光纤的色散特性.pptx

1-1Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications1、材料色散：、材料色散：n=n()，n是波长是波长的非线性函数。的非线性函数。2、波导色散：同一模式的相位常数、波导色散：同一模式的相位常数随波长随波长而变，从而引而变，从而引起色散。起色散。3、模式色散：多模光纤中，即使在同一波长，不同模式的传、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，它引起的色散叫模式色散。播速度也不同，它引起的色散叫模式色散。4、偏振色散：单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个、偏振色散：单模光纤中实际存在偏振方向相互正交的两个基模。当光纤中存在双折射时，这两个模式的传输速度不基模。当光纤中存在双折射时，这两个模式的传输速度不同，引起偏振色散。同，引起偏振色散。MMF模式中：以模式色散为主，模式中：以模式色散为主，SMF：以材料色散为主：以材料色散为主1-2Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications一、一、Model DispersionGroup delay:波长相同，波长相同，不同不同最低阶模的纵向波矢：最低阶模的纵向波矢：最高阶模的纵向波矢：最高阶模的纵向波矢：最低阶模的纵向波矢：最低阶模的纵向波矢：最高阶模的纵向波矢：最高阶模的纵向波矢：Model Dispersion can be expressed(note that has units of S/m)1-3Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications二、时延差二、时延差在光纤中，不同速度的信号经过同样的距离会有不同的时在光纤中，不同速度的信号经过同样的距离会有不同的时延，从而产生时延差。时延差越大，色散越严重。常用最大延，从而产生时延差。时延差越大，色散越严重。常用最大时延差来表示光纤色散程度，简称时延差。时延差来表示光纤色散程度，简称时延差。A.假若有一频率为假若有一频率为f的已调光载频在光纤中传播，信号的群的已调光载频在光纤中传播，信号的群速度：速度：（包络线中心前进的速度（包络线中心前进的速度 ）：信号纵向相位常数，：信号纵向相位常数，：角频率：角频率1-4Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communicationsB.单位长度上的时延：单位长度上的时延：or(s/m)C.时延差时延差设光谱宽为设光谱宽为，单位长度光纤的时延差用，单位长度光纤的时延差用表示。表示。若若1-5Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications严格的说，在不同频率上，严格的说，在不同频率上，是不同的，在这里近是不同的，在这里近似认为在整个谱宽内似认为在整个谱宽内是不变的，等于中心频率是不变的，等于中心频率的的值。值。D.色散系数色散系数D：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差。延差。单位：单位：三、冲击响应三、冲击响应h(t)与脉冲展宽与脉冲展宽A.脉冲宽度脉冲宽度（Full Width at Half Maximum FWHM）1-6Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communicationsGaussian 脉冲：脉冲：tP0tet1-7Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications 脉冲总能量脉冲总能量为平均时间，时间重心为平均时间，时间重心均方根脉冲宽度定义为：均方根脉冲宽度定义为：即取即取的平方，平均，方根。的平方，平均，方根。对对Gaussian脉冲：脉冲：之间的关系：之间的关系：1-8Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communicationsB.冲击响应冲击响应 （time domain）输入任意的光功率脉冲输入任意的光功率脉冲光纤光纤h(t)冲击响应，忽略光纤的损耗，完全由光纤的色散特冲击响应，忽略光纤的损耗，完全由光纤的色散特性决定性决定若若实际光纤的实际光纤的h(t)常接近常接近Gaussian型型（忽略损耗）（忽略损耗）1-9Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications不是不是函数函数可用可用和和h（t）的卷积得到）的卷积得到C.脉冲宽度：当输入零宽度的脉冲宽度：当输入零宽度的脉冲时，其输出波形脉冲时，其输出波形h（t）。）。因而因而h（t）的宽度即脉冲展宽，以）的宽度即脉冲展宽，以示之。示之。1-10Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications输入宽度输入宽度，输出脉冲宽度，输出脉冲宽度：脉冲展宽：脉冲展宽：对单模光纤：对单模光纤：单位长度的脉冲展宽，单位长度的脉冲展宽，ns/km，ps/km）（四、频率响应四、频率响应H（F）与）与3dB带宽带宽BA.3dB带宽带宽B：使：使H（F）降低到最大值一半时的带宽，单位长）降低到最大值一半时的带宽，单位长度光纤的基带度光纤的基带3dB带宽常用带宽常用表示。表示。对对SMF：B：MHz，GHz：MHzkm，GHzkm以上指的是光带宽，它是由光功率来定义的。以上指的是光带宽，它是由光功率来定义的。1-11Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications五、五、h（t）与）与H（F）的关系）的关系h（t）与）与H（F）的关系由傅立叶变换和反变换联系：）的关系由傅立叶变换和反变换联系：若：若：则：则：3dB带宽：带宽：1-12Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications六、材料色散六、材料色散A.相速，群速相速，群速 （Phase Velocity Group Velocity）1、phase velocity:等相位面传播的速度等相位面传播的速度2、group velocity1-13Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications包络线沿时空维持不变的条件为：包络线沿时空维持不变的条件为：包络线中心前进的速度：包络线中心前进的速度：1、正常色散、正常色散normal dispersion：2、反常色散、反常色散abnormal dispersion:3、光纤经常选择在色散最小的工作波段、光纤经常选择在色散最小的工作波段。所。所以群速度色散在感兴趣的波长两边要变号（以群速度色散在感兴趣的波长两边要变号（）。）。1-14Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications六、材料色散六、材料色散A.群折射指数群折射指数N，描述材料的色散特性。，描述材料的色散特性。群速度：群速度：时延时延B.材料色散系数材料色散系数1、一谱宽为、一谱宽为的光脉冲，若的光脉冲，若足够窄，进入光纤传输足够窄，进入光纤传输单位长度是的时延差为：单位长度是的时延差为：定义材料色散定义材料色散，光源单位线宽引起的时延差，光源单位线宽引起的时延差1-15Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications2、塞尔梅耶公式，、塞尔梅耶公式，n之间的关系之间的关系为谐振波长；为谐振波长；和和为常数。为常数。七、光纤材料的色散特性七、光纤材料的色散特性材料的色散系数材料的色散系数随波长随波长变换的曲线：变换的曲线：0.61.31.601-16Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications八、单模光纤的色散八、单模光纤的色散SMF中：材料色散中：材料色散 Material Dispersion波导色散波导色散 Waveguide Dispersion偏振色散偏振色散 Polarization Dispersion时延：时延：光纤包层和芯子材料的群折光纤包层和芯子材料的群折射指数。射指数。1-17Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications由于芯子和包层材料有近似的色散特性，故：由于芯子和包层材料有近似的色散特性，故：弱导条件：弱导条件：结果，对结果，对V，b，归一化频率，归一化纵向相位常数，归一化频率，归一化纵向相位常数第一项：第一项：（材料色散）（材料色散）1-18Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications材料系数材料系数第三项：第三项：Waveguide Dispersion 系数：系数：第二项是交叉项，对弱导光纤可认为芯子和包层材料色散特第二项是交叉项，对弱导光纤可认为芯子和包层材料色散特性一致，而将该项忽略。性一致，而将该项忽略。SMF的色散的色散Material Dispersion+Waveguide Dispersion1-19Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications九、九、SIF的色散的色散基模基模模，色散包括模，色散包括Material+Waveguide DispersionA.波导色散波导色散B.光纤的色散由下式计算光纤的色散由下式计算1-20Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications色色散散系系数数D101.21.42.0波导色散波导色散材料色散材料色散总色散总色散作业：一作业：一SMF，SIF，对对1550nm的光波：的光波：a)归一化频率是多少？归一化频率是多少？b)该光纤支持几个导模？该光纤支持几个导模？c)该光纤的波导色散是多少？该光纤的波导色散是多少？1-21Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications十、特种色散光纤十、特种色散光纤A.零色散频移光纤：将光纤的零色散点移到零色散频移光纤：将光纤的零色散点移到1.55m处，以处，以与光纤最低损耗波段一致，从而得到低损耗和低色散。与光纤最低损耗波段一致，从而得到低损耗和低色散。途径：增加波导色散途径：增加波导色散手段：采用三角形折射指数分布光纤手段：采用三角形折射指数分布光纤B.超宽带低色散光纤超宽带低色散光纤W型光纤：两个包层型光纤：两个包层Dispersionshifted FiberDispersionFlattened Fiber十一、多模光纤的色散：十一、多模光纤的色散：Material,Waveguide,Mode Dispersion以以Mode Dispersion 为主为主弟弟p歌模式群在单位长度光纤上的群延时：歌模式群在单位长度光纤上的群延时：1-22Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications表示固定的时延值，表示固定的时延值，第二、三项表示模式色散。第二、三项表示模式色散。相对时延差：相对时延差：与与p=0的模式群的时延差：的模式群的时延差：时模式色散最小。时模式色散最小。1-23Copyright Wang Yan2024/10/14 周一Optical fiber communications作业：一作业：一SMF，a=5m，假定归假定归一化纵向相位常数一化纵向相位常数a)对对1 1m的波导色散是多少？的波导色散是多少？b)一个一个Gaussian Pulse的的FWHM是是10ps，进入，进入此光纤传播此光纤传播100km后的脉宽是多少？假定纤芯和包层的后的脉宽是多少？假定纤芯和包层的材料色散为材料色散为10ps/kmnm。