光纖的色散特性

1、光纖的色散特性2022/9/21第1頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一1、材料色散：n=n() ，n是波長(zhǎng)的非線性函數(shù)。2、波導(dǎo)色散：同一模式的相位常數(shù)隨波長(zhǎng)而變，從而引起色散。3、模式色散：多模光纖中，即使在同一波長(zhǎng)，不同模式的傳播速度也不同，它引起的色散叫模式色散。4、偏振色散：?jiǎn)文９饫w中實(shí)際存在偏振方向相互正交的兩個(gè)基模。當(dāng)光纖中存在雙折射時(shí)，這兩個(gè)模式的傳輸速度不同，引起偏振色散。MMF模式中：以模式色散為主，SMF：以材料色散為主2022/9/22第2頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一一、Model DispersionGroup dela

2、y:波長(zhǎng)相同，不同最低階模的縱向波矢：最高階模的縱向波矢：最低階模的縱向波矢：最高階模的縱向波矢：Model Dispersion can be expressed (note that has units of S/m)2022/9/23第3頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一二、時(shí)延差在光纖中，不同速度的信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的距離會(huì)有不同的時(shí)延，從而產(chǎn)生時(shí)延差。時(shí)延差越大，色散越嚴(yán)重。常用最大時(shí)延差來(lái)表示光纖色散程度，簡(jiǎn)稱時(shí)延差。假若有一頻率為f的已調(diào)光載頻在光纖中傳播，信號(hào)的群速度：（包絡(luò)線中心前進(jìn)的速度 ）：信號(hào)縱向相位常數(shù)，：角頻率2022/9/24第4頁(yè)，共24頁(yè)，20

3、22年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一B. 單位長(zhǎng)度上的時(shí)延：or(s/m)C. 時(shí)延差設(shè)光譜寬為，單位長(zhǎng)度光纖的時(shí)延差用表示。若2022/9/25第5頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一嚴(yán)格的說(shuō)，在不同頻率上，是不同的，在這里近似認(rèn)為在整個(gè)譜寬內(nèi)是不變的，等于中心頻率的值。D. 色散系數(shù)D：?jiǎn)挝痪€寬光源在單位長(zhǎng)度光纖上所引起的時(shí)延差。單位：三、沖擊響應(yīng)h(t)與脈沖展寬A. 脈沖寬度（Full Width at Half Maximum FWHM）2022/9/26第6頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一Gaussian 脈沖：tP0tet2022/9

4、/27第7頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一 脈沖總能量為平均時(shí)間，時(shí)間重心均方根脈沖寬度定義為：即取的平方，平均，方根。對(duì)Gaussian脈沖：之間的關(guān)系：2022/9/28第8頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一B. 沖擊響應(yīng) （time domain）輸入任意的光功率脈沖光纖h(t)沖擊響應(yīng)，忽略光纖的損耗，完全由光纖的色散特性決定若實(shí)際光纖的h(t)常接近Gaussian型（忽略損耗）2022/9/29第9頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一不是函數(shù)可用和h（t）的卷積得到C. 脈沖寬度：當(dāng)輸入零寬度的脈沖時(shí)，其輸出波形h（

5、t）。因而h（t）的寬度即脈沖展寬，以示之。2022/9/210第10頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一輸入寬度，輸出脈沖寬度：脈沖展寬：對(duì)單模光纖：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的脈沖展寬， ns/km，ps/km）（四、頻率響應(yīng)H（F）與3dB帶寬BA. 3dB帶寬B：使H（F）降低到最大值一半時(shí)的帶寬，單位長(zhǎng)度光纖的基帶3dB帶寬常用表示。對(duì)SMF：B：MHz，GHz：MHzkm，GHzkm以上指的是光帶寬，它是由光功率來(lái)定義的。2022/9/211第11頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一五、h（t）與H（F）的關(guān)系h（t）與H（F）的關(guān)系由傅立葉變換和反變換聯(lián)系：

6、若：則：3dB帶寬：2022/9/212第12頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)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?zhèn)鞑サ乃俣?、group velocity2022/9/213第13頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一包絡(luò)線沿時(shí)空維持不變的條件為：包絡(luò)線中心前進(jìn)的速度：1、正常色散normal dispersion：2、反常色散abnormal dispersion:3、光纖經(jīng)常選擇在色散最小的工作波段。所以群速度色散在感興趣的波長(zhǎng)兩邊要變號(hào)（）。202

7、2/9/214第14頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一六、材料色散A. 群折射指數(shù)N，描述材料的色散特性。群速度：時(shí)延B. 材料色散系數(shù)1、一譜寬為的光脈沖，若足夠窄，進(jìn)入光纖傳輸單位長(zhǎng)度是的時(shí)延差為：定義材料色散，光源單位線寬引起的時(shí)延差2022/9/215第15頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一2、塞爾梅耶公式，n之間的關(guān)系為諧振波長(zhǎng)；和為常數(shù)。七、光纖材料的色散特性材料的色散系數(shù)隨波長(zhǎng)變換的曲線：0.61.31.602022/9/216第16頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一八、單模光纖的色散SMF中：材料色散 Mater

8、ial Dispersion波導(dǎo)色散 Waveguide Dispersion偏振色散 Polarization Dispersion時(shí)延：光纖包層和芯子材料的群折射指數(shù)。2022/9/217第17頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一由于芯子和包層材料有近似的色散特性，故：弱導(dǎo)條件：結(jié)果，對(duì)V，b，歸一化頻率，歸一化縱向相位常數(shù)第一項(xiàng)：（材料色散）2022/9/218第18頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一材料系數(shù)第三項(xiàng)：Waveguide Dispersion 系數(shù)：第二項(xiàng)是交叉項(xiàng)，對(duì)弱導(dǎo)光纖可認(rèn)為芯子和包層材料色散特性一致，而將該項(xiàng)忽略。SMF的色

9、散Material Dispersion + Waveguide Dispersion2022/9/219第19頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一九、SIF的色散基模模，色散包括Material + Waveguide DispersionA. 波導(dǎo)色散B. 光纖的色散由下式計(jì)算2022/9/220第20頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一色散系數(shù)D101.21.42.0波導(dǎo)色散材料色散總色散作業(yè)：一SMF，SIF，對(duì)1550nm的光波：歸一化頻率是多少？該光纖支持幾個(gè)導(dǎo)模？該光纖的波導(dǎo)色散是多少？2022/9/221第21頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5

10、月20日，4點(diǎn)54分，星期一十、特種色散光纖A. 零色散頻移光纖：將光纖的零色散點(diǎn)移到1.55m處，以與光纖最低損耗波段一致，從而得到低損耗和低色散。途徑：增加波導(dǎo)色散手段：采用三角形折射指數(shù)分布光纖B. 超寬帶低色散光纖W型光纖：兩個(gè)包層Dispersionshifted FiberDispersionFlattened Fiber十一、多模光纖的色散：Material,Waveguide,Mode Dispersion以Mode Dispersion 為主弟p歌模式群在單位長(zhǎng)度光纖上的群延時(shí)：2022/9/222第22頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)54分，星期一表示固定的時(shí)延值，第二、三項(xiàng)表示模式色散。相對(duì)時(shí)延差：與p=0的模式群的時(shí)延差：時(shí)模式色散最小。2022/9/223第23頁(yè)，共24頁(yè)，2022年，5