光纤的色散理论

由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中， 因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色 散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说， 光纤色散分为材料色散， 波导色散和模式色散。 前两种色散由于信号不是单一频率所引 起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。光纤色散如图2-19所示。

图2-19 光纤色散

---- 单模光纤中只传输基模(主模) HE 11 ( LP 01 ),总色散由材料色散、波导色散组成。这两 种色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。光纤的波长色散系数是单 位光纤长度的波长色散， 通常

用表示，单位为

。光纤的波长色散总

系数为：

(2-77)

是纯

材料色散系数，

为：

(2-78)

为波导色散系数，

为：

）

(2-79)

式中，

为信号的波长；

为真空中的光速；

为光纤材料的折射率；

为信号的相位传播常数。

材料色散

---- 材料色散：是光纤材料的折射率随频率（波长)而变，可使信号的各频率（波长)群速度不同引起色散，如图2-20所示。

 

 

图2-20 材料色散

波导色散

---- 波导色散是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。

---- 波导色散是光纤波导结构参数的函数，如图2-21所示。从图中可看出，在一定的波长范围内，波导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径

、相对折射率差

及剖面形状决定。通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散和负色散的目的。正是这种方法才研制出色散位移光纤、非零色散位移光纤。

 

图2-21 波导色散

---- 图2-22为单模石英光纤中材料色散、波导色散及总色散与波长的关系。总色散为材料色散、波导色散的近似相加。从图中可以看到，在某个特定波长下，材料色散和波导色散相抵消，总色散为零。对普通的单模光纤。总色散为零的波长在1.31μm，这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。在波长1.55μm，虽然损耗最低，但在该波长上的色散较大，如将零色散波长从1.31μm移到1.55μm，这就是色散位移光纤(DSF)。这种低损耗色散的光纤，对长距离大容量光纤通信系统十分有利。

---- 显然，为了把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，可以增加波导色散的绝对值。

 

图2-22 改变纤芯半径

来移动零色散波长

模式色散

--- 模式色散是指多模传输时同一波长分量的各种传导模式的相位常数不同，群速度不同，引起到达终端的光脉冲展宽的现象。如图2-23所示。

 

图2-23 模式色散

--- 对于渐变型光纤，由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。如图2-24所示。

 

图2-24 渐变型多模光纤的模式色

--- 对于多模光纤，模式色散通常占主导地位。单模光纤只存在一个模式，所以，单模光纤没有模式色散。

2．5．4 非色散位移单模光纤、色散位移单模光纤

1、非色散位移单模光纤ITU-T G.652

--- G.652 称为非色散位移单模光纤，也称为常规单模光纤，其性能特点是：(1)在1310nm波长处的色散为零。(2)在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)。（3）这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。G.652 光纤是当前使用最为广泛的光纤。

2、色散位移单模光纤ITU-T G.653

--- G.653称为色散位移单模光纤。色散位移光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布 形状，力求加大波导色散，从而将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰 减和零色散波长一致。这种光纤工作波长在1550nm区域。它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。