第五讲 光纤的色散特性
主要内容
? 一、色散的定义
? 二、色散的种类及其产生原因
? 三、色散的计算分析
? 四、单模光纤的色散波谱特性
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 。
二、色散的种类
?模式色散
?材料色散
?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 。
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, 均为,
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 ① 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 ②, 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 Δ t为,
C
Lnt 1
1 ? C
Ln1
1
0
2 /
s in/
nC
Lt ??
0
1
sin?C
Ln
C
Ln
n
n
C
L
C
Ln
C
Lnttt ????????? 1
2
11
0
1
12 )1(s i n ?
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
2)0(
2
1 ??
C
n
m?
渐变型光纤的模式色散
材料色散
材料色散 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 。 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 Δλ 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 = 3× 108m/s,是真空中的光速,
— 是光源的谱线宽度
2
2
???? d
nd
C
L
c ????
??? ???? mc
??
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 。 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 。
单模光纤色散波谱特性曲线
主要内容
? 一、色散的定义
? 二、色散的种类及其产生原因
? 三、色散的计算分析
? 四、单模光纤的色散波谱特性
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 。
二、色散的种类
?模式色散
?材料色散
?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 。
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, 均为,
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 ① 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 ②, 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 Δ t为,
C
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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
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渐变型光纤的模式色散
材料色散
材料色散 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 。 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 Δλ 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 = 3× 108m/s,是真空中的光速,
— 是光源的谱线宽度
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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 。 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 。
单模光纤色散波谱特性曲线
