光纤传输中的色散特性

光纤的色散和波长的关系光纤的色散与波长的关系光纤是一种能够将光信号传输的重要通信介质，其特点是传输速度快、带宽大、信号损耗小等。

然而，光纤传输过程中会出现一种现象——色散。

色散是光信号在传输过程中由于不同波长的光速度不同而导致的信号失真现象。

色散可以分为两种类型：色散分散和色散色散。

色散分散是指不同波长的光在光纤中传播速度不同，从而引起信号的时间扩散。

色散色散则是指不同波长的光在光纤中传播速度不同，从而导致信号的频率扩展。

在光纤中，色散是由于材料的色散特性和光纤结构的影响而产生的。

材料的色散特性是指不同材料对光波长的响应不同，即不同波长的光在材料中传播速度不同。

光纤结构的影响主要是指光纤的折射率剖面和光纤的直径。

波长是光的一个重要特性，可以理解为光的颜色。

不同波长的光具有不同的特点，例如红光的波长较长，紫光的波长较短。

在光纤传输中，波长与色散之间存在一定的关系。

一般来说，波长越长，色散效应越小，而波长越短，色散效应越大。

为了解释波长与色散之间的关系，可以从光的传播速度入手。

根据光的波粒二象性，光可以看作是由一系列的光子组成的。

不同波长的光子具有不同的能量，因此在光纤中传播速度也会有所不同。

根据光纤的折射率剖面和光纤直径的影响，不同波长的光子在光纤中的传播速度也会有所差异。

当光信号传输过程中遇到色散时，不同波长的光子会以不同的速度传播，从而导致信号的失真。

例如，当光信号中包含多个不同波长的光子时，由于每个光子的传播速度不同，最终的信号波形会发生变化，导致接收端无法准确还原发送端的信号。

为了减小色散效应，人们采用了一系列的技术手段。

其中一种常用的方法是使用光纤光栅。

光纤光栅是一种将光纤分成不同区段的光学元件，在每个区段中，光纤的折射率剖面会有所变化，从而改变不同波长的光子在光纤中的传播速度。

通过合理设计光纤光栅的参数，可以实现不同波长的光在光纤中的同时到达接收端，从而减小色散效应。

除了光纤光栅，还有其他一些技术手段可以减小色散效应，如使用光纤补偿器、采用特殊的光纤材料等。

光纤的传输特性光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等，其中，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。

损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。

（1）光纤的损耗特性。

在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。

光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。

下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。

（2）光纤的色散特性。

色散是光纤的一个重要参数，它会引起传输信号的畸变，使通信质量变差，限制通信容量与距离，特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。

光纤色散的产生涉及多方面的原因，这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。

①模式色散。

模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度，所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但光脉冲信号到达接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。

②材料色散。

材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的，波长短则折射率大，波长长则折射率小。

就目前的技术水平而言，光源尚不能达到严格单频发射的程度，因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。

每根谱线都会受到光纤色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。

③波导色散。

波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。

波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。

这种色散通常很小，可以忽略不计。

光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性，色散特性和非线性效应。

光纤的损耗特性*************************************************************概念：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加光功率逐渐下降。

衡量光纤损耗特性的参数：光纤的衰减系数〔损耗系数〕，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，单位为dB／km。

其表达式为：式中求得波长在λ 处的衰减系数； Pi 表示输入光纤的功率， Po 表示输出光功率， L 为光纤的长度。

（1）光纤的损耗特性曲线•μμm的损耗为0.2dB/km以下，接近了光纤损耗的理论极限。

总的损耗随波长变化的曲线，叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。

•从图中可以看到三个低损耗“窗口”：850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。

目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。

（2）光纤的损耗因素光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗，还有来自光纤结构的不完善。

这些损耗又可以归纳以下几种：1、光纤的吸收损耗光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，把光能以热能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗。

包括：本征吸收损耗；杂质离子引起的损耗；原子缺陷吸收损耗。

2、光纤的散射损耗光纤内部的散射，会减小传输的功率，产生损耗。

散射中最重要的是瑞利散射，它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。

物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀，这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。

光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。

另外，光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射，产生损耗。

3、波导散射损耗交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。

在光纤中传输的各种模式衰减不同，长距离的模式变换过程中，衰减小的模式变成衰减大的模式，连续的变换和反变换后，虽然各模式的损失会平衡起来，但模式总体产生额外的损耗，即由于模式的转换产生了附加损耗，这种附加的损耗就是波导散射损耗。

光纤通信中的光衰减与色散机制光纤通信是一种高速、远距离传输信息的技术，运用的是利用光纤进行信息传输的原理，它比传统的电信技术具有更快的传输速度和更高的带宽能力。

但是，光纤通信也有一些不利因素，例如光衰减和色散。

这些因素会影响通信质量和距离，因此，研究光衰减和色散机制是非常重要的。

一、光纤通信中的光衰减机制在光纤通信中，光信号需要通过光纤进行传输。

在传输过程中，光信号会受到衰减，这是因为光纤材料本身的吸收和散射作用。

另外，由于光信号的传输距离越长，信号衰减就越严重。

1.光纤本质吸收光纤本质吸收是由于光纤的材料通过分子、原子的振动、旋转和电子跳跃过程中发生的能量吸收引起的。

这种吸收是光信号的主要衰减来源之一，会随着光纤的纯度提高而降低。

2.弯曲损耗当光纤被弯曲时，由于光线传输路径发生变化，会导致光信号发生衰减。

这种损耗叫做弯曲损耗，通常在弯曲半径小于光纤直径的1-2倍时最为严重。

这就要求我们在光纤的安装和使用过程中要尽量避免弯曲和扭曲。

3.连接损耗在光纤通信系统中，由于需要进行光纤的连接，连接之间也会引起信号的衰减，这种衰减叫做连接损耗。

其大小取决于连接器和适配器的精度和质量。

4.杂散散射杂散散射是指光线在光纤中碰到颗粒、气泡等物质时释放出的光信号，这些光信号与主信号相互干扰，导致信号衰减。

因此，在光纤通信中，要尽量避免在环境中存在这样的杂散物质。

5.色散色散是指由于光的色散性质，在光纤中传输时引起的信号的扩散和失真。

关于色散的机制将在下面的内容中讨论。

二、光纤通信中的色散机制光的色散是指在介质中传播时，由于波长和群速度的不同，导致光速的差异而引起的信号失真。

光纤通信中的色散可以分为两种类型：色散和色散。

以下将对这两种色散机制作简要介绍。

1.色散色散是指不同波长的光信号，在光纤中的传播速度不同，导致信号扩散和形变的现象。

这种色散又可分为两种类型：多模色散和单模色散。

*多模色散多模光在光纤中传播时，会发生信号的色散现象。

光纤传输中的色散理论2011.2.14摘要：随着光纤通信系统中信号速率的提高和传输距离的增加，光纤的色散、非线性效应，以及二者之间的相互作用成为限制系统性能的重要因素。

目前，在光纤通信、色散补偿以及非线性光学等实际应用中，色散特性显得十分重要。

本文首先简单介绍了光纤通信的发展，重点讲述了光纤传输过程中的色散特性。

接着我们从麦克斯韦方程组出发,建立了光脉冲在光纤中传播的理论模型。

在只考虑色散效应的情况下,对该理论模型进行进一步的研究,数值模拟出高斯光脉冲在光纤中的传输状态,并讨论了色散对光脉冲传播特性的影响。

最后分别研究了光纤传输系统的几种色散补偿技术。

关键词：光脉冲，色散，麦克斯韦方程组，色散补偿Dispersion in Fiber TransmissionABSTRACT：Fiber dispersion ,fiber nonlinearity and their interaction become the essential limiting factors of fiber communication systems with theincreasing of bit rate and transmission distance. At present, dispersion characteristics are very important for realistic applications of optical fiber communications, dispersion compensation and nonlinear optics. The article introduces development of fiber communication ，and undertakes a detailed study of dispersion in fiber transmission. then we proceed from Maxwell’s equations to built a theoretic model that describes the propagation of optical pulse in fiber. A further discussion about this theoretic model is proposed in the case of only considering dispersion. The transmission state of Gauss optical pulse in fiber was simulated numerically ,and the influence of dispersion on transmission characteristics of optical pulse is discussed. Finally,the fundamental principle of dispersion compensation are given.Key words:optical pulse , dispersion, Maxwell’s equations ,dispersion compensation一 引 言数据业务，特别是占主导地位的IP 业务量的爆炸式增长，对数据网的带宽、传输距离、容量等性能提出了更高的要求。

光纤的基本特性衰耗、色散1、光纤的损耗光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性。

光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。

光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。

1）吸收损耗光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。

a:红外和紫外吸收损耗光纤材料组成的原子系统中，一些处于｛氐能的电子会吸收光波能量而跃迁到高能级状态，这种吸收的中心波长在紫外的0.16μm处，吸收峰很强，其尾巴延伸到光纤通信波段，在短波长区，吸收峰值达ldB/km , 在长波长区则小得多，约O.O5dB∕km.在红外波段光纤基质材料石英玻璃的Si-O键因振动吸收能量，这种吸收带损耗在9.1μm, 12.5μm及21μm处峰值可达IOdB∕km以上,因此构成了石英光纤工作波长的上限。

红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸。

但影响小于紫外吸收带。

在λ=L55μm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB∕kmβb :氢氧根离子（OH-）吸收损耗在石英光纤中，O-H键的基本谐振波长为2.73μm ,与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤的传输频带内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24及0.95μm波长上，在峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。

目前,由于工艺的改进,降低了氢氧根离子（OH-）浓度，这些吸收峰的影响已很小。

c:金属离子吸收损耗光纤材料中的金属杂质，如：金属离子铁（Fe3+ ）、铜（Cu2+ ）、镒（Mn3+ ）、镇（Ni3+ ）、钻（Co3+ ）、铭（Cr3+ ）等,它们的电子结构产生边带吸收峰（0.5~Llμm ）,造成损耗。

现在由于工艺的改进，使这些杂质的含量低于10-9以下，因此它们的影响已很小。

在光纤材料中的杂质如氢氧根离子（OH・）、过渡金属离子（铜、铁、铭等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤损耗的主要因素。

因此要想获得低损耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其纯度达99.9999%以上。