光纤的色散特性

1、光纤的色散特性2022/9/21第1页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一1、材料色散：n=n() ，n是波长的非线性函数。2、波导色散：同一模式的相位常数随波长而变，从而引起色散。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。MMF模式中：以模式色散为主，SMF：以材料色散为主2022/9/22第2页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一一、Model DispersionGroup dela

2、y:波长相同，不同最低阶模的纵向波矢：最高阶模的纵向波矢：最低阶模的纵向波矢：最高阶模的纵向波矢：Model Dispersion can be expressed (note that has units of S/m)2022/9/23第3页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一二、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。假若有一频率为f的已调光载频在光纤中传播，信号的群速度：（包络线中心前进的速度 ）：信号纵向相位常数，：角频率2022/9/24第4页，共24页，20

3、22年，5月20日，4点54分，星期一B. 单位长度上的时延：or(s/m)C. 时延差设光谱宽为，单位长度光纤的时延差用表示。若2022/9/25第5页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一严格的说，在不同频率上，是不同的，在这里近似认为在整个谱宽内是不变的，等于中心频率的值。D. 色散系数D：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差。单位：三、冲击响应h(t)与脉冲展宽A. 脉冲宽度（Full Width at Half Maximum FWHM）2022/9/26第6页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一Gaussian 脉冲：tP0tet2022/9

4、/27第7页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一 脉冲总能量为平均时间，时间重心均方根脉冲宽度定义为：即取的平方，平均，方根。对Gaussian脉冲：之间的关系：2022/9/28第8页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一B. 冲击响应 （time domain）输入任意的光功率脉冲光纤h(t)冲击响应，忽略光纤的损耗，完全由光纤的色散特性决定若实际光纤的h(t)常接近Gaussian型（忽略损耗）2022/9/29第9页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一不是函数可用和h（t）的卷积得到C. 脉冲宽度：当输入零宽度的脉冲时，其输出波形h（

5、t）。因而h（t）的宽度即脉冲展宽，以示之。2022/9/210第10页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一输入宽度，输出脉冲宽度：脉冲展宽：对单模光纤：单位长度的脉冲展宽， ns/km，ps/km）（四、频率响应H（F）与3dB带宽BA. 3dB带宽B：使H（F）降低到最大值一半时的带宽，单位长度光纤的基带3dB带宽常用表示。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。2022/9/211第11页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一五、h（t）与H（F）的关系h（t）与H（F）的关系由傅立叶变换和反变换联系：

6、若：则：3dB带宽：2022/9/212第12页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一六、材料色散A. 相速，群速 （Phase Velocity Group Velocity）1、phase velocity:等相位面传播的速度2、group velocity2022/9/213第13页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一包络线沿时空维持不变的条件为：包络线中心前进的速度：1、正常色散normal dispersion：2、反常色散abnormal dispersion:3、光纤经常选择在色散最小的工作波段。所以群速度色散在感兴趣的波长两边要变号（）。202

7、2/9/214第14页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一六、材料色散A. 群折射指数N，描述材料的色散特性。群速度：时延B. 材料色散系数1、一谱宽为的光脉冲，若足够窄，进入光纤传输单位长度是的时延差为：定义材料色散，光源单位线宽引起的时延差2022/9/215第15页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一2、塞尔梅耶公式，n之间的关系为谐振波长；和为常数。七、光纤材料的色散特性材料的色散系数随波长变换的曲线：0.61.31.602022/9/216第16页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一八、单模光纤的色散SMF中：材料色散 Mater

8、ial Dispersion波导色散 Waveguide Dispersion偏振色散 Polarization Dispersion时延：光纤包层和芯子材料的群折射指数。2022/9/217第17页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一由于芯子和包层材料有近似的色散特性，故：弱导条件：结果，对V，b，归一化频率，归一化纵向相位常数第一项：（材料色散）2022/9/218第18页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一材料系数第三项：Waveguide Dispersion 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性一致，而将该项忽略。SMF的色

9、散Material Dispersion + Waveguide Dispersion2022/9/219第19页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一九、SIF的色散基模模，色散包括Material + Waveguide DispersionA. 波导色散B. 光纤的色散由下式计算2022/9/220第20页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一色散系数D101.21.42.0波导色散材料色散总色散作业：一SMF，SIF，对1550nm的光波：归一化频率是多少？该光纤支持几个导模？该光纤的波导色散是多少？2022/9/221第21页，共24页，2022年，5

10、月20日，4点54分，星期一十、特种色散光纤A. 零色散频移光纤：将光纤的零色散点移到1.55m处，以与光纤最低损耗波段一致，从而得到低损耗和低色散。途径：增加波导色散手段：采用三角形折射指数分布光纤B. 超宽带低色散光纤W型光纤：两个包层Dispersionshifted FiberDispersionFlattened Fiber十一、多模光纤的色散：Material,Waveguide,Mode Dispersion以Mode Dispersion 为主弟p歌模式群在单位长度光纤上的群延时：2022/9/222第22页，共24页，2022年，5月20日，4点54分，星期一表示固定的时延值，第二、三项表示模式色散。相对时延差：与p=0的模式群的时延差：时模式色散最小。2022/9/223第23页，共24页，2022年，5