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光的色散分类及相关系数

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文章附图

在光纤中传输的光信号(脉冲)的不同频率成份或不同的模式分量以不同的速度传播,到达一定距离后必然产生信号失真(脉冲展宽),这种现象称为光纤的色散或弥散。

1、简介

  光纤中传输的光信号具有一定的频谱宽度,也就是说光信号具有许多不同的频率成分。同时,在多模光纤中,光信号还可能由若干个模式叠加而成,也就是说上述每一个频率成份还可能由若干个模式分量来构成。

2、原理

  由于光纤中所传信号的不同频率成分,或信号能量的各种模式成分,在传输过程中,因群速度不同互相散开,引起传输信号波形失真,脉冲展宽的物理现象称为色散。光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变,从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。从机理上说,光纤色散分为材料色散,波导色散和模式色散。前两种色散由于信号不是单一频率所引起,后一种色散由于信号不是单一模式所引起。

3、分类

  光纤的色散主要有材料色散、波导色散、偏振模色散和模间色散四种。其中,模间色散是多模光纤所特有的。

3.1 模式色散

  多模传输时,光纤各模式在同一波长下,因传输常数的切线分量不同,群速不同所引起的色散。多模光纤中,以不同角度射入光纤的射线在光纤中形成不同的模式。光纤基本结构中的图画出了三条不同角度的子午射线。其中沿轴心传输的射线为最低次模,其切线方向的传输速度(即群速)最快,首先到达终端。沿刚好产生全反射角度传输的射线为最高次模,其切线方向的传输速度最慢,最晚到达终端。它们到达终端的时间就有差异,模式间的这种时间差或时延差就叫做模式色散,或称模间色散。

多模光纤的色散用光纤带宽(MHzkm)表示,带宽是从频域特性表示光纤色散大小的。

信号不是单一模式会引起模式色散。多模光纤中,模式色散在三种色散中是主要的。

3.2 材料色散

  是光纤材料的折射率随频率(波长)而变,可使信号的各频率(波长)群速度不同引起色散。

3.3 波导色散

  某个模式本身,由于传输的是有一定宽度频带,不同频率下传输常数的切线分量不同,群速不同所引起的色散。

  材料色散和波导色散在实际情况下很难截然分开,所以在许多情况下将这二种色散统称为模内色散。

  这四种色散作用还相互影响,由于材料折射率n是波长λ(或频率w)的非线性函数,2n/d2λ≠0,于是不同频率的光波传输的群速度不同,所导致的色散成为材料色散。

  由于导引模的传播常数β是波长λ(或频率w)的非线性函数,使得该导引模的群速度随着光波长的变化而变化,所产生的色散成为波导色散(或结构色散)。

  偏振模色散指光纤中偏振色散,简称PMD(polarization mode dispersion),它是由于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模,沿光纤传播过程中,由于光纤难免受到外部的作用,如温度和压力等因素变化或扰动,使得两模式发生耦合,并且它们的传播速度也不尽相同,从而导致光脉冲展宽,引起信号失真。

  不同的导引模的群速度不同引起的色散成为模间色散,模间色散只存在与多模光纤中。

  色散限制了光纤的带宽—距离乘积值。色散越大,光纤中的带宽—距离乘积越小,在传输距离一定(距离由光纤衰减确定)时,带宽就越小,带宽的大小决定传输信息容量的大小。

4、光源

  光纤通信所用的光源有一定的谱线宽度,发光二极管为(100~200)×10-200px,普通的半导体激光器比发光二极管小,谱线宽度最窄的是动态单纵模激光器,小于10-200px,这种激光器所对应的频率宽度也有若干千兆赫。材料色散和波导色散都是由于光源不是单一频率引起的,所以光源的谱线宽度对它们的影响很大。

  单模光纤只传单一基模,所以只有材料色散和波导色散,没有模式色散。石英系单模光纤,其零材料色散波长在1.27μm,在1.31μm波长附近,材料色散和波导色散的大小相等,符号相反,两者正好抵消,使单模光纤的总的色散为零,该波长就成为普通单模光纤的零色散波长。

色散系数

  折射率越大,色散越厉害

  由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异,而白光又是由不同波长的各色光组成的,因此透明物质在折射白光时会发生色散现象。色散系数是衡量透镜成像清晰度的重要指标,通常用阿贝数(色散系数)表示。阿贝数越大,色散就越小,反之,阿贝数越小,则色散就越大,其成像的清晰度就越差。即表征某种材料对光源(光波谱线)的分离作用;理想透镜是一束平行白光通过后,聚焦于一点,但由于材料对不同的光波波长表现出不同的折射率,就对光线产生了分离作用,使其聚焦于多点(形成“彩虹”现象)。

  总的来说有这样一个规律:材料的折射率越大,色散越厉害,即阿贝数越低。

【色散Dispersion】

  复色光被分解为单色光,而形成光谱的现象,称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。如一细束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于复色光中的各色光的波长不相同,而棱镜的折射率会随波长变化而改变。当它们通过棱镜时,传播方向将有不同程度的偏折,因而在离开棱镜则便各自分散。例如:进入钻石内的光线,根据不同瓣面角度作内部反射,光线的分配反射产生彩虹七色,亦为色散。


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