光纤的传输特性

2015-3-24 08:35| 编辑:电工学习网| 查看: 21444| 评论: 0

    影响光纤最大传输距离的主要因素是光纤的损耗和色散。在本节，主要讨论光纤的损耗特性和色散特性。
    一、光纤的损耗特性
    光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损耗是实现远距离光纤通信的前提。
    形成光纤损耗的原因和复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。
    1.吸收损耗
    吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失。
    造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。
     (1) 本征吸收
    它是光纤基本材料（例如纯SiO2）固有的吸收，并不是由杂质或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上确定了任何特定材料的吸收的下限。
    吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。
    （2）杂质吸收损耗
    它是由材料的不纯净和工艺的不完善造成的附加损耗。影响最严重的是：过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收。
    2.散射损耗
    由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。
    散射损耗包括线性散射损耗和非线性散射损耗。所谓线性或非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否成线性关系。
    线性散射损耗主要包括：瑞利散射和材料不均匀引起的散射；
    非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里渊散射等。
    在这里，只介绍两种线性损耗。
    ① 瑞利散射损耗
    瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。材料的折射率变化是由于密度不均匀或者内部应力不均匀而产生散射。当折射率变化很小时，引起的瑞利散射是光纤散射损耗的最低限度，这种瑞利散射是固有的，不能消除。
    瑞利散射损耗与1/λ4成正比，它随波长的增加而急剧减小，如图1中的散射损耗曲线所示。所以在长波长工作时，瑞利散射会大大减小。
    ② 材料不均匀所引起的散射损耗
    结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。这些缺陷可能是光纤中的气泡、末发现反应的原材料及纤芯和包层交界处粗糙等。这种散射也会引起损耗。
    它与瑞利散射不同，主要是通过改进制作工艺予以减少。
    上面介绍了两种主要损耗，即吸收损耗和散射损耗。除此之外，引起光纤损耗的还有：光纤弯曲产生的损耗以及纤芯和包层中的损耗等等。综合考虑，发现有许多材料，如：纯硅石等在1.31μm附近损耗最小，材料色散也接近零；还发现在1.55μm左右，损耗可降到0.2dB/Km；如果合理设计光纤，还可以使色散在1.55μm处达到最小。这对长距离、大容量通信提供了比较好的条件。

图1 瑞利散射损耗与波长的关系

    二、光纤的色散特性
    上面介绍了光纤的损耗特性，光纤色散是光纤通信的另一个重要特性。光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。
    1.光纤色散的概念
    信号在光纤中是由不同的频率成分和不同的模式成分携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。也可以从波形在时间上展宽的角度去理解，也就是光脉冲在光纤中传输，随着传输距离的加大，脉冲波形在时间上发生了展宽，这种现象称为光纤的色散。
    2. 用时延差表示色散的程度
    下面分两步来讨论如何用时延差表示色散的大小。
    （1）什么是时延
    设有一个单一的载频f0，携带一个调制信号，当光波频率很高，相对调制带宽很窄时，它在传输过程中的速度可用群速度

表示，则它传输每一单位长度时，所需要的时间就称作每单位长度的时延，即

由于群速

因此

又由于

所以

    式（2-74）就是单位长度的时延表示式。
    （2）什么是时延差
    不同速度的信号，传输同样的距离，需要不同的时间，即各信号的时延不同，这种时延上的差别，称为时延差，用Δτ表示。
    时延差可由不同的频率成分引起，也可由不同的模式成份引起。下面只介绍由不同频率成分引起的时延差。
    由于光源不是单色光，有一定的带宽，设其带宽为

，则单位带宽上引起的时延差为

，因此

带宽上引起的时延差应为

将

代入，得

如将

的关系代入式（2-76），则可得出

    式（2-76）和式（2-77）均为时延差的表示式。
    从式中可以看出，信号的时延差与信号源的相对带宽成正比，光源的相对带宽越小，信号的时延差就越小，则引起的色散就越小。
    因此，可以得出结论：时延并不代表色散的大小，色散的程度用时延差来表示，时延差越大，色散就会越严重。时延差的单位是ps/km.nm。
    3.光纤中的色散
    各种色散在不同情况下，有不同的重要性。对于单模光纤来说，主要是材料色散和波导色散；而对于多模光纤来说，模式色散占主要地位。
    材料色散、波导色散和模式色散，在光纤中往往交织在一起，很难截然分开。为了将每一种色散的概念讨论清楚，把光纤分成三种情况：即材料为无穷大、单模光纤和多模光纤，分别讨论各种色散特性。
    （1）无界材料中的色散
    在无穷大的材料中，不存在模式问题，只有材料色散。
    材料色散是由于材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成分的群速不同引起的色散。
下面首先求出在这种情况下，时延差的表示式，进而讨论材料色散特性。在推导无界材料中的色散的表达式时，要根据的一般关系式，即式（2-77），由于在此式中有一项，故需先找出无界情况下的表示式。
    在无界材料中，平面波的相位常数为

则

N称为材料的群指数，它表征材料的特征。

将此式代入式（2-77），得出

从式（2-80）可以看出：时延差和成正比，即越小，则材料色散就越小。如果令为色散系数，图2-18 给出了色散系数与波长之间的关系曲线。对于用SiO2材料制造的光纤，在波长1.31μm附近时的色散系数为零。从而时延差为零，这时没有时延展宽，这个波长叫做材料的零色散波长。

    （2）单模光纤中的色散
    由于单模光纤中只有基膜传输，因此，不存在模式色散，只有材料色散和波导色散
    所谓波导色散，是对于光纤某一个模式而言，在不同的频率下，相位常数β不同，使得群速不同而引起的色散。可以看出，材料色散和波导色散都是由于光波的相位常数β随频率变化而引起的色散，因此，这两种色散都属于频率色散。
    下面仅针对纤芯折射率分布是均匀的阶跃型单模光纤，讨论其色散特性。
    （3）多模光纤的色散
    当光纤的归一化频率V>2.40483以后，单模传输条件被破坏，将有多个导波模式传输，V值越大，模式越多，这样，多模光纤的色散除了材料色散和波导色散以外，还有模式色散。在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。
    所谓模式色散，是光纤中不同模式在同一频率下的相位常数βnm不同，因此群速不同而引起的色散。它是以光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示的。
    对于多模光纤来说，纤芯中折射率分布不同时，其色散特性不同。下面分两种情况来讨论，即纤芯折射率呈均匀变化和呈渐变型变化的情况。

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