色散的概述 (2)幻灯片.ppt

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1、色散的概述第1页，共38页，编辑于2022年，星期二第2页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的概述色散的概述 影响光信号在光纤中传输的主要因素：色散和损耗 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地补偿光功率的损耗，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：引起光纤中传输的光脉冲展宽，导致信号的畸变。第3页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的定义色散的定义 色散指复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。复色光进入棱镜后，由于它对

2、各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。这种现象叫色散。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。第4页，共38页，编辑于2022年，星期二第5页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的分类色散的分类 不同频率或波长的光是以不同速进行传播的。在不同的多模光纤中，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

3、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单模色散单模色散、多模色散多模色散两大类。单模色散单模色散：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。单模波长色散产生的机理，又可以将其区分为材料色散、波导色散和偏振模色散。多模色散多模色散：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。这种色散的机理与单模色散不同，它与光信号的谱宽没有关系，仅由传播模式间相位常数的差异导致色散效应。第6页，共38页，编辑于2022年，星期二单模色散单模色散 光信号在光纤中以群速度传播，群速度定义为光载波

4、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 则其时延展宽为第7页，共38页，编辑于2022年，星期二材料色散材料色散 材料色散是由于构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是和频率有关的函数引起的。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。第8页，共38页，编辑于2022年，星期二材料色散材料色散从图中可

5、以看出，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。正常色散反常色散第9页，共38页，编辑于2022年，星期二材料色散材料色散 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。在反常色散区，折射率的虚部 很大，在 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。正常色散反常色散第10页，共38页，编辑于2022年，星期二波导色散波导色散 由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此

6、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。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。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。第11页，共38页，编辑于2022年，星期二波导色散波导色散第12页，共38页，编辑于2022年，星期二偏振模色散偏振模色散 偏振模色散是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，引起信号失真。n1x

7、n1y/x/yEEyExEyD Dt tExD Dt ttzt输入光脉冲输入光脉冲输出光脉冲输出光脉冲脉冲展宽脉冲展宽光强光强光强光强xyzExEy第13页，共38页，编辑于2022年，星期二多模色散多模色散 多模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。这种色散的机理与单模色散不同，它与光信号的谱宽没有关系，仅由传播模式间相位常数的差异导致色散效应。多模光纤中，光信号耦合进光纤以后，会激励起多个模式，这些模式具有不同的相位常数和不同的传播速度，从而导致光脉冲的展宽。第14页，共38页，编辑于2022年，星期二单模光纤的色散单模光纤的色散 色散系数 如果光纤的

8、双折射参量很小，则单模色散是主要的。单模光纤的单模色散用D()度量，即单位波长间隔的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差，工程中称D()为色散系数，定义为 由上式可以看到，单模光纤的色散系数由光纤中光波传播的相位常数对自由空间相位常数k0的二阶导数决定。显然必须关注相位常数的解析表达式。第15页，共38页，编辑于2022年，星期二单模光纤的色散单模光纤的色散 色散系数 的解析表达式 其中b是一个新的规一化工作参数，为 从而得到D()为 上式中，第一项为第16页，共38页，编辑于2022年，星期二单模光纤的色散单模光纤的色散 色散系数由上图可以看出 时，纯石英玻璃的，称这个波长为零色

9、散波长，附近区域称为零色散区。第17页，共38页，编辑于2022年，星期二单模光纤的色散单模光纤的色散 色散系数式中，第二项为此项描述的是导波模式的色散特性，即波导色散项。由右图所示各关系可看出，因(N1-N20)，在我们感兴趣的波长范围内，必有波导色散项DW()0.第18页，共38页，编辑于2022年，星期二单模光纤的色散单模光纤的色散 色散系数单模光纤色散波谱特性曲线单模光纤色散波谱特性曲线第19页，共38页，编辑于2022年，星期二多模光纤的色散多模光纤的色散多模色散在多模光纤中是主要的，要比单模色散大的多。一般多模光纤的折射率分布可表示为其中传播的第p个模式群的相位常数可表示为第20页

10、，共38页，编辑于2022年，星期二式中pmax为最大模式群序号，是此处为方便计算引入的。则第p个模式群在光纤中传播单位长度的群时延为将(8-8)代入(8-9)式，计算中忽略的 项，并忽略 项，可以得到上式是第p个模式群的群时延，对于p=0的主模式，有那么第p个模式群与主模式群间的时延差为多模光纤的色散多模光纤的色散第21页，共38页，编辑于2022年，星期二从上图可以看到几种典型折射率分布光纤的色散情况，可以发现折射率分布对色散的影响还是挺大的。多模光纤的色散多模光纤的色散第22页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的测量色散的测量 由于光源谱宽、信号谱宽和脉冲初始啁啾都是必然存在的，色

11、散是限制光纤通信系统的主要制约因素。首先，对于色散的度量，若令色散与光纤长度成正比，则可用单位长度波长间隔内的平均群延时来表示色散程度，为 色散的测量按光强度调制的波形来划分有相移法(正弦信号调制)和脉冲延时法(脉冲调制)两种方法。第23页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的测量色散的测量相移法：这是一种通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群延时与波长的关系，进而计算色散系数的一种方法。基本原理是通过比较基带调制信号在不同波长下的相位来确定色散的特性。若令光源调制频率为f，经在光纤中传播L长度后，波长为2的光相对于波长为1的光的调制波形相位差满足 则单位长度平均延时差为第24页，

12、共38页，编辑于2022年，星期二色散的测量色散的测量则根据上面的(8-30)，可测出不同波长下的，计算出 ，并表示为其中的A，B，C，D，E是一些常数，由测试数据确定。可以由上式得到色散系数，为第25页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的测量色散的测量第26页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿 光纤的损耗和色散是限制光纤通信系统无中继传输距离的两个主要制约因素。近年来，掺饵光纤放大器(EDFA)在石英光纤最低损耗窗口的优异性能，使光功率的损耗得到了有效的补偿，使色散成为高速光纤通信系统最主要的制约因素 为了克服色散对通信容量的限制，采用适当的技术补偿光纤的色散，使

13、色散的传输畸变减至最小已成为近年的研究热点。第27页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿色散补偿的原理：光脉冲在传输过程中其包络变化为显然，脉冲包络的畸变由色散项产生，若能够采用适当的技术将这个色散项抵消掉，则在任何距离上都有即脉冲包络的形状保持不变，色散被完全补偿。但这样精确补偿是难以达到的，各种实用的补偿技术只能尽可能减小色散导致的畸变。对色散的补偿可以在光纤线路上实现，也可以在发送端或接收端实现。第28页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿色散补偿方案：后置色散补偿技术前置色散补偿技术色散补偿滤波器高色散补偿光纤(DCF)技术凋啾光纤光栅色散补偿技

14、术第29页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿后置色散补偿技术：在接收端采用电子技术补偿因色散导致的信号畸变。这个方法的前提是将光纤看成是线性系统，对于相干光通信系统是可以实现的。则根据线性系统理论，经过此滤波器输出的信号将补偿因GVD导致的畸变。由于相干光通信技术不成熟，该方法实用化还有一定距离。第30页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿前置色散补偿技术：这种补偿技术是在发送端采用的补偿技术。由(8-31)可知，若在发送端光信号进入光纤线路以前采用适当的方法，改变输入信号的频谱，使的输入信号频谱函数完成如下转换、则光纤的色散导致的畸变在接收端将被完全

15、补偿，信号脉冲将保持不变。实际的传输系统，这么精确的处理是不可能的，有几种实际可行的预补偿方法，可以将色散导致的信号畸变减小到容许的范围以内。第31页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿a)预啁啾：对于有啁啾的高斯光脉冲，如果啁啾参数C和群色散的乘积为负，则可使光脉冲展宽速度大为减缓。那么可以采用预啁啾方法，使包络函数满足条件。此方法有个问题，为了增大传输距离必须仔细调整信号的初始啁啾参数。b)FSK调制：就是用数字信号去调制载波的频率。前面都是采用幅度调制使光信号脉冲带有初始啁啾，从而抵消色散的影响，延长传输距离。实际也可以采用调频方式达到色散补偿的目地第32页，共38页

16、，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿色散补偿滤波器色散补偿滤波器技术是采用Fanry一Perat干涉和Mach一Zehnder干涉技术进行色散补偿。然而相对高的损耗和较窄的带宽限制了Fabry-Perot干涉技术的应用，对输入光偏振比较灵敏和带宽比较窄是Mach-zehnder干涉技术的缺点。第33页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿第34页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿是具有大的负色散光纤。它是针对现已敷设的1.3m标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。为了使现已敷设的1.3m光纤系统采用WDM/EDFA技术，就必须将光纤的工作波长从

17、1.3m转为1.55m，而标准光纤在1.55m波长的色散不是零，而是正的（1720）ps/（nmkm），并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速度、大容量、长距离的通信。第35页，共38页，编辑于2022年，星期二色散的补偿色散的补偿啁啾光纤光栅色散补偿啁啾光纤光栅色散补偿光纤光敏性光纤光敏性 在紫外激光作用下，纤芯折射率发生永久性的变化。利用光纤光敏性和特定曝光方法，能够形成纤芯折射率变化的周期性结构光纤光栅。光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性的动态可控制等特点。光纤光栅在色散补偿中的应用如图2所示.第36页，共38页，编辑于2022年，星期二色散补偿调啾光纤光栅的优点是结构小巧，很容易接入光纤通信系统.然而也存在一些急需克服的缺陷，如带宽过窄、群时延非线性、额外的介入损耗及需要解决制作过程的实用化，如制作过程的可重复性、封装、温度补偿等。色散的补偿色散的补偿第37页，共38页，编辑于2022年，星期二谢谢！第38页，共38页，编辑于2022年，星期二