光纤传输的特点与优势

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。图9.8所示为石英光纤的损耗谱曲线。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。

光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。

1.光纤的损耗特性

光波在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数）α，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为

式（9-16）中，α（λ）为在波长λ处的衰减系数，单位为d B/km；Pi为输入光纤的光功率；Po为光纤输出的光功率；L 为光纤的长度。

光纤的损耗特性是光纤的一个很重要的传输参数，它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离起着决定性的作用。目前光纤在1.55μm 处的损耗可以做到0.2 dB/km 左右，接近光纤损耗的理论极限值。

（1）引起光纤损耗的因素

光纤的损耗因素主要有吸收损耗、散射损耗和其他损耗。这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗等。

本征损耗是指光纤材料固有的一种损耗，是无法避免的，它决定了光纤的损耗极限。石英光纤的本征损耗包括光纤的本征吸收和瑞利散射造成的损耗。本征吸收是石英材料本身固有的吸收，包括红外吸收和紫外吸收。红外吸收是由于分子震动引起的，它在1 500～1 700 nm波长区对光纤通信有影响；紫外吸收是由于电子跃迁引起的，它在700～1 100 nm 波长区对光纤通信有影响。瑞利散射是由于光纤折射率在微观上的随机起伏所引起的，这种材料折射率的不均匀性使光波产生散射。瑞利散射在600～1 600 nm 波段对光纤通信产生影响。

光纤制造损耗是在制造光纤的工艺过程中产生的，主要由光纤中不纯成分的吸收——杂质吸收和光纤的结构缺陷引起。杂质吸收中影响较大的是各种过渡金属离子和OH-离子导致的光的损耗。其中OH-离子的影响比较大，它的吸收峰分别位于950 nm、1 240 nm和1 390 nm，对光纤通信系统影响较大。随着光纤制造工艺的日趋完善，过渡金属的影响已不显著，最好的工艺已可以使OH-离子在1 390 nm 处的损耗降低到0.04 d B/km，甚至小到可忽略不计的程度。此外，光纤结构的不完善会带来散射损耗。

附加损耗是在光纤成缆之后出现的损耗，主要是光纤受到弯曲或微弯时，使得光产生了泄漏，造成光损耗。

除上述三类损耗外，在光纤的使用中还会存在连接损耗、耦合损耗，如果光纤中入射光功率超出某值时还会有非线性效应带来的散射损耗。

（2）光纤的损耗特性曲线——损耗谱

将以上三类损耗相加就可以得到总的损耗，它是一条随波长而变化的曲线，叫作光纤的损耗特性曲线——损耗谱。

图9.8所示为石英光纤的损耗谱曲线。从图中可以看到光纤通信所使用的三个低损耗“窗口”——三个低损耗谷，它们分别是850 nm 波段——短波长波段、1 310 nm 波段和1 550 nm波段——长波长波段。目前光纤通信系统主要工作在1 310 nm 波段和1 550 nm 波段，尤其是1 550 nm波段，长距离、大容量的光纤通信系统多工作在这一波段。

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图9.8　石英光纤损耗谱示意图

光纤的损耗谱形象地描绘了衰减系数与波长的关系。从光纤损耗谱可以看出，衰减系数随波长的增大呈降低趋势；损耗的峰值主要与OH-离子有关。另外，波长大于1 600 nm 时损耗增大是由于石英玻璃的吸收损耗和微（或宏）观弯曲损耗引起的。目前光纤的制造工艺可以消除光纤在1 390 nm 附近的OH-离子的吸收峰，使光纤在整个1 300～1 600 nm 波段都有很低的损耗。

2.光纤的色散特性

（1）光纤色散的概念

光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种物理现象。在数字光纤通信系统中，色散使光脉冲发生展宽。

光纤的色散现象对光纤通信很不利。对于数字光纤通信系统，当色散严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。

（2）光纤色散的表示法

光纤的色散可以用不同的方法来表示，常用的有色散系数D（λ）、最大时延差Δτ、光纤的带宽等。

光纤的色散系数D（λ）定义为单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差，单位是ps/km·nm，其公式为

式（9-17）中，Δτ（λ）为单位长度光纤上的时延差，单位是ps/km；Δλ是光源的线宽，单位为nm。

最大时延差Δτ描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。时延差越大，色散就越严重。

光纤带宽是用光纤的频域特性来描述光纤的色散，它是把光纤看作一个具有一定带宽的低通滤波器，光脉冲经过光纤传输后，光波的幅度随着调制的频率增加而减小，直到为零，而脉冲宽度则发生展宽。经理论推导，光纤的带宽和时延差的关系为

式（9-18）中，B 为光纤每千米带宽，单位是MHz·km；Δτ是光脉冲传输1 km 的时延差，单位是ns/km。

从上述的定义可以看出，色散系数D（λ）、最大时延差Δτ、光纤的带宽都是从不同角度反映光纤的同一特性——色散。

（3）光纤色散的种类

根据色散产生的原因，光纤色散的种类主要可以分为模式色散、材料色散和波导色散三种。模式色散是由于信号不是单一模式携带所导致的，又称为模间色散；材料色散和波导色散是由于同一个模式内携带信号的光波频率成分不同所导致的，所以也叫作模内色散。

1）模式色散

在多模光纤中存在许多传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度也不同，到达接收端所用的时间不同，产生了模式色散。

2）材料色散

由于光纤材料的折射率是波长λ的非线性函数，从而使光的传输速度随波长的变化而变化，由此而引起的色散叫材料色散。

材料色散主要是由光源的光谱宽度所引起的。由于光纤通信中使用的光源不是单色光，具有一定的光谱宽度，这样不同波长的光波传输速度不同，从而产生时延差，引起脉冲展宽。材料色散引起的脉冲展宽与光源的光谱线宽和材料色散系数成正比，所以在系统使用时尽可能选择光谱线宽窄的光源。石英光纤材料的零色散系数波长在1 270 nm 附近。

3）波导色散

同一模式的相位常数β随波长λ 而变化，即群速度随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散。

波导色散主要是由光源的光谱宽度和光纤的几何结构所引起的。一般波导色散比材料色散小。普通石英光纤在波长1 310 nm 附近波导色散与材料色散可以相互抵消，使二者总的色散为零，因而普通石英光纤在这一波段是一个低色散区。

在多模光纤中以上三种色散均存在。对于多模阶跃折射率光纤，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波导色散比较小，可以忽略不计。对于多模渐变折射率光纤，模式色散较小，波导色散同样可以忽略不计。

对于单模光纤，上述三种色散中只有材料色散和波导色散存在。

此外，在单模光纤中还存在偏振模色散。偏振模色散是由于实际的光纤总是存在一定的不完善性，使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数β不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。

偏振模色散通常较小，在速率不高的光纤通信系统中可以忽略不计。对于工作在零色散（材料色散和波导色散之和为零）波长的单模光纤，偏振模色散将成为最后的极限。随着光纤通信系统传输速率的提高，偏振模色散对系统的影响加大，必须很好地控制它，以减少它对系统的限制。

3.光纤的非线性效应

在高强度电磁场中，任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。

在光纤通信系统中，高输出功率的激光器、掺铒光纤放大器和低损耗光纤的使用，使得光纤中的非线性效应愈来愈显著。这是因为光纤中的光场主要束缚于很细的纤芯中，使得场强非常高；低损耗又使得高场强可以维持很长的距离，保证了有效的非线性相互作用所需的相干传输距离。特别是在当今的大容量、长距离光纤通信系统中，光纤中传输的光功率大，使得这一问题尤为突出。

光纤中的非线性效应对于光纤通信系统有正反两方面的作用：一方面可引起传输信号的附加损耗、波分复用系统中信道之间的串话、信号载波的移动等；另一方面又可以被利用来开发如放大器、调制器等器件。

光纤的非线性可以分为两类：受激散射效应和折射率扰动。

（1）受激散射效应

受激散射效应是光通过光纤介质时，有一部分能量偏离预定的传播方向，且光波的频率发生改变，这种现象称为受激散射效应。受激散射效应有两种形式：受激布里渊散射和受激拉曼散射。这两种散射都可以理解为一个高能量的光子被散射成一个低能量的光子，同时产生一个能量为两个光子能量差的另一个能量子。两种散射的主要区别在于：受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子，而受激布里渊散射的剩余能量转变为声频声子；光纤中的受激布里渊散射只发生在后向，受激拉曼散射主要是前向。受激布里渊散射和受激拉曼散射都使得入射光能量降低，在光纤中形成一种损耗机制。在较低光功率下，这些散射可以忽略。当入射光功率超过一定阈值后，受激散射效应随入射光功率成指数增加。

（2）折射率扰动

在入射光功率较低的情况下，可以认为石英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为