光纤的色散特性

色散是光纤的另一个重要参数。光纤色散引起传输信号的畸变,使通信质量下降,从而限制了通信容量和通信距离。在光纤衰耗已大为降低的今天,色散对高速光纤通信的影响就显得更为突出。降低光纤的色散,对增加通信容量,延长通信距离,发展高速WDM通信和其他新型光纤通信技术都是至关重要的。

在物理光学中,色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光经过透明介质后被散开的现象,例如一束白光经三棱镜后分为彩色光带,这是因为玻离对不同波长(不同频率)的光有不同的折射率,即玻璃的折射率是光波长(光波频率)的函数,从而不同波长的光在玻璃中传播速度也不相同。

在光纤中,光信号是由很多不同的成分(如不同模式、不同频率)组成的,由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同,经过一段距离的光纤传输后,不同成分之间出现时延差,从而引起信号畸变,这种现象称为色散。在数字光纤通信系统中,色散会引起光脉冲展宽,严重时前后脉冲将相互重叠,开成码间干扰,增加误码率,从而影响了光纤的传输带宽,限制了光纤通信系统的传输容量和中继距离。

按照色散产生的原因,光纤的色散主要分为:模式(模间)色散、色度色散和偏振色散。在多模光纤中模式色散占主导地位,它最终限制了多模光光纤的带宽;单模光纤只传输一个模式,没有模式色散,因此带宽可以很大,单模光纤中的色散主要包括色度色散和偏振色散。

以下主要介绍色度色散和偏振模色的现象、原因以及对DWDM系统的影响。

1.  色度色散

色度色散包括材料色散和波导色散。

1)材料色散:由于光纤材料的折射率n随光波长γ的变化而变化,使光的传播速度随波长而变,从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。

在光纤通信系统中,实际使用的光源发出的光并不是单一波长的光,而是具有一定的谱线宽度。光在其中的传播速度v(γ)=c/n(γ)也是随波长的变化而变化的。当具有一定谱线宽度的光源发出的光脉冲入射到光纤中传输时,不同波长的光脉冲将具有不同的传播速度,在到达出射端面时将产生时延差,从而使脉冲展宽。

2)波导色散:由光纤的几何结构引起的色散称为波导色散。产生波导色散的原因是由于波导效应引起模内频率高的光信号进入包层,使一部分光在纤芯中传播,另一部分光在包层中传播,而包层折射率小于纤芯折射率,导致信号的传输速度不同,从而产生了色散。

波导色散的大小可以和材料色散系数相比拟。在感兴趣的波长区域内,波导色散τW均为负值。其幅度由纤芯半径a、相对折射率差△及剖面形状决定。一般地说,纤芯越小,△越大,波导色散也越小。在一定的波长范围内,波导色散与材料色散具有相反的符号。通过改变光纤的折射率分布和剖面结构参数,可以改变波导色散的值,从而在所希望的波长上实现材料色散和波导色散的代数和为零。纤芯半径与需色散波长的关系如图2-2所示。

2-2纤芯半径与零色散波长的关系

                           2-3 单模光纤的色散特

目前使用较多的G.652光纤最小色散波长(γ0)在1310nm附近,色散位移光纤(G.653)的零色散波长(γ0)在1550nm附近。随着波长的变化,色散在γ0两边有不同的极性,单模光纤的色散特性如图2-3所示。

正色散区:红光(波长较长的光)传得较快。

负色散区:蓝光(波长较短的光)传得较快。

但不管正色散还是负色散都会引起信号脉冲展宽,使波形发生畸变。克服的办法一般有:加色散补尝光纤,自相应调制技术等。

尽管光器件受色散的影响很大,但存在一个可以容忍的最大色散值(即色散容纳值)。只要产生的色散在容限之内,仍可保正常传办输。

2. 偏振模色散(PMD

偏振色散也称为极化色散。在光纤中,光场的分布形式(模式)既不是简单的横电(TE)模,也不是简单的横磁(TM)模,而是图像更为复杂的混合或者简并模式,统称为线偏振模(linearly polarized, LP)。单模光纤中只传输基模,用LP01表示。LP01又按场强的偏振方向区分为LP01x LP01y两种,XY表示在垂直光纤轴线的平面内两个泛指的相互垂直方向。

单模光纤中可能同时存在LP01x LP01y两种基模,也可能只存在其中一种模式,并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两种模式的交替。在理想的圆柱形对称结构的单模光纤中,其横截面应是圆形,横截面的尺寸及折射率分布沿轴线应处处均匀,没有畸变,LP01x LP01y具有相等的传播常数,因此它们在光纤中传输的群时延相同,不存在时延差,并且极化状态保持不变。然而,实际的光纤总是存在一定的不完善性,如光纤的弯曲、光纤的椭圆度等,而且还经常受到局部应力的扰动,结果导致光纤内部产生双折射现象,则两个极化正交的LP01x LP01y的传播常数不同,即两个模式不再简并,它们沿光纤传输时将产生群时延。极化色散指的就是由差分群时延引起的光脉冲展宽现象,单模光纤中的PMD现象如图2-4所示。

 

2-4 单模光纤中的PMD现象

PMD与其他色散相比,几乎可以忽略,但是无法完全消除,只能从光器件上使之最小化。脉冲宽度越窄的超高速系统中,PMD的影响越大。

单模光纤的许多应用中,都要求极化色散很小或者要求输出极化保持恒定,因此必须减小单模光纤的不完善性,尽量减小其椭圆度和内部残余应力,以尽量减小单模光纤中的双折射现象,从而减小极化色散的影响。

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| 发布时间:2015.07.25    来源:    查看次数:

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