光通信與光網(wǎng)絡(luò) - 光纖傳輸特性

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)光纖傳輸特性3

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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第三講

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郝然

光纖傳輸特性?

光纖的傳輸特性中，損耗和色散必須考慮?

光纖通信發(fā)展初期，人們聚焦在解決損耗問題?

隨著技術(shù)的發(fā)展，緩解了損耗對系統(tǒng)設(shè)計帶來的壓力，損耗問題已不

是主要因素，系統(tǒng)設(shè)計必須考慮色散問題。4

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第三講

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郝然

光纖的損耗：損耗系數(shù)

在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖會隨著距離z而減小。

設(shè)長度為L（Km）的光纖，輸入功率為Pi，其輸出功率滿足：

其中

是損耗系數(shù)，它的單位是dB/Km損耗5

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郝然

附加損耗?

光纖的損耗分為固有損耗和附加損耗?

附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。在實際應(yīng)用中，不可避

免地要將光纖一根接一根地接起來，光纖連接會產(chǎn)生損耗。?

光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會引起損耗，由于光纖纖芯中的傳

輸模式發(fā)生了變化。這些都是光纖使用條件引起的損耗。?

附加損耗是可以避免的。6

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郝然

固有損耗?

固有損耗中，散射損耗和吸收損耗是由光纖材料本身的特性決定的，

在不同的工作波長下引起的固有損耗也不同。?

搞清楚產(chǎn)生損耗的激勵，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對

于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然7吸收損耗制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后，產(chǎn)生振動、發(fā)熱，而將能量散失掉，這樣就產(chǎn)生了吸收損耗。我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。每一個電子都具有一定的能量，處在某一軌道上，或者說每一軌道都有一個確定的能級。距離原子核近的軌道能級較低，距原子核越遠的軌道能級越高。軌道之間這種能級差別的大小就叫能級差。當電子從低能級向高能級躍遷時，就要吸收相應(yīng)級別的能級差的能量。在光纖中，當某一能級的電子受到與該能級差相對應(yīng)的波長的光照射時，位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上，產(chǎn)生了光的吸收損耗。8

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郝然

吸收損耗本征吸收：材料本身

(如SiO2)

的特性決定，即便波

導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)

也會存在本征吸收原子缺陷吸收：光纖材料原子結(jié)構(gòu)的不完整造成非本征吸收：過渡金屬離子和氫氧根離子

(OH－)等

雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗9

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郝然

二氧化硅的本征吸收制造光纖的基本材料SiO2本身就吸收光，一個叫紫外吸收，一個叫紅外吸收。

(1)

紫外吸收

光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能

級，同時引

起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短

波長范圍

(2)

紅外吸收

光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能量傳

遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗

晶格光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然10非本征吸收（金屬雜質(zhì)）石英玻璃中有一些過渡金屬雜質(zhì)，如銅、鐵、锘、錳等。它們在光照射下，貪婪地吸收光能，造成了光能的損失。清除它們，對制造光纖的材料進行嚴格的化學(xué)提純，就可以大大降低損耗。OH－吸收峰

~

2

dB

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郝然

非本征吸收（氫氧根）石英光纖的另一個吸收源是氫氧根（OH－），人們發(fā)現(xiàn)它有三個吸收峰：0.95um,1.24um,和1.38um.

解決方法：(1)

光纖材料化學(xué)提純，比如達到

99.9999999%的純度

(2)

制造工藝上改進，

如避免使用氫氧焰加熱

(

汽相軸向沉積法)Chap.3111

rad(Si)

=

0.01

J/kg

12

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郝然

原子缺陷吸收光纖制造→材料受到熱激勵

→結(jié)構(gòu)不完善強粒子輻射→材料共價鍵斷裂→原子缺陷光纖晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動

吸收光能，引起損耗光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然輻射劑量參考Chap.313光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然14材料的散射損耗

在黑夜里，用手電筒向空中照射，可以看到一束光束。人們也曾看到過夜空中探照燈發(fā)出粗大光柱。那么，為什么我們會看到這些光柱呢？這是因為許多煙霧、灰塵等微小顆粒浮游于大氣之中，光照射在這些顆粒上，產(chǎn)生散射，就射向了四面八方。這個現(xiàn)象是由瑞利最先發(fā)現(xiàn)的，所以人們把這種散射命名為“瑞利散射”。

散射是怎樣產(chǎn)生的呢？原來組成物質(zhì)的分子、原子、電子等微小粒子是以某些固定頻率進行震動的，并能釋放出波長與該振動頻率相應(yīng)的光。粒子的振動頻率由粒子的大小來決定。粒子越大，振動頻率越低，釋放出的光的波長越長；粒子越小，振動頻率越高，釋放出的光的波長越短。這種振動頻率叫做粒子的固有振動頻率。15

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郝然

材料的散射損耗

但是這種振動頻率并不是自行產(chǎn)生的，它需要一定的能量。一旦粒子受到一定波長的光照射，而照射光的頻率與該粒子固有振動頻率相同，就會引起共振。粒子內(nèi)的電子便以該振動頻率開始振動，結(jié)果是該粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而轉(zhuǎn)化為粒子的能量，粒子又將能量重新以光能的形式射出去。因此，對于在外部觀察的人來說，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方散出去了。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然16瑞利散射

瑞利散射是指散射光波長等于入射光波長,而且散射粒子遠遠小于入射

光波長,沒有頻率位移（無能量變化，波長相同）的彈性光散射。瑞利

散射規(guī)律是由英國物理學(xué)家瑞利勛爵（Lord

Rayleigh）于1900年發(fā)

現(xiàn)的，因此得名。

為了要符合瑞利散射的要求，微粒的直徑必須遠小于入射波的波長，

通常上界大約是波長的1/10（1-300

nm），此時散射光線的強度與

入射光線波長的四次方成反比，也就是說，波長愈短，散射愈強。另

外，散射的光線在光線前進方向和反方向上的程度是相同的，而在與

入射光線垂直的方向上程度最低。瑞利散射的三個例子：天空呈藍色海水呈藍色晚霞呈紅色17

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郝然

材料的散射損耗

光纖內(nèi)也有瑞利散射，由此而產(chǎn)生的光損就稱為瑞利散射

損耗。

鑒于目前的光纖制造工藝水平，可以說瑞利散射損耗是無

法避免的。

但是，由于瑞利散射損耗的大小與光波長的4次方成反比

，所以光纖工作在長波長區(qū)時，瑞利散射損耗的影響可以

大大減小。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然18散射

光纖結(jié)構(gòu)不完善，如光纖中有氣泡、雜質(zhì)，或者粗細不均勻，特別是芯-包層交界面不平滑等，光線傳到這些地方時，就會有一部分光散射到各個方向，造成損耗。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。

散射使光射向四面八方，其中有一部分散射光沿著與光纖傳播相反的方向反射回來，在光線的入射端可接收到這部分散射光。光的散射使得一部分光能受到損失，這是人們所不希望的。但是，這種現(xiàn)象也可以為我們所利用，因為如果我們在發(fā)送端對接收到的這部分光的強弱進行分析，可以檢查出這根光纖的斷點、缺陷和損耗大小。這樣，通過人的聰明才智，就把壞事變成了好事。19Z=0Z=L

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郝然

光纖的色散色散（Dispersion）：Different

components

of

light

travel

at

differentvelocities

in

the

fiber

and

arrive

at

different

times。色散是光纖的一個重要參數(shù)。色散使得光纖中傳輸?shù)墓饷}沖發(fā)生展寬。

傳播方向20

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郝然

光纖的色散隨著脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬色散系數(shù)D（ps/km.nm）是光纖的一個重要傳輸參數(shù)。劣化的程度隨數(shù)據(jù)率的平方增大

決定了電中繼器之間的距離芯包層l1l2l3l1l2l3Km光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然色散對傳輸?shù)南拗普{(diào)制速率（Gbps）

21傳輸距離（）60022

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郝然信號在光纖中傳輸?shù)难蹐D發(fā)射端接收端

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郝然

色散的分類

光纖的色散主要由模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散組成。其中，材料色散與波導(dǎo)色散都與波長有關(guān)，所以又統(tǒng)稱為波長色散。

Intermodal

dispersion

Material

Dispersion

Waveguide

Dispersion

Polarization

Mode

Dispersion

(PDM)

23only

for

MMF

Chromatic

Dispersion24

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

模式色散

在多模光纖中，傳輸?shù)哪Ｊ胶芏啵煌哪Ｊ?，其傳輸路徑不同，所?jīng)過的路程就不同，達終點的時間也就不同，這就引起了脈沖的展寬。對模式色散進行的嚴密分析比較復(fù)雜，這里僅作簡單討論。我們知道，在同一根光纖中，高次模到達終點走的路程長，低次模走的路程短，這就意味著高次模到達終點所需的時間長，低次模到達終點需要的時間短。在同一條長度為L的光纖上，最高次模與最低次模到達終點所用的時間差，就是這段光纖產(chǎn)生的脈沖展寬。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然Modal

Dispersion

Lc/ncord模間色散產(chǎn)生的脈沖展寬：

Tmod

Tmax

Tmin

25光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然26模式色散影響光纖時延差的因素有兩個：纖芯-包層相對折射率差和光纖的長度。光纖的時延差與纖芯-包層相對折射率差成正比。n1是纖芯的折射率，折射率差越大，時延差就越大，光脈沖展寬也越大。從減小光纖時延差的觀點上看，希望較小為好，這種小的光纖稱為弱導(dǎo)光纖。通信用光纖都是弱導(dǎo)光纖。另外，光纖越長，時延差也越大，色散也越大。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然27弱導(dǎo)光纖

從制造的觀點看，小折射率差是個優(yōu)點，因為芯與包層一般由相同的基本材料制成，為修改折射率剖面，可在基材中摻入一種或幾種摻雜劑。這樣折射率就容易獲得，而不需要加入高濃度摻雜劑，避免了對玻璃材料的光學(xué)特性與穩(wěn)定性的重大改變。

其次，單模傳輸要求歸一化頻率V盡可能小，所以在減小V而同時又保持適當?shù)睦w芯尺寸的選擇中，就在于減小折射率差。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然28材料色散

材料色散是由光纖材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，嚴格來說，并不是一個固定的常數(shù)，而是對不同的傳輸波長有不同的值。光纖通信實際上用的光源發(fā)出的光，并不是只有理想的單一波長，而是有一定的波普寬度。當光在折射率n的介質(zhì)中傳播時，其速度v與空氣中的光速C之間的關(guān)系為：v=C/n

光的波長不同，折射率n就不同，光傳輸?shù)乃俣纫簿筒煌?。因此，當把具有一定光譜寬度的光源打出的光脈沖射入光線內(nèi)傳輸時，光的傳輸速度將隨光波長的不同而改變，到達終端時將產(chǎn)生時延差，從而引起脈沖波形展寬。光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然29波導(dǎo)色散

光纖的第三類色散是波導(dǎo)色散。由于光纖的纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產(chǎn)生全反射時，就可能有一部分光進入包層之內(nèi)。這部分光在包層內(nèi)傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續(xù)傳輸。進入包層內(nèi)的這部分光強的大小與光波長有關(guān)，這就相當于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。把有一定波普寬度的光源發(fā)出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長的光傳輸路徑不完全相同，所以到達終點的時間也不相同，從而出現(xiàn)脈沖展寬。具體來說，入射光的波長越長，進入包層中的光強比例就越大，這部分光走過的距離就越長。這種色散是由光纖中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的，由此產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象叫做波導(dǎo)色散。芯區(qū)的折射率分布（光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)）因光波長而變化。30

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

三中色散的比較

一般來說，光纖三種色散的大小順序是：

模式色散>材料色散>波導(dǎo)色散

對于多模光纖，總色散等于三者相加，在限制帶寬方面起主導(dǎo)作用的是模式色散，其他兩個色散影響很小。

對于單模光纖，因只有一個傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導(dǎo)色散之和。為減小總的波長色散，要盡量選用窄譜線激光器作光源。

對光纖用戶來說，一般只關(guān)心光纖的總帶寬或總色散。光纖光纜在出廠時，也只標明光纖的總帶寬或總色散。31

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郝然

傳輸使用的三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.653單模光纖（DSF）G.655單模光纖（NZ-DSF）常規(guī)G.655大有效面積G.655

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郝然G.652單模光纖（NDSF）大多數(shù)已安裝的光纖低損耗

大色散分布大有效面積色散受限距離短

2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km

10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴容成本高結(jié)論：

不適用與10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于2.5Gb/s一下速率的DWDN。

32損耗限制最低，對色散不加限制低損耗零色散小有效面積長距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論：

適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于DWDM應(yīng)用，處于被市場淘汰的現(xiàn)狀。

33

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郝然G.653單模光纖（DSF）

色散減為03413101550

nm

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郝然

單模光纖的色散優(yōu)化設(shè)計G.653

色散位移光纖：損耗和色散最低點都在1550

nm

辦法:

材料色散不變，通過改

變折射率剖面形狀來增大

波導(dǎo)色散，使零色散點往

長波長方向移動

1550

nm普通商用光纖色散位移光纖35

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然

G.655單模光纖（NZ-DSF）

在1530-1565nm窗口有較低的損耗

工作窗口較低的色散，一定的色散抑制了非線性效應(yīng)（四波混

頻）的發(fā)生。

可以有正的或負的色散——海底傳輸系統(tǒng)

正色散SPM效應(yīng)壓縮脈沖，負色散SPM效應(yīng)展寬脈沖。

為DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計的結(jié)論：適用于10Gb/s以上速率DWDM傳輸，是未來大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。36

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郝然三種光纖色散情況比較180

色散Ps/nm·km反常色散區(qū)1310nm1550nm波長λ非零色散唯一光纖（NZDSF,G.655）

普通光纖（SMF）

非色散位移光纖（NDSF,G.652）

已有光纖的>95%正常色散區(qū)

DWDM

波長范圍色散位移光纖（DSF,G.653）37

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郝然

G.656

色散平坦光纖在較大的范圍內(nèi)保持相近的色散值，適用于波分復(fù)用系統(tǒng)普通商用光纖色散平坦光纖38

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郝然

Polarization

Mode

Dispersion(PMD)Single

mode

fiber

actually

transmits

two

modes

Modes

have

opposite

states

of

polarization

Severe

limitation

at

10Gb/s

over

distance>50kmPower

is

randomly

coupled

between

the

two

modes

PMD

of

a

link

fluctuates

significantly

over

time

θΔx

Varying

birefringence

along

the

fiber光纖對傳播模式的兩個偏振分量的傳播速度不同

39

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郝然

Polarization

mode

dispersionImportant

in

WDM

systems,

long

spans

Initial

polarization

state

雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散40

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郝然

PMD的外部因素及其特點外部因素：環(huán)境變化如振動、溫度、應(yīng)力等特點：具有很強的不穩(wěn)定性和突發(fā)性PMD補償?shù)碾y度比較大

光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然PMD

對傳輸?shù)挠绊慞MD對>40-Gb/s傳輸系統(tǒng)的影響將更加顯著

41

d

d

d

42

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郝然模內(nèi)色散

-

群速度色散

(GVD)d

d

Lvg

LT

信號在傳輸了距離L后，頻率分量w經(jīng)歷的延時為：對于一個譜寬為Dw的脈沖，那么脈沖展寬的多少可以由下式?jīng)Q定：

L

2

d2

2dTd

T

d

L

Ld

vg

GVD

參數(shù)

1

d

d

群速率的定義：

vg

Chap.342lll43

l

2

c

22

c

l

l

LD

l

l

T

L

2

L

22

c

2

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郝然

群速度色散

(波長域表示)根據(jù)w和l之間的關(guān)系：代入dT中，那么可以得到：ps/(km·nm)標準單模光纖在1550nm處色散系數(shù)為~17ps/km·nm

22

c

2其中D(l)稱為色散系數(shù)：

D(l)

43)

(l

D

2

l光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然44正色散、負色散和零色散22

c1.

色散系數(shù)D為正：負色散

2

<

0v高頻光

>

v低頻光2.

色散系數(shù)D為負：正色散

2

>

0v高頻光

<

v低頻光3.

色散系數(shù)D為零：零色散45

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郝然還沒有很好的方法能完全解決色散問題，但是人們嘗試了各種方法

常見的色散應(yīng)對方法

1310-

材料色散的影響一般大于波導(dǎo)色散：

|Dm|

>

|Dw|-

波導(dǎo)色散系數(shù)通常為負值

46

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郝然

標準單模光纖總的模內(nèi)色散總色散系數(shù)

D

≈

Dm

+

Dw

D

Dm

Dw47

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郝然

在發(fā)射端：1.

漸變啁啾結(jié)構(gòu)，讓傳輸慢的光頻率優(yōu)先通過。2.

采用頻率調(diào)制的方法如頻移鍵控調(diào)制FSK，可把系統(tǒng)中的色散轉(zhuǎn)為

幅度調(diào)整，在幅度上進行消除3.

多級編碼

在接收端：1.

將光轉(zhuǎn)為電，然后再把電整形。2.

在光域用馬赫澤德調(diào)制器補償色散。3.

啁啾光柵總色散

(ps/km·

nm)傳輸光纖100

050100150200TXRX

傳播長度正負色散率搭配使系統(tǒng)累積色散為零

48

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郝然在傳輸線路上：

色散補償光纖

(DCF)

色散補償光纖光纖通信與光網(wǎng)絡(luò)

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郝然49中途譜反轉(zhuǎn)技術(shù)

非線性

器件等長、色散性質(zhì)相同的光纖在傳輸線路上：低頻分量123高頻分量

T

T注：FBG是一種可以反射特定波長的光柵器件

50

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郝然在傳輸線路上：

利用光纖光柵(FBG)進行色散補償51

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郝然

光纖制造

光纖的材料是高純度的玻璃，按玻璃內(nèi)所含化學(xué)元素組成的不同，可分為石英玻璃光纖和多組分玻璃光纖。目前通信用的光纖基本上是以石英為主體材料的石英玻璃制造成的。為了得到低損耗光纖，這些材料都是