论光在光纤通信中的传输特性.doc

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1、论光在光纤通信中的传输特性摘 要 光纤通信作为一门新兴技术, 其近年来发展速度之快、 应用面之广是通信史上罕见的, 也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传输工具。 本文针对光纤通信的传输特性进行了简单的探析。关键词 光纤 通信 传输1. 光纤通信技术简介光纤即为光导纤维的简称。 光纤通信是以光波作为信息载体, 以光纤作为传输媒介的一种通信方式。 从原理上看, 构成光纤通信的基本物质要素是光纤、 光源和光检测器。 光纤除了按制造工艺、 材料组成以及光学特性进行分类外, 在应用中, 光纤常按用途进行分类, 可分为通信用光纤和传感用光纤。 传输介质光纤又分为通用与专用两种, 而

2、功能器件光纤则指用于完成光波的放大、 整形、 分频、 倍频、 调制以及光振荡等功能的光纤, 并常以某种功能器件的形式出现。2. 光纤通信的传输特性光纤传输特性主要是指光纤的损耗特性和带宽特性( 即色散特性) , 光纤特性的好坏直接影响光纤通信的中继距离和传输速率( 或脉冲展宽) , 因此它是设计光纤系统的基本出发点。2.1. 光纤的损耗特性 光波在光纤传输过程中 , 其强度随着传输距离的增加逐渐减弱, 光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。 使用在系统中的光纤传输线, 其损耗产生的原因, 一方面是由于光纤本身的损耗, 包括吸收损耗、瑞利散射损耗、 以及因结构不完善引起的散射损耗; 另一方面是由

3、于作为系统传输线引起的弯曲损耗等。2.1.1. 吸收损耗吸收损耗意味光波传输过程中 , 有一部分光能量转变为热能。 包括光纤玻璃材料本身的固有吸收损耗, 以及因杂质引起的吸收损耗。 光纤材料的固有吸收又叫本征吸收, 在不含任何杂质的纯净材料中也存在这种吸收。 固有吸收有两个吸收带, 一个吸收带在红外区 , 吸收峰在波长 8 m m12mm范围, 它的尾部拖到光通信所要用的波段范围, 但影响不大; 另一个吸收带在紫外区 , 吸收峰在 0 . 1 m m附近 , 吸收很强时 ,它的尾巴会拖到0 . 7 mm1 . 1 mm波段里去。对物质固有吸收来说, 在远离峰值区域的1 . 0 mm 1 . 6

4、 mm波段范围内, 固有吸收损耗为低谷区域。杂质吸收损耗是由光纤材料中铁、 钴、 镍、 铬、 铜、 钒、 镁等随遇金属离子以及水的氢氧根离子的存在造成的附加吸收损耗。 目前光纤制造工艺对于金属离子杂质的提纯已经不成问题, 可以使它们的影响减到最小; 但是氢氧根的影响比较大,这是因为在光纤材料中, 以及在光纤制造过程中含有大量的水分, 提纯中极难清除干净, 最后以氢氧根的形式残留在光纤内。残留于光纤内的氢氧根离子, 使得在波长在0. 94mm、 1. 24mm和1. 38mm附近出现吸收谐振峰, 峰值大小与氢氧根离子浓度密切相关。 为减小氢氧根离子的影响, 工作波长必须避开吸收峰谐振区域, 为此

5、将工作波长选择在0. 8 5mm、 1. 3mm和1. 5 5mm附近。2.1.2. 瑞利散射损耗当光波照射到比光波长还要小的不均匀微粒时, 光波将向四面八方折射, 这一物理现象以发现这一现象的物理学家的名字命名, 称为瑞利散射 。 在光纤中 , 因瑞利散射引起的光波衰减称为瑞利散射损耗。产生瑞利散射损耗的原因是在光纤制造过程中 , 因冷凝条件不均匀造成材料密度不均匀 , 以及掺杂时因材料组分中浓度涨落造成浓度的不均匀, 以上两种不均匀微粒大小在与光波长可相比拟的范围内, 结果都产生折射率分布不均匀, 从而引起瑞利散射损耗。 瑞利散射是固有的, 不能消除。但由于瑞利散射的损耗系数与光波长的四次

6、方成反比, 随着工作波长的增加, 瑞利散射损耗会迅速降低。 因此远距离的光纤通信常应用长波长段波长。 掺杂( 如掺锗) 会对瑞利散射的增加有影响。2.1.3. 因结构不均匀的散射损耗这种散射损耗是由于光纤结构的缺陷产生的。 结构缺陷包括光纤芯子与包层交界面的不完整, 存在微小的凹凸缺陷, 以及芯径与包层直径的微小变化和沿纵轴方向形状的改变等, 他们将引起光的散射, 产生光纤传输模式散射性的损失。 不断提高光纤的制造工艺, 采用现代化监测控制技术,可以使结构不完善引起的散射损耗越来越小。 现在的光纤制造工艺已经非常先进, 这种损耗已经做到0. 02dB/ km以下, 并可达到忽略不计的程度。2.

7、1.4. 辐射损耗弯曲损耗是一种辐射损耗。 它是由于光纤的弯曲所产生的损耗, 当光纤在集束成缆或在光纤、 光缆的敷设、 施工、 接续中造成光纤的弯曲, 其弯曲的曲率半径小到一定程度时, 芯子内光射线不满足全反射条件, 使部分光功率由传输模式转为辐射模式而造成的损耗。 弯曲的曲率半径越小,造成的损耗越大。 一般认为, 当光纤弯曲的曲率半径超过10c m时, 弯曲所造成的损耗可以忽略。 因此, 在工程中必须要保证光缆和光纤在静态和动态时的弯曲曲率半径限值要求, 通常动态时的曲率半径限值要大于静态时的曲率半径限值, 这是为了确保在施工过程中不会发生光纤断裂损伤。2.2. 光纤的色散特性光纤色散是制约

8、光传输系统中继距离和通信容量的另一个主要因素。光纤中传送的光信号是由不同的频率成分和不同的模式成分组成的，它们有不同的传播速度，将会引起脉冲波形的形状发生变化。这便是色散。色散会使光脉冲在传输过程中展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，产生码间干扰，增加误码率，从而限制通信容量。其实色散是对一个光信号中所含有的不同颜色的光以不同速率在光纤中传输的统称。按照色散产生的原因，光纤色散主要分为模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化（偏振模）色散。模式色散：光纤中的不同模式，在同一波长下传输，各自的相位常数 不同，它所引起的色散称为模式色散。材料色散：由于光纤材料本身的折射指数n和波长 呈非线性关系，从

9、而使光的传播速度随波长而变化，这样引起的色散称为材料色散。波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输时，其相位常数不同，这样引起的色散称为波导色散。其中，材料色散和波导色散都属于频率色散。在多模光纤中，模式色散和频率色散都存在，且模式色散占主导地位。而在单模光纤中只传输基膜，因此没有模式色散，只存在频率色散（包括材料色散和波导色散）。在弱导波光纤中传播的波可近似看作TEM波，因为它具有横向场的极化方向保持不变的特点。而“极化”就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线，这种极化则为直线极化，简称线极化。对于弱导波光纤，已假定其横

10、向场的极化方向保持不变，则认定它的横向场是线极化波，以LP表示。关于极化（偏振模）色散的概念，其实，在光纤中，光场的分布形式（即模式）既不是简单的横电（TE）模，也不是简单的横磁（TM）模，而是线性偏振模（Linearly Polarized Mode）。理论上单模光纤中只传输基膜LP01，其实LP01按场强的偏振方向区分为LP01x和LP01y两个模式，它们分别为沿x方向极化和沿y方向极化，且它们的极化方向互相垂直。所以，所谓单模光纤实际上支持两个正交的偏振模HE11x和HE11y（LP01x、LP01y）。在理想的圆对称纤芯的单模光纤中，两个正交偏振模是完全简并的，两者的传播常数相等，故不

11、存在偏振模色散。但在实际的光纤中，光纤在制造过程中会造成纤芯截面一定程度的椭圆度，或者由于材料的热膨胀系数的不均匀性造成光纤截面上各向异性的应力以及在施工、铺设过程中带来的外部应力的影响，从而导致光纤折射率的各向异性。这两者均能造成两个偏振模传播常数的差异，从而产生群延时的不同，形成了偏振模色散（PMD)。HE11x和HE11y的两个正交偏振模的传播常数之差 称为双折射。上述光纤结构本身存在的双折射称为本征双折射(Intrinsic Birefringence)。此外，光纤在使用过程中，由于、弯曲、扭绞、横向压力等机械外力的作用也会产生附加的双折射(Extrinsic Birefringenc

12、e)。一般地，当光纤截面的圆对称性受到破坏，由双折射形成的两个不同传播常数的正交偏振模之间还会产生相互耦合。由于两个偏振模的传播常数相差很小，因而模式耦合很强。又由于光纤的双折射与模式耦合都随着光纤截面形状、环境温度和机械振动等因素变化，因此，偏振模色散表现为一个随机量。为了理解PMD这一复杂的现象，可以认为单模光纤是由许多的短的光纤段（或波片）以任意的角度（主轴方向）级联而成，其中每段光纤（或波片）都具有均匀双折射。PMD的存在使得光脉冲信号在光纤中传输时，会出现持续的脉冲展宽，从而降低接收端检测到的电信号的信噪比（SNR），并增大系统误码率(BRE) 。光纤中存在着模式色散、材料色散、波导

13、色散和偏振模色散，这些色散一般大小关系为：模式色散材料色散波导色散偏振模色散。这是当数据传输率较低和距离相对较短时PMD对单模光纤系统的影响微不足道的色散大小情况。随着对带宽需求的增长，特别是在10Gbit/s 及更高速率的系统中，PMD开始成为限制系统性能的因素，因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比。2.3. 光纤的非线性光纤的非线性效应是指在强光场的作用下，光波信号和光纤介质相互作用的一种物理效应。它主要包括两类：一类是由于散射作用而产生的非线性效应，如受激拉曼散射及布里渊散射；另一类是由于光纤的折射指数随光强度变化而引起的非线性效应，如自相位调制、交叉相位调制以及四波混频等。2.

14、3.1. 散射产生的非线性效应由于光纤材料的缺陷，有可能使得光通过介质时发生散射。瑞利散射属于线性散射，即散射光的频率保持不变。但当输入光功率很强时，任何介质对光的响应都是非线性的，在此过程中，光场把部分能量转移给非线性介质，即在这种非线性散射过程中，光波和介质相互作用时要交换能量，使得光子能量减少。1) 受激拉曼散射（SRS）当强光信号输入光纤后，就会引发介质中分子振动，这些分子振动对入射光调制后就会产生新的光频，从而对入射光产生散射作用，这种现象称为受激拉曼散射。拉曼散射产生的散射光（斯托克斯波）强度与泵浦功率及光纤长度有关，因此可制成分布式拉曼散射激光器。2) 受激布里渊散射（SBS）受

15、激布里渊散射和受激拉曼散射的物理过程相似，都是在散射过程中通过相互作用，光波与介质发生能量交换，但本质上也存在差异。受激拉曼散射产生的斯托克斯波属于光频范畴，其波的方向与泵浦光方向一致。而受激布里渊散射所产生的斯托克斯波在声频范围，波的方向与泵浦波方向相反，即在光纤中只要达到受激布里渊散射的阈值，就会产生大量的向后传输的斯托克斯波，这将使信号功率降低，反馈回的斯托克斯波也会使激光器的工作不稳定，对系统将产生不良影响。但是，由于受激布里渊散射的阈值比受激拉曼散射的阈值低很多，可以利用其低阈值功率提高布里渊放大。2.3.2. 折射率变化产生的非线性效应折射率随强度的变化引起的非线性效应，最重要的是

16、自相位调制、交叉相位调制及四波混频。1) 自相位调制（SPM）在强光场作用下，光纤的折射率出现非线性，这个非线性的折射率使得光纤中所传输光脉冲的前后沿的相位相对漂移。这种相位的变化必导致所传光脉冲频谱发生变化。由信号分析理论可知，频谱的变化必然使得波形变化，从而使传输脉冲在波形上被压缩或者展宽。把光脉冲在传输过程中由于自身引起的相位变化而导致光脉冲频谱展宽的现象称为自相位调制。2) 交叉相位调制（XPM）当光纤中有两个或两个以上不同波长的光波同时传输时，由于非线性效应的存在，它们之间会相互作用。光纤中存在自相位调制，因此一个光波的幅度调制将引起其他光波的相位调制。这种由光纤中某一波长的光强对同

17、时传输的另一个不同波长的光强所引起的非线性相移，称为交叉相位调制。由此可见，交叉相位调制与自相位调制总是相伴而生，而且光波的相位调制不仅与自身光强有关，而且还决定于同时传输的其他光波强度。交叉相位调制，可由不同频率光波引起，也可由不同偏振方向的光波引起。3) 四波混频（FWM）当多个频率的光波以较大的功率在光纤中同时传输时，由于光纤中非线性效应的存在，光波之间会产生能量交换。设频率分布为1，2，3的光波同时在光纤中传输，三阶电极化率将会引起频率为4=123的光波出现，把这种现象称为非线性介质引发多个光波之间出现能量交换的一种响应现象。四波混频对系统的传输性能影响很大，特别是在WDM系统中，当信道间隔非常小时，可能有相当大的信道功率通过四波混频的参量过程转换到新的光场中去。这种能量的转换不仅导致信道功率衰减，而且会引起信道之间的干扰，降低系统的传输性能。参考文献 【1】贾金岭. 浅析基于DWDM的光纤通信技术及其发展趋势 J . 电脑知识与技术 ,2 0 0 9 , 3 3 .【2】辛化梅. 论光纤通信技术的现状及发展 J . 山东师范大学学报 ( 自然科学版 ) ,2 0 0 3 , 4 .【3】张树群.光纤通信的传输特性及应用探析.科技咨询2011，NO.24