八、光纤的色散.ppt

色散的定义： 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。 单模光纤色散波谱特性曲线 * 八、光纤的色散(1) 1. 色散的概述 2. 色散的分类 3. 单模光纤的色散 4. 多模光纤的色散 　　色散和损耗一样都是影响光信号在光纤中传输的主要因素。 　　损耗主要导致光信号幅度的衰减，是早期限制无中继传输距离的主要因素。随着光纤制备技术的进步，特别是近年来掺饵光纤放大器的实用化有效的补偿光功率的损耗，使损耗已经不再是一个主要的限制因素了，所以光纤的色散特性已经成为光纤最重要的特性指标。 　　色散主要特点是导致光纤中传输的光脉冲展宽，引起信号的畸变。 1. 光纤色散的概述 2. 光纤色散的分类 　　首先，不同频率或波长的光显然是以不同速进行传播的。另外，不同多模光纤中，不同的传播模式具有不同的相位常数，因而也具有不同的相速度和群速度。 　　根据上述不同机理引起的色散效应，可以把光波在光纤中传输的色散现象分成波长色散、模式色散两大类。。 1) 、波长色散 　　光纤中传输的光信号是用需要传输的信号去调制光源所发出的连续光波产生的，因而这种光信号是由多种频率成分的光波构成的。 　　光信号的频谱宽度决定于光源的线宽和调制信号的 频谱。在大多数情况下，光纤通信系统主要采用光源为LED和LD，此时光信号的谱宽主要取决于光源的线宽。但对于高速率的传输系统，一般采用DFB激光器作为光源，这时信号谱宽几乎完全决定了光信号的谱宽。 　　光信号在光纤中以群速度传播，群速度定义为光载波的角频率对相位常数的微分，即 　　于是可以得到光信号在光纤中传播单位距离的时间，即群时延，为 　　在自由空间中，光的速度c是个物理常数，相位常数为 ，同时注意到 ，则又可群时延写成波长的关系式 　　可以看到，一般情况下，群时延都是波长的函数，除非相位常数正好是波数的线性关系。 　　正因为这种函数关系，所以光信号中不同频率的成分以不同的速度传播。在输入端，这些不同频率的成分同时出发，将在不同时刻到达终端，引起信号畸变。对于数字信号，将导致光脉冲的展宽，展宽的程度用时延差来表示。 　　所谓时延差，是指光信号中传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传输时延之差，记Δτ。若忽略高阶项，可表示为 　　由此可以看到，光信号非单色波引起的群时延与光信号的谱宽Δλ成正比。这种与光信号谱宽成比例的色散效应是波长色散，或叫色度色散。 　　根据波长色散产生的机理，又可以将波长色散区分为材料色散、波导色散和折射率剖面色散。 a) 、材料色散 　　材料色散是由于构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是频率的函数引起的。 　　构成介质材料的分子、原子可看成是一个个谐振子，它们有一系列固有的谐振频率。但在外加高频电磁场作用下，这些谐振子都将作受迫振动。根据经典的电磁理论可以知道，这时介质的电极化率、相对介电常数或者 折射率都是频率的函数，而且都是复数。由于折射率随外加电磁场频率而变化，所以介质呈色散特性，这就是材料色散。 　　外加电磁场后，介质折射率可写为 正常色散 反常色散 　　从图中可以看出， 是谐振偶极子的一个谐振频率.在外加电磁场 时，随着频率的升高，折射的实部n上升，波的相速度 随频率升高而下降，这种色散称为正常色散。此时，折射率虚部很小中，介质对电磁能量的吸收很小。 正常色散 反常色散 　　同样可以看出，在外加电磁场 时，随着频率的升高，折射的实部n反而下降，这时波的相速度是 随频率升高而升高的，这种色散称为反常色散。 　　另外，在反常色散区，折射率的虚部 很大，在大 时达到极大值，此处介质对电磁波有强烈吸收，称共振吸收。材料色散是伴随着损耗的。 b) 、波导色散 　　由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。 进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。 具体说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例越大，这部分光走过的距离就越长