1、2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 二 光纤的色散 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 3 阶跃型弱导光纤的色散 单模 方法 的定义 g d d g 由归一化传播常数 2 0 2 2 2 0 2 1 2 0 2 2 2 2 2 knkn kn V W b 2 1 2 2 2 0 2 1 2 0 2 2 2 0 nknkbnk bnkbkn 0 2 1 02 假设 nnn 21 则 0 0 0 0 0 dk bnkd cdk nkd ccdk d d d g 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 在上式中 材料色散
2、引起的群延时 第一项 波导色散引起的群延时 第二项 一 材料色散 材料色散是折射率对波长的二阶导数 属折射 率随波长的非线性变化 不能简 单地认为折射率随波长而变所引起的 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 对石英光纤 材料色散小于0 正常色散区 长波长光传播快 短波长光传播慢 负色散值 材料色散大于0 反常色散区 短波长光传播快 长波长光传播慢 正色散值 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 二 波导色散 w ndVb cdV 波导色散引起的群延时 由色散的计算式可得 2 2 w w d ndVb DV dcdV 下面求 2 2 dV V
3、bd 的值 dV dU V U dV bVd b dV bVd 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 dV Ud U dV dU dV dU V U dV bVd Vb dV bVd dV bVd V 其中 2 2 dV Ud dV dU 和 由下面给出 下面求 的值 其中 和 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 222 VWU WK WWK UJ UUJ 0 1 0 1 WK WK V U dV dU 1 2 0 1 WK WK WK WK WWK WK UJ UJ W WK WK WK WK V U dV Ud 1 0 2 1 2 0 3 1 3 0
4、2 1 2 0 2 1 2 0 2 1 2 0 22 2 1 121 对单模光纤 仅存在 11 HE 模 V W U满足 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 1320 wm DDD 材料色散的影响一般大于波导色散 D m D w 波导色散系数通常为负值 总色散系数D D m D w 单模光纤 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 标准单模光纤是指零色散波长在1 3 m窗口的单模光纤 国际电信联盟 ITU T 把这种光纤规范为G 652光纤 其特点是当工作波长在1 3 m时 光纤
5、色散很小 系统的 传输距离只受光纤衰减所限制 但这种光纤在1 3 m波段 的损耗较大 约为0 3dB km 0 4dB km 在1 55 m波段 的损耗较小 约为0 2dB km 0 25dB km 色散在1 3 m 波段为3 5ps nm km 在1 55 m波段的损耗较大 约为 20ps nm km 这种光纤可支持用于在1 55 m波段的 2 5Gb s的干线系统 但由于在该波段的色散较大 若传 输10Gb s的信号 传输距离超过50公里时 就要求使用价 格昂贵的色散补偿模块 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 大多数已安装的光纤 低损耗 大色散分布 大有效面积
6、 色散受限距离短 2 5Gb s系统色度色散受限距离约 600km 10Gb s系统色度色散受限距离约 34km G 652 DCF方案升级扩容成本高 结论 不适用于 10Gb s以上速率传输 但可应用于 2 5Gb s 以下速率的 DWDM 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 三 色散位移光纤 在单模光纤中 短波长区 m 材料色散很大 波导色散可以忽略 而长波长区 mm 材料色散随波长的增加而减少至与波导色散相当的数量级 有可能互相抵消 出现零色散区 原理 在 1 3 m 1 7 m范围内任何波长 通过适当调整光纤波导的 结构参量 a 和 g 总可以获得零色散 这
7、就是 色散位 移光纤 所依据的原理 将 零色散波长从 1 3 m移至 1 55 m 可以使其与最低损耗波长一致 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 1550 nm 1320 1550 nm G 653 色散位移光纤 让损耗和色散最低点都在1550 nm 办法 材料色散不变 通过改变 折射率剖面形状来增大波 导色散 使零色散点往长 波长方向移动 普通商用光纤 色散位移光纤 ma 5 4 a2 35 0 a2 ma 2 2 5 1 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 标准单模光纤 SMF 0 1310 nm D crom 10Gbit s 的
8、传输系统 偏振模色散越严 重 由于偏振模色散的随机性 一般仅能对偏振模色散的平均 效应进行补偿 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 偏振模色散与传输速率的对应关系 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 光纤的演变 1 G 651光纤 工作波长 850nm 多模 损耗 3dB km 2 G 652光纤 常规单模光纤 零色散波长 1310nm 最低损耗窗口 1550 nm 3 G 653光纤 DSF 零色散波长 155
9、0nm 最低损耗窗口 1550 nm 4 G 655光纤 NDSF Lucent 零色散波长 1530nm Corning 1570nm 5 大有效面积光纤 LEAF 降低非线性效应的影响 6 色散补偿光纤 7 全波光纤 消除 OH的吸收损耗 通信窗口 由 0 85 1 31 1 55到 S波 1 49 1 53 C波 1 53 1 57 L波 1 57 1 61 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 三 光纤中的脉冲展宽 光脉冲 iz Er FxyA e r 由麦克斯韦方程得到 22 0 22 22 0 22 22 00 0 0 20 EkE FF kF xy A
10、iA z 2 01 2 1 2 K 1 12 2 11 g g g dv d vdvd 光纤的色散 1 2 2 2dc D d 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 时域的非线性薛定谔方程 23 12 3 1 0 26 AAiA A zt t t 参照系变换 1 zzTt z 23 1 0 26 Ai A A zT T 忽略光纤的高阶色散 3 0 2 2 2 0 2 Ai A zT 假设初始注入为高斯脉冲 2 2 0 0 exp T AT T 应用傅里叶变换的方法对微分方程求解 2 0 12 2 2 02 02 exp 2 TT AzT Tiz Tiz 12 2 2
11、2 0 0 1 z Tz T T 脉冲展宽 脉冲形状不变 产生附加相位 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 假设初始注入为啁啾高斯光脉冲 2 2 0 1 0 exp 2 iC T AT T 12 222 0 2 0 exp 121 T T A iC iC 2 0 12 2 2 02 02 1 exp 21 1 iC T T AzT Tiz iC Tiz iC 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 光纤的传输带宽 光纤的传输带宽不是以脉冲展宽程度 来衡量 是以单位长度光纤的频带宽 度来说明 假设光纤是一个线性变换系统 in P t 高斯脉冲
12、2 1 2 1 exp 2 in t Pt P out P t 也为高斯脉冲 2 2 2 2 exp 2 D out t Pt P 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 222 1 11 2 1 22 2 22 22 2 21 22 11 1 exp exp exp 22 2 exp exp 2 exp exp 2 in in out out D out D in t Pt P itd P Pt P P i P P Hi PP 当 时 对应的频率为截止频率 1 02 H H 22 2 21 2ln2 2ln 2 0 187 2 cc f 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012 和 1 e 脉宽 e3 dB 光脉冲下降到一半和 e 时的全宽度脉宽 均方脉宽 下降到最大值 2 1 e 时所需的时间 2012 03 20 2012 03 20 HUST 2012
