光纤色散.pptx

n色散的定义n色散的种类及其产生原因n色散的计算分析n单模光纤的色散波谱特性n色散补偿技术色散的定义 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。对色散有对色散有4种表示方法：种表示方法：1单位长度上的群延时差，即在单位长度上单位长度上的群延时差，即在单位长度上模式最先到达终点和最后到达终点的时间差。模式最先到达终点和最后到达终点的时间差。2.用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。3用光纤的冲激响应经傅氏变换得到的频率用光纤的冲激响应经傅氏变换得到的频率响应的响应的3dB带宽表示。带宽表示。4用单位长度的单位波长间隔内的平均群延用单位长度的单位波长间隔内的平均群延时差来表示。时差来表示。随着脉冲在光纤中传输随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽脉冲的宽度被展宽劣化的程度随数据速率的平方增大劣化的程度随数据速率的平方增大劣化的程度随数据速率的平方增大劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了中继器之间的距离决定了中继器之间的距离决定了中继器之间的距离决定了中继器之间的距离光纤的色散光纤的色散色散对传输的限制色散对传输的限制二、色散的种类n模式色散n材料色散n波导色散模式色散 模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。n多模光纤中的每一个模式的能量都多模光纤中的每一个模式的能量都以略有差别的速度传播（模间色散）以略有差别的速度传播（模间色散），因此导致光脉冲在长距离光纤中，因此导致光脉冲在长距离光纤中传播时被展宽（脉冲传播时被展宽（脉冲展宽）展宽）阶跃型光纤的模式色散 在阶跃型光纤中，当光线端面的入射角小于端面临界角时，将在纤芯中形成全反射。若每条光线代表一种模式，则不同入射角的光线代表不同的模式，不同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的传播速度相同，因此不同路径的光线到达输出端的时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。阶跃型光纤中模式色散示意图 图中，沿光纤轴线传播的光线传播路径最短，经过长度为L的光纤传播时延t1最小,等于 =光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线，它所产生的时延t2是最大时延，等于：=所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差t为：模式色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同。渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线，其中正弦幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光线传输路程短，但由于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴心处最大并沿径向逐渐减小，所以正弦幅度最大的光线由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而正弦幅度最小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐变型多模光纤的模式色散较小。一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为渐变型光纤的模式色散材 料 色 散材材料料色色散散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。不同频率的光在光纤中的速度不同。而所有光源发射的光都具有一定的带宽，因此一个被传输的短脉冲会扩展开来。材料色散材料色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。对于谱线宽度为的光波，经过长度为L的光纤后，由材料色散引起的时延差为该式也可写成式中，C=3108m/s,是真空中的光速,是光源的谱线宽度波导色散 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散(同一模式的光，其传播常数随变化而引起的色散)。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要以模式色散为主。而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散，由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。材料色散：不同波长的光，折射率不同。波导色散：不同波长的光，传播常数不同。D()为色散系数，单位是ps/nm/km。对于谱线宽度为的光源，波导色散产生的总时延差为 D()(ps)单模光纤色散波谱特性曲线传输使用的三种不同类型的单模光纤传输使用的三种不同类型的单模光纤G.652G.652单模光纤（单模光纤（NDSFNDSF）非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤G.653G.653单模光纤（单模光纤（DSFDSF）DSFDSF：DispersionShiftedFiberDispersionShiftedFiber色散位移光纤色散位移光纤G.655G.655单模光纤（单模光纤（NZ-DSFNZ-DSF）非零色散位移光纤非零色散位移光纤常规常规G.655G.655大有效面积大有效面积G.655G.655大多数已安装的光纤大多数已安装的光纤大多数已安装的光纤大多数已安装的光纤(1)在1310nm波长处的色散为零。(2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有较大色散系数，为17ps/(nmkm)。(3)工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652光纤是当前使用最为广泛的光纤。色散受限距离短色散受限距离短色散受限距离短色散受限距离短2.5Gb/s2.5Gb/s系统色度色散受限距离约系统色度色散受限距离约系统色度色散受限距离约系统色度色散受限距离约600km600km10Gb/s10Gb/s系统色度色散受限距离约系统色度色散受限距离约系统色度色散受限距离约系统色度色散受限距离约34km34kmG.652+DCFG.652+DCF方案升级扩容成本高方案升级扩容成本高方案升级扩容成本高方案升级扩容成本高结论结论结论结论:不适用于不适用于不适用于不适用于10Gb/s10Gb/s以上速率传输，但可应用于以上速率传输，但可应用于以上速率传输，但可应用于以上速率传输，但可应用于 2.5Gb/s2.5Gb/s以下速率的以下速率的以下速率的以下速率的DWDMDWDM。G.652G.652单模光纤（单模光纤（NDSFNDSF）色 散 位 移 光 纤单模光纤的工作波长在1.3m时，模场直径约9m，其传输损耗约0.3dBkm。此时，零色散波长恰好在1.3m处。石英光纤中，从原材料上看1.55m段的传输损耗最小（约0.2dBkm）。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA）是工作在1.55m波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于1.55m波段的长距离传输。色 散 位 移 光 纤n巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可使原在构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3m段的零段的零色散，移位到色散，移位到1.55m段也构成零色散，被命名为段也构成零色散，被命名为色散位移光纤。色散位移光纤。（DSF：DispersionShiftedFiber）色 散 位 移 光 纤n在长距离的传输中，光纤色散为零是重要的，但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容易、成缆化容易和工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。DSF就是在设计中，综合考虑这些因素。-G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域,非常适合于长距离单信道光纤通信系统。但不适用于但不适用于但不适用于但不适用于 DWDMDWDM应用。应用。应用。应用。低损耗低损耗低损耗低损耗 零色散零色散零色散零色散 小有效面积小有效面积小有效面积小有效面积长距离、单信道超高速长距离、单信道超高速长距离、单信道超高速长距离、单信道超高速EDFAEDFA系统系统系统系统适用于适用于适用于适用于10Gb/s10Gb/s以上速率单信道传输以上速率单信道传输以上速率单信道传输以上速率单信道传输四波混频（四波混频（四波混频（四波混频（FWMFWMFWMFWM）是主要的问题，）是主要的问题，）是主要的问题，）是主要的问题，不利于不利于不利于不利于DWDMDWDM技术技术技术技术，G.653G.653单模光纤（单模光纤（DSFDSF）-色散位移光纤l l在在在在153015301565nm1565nm窗口有较低的损耗窗口有较低的损耗窗口有较低的损耗窗口有较低的损耗l l工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应工作窗口较低的色散，一定的色散抑制了非线性效应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。（四波混频）的发生。（四波混频）的发生。（四波混频）的发生。l l 可以有正的或负的色散可以有正的或负的色散可以有正的或负的色散可以有正的或负的色散海底传输系统海底传输系统海底传输系统海底传输系统l l为为为为DWDMDWDM系统的应用而设计的系统的应用而设计的系统的应用而设计的系统的应用而设计的G.655G.655单模光纤（单模光纤（NZ-DSFNZ-DSF）结论结论结论结论:适用于适用于适用于适用于10Gb/s10Gb/s以上速率以上速率以上速率以上速率DWDMDWDM传输，传输，传输，传输，是未来大容量传输，是未来大容量传输，是未来大容量传输，是未来大容量传输，DWDMDWDM系统用光纤的理想选择。系统用光纤的理想选择。系统用光纤的理想选择。系统用光纤的理想选择。三种光纤色散情况比较三种光纤色散情况比较正常色散区正常色散区反常色散区反常色散区Group Velocity Dispersion(GVD)nNormalDispersionRegime:thelongwavelengthstravelfasterthantheshortones!Thusaftertravellingonafibrewavelengthsattheredendofthepulsespectrumwillarrivefirst.Thisiscalledapositivechirp!nAnomalousDispersionRegime:theshortwavelengths(blueendofthespectrum)travelfasterthanthelongwavelengths(redend).Aftertravelonafibretheshorterwavelengthswillarrivefirst.Thisisconsideredanegativechirp.Material(Chromatic)DispersionnThisiscausedbythefactthattherefractiveindexoftheglassweareusingvaries(slightly)withthewavelength.Somewavelengthsthereforehavehighergroupvelocitiesandsotravelfasterthanothers.Sinceeverypulseconsistsofarangeofwavelengthsitwillspreadouttosomedegreeduringitstravel.Waveguide Dispersion nTheshape(profile)ofthefibrehasaverysignificanteffectonthegroupvelocity.Thisisbecausetheamountthatthefieldsoverlapbetweencoreandcladdingdependsstronglyonthewavelength.Thelongerthewavelengththefurtherthetheelectromagneticwaveextendsintothecladding.nsinceagreaterproportionofthewaveatshorterwavelengthsisconfinedwithinthecore,theshorterwavelengths“see”ahigherRIthandolongerwavelengths.Thereforeshorterwavelengthstendtotravelmoreslowlythanlongerones.Polarisation Mode Dispersion(PMD)nThereisusuallyaveryslightdifferenceinRIforeachpolarization.Itcanbeasourceofdispersion,usuallylessthan0.5ps/nm/km.nTheeffectistocauseacircularorelliptical（椭圆的）椭圆的）polarizationtoformasthesignaltravelsalongthefiber.nDispersionresultingfromthebirefringent（双折射的）双折射的）propertiesoffiberiscalled“PolarizationModeDispersion”(PMD).Calculating DispersionnInatypicalsingle-modefibreusingalaserwithaspectralwidthof6nmoveradistanceof10km:Dispersion=17ps/nm/km6nm10km=1020psnAt1Gbpsapulseis1nslong.Sothesystemwouldnotwork.(20%isagoodguidelinefortheacceptablelimit.)Butitwouldprobablyworkquitewellatadatarateof155Mbps(apulselengthof6.5ns).nAnarrowspectralwidthlasermightproduceonlyonelinewithalinewidthof300MHz.Modulatingitat1Gbpswilladd2GHz.2,300MHzisjustlessthan.02nm(at1500nm).Sonow:nDispersion=17ps/nm/km.02nm10km=3.4psnInthiscase,dispersionjustceasedtobeaproblem.单模光纤与多摸光纤的色散单模光纤与多摸光纤的色散 光纤具有不同的类型，各种色散对各种光纤的影响也不同。一、单模光纤的色散一、单模光纤的色散 由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它们分别用色散系数c和表示。总色散=c+。通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号相反。处材料色散近似为零,因而称为零材料色散波长。二、多模光纤的色散二、多模光纤的色散 对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源，其谱宽一般为1-2nm，故可忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为3050nm，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。材料色散与模间色散合成的总色散为色散和带宽的关系：总时延差：材料色散限制带宽波导色散限制带宽其中s，m，g分别为模式色散，材料色散和波导色散引起的时延差。色散补偿技术色散补偿技术n控制光源线宽控制光源线宽n色散位移光纤色散位移光纤n色散补偿光纤色散补偿光纤n啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅Control of Spectral WidthnSimpleFPlaser:over5nm;nExternalcavityDBRlaser:.01nmnUsingmorecomplexsignalcodingratherthansimpleOOK.nUsingWDM(a2.5Gbpssignalhas1/4oftheproblemwithdispersionasa10Gbpssignal).Dispersion Shifted Fibrendispersionshiftedfibreisdesignedwithadispersionzeropointataround1550nm.nHowever,itisnotalwayspossibleorindeeddesirable：nInmanycaseswecanthaveDSFbecausethefibrewemustuseisalreadyinstalled.nfour-wavemixingeffectivelyprohibittheuseofDSF.Dispersion Compensating FibreBalancing Dispersion on a LinkDCF存在的问题存在的问题 高损耗(0.5dB/km)小截面积(DCF:20mm2G-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较大的色散斜率(DCF:-15-20ps/nm2/km;G-652:0.09ps/nm2/km).短波长过补偿，长波长欠补偿。Chirped Fibre Bragg GratingsChirped Bragg gratinglongshortTocompensatefor100kmofstandard(17ps/nm/km)fibrethechirpedgratingneedstobe17cmlongforeverynmofsignalbandwidth!啁啾光栅用作色散补偿啁啾光栅用作色散补偿啁啾光栅的色散：(2neffL/c)(1/c)neff：有效折射率；c：光速c光栅两边缘反射波长之差.5cm长的线性啁啾光栅可以补偿300km的10Gb/(光谱宽度0.1nm)传输线的色散(5100ps/nm)