什么是光纤中的色散?

发布时间:2023-06-07 08:00:00

光信号是一种由不同波长组成的电磁信号。每个波长的成分以不同的速度通过光纤,这取决于材料的折射率。这些单独的波长在不同的时间到达光纤的另一端。这可能会导致波散开并随着时间的推移变得扭曲。这种脉冲随时间的变宽被称为色散。光信号的失真会影响信号的质量。可以观察到,信号中的每个单独的脉冲都会变宽,并与相邻的脉冲重叠,最终在接收器输入端变得无法区分。

脉冲展宽的数量取决于几个因素,包括光纤的长度、光的波长和光纤本身的特性,如其折射率曲线和材料组成。脉冲展宽可以限制光通信系统中可以长距离传输的最大数据速率。

光纤中的色散包括模内色散、模间色散和偏振模色散。

模间色散

在光纤中,模式指的是光在穿过光纤芯时可以采取的不同路径。根据光纤支持的传播模式的数量,可以将其分为两种类型:单模(只有一种传播模式)和多模光纤(同时传播多种不同的光模式)。

其中一些光线将以直线路径穿过光纤的中心,称为轴向模式。其余的光线在通过波导时,会在芯包层的边界上反复弹跳。在光纤内传播的每个模式都遵循不同的角度和路径。由于这些模式的传播速度不同,它到达光纤输出的时间也不同。每个模式的传播时间的差异导致了信号在模式之间的扩散。这就是所谓的模间色散。扩散导致信号重叠,使其难以单独区分。随着路径长度的增加,模式间的色散也会相应增加。输出的脉冲宽度取决于最慢和最快模式的传输时间。

模态色散在单模光纤中是不存在的,因为只有一种模式在光纤中传播。

由于模间色散引起的脉冲展宽为:

脉冲展宽Δt为 

Δt = L x (dispersion/km)

N.A是数值孔径

L是光纤的长度

n1是纤芯的折射率

模内色散

一个光信号可以有不同的波长,以稍微不同的速度传播,并在模式内的不同时间到达接收器,导致信号扩散和扭曲。这种类型的色散被称为模内色散,在单模和多模光纤中都会发生。

模内色散可进一步分为材料色散和波导色散。由于波导材料的色散特性导致的延迟差异被称为材料色散,而由于波导的几何形状导致波导色散。

材料色散

材料色散是由光纤中使用的材料的折射率的变化引起的。由于材料的折射率决定了光在光纤中传播的速度,不同波长的光以不同的速度传播,导致信号散开并失真。材料色散的符号可以是正的,也可以是负的,取决于材料特性和传输光的波长。色散的符号是指相对于波长的变化而言,折射率变化的方向。

在具有正常色散的材料中,折射率随着光的波长的增加而降低。这意味着长波长的光(如红色)比短波长的光(如蓝色)传播得更快,导致脉冲随时间扩散。在这种情况下,色散的符号是负的。

另一方面,在具有反常色散的材料中,折射率随着光的波长增加而增加。这意味着短波长的光(如蓝色)比长波长的光(如红色)传播得更快,导致脉冲也随着时间的推移而扩散。在这种情况下,色散的符号是正的。

这些传输的信号会有不同的延迟时间,并造成到达时间Δt的扩散。

由材料色散引起的脉冲展宽由以下公式给出:

DM是材料分散系数、

材料色散造成的总脉冲扩散由Δtmat给出:

在多模光纤中,模间色散比材料色散大得多。

波导色散

另一方面,波导色散是由光纤电缆本身的几何形状引起的。这种类型的色散发生是因为在光纤中传播的光波被限制在一个狭窄的波导结构中,由于几何上的变化,这可能导致不同波长的光以不同的速度传播。它可以导致信号扩散和失真,通常在较短的波长上更为突出。波导色散可以通过使用具有更宽的纤芯直径的光纤或通过使用专门的波导结构来改善波导几何的均匀性来减少。它在单模和多模光纤中都会发生。

在光纤中,光通过光纤的核心传播,它被一个具有较低折射率的包层所包围。短波长的光更多地停留在纤芯中,而长波长的光则分布在包层中。由于包层的折射率较低,长波长的传播速度要比短波长的高。这种时间延迟导致了信号的扩散。

波导色散在光纤中总是负的,这是因为不同模式的光的有效折射率不同,这是光纤的几何形状和光纤的折射率随频率变化的结果。高阶模式比低阶模式的有效折射率低。

由波导色散引起的脉冲扩散的原理为

DW是波导色散系数、

使用具有较大纤芯的光纤可以减少波导色散,它允许更多的传播模式并减少模式之间的有效折射率差异。

然而,在单模光纤中,波导色散可能是显著的,因为各种色散机制的影响很难区分。

模内色散用色散参数D来表示,它与模式传播常数β有关,是光纤芯体相对于工作波长的大小的函数。

材料和波导的色散都是以皮秒/纳米/千米为单位进行测量。这就造成了源线宽的幅度增加和色散随光纤长度增加。

偏振模式色散

由于折射率的变化,光在纤芯内有两种不同的偏振模式,以不同的速度传播。这种现象被称为双折射,即光纤的折射率对于不同方向的偏振光是不同的。这是由光纤结构的不对称性造成的。速度的不同导致了信号到达的延迟和脉冲变宽。这种由于光分布在不同偏振方向上的色散就是偏振模式色散

单模光纤由一个传播模式组成,包括两个正交的偏振模式。

偏振模色散如下所示:

DPMD是偏振模色散系数。

光纤总色散

对于给定的光纤长度,总的光纤色散计算为:

其他类型的色散包括残余色散和克尔效应色散。

残余色散的发生是由于制造过程中的不完善或光纤物理特性的变化,使信号失真。
克尔效应色散的发生是因为光纤芯的折射率可以被通过它的光的强度所改变,导致不同波长以不同的速度传播。
 

色散的应用

色散也可以有一些有用的应用,如光纤传感器色散补偿系统、光学传感、非线性光学、脉冲整形、波分复用、生物医学应用,如光学相干断层扫描(OCT)、宝石学、成像和脉冲星发射。

它还可用于设计集成光路,即在小范围内操纵光的设备。色散也被用来分析波导结构的频率响应,如过滤器和谐振器。

相关内容

相关产品

图片名称分类制造商参数描述
  • 光电查
    裸光纤适配器B-ST-125光纤适配器PT Fiberoptics

    纤维缓冲器/涂层直径0.25毫米至1毫米光损耗相对于相应类型的标准连接器为1 dB

  • 光电查
    隔板插座 - 套筒式适配器光纤适配器OZ Optics

    OZ Optics为各种连接器生产高质量的穿板式插座、SleeveThru适配器和通用SleeveThru适配器。穿墙式插座允许人们将光纤跳线连接到开口,以将光投射到自由空间,在那里它可以被其他光学设备(如透镜和探测器)使用。这些插座采用精密氧化锆套管,使光纤居中,并配有止动器,确保光纤高端停止在空间中的精确点。我们还为我们的尾纤可调FC或SMA连接器提供不带止动器的隔板插座。我们有专门设计的角度插座,用于校正角度抛光连接器的折射。套筒适配器用于将两个公头连接器配合在一起。插座上的法兰使用户能够将适配器安装到外壳或盒子上。我们的标准插座将光纤与行业标准FC/PC、FC/APC、SMA、SC、LC和ST连接器端接。通用连接器允许将具有不同连接器类型的光纤配对在一起,只要它们以相同的方式抛光即可。

  • 光电查
    多通道光纤旋转接头MXn系列光纤适配器Princetel

    MXN系列多通道光纤旋转接头(FORJS)是紧凑型多通道产品。它们同时连接2-3个(型号MXN)或2-7个(型号MXN和MXNL)独立的光纤通道。当与电滑环或RF旋转接头结合使用时,或者当空间通常很紧张时,它们是理想的选择。虽然非常小,但它们仍然具有标准的光学性能(<-60 dB串扰、<5 dB插入损耗和>45 dB回波损耗)。所有通道均可容纳单模或多模光纤。也可以将两种类型的光纤组合在一个装置中。如果需要IP 65等级,则选择MXNL型号。

  • 光电查
    NPNB-10-4605光纤适配器单模LC/UPC双工适配器光纤适配器Primus Cable

    LC双工光纤适配器采用LC双工封装,无塑料法兰,可为我们的负载光纤配线架和负载光纤壁挂式外壳提供单模选项。每个光纤耦合器牢固地安装在指定的插槽中,并用于将光纤分配单元内的LC/UPC连接耦合在一起。

  • 光电查
    单通道光纤旋转接头R-系列光纤适配器Princetel

    R系列单通道(SM或MM)旋转接头提供多种变化。坚固的主体允许在转子或定子侧安装光纤尾纤、ST或FC插座。总共可以有九种不同的配置,以完全满足需要。标准基本型号是用于尾纤、FC/PC和ST/PC插座的RPT、RFC和RST。R系列具有极低的插入损耗和出色的回波损耗性能,适用于单模和多模光纤。型号RPTA通常产生高于60 dB的回波损耗数据。这些坚固耐用的器件可以在北极温度环境下工作(见左侧插入损耗和回波损耗温度循环图)。所有型号均防尘防水,适用于恶劣环境。对于浅水应用,RPTPC型可提供可选的压力补偿。