光纤的色散是指光纤中不同的频率成分和不同的模式成分传输速度不同而使信号散开的现象。

【实验目的】

(1)了解单模光纤的色散特性;

(2)掌握光纤色散系数的测量方法。

【实验原理】

色散导致光脉冲产生相当大的展宽(约10μs/km)，引起相邻脉冲发生重叠，影响光纤的带宽，从而限制光纤的传输容量和传输距离。多模光纤有很大的模间色散，不同的模式对应有不同的模折射率或有效折射率，不同模式间的有效折射率差，将导致群速度的不同和脉冲展宽。单模光纤不存在模间色散，但由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传输，因而在传输过程中将出现脉冲展宽，称为群速色散(GVD)、模内色散或简言之为光纤色散。模内色散的主要来源有两种:

①材料色散。它是纤芯材料的折射率随波长变化而引起的，这使得一个给定模式的群速度产生对波长的依赖关系。

②波导色散。它是因模式的传播常数β随α/λ变化而产生的，这是单模光纤色散的主要原因。在多模光纤中可以忽略，多模光纤色散中模间色散起支配作用。

常规光纤的零色散波长在1.3μm处。将零色散波长由1.3μm移到1.5μm处，就得到了色散位移光纤。还有一种超宽带低色散光纤，它在很宽的频带范围内具有低色散。如果在很宽的频带内能同时得到低损耗和低色散，则可充分发挥光纤的宽带潜力，扩展其传输容量。图11.1所示为不同光纤的色散特性。

光纤色散测试方法有相移法、干涉法和脉冲时延法，其中相移法最为常用。相移法是通过测量用正弦波调制的不同波长的光信号经光纤传输后产生的相对相移，求出相对群时延，再对波长求导，求出被测光纤的总色散和色散系数。

相移法测试装置见图11.2。光源可以采用多只发光二极管或激光器，其数目及工作波长由测量覆盖的波长范围来决定，在整个测试过程中光源应保持稳定。正弦波发生器频率范围应在数十兆赫以上，输出频率稳定。波长选择器应能兼顾对波长分辨率和信号电平的要求，可放在被测光纤的输入端或输出端。光检测器应适合于测试的信噪比和时间分辨率，必要时可接低噪声放大器。延迟检测器用来测量光纤输出信号与参考信号之间的相移，可使用矢量电压表。信号处理器用来减少输出波形中的噪声和抖动，可用计算机来进行设备控制、数据处理和数值计算。

图11.1 不同光纤的色散特性

本实验用脉冲时延法测量G.652单模光纤在1550nm波长处的色散系数。

图11.2 相移法光纤色散测试装置

【实验仪器】

实验装置如图11.3所示: CA9005信息光电子综合实验系统、1550nm激光器、1310/1550波分复用器、长光纤、光纤连接线、1310nm激光器、示波器

图11.3 脉冲时延法光纤色散测量实验光路图

【实验内容及步骤】

(1)测试光路准备(www.daowen.com)

①按图11.3所示连接实验装置。

②将函数信号发生器输出(SⅠG)通过三通同时连接至半导体激光控制器LD1和LD2的调制信号输入端(MOD1和MOD2)。

(2)脉冲时延法测量光纤色散

①设置PD1和PD2为ARX，设置PD1RTO和PD2RTO均为100μA档。

②设置SⅠG工作模式为5k Hz脉冲模式(Pus)，输出信号幅度Vs调至10.0V。调节示波器同步CH1输入，上升沿出发，观察到稳定的脉冲调制信号。

③设置LD1工作模式(MOD)为数字调制模式(ODM)，1550nm激光器工作于5k Hz脉冲模式下，调节LD1驱动电流(Ic)至100mA。

④设置LD2工作模式(MOD)为数字调制模式(ODM)，1310nm激光器工作于5k Hz脉冲模式下，调节LD2驱动电流(Ic)至示波器的CH2，波形与CH1等幅。

⑤将待测G.652光纤从测试光路中断开，使用跳线直接连接两个WDM，记录此时示波器的CH2脉冲波形与CH1脉冲波形的延时ΔT0。

⑥将待测G.652光纤接入测试光路，记录此时示波器的CH2脉冲波形与CH1脉冲波形的延时ΔT1。

⑦求待测G.652光纤在1550nm波长处的色散系数D。

【思考题】

(1)什么是光纤色散? 多模光纤色散和单模光纤色散有什么不同?

(2)光纤色散的测试方法有几种? 本实验用的是什么方法?

【注意事项】

(1)禁止将激光器通电后对准人眼，以免灼伤。

(2)光纤连接器陶瓷插芯表面光洁度要求极高，除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。空置的光纤连接器端子必须插上护套。

(3)所有光纤均不可过于弯曲，除特殊测试外其曲率半径应大于30mm。