光纤的色散特性

    任务二　光纤的色散特性

    ◆知识点

    ¤　光纤的群速度

    ¤　光纤的色散分类

    ◆任务目标

    ¤　理解光纤的群速度引起的脉冲展宽

    ¤　掌握光纤的色散类型

    任务导入：

    光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度，也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时，在多模光纤中，光信号还可能由若干个模式叠加而成，也就是说上述每一个频率成分还可能由若干个模式分量来构成。在光纤中传输的光信号的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播，到达一定距离后必然产生信号失真，这种现象称为光纤的色散或弥散。

    相关知识：

    1.光纤的群速度和时延

    在折射率为n₁的均匀波导中，平面波的传播速度为v＝c／n₁。这就是说，介质波导（折射率为n₁）中的光速比真空中的光速c慢。现在考虑传输模中的一条光线（如图2.7所示），它在纤芯内以角度θ全反射，在介质中光速是v＝c／n₁。但是能量沿波导传输方向（光纤轴线）的传输速度是v_g。

    

    

    

    图2.7　传输群速度

    这一速度称为光纤传输的群速度，它表示调制光脉冲包络的传播速度。

    在光纤中，群速度不同的光线在传输时会产生时延差，时延差越大，色散越严重。群速度除和光纤模式有关外，也和因调制产生的光频分量有关。设频率为ω的一光谱分量经过长为L的单模光纤传输后，产生时延T＝L／v_g。由于光脉冲包含许多频率分量，所以不同频率分量的光在传输后产生不同的延迟，不能同时到达光纤输出端，从而导致了光脉冲的展宽。

    

    式中β2＝d²β／dω²称为群速度色散（GVD），它直接决定了脉冲在光纤中的展宽程度。

    我们常用一个称为色散系数D来描述光纤的色散指标。它是这样定义的：1nm波长范围（指光源的谱宽小于1nm）的光通过1km光纤所出现的时延差异，单位为ps／nm·km，D越小，则光纤带宽越大，单模光纤带宽与色散系数D的关系为：Bf＝132.5／（D.L）GHz。式中L为光纤长度（km）。

    例如，1.30μm波长的光源，其谱宽小于1nm，其D值是小于3.5ps／nm·km。则1km单模光纤的频宽为Bf＞37.86GHz，10km单模光纤的频带则为3.78GHz，可见在光纤网络中，传输的距离越长，色散就越严重。

    2.光纤的色散种类

    色散是光纤的一个重要参数，降低光纤的色散，对增加通信容量，延长通信距离，发展高速40Gb／s光纤通信和其他新型光纤通信技术都是至关重要的。光纤的色散主要有材料色散、波导色散和模间色散三种。图2.8为不同光纤的色散特性。

    （1）材料色散

    它是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。它是纤芯材料的折射率随波长变化而引起的，这使得一个给定模式的群速度产生对波长的依赖关系。

    （2）波导色散

    它是由于相同的光源频率所对应的同一导模的群速度在纤芯和包层中不同所引起的脉冲展宽。因模式的传播常数β随α／λ变化而产生的，这是单模光纤色散的主要原因，在多模光纤中可以忽略。多模光纤色散中模间色散起支配作用。

    （3）多模色散

    它是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。在单模光纤中，由于只有基模传输，因此不存在多模色散，多模光纤色散中模间色散起支配作用。

    

    

    图2.8　不同光纤的色散特性曲线

    相关参数测量：

    单模光纤色散的测量

    由于EDFA的出现，衰减已经由限制通信距离的主要问题变成次要问题了，而色散（单模光纤的色散）变成了目前限制光纤通信速率和距离的最主要因素，所以色散的测量以及补偿技术受到了越来越多的重视。下面提供了一个单模光纤色散测量系统（见图2.9），仅供参照。

    

    

    图2.9

    测量工具：

    光纤光源、色散测量仪、光纤功率计、WDM、光纤跳线、示波器。

    测量内容：

    ①通过任务实施，可以使我们了解并掌握用相移法测量光纤色散的方法，对色散给数据传输造成的影响有一个感性的认识，对鉴相器的原理有一个简单的了解。如果有高速示波器，通过对比传输前后的波形差异，直观地得到信号由于色散而产生的时间延迟。

    ②了解并掌握用插入法测量光纤损耗的方法，对光纤损耗有一个简单的认识。

    测量系统框图（见图2.10）：

    

    

    图2.10

    主要技术指标：

    测试光纤：单模光纤；

    光源：

    波长：1310／1535／1555±2nm；光源功率：≥400μW；接口类型：FC；

    色散测量仪：

    探测器类型：InGaAs；测量光纤范围：1.5～6km；读出分辨率：±0.2ps；精度：±2.5ps。

    测试步骤与事项：

    ①测试光纤样品应不短于1km，光纤两端做好光纤连接器。

    ②在色散测试时应先用两根标准光纤跳线分别连接色散测量仪的输入端和输出端，通过法兰盘连接两根光纤跳线的另一端，将色散测量仪自环，测试此时的参考值。

    ③再将测试光纤通过法兰盘接入光纤环路。

    ④根据测试光纤样品，设定光纤类型，数据拟合方式，光纤测试中的群折射率，测试光纤长度，测试波长范围，波长间隔等。

    ⑤测试光纤的零色散波长、零色散斜率和色散系数等。通过对测试数据的分析处理得到光纤的色散特性。

    知识应用：

    例2　光源波长谱宽Δλ和色散Δτ指的是输出光强最大值一半的宽度，Δλ₁／2称为光源线宽，Δτ_1／2是光强与波长关系曲线最大值一半的宽度，是光纤输出信号光强与时间关系曲线最大值一半的宽度。

    （1）当光源采用工作波长为1.55μm，线宽为100nm的LED时；

    （2）当光源采用工作波长仍为1.55μm，但线宽仅为2nm的LD时，请计算硅光纤每公里的材料色散系数。

    解　因为硅光纤的材料色散系数为Dm＝22ps·km^-1·nm^-1（1.55μm波长）

    对于LED，Δλ_1／2＝100nm

    Δτ_1／2＝L｜D_m｜Δλ_1／2＝（1km）（22ps·km^-1·nm^-1）（100nm）＝2200ps或者2.2ns

    对于LD，Δλ₁／2＝2nm，Δτ₁／2＝L｜D_m｜Δλ₁／2＝（1km）（22ps·km^-1·nm^-1）（2nm）＝44ps或者0.044ns

    由此可见，LD的线宽比LED的线宽窄很多，所以它的色散系数也小得多。

    思考题与习题

    1.分析光纤中传输的光信号产生脉冲展宽的原因。

    2.使用LED光源，工作在0.82μm波长，光纤色散系数D＝110ps／（nm·km），谱宽Δλ＝20nm。在光纤为10km处，脉冲展宽为多少？假如λ＝1.5μm，D_m＝15ps（nm·km），Δλ＝50nm，脉冲展宽又为多少？