播常数为 和 ，由于双折射， ，单位距离的时延分别为 , 故时延差为 因为归一化双折射率为 故 对于石英光纤，第二项远小于第一项, 因此 对于普通光纤，B在数量级， 。 * * * * 图 2.12 模间时延差 3 材料色散 材料色散是由于石英材料的折射率随波长变化（是波长的函数）而引起的， 而实际的光源的谱是有一定宽度的， 因而不同的波长由于速度不同相互之间有延迟， 导致输入光纤的窄脉冲输出时变宽了。 对于普通的单模光纤， 材料色散在波长λ=1.27 μm左右时为零， λ1.27 μm时有正的色散， λ1.27 μm时有负的色散。 4 波导色散 波导色散是由于光纤中模式的传播常数是频率的函数而引起的。 它不仅与光源的谱宽有关， 还与光纤的结构参数如V等有关。 对于普通的单模光纤， 波导色散相对于材料色散较小， 它与光纤波导参数有关， 随V、 光纤的纤芯、 光波长的减小而变大。 波导色散为负色散。 图2.13 光纤损耗与波长的关系 * * 在1961－1970年，人们主要研究利用大气传输光信号，实践证明，由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常的通信。在人们考虑的其它传输介质中，用石英玻璃材料制成的光导纤维即光纤来传输光信号成为研究的重点。 但是当时普通石英玻璃材料的损耗高达1000dB/km，传输距离很有限。1966年7月，英国标准电信研究所的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士和霍克哈姆（G.A.HocKham）博士根据介质波导理论指出：光纤的高损耗并不是其本身固有的，而是由材料中所含的杂质引起的。并预言如果降低材料中的杂质含量，可使得光纤的损耗降至20dB/km，甚至更小。1970年，美国康宁（Corning）玻璃有限公司成功地研制了损耗为20dB/km的低损耗石英光纤，这使得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介，也开辟了光纤通信的新纪元。 * * 光的色散现象 相速与工作频率的关系称为色散特性，白光是复色光，同一介质中，不同颜色的光的折射率不同 * * * 式中： 为信号在光纤入射端z=0处的频谱。 在已知 和信号初始频谱的情况下，输出信号的形状可以通过下列式求得。 * * 如果 即信号光波长位于光纤的零色散波长上，则输出信号的形状为： ----表明在没有色散的情况下，输出信号的形状与输入信号的形状完全相同，在光纤中的结果只是使信号获得了 的传输延迟。可见，造成信号在光纤中传输畸变的最低效应为二阶色散效应 或D. * * 同时可得到光信号在光纤中的传输演化-----光信号时域传输方程 * * 3、光脉冲的色散展宽 在光纤通信系统中，信号由光脉冲携带。此光纤对系统性能的影响主要表现在使信号脉冲展宽，这样对系统的传输速率产生了限制作用。 假定脉冲幅度为 令： 得到脉冲形状演化的传输方程： 将其中的A(z,T)进行傅里叶展宽，即： 得到脉冲频域的演化方程： * * 求得： 其中： 为输入脉冲的傅里叶频谱，即 因此： 比如： 输入峰值为1的无啁啾高斯型脉冲： ----其中脉冲宽度参数 为脉冲峰值功率 点的半宽度 * * 在光纤中传输距离 z后的输出脉冲为： 表明：经光纤传输距离 z后，脉冲仍为高斯脉冲，但其峰值功率 点的半宽度展宽为： ----与初始脉冲相比展宽了 倍。 ----为光纤的色散长度 * * 4.2.3 色散优化光纤 普通单模光纤在1.27μm波长