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1、光纤的色散特性,色散的一般概念 色散对信号的影响 光纤色散的概念及分类 模式色散 概念 模式色散的克服 色度色散 概念 几种常用的不同色散特性的光纤 单模光纤色散的克服 偏振模色散,自然光的色散,自然光色散：不同波长光经历的有效折射率不同折射角不同空间光色散,光纤的传输特性色散,色散定义：物质对不同波长光表现出不同折射率大小（n()），从而使不同波长光具有不同传输速度！,色散引起的脉冲展宽示意图,光纤的传输特性色散,光纤色散：光信号能量中的各种分量在光纤中具有不同传输速度！ 影响：由于光脉冲中的不同分量在光纤中的速度不同，它们到达光纤终端有先有后，将引起光脉冲展宽和码间干扰，最终影响通信距离和
2、容量。 起因：不只是材料折射率的波长依赖性 还有波导效应（波导各区域的折射率不同）,色散对信号的影响,相当于信号中的不同分量,由于色散的存在，各分量到达传输终点的时间不同，引起信号的时域展宽,色散对光通信系统的影响,信号畸变 引起误码,色散是限制光纤传输容量和距离的重要因素之一！,6,色散对光通信系统传输性能的影响,0 km,60 km后,120 km后,180 km后,10Gb/s非归零码(NRZ)经过普通单模光纤传输后的眼图(D=17ps/nm/km),叠加,7,色散容限,按常用的普通单模光纤色散系数D=17ps/nm/km计算，色散容限分别为940km,58km,3km,内容回顾,损耗
3、起源，影响 损耗系数，相关计算 光纤的低损耗接续方式： 熔接，损耗最低 跳线(带有连接器的光纤)+法兰盘 非线性 影响：信号光功率损失；WDM信道串音 分类：自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)，受激散射(SBS，SRS) 对WDM系统影响最大的一种非线性效应FWM,色散的分类,模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同，传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同)引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度,通常简称的色散概念！,模式色散：
4、以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽模式色散的表示 单位长度光纤上，模式的最大时延差，即传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差,core,cladding,模式色散,关于多模光纤的NA,NA越大越好吗？ NA越大，越容易耦合，微弯敏感性越小 NA越大，能够在多模光纤中传输的模式越多，（不同路径传输的光束为不同的模式）模式色散越严重，影响传输,即凡是入射到圆锥角 以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包分界面上发生全反射,光线中的子午线和斜射线,模式色
5、散的计算几何光学,包层n2,芯区n1, 传输最快的子午线, 传输最慢的子午线,对于，单位长度光纤传输的时延：,对于 ，单位长度光纤传输的时延：,多模光纤的模式色散为：,仅考虑子午线的情况,常用单位是ps/km,对模式色散的第一种解决方案渐变折射率光纤,通过改变纤芯的折射率使传输距离最长的光束以最高速度传播，而传输距离最短的光束以最低速度传播,在制作时，一层层的沉积具有给定折射率的薄层，每一薄层可以引起光传播方向的微小变化，如果薄层越做越薄，就可以近似实现折射率的渐变,对模式色散的第二种解决方案单模光纤,单模光纤没有模式色散，但仍有其他色散色度色散！ 色度色散光信号的不同频率分量在光纤中传播速度
6、不同引起的现象 色度色散的表示 色散系数：D，单位：ps/nm/km D代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后的时延 色度色散引起的脉冲展宽： 其中L表示以km为单位的光纤长度, 表示以nm为单位的光信号的光谱宽度 包括材料色散和波导色散,任何光源发出的光都不是单一频率的，都是由一定频率分量构成的。激光经调制成为信号脉冲光以后，光谱宽度会进一步的增加，光谱宽度用来衡量光信号对应频域上的光波长范围的大小,色度色散(一)材料色散,材料色散DM 纤芯材料折射率随波长的变化导致了这种色散 即使不同波长的光经历完全相同的路径传输，也会发生脉冲展宽,色度色散(二)波导色散,波导色散DW 由于单模光
7、纤中只有约80的光功率在纤芯中传播，20在包层中传播，包层较低的折射率，使在其中传播的光信号分量速率更大一些，这样就出现了色散 波导色散的大小取决于光纤的设计,20,0,1270,1310,1550,波长(nm),色散(ps/nm.km),波导色散,材料色散,材料色散与波导色散,在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可以相比拟，普通单模光纤在1.31m处这两个值基本相互抵消,制造色散补偿光纤或色散位移光纤的原理！,单模光纤的色散D=DM+DW,定义：在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简
8、并偏振模组成。理想状态下，这两个偏振模式会以相同的速度传播到光纤终端，如果由于某种因素使这两个正交的偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加会使信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。,单模光纤中的偏振模色散,偏振模色散（PMD）,色散位移,波导色散DW对D的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移,光纤分类标准(ITU-T),G.651 多模光纤 G.652 普通单模光纤(SMF) D=17ps/km/nm1550nm G.653 色散位移单模光纤 (DSF) G.654 截止波长位移单模光纤 （海缆） G.655 非零色散位移单
9、模光纤 (NZ-DSF) G.656 低色散斜率NZ-DSF,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减 (dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),损耗与色散谱,G.652单模光纤,在已安装光纤中所占比例最高 色散大，损耗较低，有效面积较大 色散受限距离短 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。 升级扩容需要解决的关键问题：克服色散的影响色散补偿,G.653单模光纤（DSF）,损耗较低，1550nm处零色散，有效面积小 1550nm处同时具有低损耗和零色散 适用于长距离、单信道
10、超高速EDFA系统 用于多通道系统时，四波混频（FWM）是主要问题，不利于DWDM技术。 结论: 适用于10Gb/s以上速率单信道传输，但不适用于 DWDM应用，处于被市场淘汰的现状。,G.655单模光纤（NZ-DSF）,在15301565nm窗口有较低的损耗 工作窗口具有较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应（四波混频）的发生。 兼顾色散和非线性,为DWDM系统的应用而设计 纤芯的折射率分布多为多包层 结论: 适用于10Gb/s以上速率DWDM传输，但在长距离、高速率传输系统中仍然需要进行色散补偿。,Sumitomo Pure Guide,Lucent Truewave,Alcatel Te
11、ralight,武汉长飞大保实光纤,几种G.655光纤的折射率剖面,G.652&G.655光纤比较,长距离光传输系统必须补偿光纤色散！,色散补偿技术,常用的色散补偿方法：利用具有负色散的色散补偿光纤或色散补偿模块来抵消传输光纤的正色散！ 色散补偿光纤 啁啾光纤光栅色散补偿模块,2.5Gb/s光脉冲色散补偿前后的波形对比,激光光源发出的原始光脉冲，脉冲宽度为36.78ps：,光信号传输100公里后的脉冲形状, 未加补偿，脉冲宽度为150ps：,光信号传输100公里后的脉冲形状, 加补偿，脉冲宽度为38.23ps：,色散补偿技术一色散补偿光纤,DCF-Dispersion Compensated
12、fiber DCF具有大的负色散的光纤。 DCF是目前使用较普遍和较实用化的一种在线补偿方案，其技术日趋成熟 DCF法是指在标准单模光纤(SMF-Single Mode Fiber)中插入一段或几段与其色散相反的DCF，传输一定距离后色散达到一定的均衡，从而把系统色散限制于规定范围内 DCF的长度、位置与系统需要补偿色散的量和其自身性能有关。,DCF的典型参量,1.长度、色散关系,光纤长度,色散,2.品质因数FOM(ps/nm.dB),负色散值,传输损耗系数,色散补偿光纤（DCF）的应用,以模块式插入线路中,信号两次通过DCF,色散补偿量加倍,色散补偿光纤（DCF）的应用,直接铺设到线路中,色
13、散补偿光纤的应用,补偿原则（不考虑非线性的情况下）： 正负色散搭配使系统累积色散为零,三包层型DCF光纤折射率剖面 示意图,制作：通过纤芯与包层折射率分布以及尺寸大小的变化来改变光纤色散，主要是包层尺寸与折射率分布的改变,DCF的制作,高质量DCF多采用三包层结构,DCF存在的问题,高损耗(0.5dB/km) 有效面积小(典型值DCF:20mm2 Vs.G.652:80mm2 ) 比标准光纤的非线性系数高2-4个数量级,非线性阈值低3-6dB 与普通光纤的色散斜率不匹配 短波长和长波长色散补偿效果不同。,能够对色散和色散斜率同时进行补偿的“双补偿”光纤也在研制中,Chirped periodi
14、c refractive Index variation,色散补偿技术二啁啾光纤布拉格光栅,啁啾光纤布拉格光栅Chirped Fibre Bragg Gratings,啁啾光栅用作色散补偿,长度很短的啁啾光纤光栅可以获得很大的色散！ 5cm长的线性啁啾光栅可以补偿300km的G.652(光栅谱宽0.1nm)传输线的色散，约5100ps/nm,Dispersive fiber,Dispersed pulse,Circulator,光环行器，在AB,BC之间具有单向导通特性,A,B,C,幅度差,相位差,只有横波才具有偏振性，光波是横波，具有偏振性,E,Ex,Ey,消去参数t,电场矢量端点在xy平面
15、内随时间变化的轨迹方程,光的偏振,电矢量E,随时间改变,线偏振光,椭圆偏振光,圆偏振光,自然光,部分偏振光,随时 间不变,光的偏振,光的偏振,不同相位差对应的电场矢量轨迹,(a)线偏振光 (b)右旋圆偏振光 (c)左旋圆偏振光 (d)非偏振光,偏振光,定义：在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。理想状态下，这两个偏振模式会以相同的速度传播到光纤终端，如果由于某种因素使这两个正交的偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加会使信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。,单模光纤中的偏振模色散,偏振模色散（PMD）,偏振模色散(PMD),45,偏振模色散的产生原因,理想的单模光纤,实际
16、的,偏振模色散对信号的影响,偏振模色散影响的克服,利用保偏光纤,光纤色散特性的小结,色散分类：模式色散，色度色散，偏振模色散 色散的影响：主要是脉冲展宽 光纤的发展： 多模光纤（多模阶跃光纤多模渐变型光纤) 单模光纤（G.652 G.653 G.655）,单模光纤的发展与演变总结(1),在光纤通信发展的近30年中，单模光纤的结构和性能也在不断发展和演变。 最早实用化的是常规单模光纤SMF(G.652光纤) 零色散波长在1310nm，曾大量敷设，在光纤通信中扮演着重要的角色。 色散位移光纤DSF(G.653光纤)出现。 光纤在1550nm窗口损耗更低，可以低于0.2dB/km，几乎接近光纤本征损耗极限。如果零色散移到1550nm，则可以实现零色散和最低损耗传输的性能，为此，人们研制了DSF 设计思路是通过结构和尺寸的适当选择来改变波导结构，进而加大波导色散，使零色散波长从1310nm移到1550nm,
