光纖色散光源

光纖通信所用的光源有一定的譜線寬度，發(fā)光二極管為(100~200)×10-8cm，普通的半導(dǎo)體激光器比發(fā)光二極管小，譜線寬度最窄的是動(dòng)態(tài)單縱模激光器，小于10-8cm，這種激光器所對(duì)應(yīng)的頻率寬度也有若干千兆赫。材料色散和波導(dǎo)色散都是由于光源不是單一頻率引起的，所以光源的譜線寬度對(duì)它們的影響很大。

單模光纖只傳單一基模，所以只有材料色散和波導(dǎo)色散，沒(méi)有模式色散。石英系單模光纖，其零材料色散波長(zhǎng)在1.27μm，在1.31μm波長(zhǎng)附近，材料色散和波導(dǎo)色散的大小相等，符號(hào)相反，兩者正好抵消，使單模光纖的總的色散為零，該波長(zhǎng)就成為普通單模光纖的零色散波長(zhǎng)。

光纖的色散主要有材料色散、波導(dǎo)色散、偏振模色散和模間色散四種。其中，模間色散是多模光纖所特有的。

多模傳輸時(shí)，光纖各模式在同一波長(zhǎng)下，因傳輸常數(shù)的切線分量不同，群速不同所引起的色散。多模光纖中，以不同角度射入光纖的射線在光纖中形成不同的模式。光纖基本結(jié)構(gòu)中的圖畫出了三條不同角度的子午射線。其中沿軸心傳輸?shù)纳渚€為最低次模，其切線方向的傳輸速度(即群速)最快，首先到達(dá)終端。沿剛好產(chǎn)生全反射角度傳輸?shù)纳渚€為最高次模，其切線方向的傳輸速度最慢，最晚到達(dá)終端。它們到達(dá)終端的時(shí)間就有差異，模式間的這種時(shí)間差或時(shí)延差就叫做模式色散，或稱模間色散。

多模光纖的色散用光纖帶寬(MHzkm)表示，帶寬是從頻域特性表示光纖色散大小的。

信號(hào)不是單一模式會(huì)引起模式色散。多模光纖中，模式色散在三種色散中是主要的。

是光纖材料的折射率隨頻率(波長(zhǎng))而變，可使信號(hào)的各頻率(波長(zhǎng))群速度不同引起色散。

某個(gè)模式本身，由于傳輸?shù)氖怯幸欢▽挾阮l帶，不同頻率下傳輸常數(shù)的切線分量不同，群速不同所引起的色散。

材料色散和波導(dǎo)色散在實(shí)際情況下很難截然分開(kāi)，所以在許多情況下將這二種色散統(tǒng)稱為模內(nèi)色散。

這四種色散作用還相互影響，由于材料折射率n是波長(zhǎng)λ(或頻率w)的非線性函數(shù)，d2n/d2λ≠0，于是不同頻率的光波傳輸?shù)娜核俣炔煌?，所?dǎo)致的色散成為材料色散。

由于導(dǎo)引模的傳播常數(shù)β是波長(zhǎng)λ(或頻率w)的非線性函數(shù)，使得該導(dǎo)引模的群速度隨著光波長(zhǎng)的變化而變化，所產(chǎn)生的色散成為波導(dǎo)色散(或結(jié)構(gòu)色散)。

偏振模色散指光纖中偏振色散，簡(jiǎn)稱 PMD(polarization modedispersion)，它是由于實(shí)際的光纖中基模含有兩個(gè)相互垂直的偏振模，沿光纖傳播過(guò)程中，由于光纖難免受到外部的作用，如溫度和壓力等因素變化或擾動(dòng)，使得兩模式發(fā)生耦合，并且它們的傳播速度也不盡相同，從而導(dǎo)致光脈沖展寬，引起信號(hào)失真。

不同的導(dǎo)引模的群速度不同引起的色散成為模間色散，模間色散只存在與多模光纖中。

色散限制了光纖的帶寬-距離乘積值。色散越大，光纖中的帶寬-距離乘積越小，在傳輸距離一定(距離由光纖衰減確定)時(shí)，帶寬就越小，帶寬的大小決定傳輸信息容量的大小。

由于光纖中所傳信號(hào)的不同頻率成分，或信號(hào)能量的各種模式成分，在傳輸過(guò)程中，因群速度不同互相散開(kāi)，引起傳輸信號(hào)波形失真，脈沖展寬的物理現(xiàn)象稱為色散。光纖色散的存在使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖畸變，從而限制了光纖的傳輸容量和傳輸帶寬。從機(jī)理上說(shuō)，光纖色散分為材料色散，波導(dǎo)色散和模式色散。前兩種色散由于信號(hào)不是單一頻率所引起，后一種色散由于信號(hào)不是單一模式所引起。

?光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)具有一定的頻譜寬度，也就是說(shuō)光信號(hào)具有許多不同的頻率成分。同時(shí)，在多模光纖中，光信號(hào)還可能由若干個(gè)模式疊加而成，也就是說(shuō)上述每一個(gè)頻率成份還可能由若干個(gè)模式分量來(lái)構(gòu)成。

其計(jì)算公式為 :

σ= δλ*D*L

其中:δλ 為光源的均方根譜寬，D(λ ) 為色散系數(shù)，L 為長(zhǎng)度，現(xiàn)在的單模光纖色散系數(shù)一般為20ps/km.nm ，光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則引起的色散總值就越大。色散系數(shù)越小越好，，因色散系數(shù)越小，根據(jù)上式可知，光纖的帶寬越大，傳輸容量也就越大。所以，傳輸2.5G 以上光信號(hào)時(shí)，要考慮光纖色散對(duì)傳輸距離的影響，最好采用零色散的G.653 光纖傳輸，但光纖色散為零時(shí)，傳輸WDM 波分光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生四波混頻等非線性效應(yīng)，所以色散要小，但不能為零，最終采用的光纖為G.655 光纖來(lái)傳輸10G 的光信號(hào)和WDM 波分復(fù)用信號(hào)。對(duì)于單模光纖，其帶寬系數(shù)在25GHz.km 以上，但多模光纖的帶寬系數(shù)一般在1GHz.km 以下。所以，多模光纖一般用于622M 以下短距離的通信，而單模光纖可用于多種速率的通信。

ITU-T G.652 建議規(guī)定零色散波長(zhǎng)范圍為:1300nm~1324nm ，最大色散斜率為0.093ps/(nm 2 .km )，在1525~1575nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的色散系數(shù)約為20ps/(nm.km )。

ITU-T G.653 建議規(guī)定零色散波長(zhǎng)為:1550nm ，在1525~1575nm 區(qū)的色散斜率為0.085ps/(nm 2 .km )。在1525~1575nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的最大色散系數(shù)為3.5ps/(nm.km )。

G.655 光纖在1530~1565nm 范圍內(nèi)的色散系數(shù)在絕對(duì)值應(yīng)處于0.1~6.0 ps/(nm 2 .km )。

色散主要用色散系數(shù)D(λ ) 表示。色散系數(shù)一般只對(duì)單模光纖來(lái)說(shuō)，包括材料色散和波導(dǎo)色散，統(tǒng)稱色散系數(shù)。

光纖色散系數(shù)的定義:每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值，與長(zhǎng)度呈線性關(guān)系。