光纤色散在波长变化下的影响与优化

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一正一负，大小相等，总色散为零。色散位移光纤将零色散点从1.31μm波长处位移到1.55μm波长处，实现1.55μm波长处最低衰减和零色散波长一致，非常适合长距离单信道光纤通信系统。

1.光纤的基本构造

光通信中使用的光纤是横截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。

光纤主要由纤芯、包层和涂敷层构成。纤芯由高度透明的材料制成；包层的折射率略小于纤芯，从而造成一种光波导效应，使大部分电磁场被束缚在纤芯中传输；涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。在涂敷层外往往加有塑料外套。

2.光纤的分类

（1）按光的传输模式分

按光在光纤中的传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤。

多模光纤：中心玻璃芯较粗（50μm或62.5μm），可传输多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随着距离的增加这种情况会更加严重。因此，多模光纤传输的距离比较近，一般只有几千米。

单模光纤：中心玻璃芯较细（芯径一般为9μm或10μm），只能传输一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通信。在单模光纤中色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

（2）按折射率分布情况分

按折射率分布情况光纤分为突变型光纤和渐变型光纤。

突变型光纤：光纤中心玻璃芯到玻璃包层的折射率是突变的。其制作成本低，目前单模光纤都采用突变型。

渐变型光纤：光纤中心玻璃芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小的，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。

3.光纤的传输特性

（1）衰减

在信号传输的过程中，人们都希望信号传得越远越好，但各种原因都会使光纤产生损耗，因此光纤损耗的大小起着关键性的作用，所以传输损耗是光纤最重要的特性之一，对光纤通信系统的传输距离有着重要的影响。

由于光纤本身对不同波长的光存在固有损耗，所以它只能传输一些特定波长的光，这通常称为光纤的窗口。在光纤研究初期，对原材料经过提纯以后，人们发现0.8～0.9μm的红外波段石英光纤的损耗比较低，该波段的损耗可以降到3 dB/km以下，这就是短波长窗口，也称为第一窗口。通过进一步分析，人们发现光纤材料中的OH根对光纤损耗影响很大，特别是在1.38μm波长处有一个强烈的吸收峰。在改进工艺，降低这个吸收峰以后，人们找到在1.31μm波长和1.55μm波长处有比0.8～0.9μm波段更低的损耗。1.31μm波长处的最低损耗可达0.35 dB/km以下，1.55μm波长处的最低损耗可达0.15 dB/km。这两个波长就是长波长窗口，通常称1.31μm波长为第二窗口，称1.55μm波长为第三窗口。1995年前后，人们开拓了1.565～1.625μm的L带，称为第四窗口。1998年，朗讯公司采用了一种新的生产工艺，推出了全波光纤，该光纤几乎完全消除了1.38μm波长附近的OH根吸收峰，在1.38μm波长处的衰减可低至0.31 d B/km，打开了1.36～1.46μm范围内的第五窗口。

（2）色散

当一束电磁波与电介质的束缚电子相互作用时，介质的响应通常与光波频率ω有关，这种特性称为色散，它表明折射率n（ω）对频率的依赖关系。由于不同的频谱分量对应于由给定的不同的脉冲传输速度，因而色散在短脉冲传输中起关键作用。光纤的色散限制了光纤的传输容量和传输带宽，也限制了光信号的传输距离。光纤色散分为模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散。

模式色散：仅产生于多模光纤中。对于同一波长的入射光，不同入射角的光代表不同的模，不同的模在光纤中行走的路径不同，传播时间也不同，从而形成模式色散。模式色散随着光纤芯子直径的减小而减小，单模光纤不存在模式色散。单模光纤的色散由材料色散、波导色散组成，这两种色散都与波长有关，所以单模光纤的总色散也称为波长色散。

材料色散：光在介质中的传播速度与折射率成反比，光纤材料的折射率是随波长变化的，不同波长的光因在光纤中传播的速度不同而产生色散。波长越短，材料色散越严重；光源谱宽越宽，材料色散越大。有些材料在某一波长附近材料色散为零，石英光纤的零色散波长在1.27μm附近。

波导色散：不同波长的光在光纤中运行的轨迹不同，传输时间也不同。波导效应引起模内波长较短的光信号进入包层，包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号因传输速度不同而产生色散，其大小由纤芯半径、相对折射率差及剖面形状决定。

偏振色散：单模光纤存在偏振色散。单模光纤传输的基模是由两个偏振方向相互垂直的模组合而成的。标准单模光纤的横截面为圆形，折射率沿半径方向分布，是均匀的，没有偏振色散。如果光纤出现缺陷，引起折射率分布不均，使两个模式的传输速度不同，就会产生色散。这在较低速率（10 Gbit/s以下）光通信系统中通常可以不考虑，在高速率通信系统中则是一个重要的限制因素。

通常采用改变折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而移动零色散波长的位置，使光纤的总色散在所希望的波长上实现总零色散或负色散。人们采用这种方法研制出了色散位移光纤、非零色散位移光纤。在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一正一负，大小相等，总色散为零。1.31μm波长处正好是光纤的一个低损耗窗口，所以1.31μm单模光纤（G.652）是光纤通信系统的主要工作波段。色散位移光纤（G.653）将零色散点从1.31μm波长处位移到1.55μm波长处，实现1.55μm波长处最低衰减和零色散波长一致，非常适合长距离单信道光纤通信系统。当光纤色散为零时，传输WDM光信号会产生四波混频等非线性效应。非零色散位移光纤（G.655）将零色散点移向短波长侧或长波长侧，使之在1.55μm区域具有较低的色散，又保持非零特性，以抑制四波混频和交叉相位调制等非线性影响。非零色散位移光纤适宜开通DWDM系统，同时满足TDM和DWDM两个发展方向的需要。

4.塑料光纤

塑料光纤（POF）是多模光纤中的一种，它的特点是孔径大、传输模式多，模式之间的相互作用复杂，所以模间色散是限制塑料光纤带宽特性的最主要因素。如果忽略材料色散，由于塑料光纤中的众多模式在光纤中传输的速度不同，所以其脉冲响应不是一个连续体，而是由一系列与光纤内各个模式到达时间相关的函数组成的。经过傅里叶变换，塑料光纤的频率响应包括很多高频成分，其频率响应不随着频率升高而单调下降，而是存在某些频段的平坦响应。这些频段的平坦响应一般都大于塑料光纤的3 dB带宽。在传统的基带通信中，塑料光纤受到3 dB带宽的限制，但是这些平坦响应频段的存在可以将基带信号载到射频载波，再调制到光波上传输，从而克服塑料光纤基带带宽的限制，可利用ROF技术实现宽带无线信号传输。

塑料多模光纤本身良好的延展性和较大的芯径可以进一步降低安装上的不便。塑料多模光纤与石英光纤相比损耗较大，但对于短距离传输来说，长度限制的问题可以近似忽略，并且价格较低。特别地，氟化聚合物塑料光纤在650～1 300 nm波段内具有良好的透光性；在850～1 300 nm波段时，不需要石英光纤与塑料光纤之间进行波长转换，并且可以使用普通商用石英光纤的激光器作为光源，特别是在850 nm时可用垂直腔面发射激光器（VCSEL）和廉价的LED。

光纤色散在波长变化下的影响与优化

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