光纤的色散特性.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光纤的色散特性,一、光纤色散概述,二、光纤色散的种类及简单计算,三、光纤的传输带宽,2,一、光纤色散概述,1、光纤色散的概念,色散是一个古老的物理概念。在物理学中，它是指不同颜色的光经过透明介质后被分散开的现象。如一束白光经三棱镜后分为七色光带。,3,传统的色散现象,4,一、光纤色散概述,1、光纤色散的概念,在光纤传播理论中，我们将色散定义为：在光纤中，信号是由很多不同的成分(如不同模式、不同频率)载荷的，当信号到达终端时，不同成分之间出现时延差，从而引起信号畸变的现象。,5,一、光纤色散概述,2、色散的起因,为了了解光纤色散，需要知道送进光纤中的信号结构。,首先，送进光纤的并不是单色光。这由两方面的原因引起：,一是光源发出的并不是单色光；,二是调制信号有一定的带宽。,6,一、光纤色散概述,2、色散的起因,实际光源发出的光不是单色的(或单频的)，而是在一定的波长范围。这个范围常是光源的线宽或谱宽。下图表示了光源的归一化输出功率随波长的变化。,7,光源的谱宽,0,0.5,1,780,800,820,840,860,相对输出功率,波长(nm),光源的谱宽,8,一、光纤色散概述,2、色散的起因,一般认为光功率降低为,峰值的一半,所对应的波长范围即为光源的,线宽或谱宽,。线宽即可用波长范围表示，也可用频率范围来表示。它们的关系为：,式中：和分别是光源的中心波长和中心频率。,f,f,D,=,D,l,l,9,一、光纤色散概述,2、色散的起因,线宽越窄，光源的相干性就越强。一个理想的相干光源发出的是单频光，即具有零线宽。实际光源的线宽视光源的种类而异。,10,一、光纤色散概述,2、色散的起因,在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。因而可以认为光源的线宽即已调信号带宽。,11,一、光纤色散概述,3、光纤色散表示法,用不同的方法表示光纤的色散。常用的有,最大时延差,，,脉冲展宽,和光纤,3dB带宽B,。,我们把光信号在光纤中传输一段距离所需的时间称为时延。由于信号的速度不同，即各信号的时延不同，这种时延上的差别称为,时延差,。,12,一、光纤色散概述,3、光纤色散表示法,最大时延差描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差，简称时延差。常用,来表示，单位为s、ns、ps等。时延差越大，脉冲展宽越大，色散就越严重。,色散的另一个重要参数是：单位长度的时延差，用表示，单位是ns/km和ps/km等。,13,一、光纤色散概述,4、光纤色散的类型,光纤的色散可归结为下列几类：,材料色散：材料的折射率n是波长的非线性函数，从而使光的传播速度随波长而变。由此引起的色散叫材料色散。,波导色散：同一模式的相位常数随波长而变，从而引起色散，这叫波导色散，又被称为结构色散。,14,一、光纤色散概述,4、光纤色散的类型,模式色散：多模光纤中，即使在同一波长，不同模式的传播速度也不同。它所引起的色散叫模式色散。,15,一、光纤色散概述,4、光纤色散的类型,在多模光纤中，有模式色散、波导色散和材料色散，而以模式色散为主。单模光纤中有材料色散与波导色散。一般情况下以材料色散为主。,16,二、光纤色散的种类及简单计算,在多模光纤中，脉冲展宽主要由模式畸变决定，单模光纤脉冲展宽主要是材料色散的影响。在一般情况下，模式畸变对光脉冲的影响比材料色散大得多，故,单模光纤的带宽比多模光纤大得多。,17,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,模式色散一般存在于多模光纤中。因为，在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先有后，出现时延差，因而引起脉冲展宽。模式色散用,M,表示。,18,光纤,模式1,模式1,模式2,模式2,输入脉冲,输出脉冲,通过模式色散引起的脉冲展宽,19,n,1,n,2,0,1,2,阶跃型多模光纤中各模式的光路图,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,(1)多模阶跃型光纤的模式色散,20,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,C,n,1,n,2,L,最大时延差是描述最快和最慢两种模式的时延之差。,21,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,根据几何光学，光线和沿轴线方向的传播速度不同。因此光纤的模式色散为：,D,-,=,-,=,C,Ln,n,n,C,Ln,n,C,L,n,C,L,c,M,1,2,1,1,1,1,1,sin,q,t,22,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,其中，为光纤的相对折射率差。在弱导波光纤(n,1,和n,2,相差很小)中：,23,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,多模阶跃型光纤的模式色散与相对折射率差有关，而弱导波光纤n,1,趋近于n,2,，值很小，因此使用弱导波光纤可以减小模式色散，这也正是弱导波光纤迅速发展的原因之一。,24,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,同时，我们定义 为每公里的模式色散，即因模式色散引起的单位长度的最大时延差为：,M,t,25,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,如果1%，石英的n,1,1.5，则L=1km长的光纤的模式色散(模时延差),M,50ns。由此可见，阶跃型多模光纤的模式色散是很严重的。,26,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,例题1：有一多模阶跃型光纤，=1%，纤芯折射率n,1,=1.47,问因模式色散引起的每公里最大时延差为多少？,27,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,(2)多模渐变型光纤的模式色散,多模渐变型光纤的模式色散要比多模阶跃型光纤的模式色散小得多，尤其是折射率分布为抛物线形(g=2)的多模渐变型光纤，其模式色散几乎近似为零。这是因为，这种多模渐变型光纤中的子午射线轨迹近似为正弦波，且具有自聚焦的特点。,28,多模渐变型光纤中的子午线,29,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,多模渐变型光纤的模式色散表达式推导过程比较复杂，现直接给出其表达式：,(g=2),2,2,0,D,t,c,),(,Ln,M,=,D,t,c,),(,Ln,M,0,2,2,）,（,+,-,=,g,g,（g2）,30,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,与之相对应的，渐变型光纤中每公里的模式色散表达式为：,(g=2),2,2,0,D,t,c,),(,n,M,=,D,t,c,),(,n,M,0,2,2,）,（,+,-,=,g,g,（g2）,31,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,和阶跃型光纤的模式色散作一个比较，我们也举一个参数和前面一样的例子。如1%，n(0)=1.5，L=1km，g=2的渐变光纤，求得模式色散为：,M,0.25ns(g=2),32,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,计算结果表明，其值比阶跃型光纤模式色散(50ns)小得多。因此得出以下结论：在相同条件下，,多模渐变型光纤的模式色散比多模阶跃型光纤的模式色散小得多,，,而且对于多模渐变型光纤，当折射率分布不同时，其色散程度也不同，折射率分布为平方律分布的多模渐变型光纤，其模式色散最小。,33,二、光纤色散的种类及简单计算,1、模式色散,值越大的光纤，模式色散越大，相应的带宽越窄。由于光纤的数值孔径NA与,成正比，即越大的光纤，集光能力越强，这有利于光源与光纤的耦合，可以增加入纤光功率。由此可见，光纤的带宽和数值孔径之间存在着矛盾，设计时必须综合考虑。,34,(3)单模光纤的偏振模式色散,对于单模光纤，由于存在偏振现象，单模光纤中的两个偏振状态的相位常数不相等，从而导致这两个模式传输不同步，传输速度不相等，从而形成色散，这种色散称为偏振模式色散。但是它与多模光纤中的模式色散不同，它是由于单模光纤结构上的缺陷或纤芯折射率分布不均匀等因素造成的。,对于理想的单模光纤，偏振模式色散是不存在的。,35,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,所谓材料色散，是指由于构成光纤材料本身的折射率随传输的光波频率(或光波长)而变化，引起模内不同频率信号的传输速度不同而引起的色散。,36,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,引起材料色散的原因，是因为光源器件不是工作于单一频率，即光源器件所发出的光都有一定的谱线宽度；而光纤材料的折射率并非固定不变的，它会随传输的光波波长(或光波频率)发生变化。,37,掺GeO,2,石英玻璃的折射率-波长特性曲线的关系,38,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,根据,v=c/n,，不同波长的光波，其传播速度也不同。所以不同波长的光波到达光纤末端的时间也就各不相同，以致引起时延差，产生色散。,39,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,理论上可以证明，对于具有一定波谱宽度的光信号，经L长的光纤后，其,o,附近的单位谱宽的时延差为：,(单位ns或ps),40,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,上式除以长度L，便得到单位长度时延差：,Dm为材料的色散系数，其表达式为：,(单位ns/kmnm或ps/kmnm),41,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,对于材料的色散系数D,m,，我们定义为：单位谱线宽度(nm)的光源发出的光入射到光纤中，传播单位距离(km)所引起的色散。,42,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,在已知色散系数的前提下，根据上面公式很容易求出材料色散：,43,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,举例：某一1.31m波长的光纤，最大色散系数D,m,=3.5ps/nmkm，如用一中心波长为1.31m的半导体激光器，其谱宽为4nm，则1km的材料色散为0.014ns,其值比渐变型多模光纤的模式色散都要小一个数量级以上。,44,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,材料色散引起的脉冲展宽与光源的谱线宽度和材料色散系数成正比。这就要求，尽可能选择谱线宽度窄的光源和色散系数较小的材料，这样材料色散才能较小。事实证明，有些材料在某一波长附近，色散系数为零，从而时延差为零，这时没有脉冲展宽，通常称这个波长为材料的零色散波长。,45,二、光纤色散的种类及简单计算,2、材料色散,另外必须指出，一根光纤的色散系数可能是正数，也可能是负数。两根色散系数符号相反的光纤熔接起来，材料色散会得到改善，但不管是正负色散，单独存在时都会使脉冲展宽。,46,二、光纤色散的种类及简单计算,3、波导色散,所谓波导色散，是指由于,光纤的几何结构,所引起的色散。因此又被称为结构色散。,产生波导色散的原因是由于波导效应引起模内频率高(或波长短)的光信号进入包层，使一部分光(光功率)在纤芯内传播，还会有一部分光(光功率)在包层中传播，而包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号传播速度(v=c/n)不同而产生色散。,47,二、光纤色散的种类及简单计算,3、波导色散,波导色散用,W,表示,，,其大小与光纤芯径、相对折射率差、归一化频率等因素有关。,一般，波导色散比材料色散小，在短波长，波导色散更小，但到了材料的零色散波长附近(1.27m)，波导色散增大到可与材料色散相比较的程度。,48,1.0,1.2,1.4,1.6,-2,0,2,4,6,材料色散,波导色散,全色散,波长(,m),色,散,系,数,(ps/kmnm),SiO,2,单模光纤色散与光波长的关系,49,二、光纤色散的种类及简单计算,3、波导色散,在长波长窗口光纤损耗较小，尤其是1.55m波长其损耗接近于理论极限，因此，人们研制的零色散位移光纤，就是将零色散移位至1.55m处，从而使工作波长位于1.55m附近的单模光纤，可以获得,最低损耗,和,最小色散,，以实现长距离大容量的光纤通信。,50,二、光纤色散的种类及简单计算,4、三种色散的比较,多模阶跃型光纤，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波导色散可以忽略不计。,多模渐变型光纤，其模式色散较小，波导色散同样可忽略不计。,51,二、光纤色散的种类及简单计算,4、三种色散的比较,对于理想的单模光纤，无模式色散，只有材料色散和波导色散，在短波长区，材料色散占主导地位，波导色散可忽略不计；在长波长区，波导色散增大到不容忽视，此时总色散为材料色散与波导色散之和。,52,二、光纤色散的种类及简单计算,4、三种色散的比较,一般情况下，三种色散的大小有下列关系：,模式色散 材料色散 波导色散,光纤中的色散为模式色散、材料色散和波导色散三者的总和，经理论证明，光纤的色散可以用下式来近似表示：,53,二、光纤色散的种类及简单计算,4、三种色散的比较,对于多模光纤来说，,M,起主导作用，对于单模光纤来说，,M,=0，只考虑,w,和,m,两者的限制。,同样的，我们给出一个每公里的总色散：,(,),2,2,W,m,M,t,t,t,t,D,+,D,+,D,=,D,54,二、光纤色散的种类及简单计算,4、三种色散的比较,例题：有一个15km长的渐变型多模光纤线路，工作波长=1.3m,使用的LD的光源谱线宽度=2nm。已知该光纤的材料色散系数D,m,=5ps/km nm,模式色散,M,=0.20ns/km,波导色散忽略不计，问此光纤的总色散为多少？,55,解：首先确定模式色散值：,(ps),=0.15(ns),其次确定因光源谱宽=2nm，而引起的材料色散值：,忽略波导色散，最后得出总色散值：,(ns),(,),004,.,3,15,.,0,3,2,2,2,2,=,+,=,+,+,=,W,m,M,t,t,t,t,56,三、光纤的传输带宽,1、光纤的色散和带宽的关系,光纤的色散和带宽描写的是光纤的同一特性。其实色散是这一特性在时域中的表现，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间座标轴上展宽了多少。而带宽是这一特性在频域中的表现，即光纤的频域特性。,57,输入,f,振幅,输出,f,C,f,振幅,光纤的带宽,58,三、光纤的传输带宽,1、光纤的色散和带宽的关系,时域的脉冲宽度展宽，对应着频域的高频分量衰减，脉冲展宽越大，高频分量衰减越严重，传输频带则越窄。这样色散和带宽之间必然存在一定的联系。经过付里叶变换，对高斯脉冲可以得到：,(MHz),59,三、光纤的传输带宽,1、光纤的色散和带宽的关系,其中B是光纤带宽；是脉冲展宽，,，,1,和,2,则分别是经过光纤之前,和经过光纤之后的脉冲宽度(即脉冲的半幅全宽)；,也可以是光纤的总色散，,60,三、光纤的传输带宽,2、带宽的定义,我们通常把调制信号经过光纤传播后，光功率降低一半的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽，用B表示。,因为它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。,61,光功率总要用光电子器件来观测，而光检测器输出的电流正比于被检测的光功率，于是有：,所以，3dB光带宽又称为6dB电带宽。,dB,P,f,P,I,f,I,c,c,6,),0,(,),(,lg,20,),0,(,),(,lg,20,-,=,=,62,光纤的其它特性,一、光纤的温度特性,二、光纤的机械特性,63,一、光纤的温度特性,光纤的温度特性，是指在高温、低温条件下对光纤损耗的影响。一般情况下，损耗都要增加，由于低温的影响较高温的影响要严重，因此，我们只讨论低温条件下附加损耗的情况。,64,一、光纤的温度特性,光缆温度特性的好坏主要取决于光纤芯线的质量。温度变化对光纤芯影响最大的是损耗特性，它将使光纤损耗增加，纤芯和包层都是玻璃的石英系列光纤，芯线在高、低温下工作损耗均会增加，在低温下工作损耗增加显著。,65,低温下的光纤损耗特性,66,一、光纤的温度特性,温度变化使损耗增大的原因是光纤受到轴向压缩力的作用而产生微弯曲，使光纤损耗增大。这种轴向压缩力是由于塑料和石英的线膨胀系数不同引起的。,改变温度特性的措施主要是合理设计光纤结构，选择适合的套塑材料，改进套塑工艺。例如松套结构。,67,二、光纤的机械特性,光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。,68,二、光纤的机械特性,为了保证光纤有足够的抗拉强度，在实际制作中，采取相应的措施。特别是对刚刚成形的光纤立即进行一次涂覆，填补了光纤的微小裂纹，有效地阻止了这些裂纹的扩展，大大地增强了光纤的强度。,69,