光纤的色散特性

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。

光纤中的色散
一、什么是光纤中的色散
光纤中的色散是指光信号的不同频率成分或不同模式分量以不同速度传播，导致信号失真和脉冲展宽的现象。

二、导致光纤的色散的因素
光纤中的色散产生基于两个方面的因素：一是进入光纤中的光信号不是单色光（光源发出的光不是单色或是调制信号具有一定的带宽）；二是光纤对光信号的色散作用。

具体来说，光源发出的光不是单色的，有一定的波长范围，这个范围就是光源的线宽。

在对光源进行调制时，可认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。

一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽就是已调信号带宽，但对高速和线宽极窄的光源，情况不一样。

进入光纤中去的是一个调制了的光谱，如果是单模光纤，它将激发出基模。

如果是多模光纤，则激发出大量模式。

由此可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。

三、影响光纤的色散的因素
1.光源的带宽：光源发出的光不是单色光，而是具有一定带宽的连续
光。

这个带宽会导致光信号中不同频率成分的传输速度不同，从而引起色散。

2.光纤的折射率：不同频率的光在光纤中的折射率不同，导致它们的
传输速度也不同，进一步引起色散。

3.光纤的长度：光纤的长度也会影响色散，因为不同长度的光纤对光信号的传输特性会有所不同。

4.光纤的材料：不同材料的光纤对光的色散效应也不同，因为材料对不同频率的光的吸收和散射特性会有所差异。

5.光纤的结构：光纤的结构也会影响色散，例如多模光纤和单模光纤对色散的影响就存在显著差异。

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。

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。

光子晶体光纤的色散特性分析
1光子晶体光纤的特点
光子晶体光纤是由透明的光子晶体构成的特殊的传输介质，它拥有独特的光学特性和传输性能，可以大大提高传输效率和降低光学损耗。

这种光纤具有器件小、重量轻、传输速率快、成本低和安装方便的优点，可以节省电力，对环境无害。

它通常用于大尺寸数据中心或安防系统的远程传输和通信系统，且具有传输距离长、延时低、功耗低、封装紧凑等优点。

2光子晶体光纤的色散特性
色散是光子晶体光纤传输中一个重要的性能指标，它是指传输的光线在不同的波长处的传输衰减程度，即不同波长的光线耗散的能量比例。

由于光子晶体光纤的特点，其色散特性大大好于传统的光纤，同时具有介质抗噪声能力强、传输衰减起伏小、时延稳定小等优点。

光子晶体光纤的色散特性可以有效改善频率链路中的波长衰减，减少调制系统对噪声和干扰的影响，满足多波长传输系统的要求，保证频率链路传输的高可靠性。

3合理配置光子晶体光纤及其色散特性的把握
在使用过程中，应根据实际的传输需求合理配置，以确保覆盖范围广、高可靠性、通信质量优异等要求。

同时还要注意把握光子晶体光纤的色散特性，把握系统中光纤色散以及调制宽度解调宽度、抗噪
声电平、带宽散聚误差等参数，这样可以确保传输的质量更高，获得更高的传输信号和节省电路消耗的能量。

4结论
光子晶体光纤具有传输距离长、延时低、功耗低、封装紧凑等优点，需要合理的配置以及充分的利用其独特的色散特性来满足多波长传输要求，提高信号的传输质量，从而实现经济高效的通信系统。

一、概述色散是光纤的传输特性之一。

由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。

光纤的色散现象对光纤通信极为不利。

光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。

为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。

另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。

因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。

光纤的色散可分为：1．模式色散又称模间色散光纤的模式色散只存在于多模光纤中。

每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。

2．材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。

3．波导色散又称结构色散它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。

光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。

但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。

4、偏振模色散（PMD）又称光的双折射单模光纤只能传输一种基模的光。

基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。

若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。

因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。

PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散（PMD）。

二、色散（带宽）的描述模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）[ps/（nm·km）]。