論光在光纖通信中的傳輸特性

1、論光在光纖通信中的傳輸特性摘 要 光纖通信作為一門新興技術(shù), 其近年來發(fā)展速度之快、 應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的, 也是世界新技術(shù)革命的重要標志和未來信息社會中各種信息的主要傳輸工具。 本文針對光纖通信的傳輸特性進行了簡單的探析。關(guān)鍵詞 光纖 通信 傳輸1. 光纖通信技術(shù)簡介光纖即為光導(dǎo)纖維的簡稱。 光纖通信是以光波作為信息載體, 以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。 從原理上看, 構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、 光源和光檢測器。 光纖除了按制造工藝、 材料組成以及光學(xué)特性進行分類外, 在應(yīng)用中, 光纖常按用途進行分類, 可分為通信用光纖和傳感用光纖。 傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種, 而

2、功能器件光纖則指用于完成光波的放大、 整形、 分頻、 倍頻、 調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖, 并常以某種功能器件的形式出現(xiàn)。2. 光纖通信的傳輸特性光纖傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和帶寬特性( 即色散特性) , 光纖特性的好壞直接影響光纖通信的中繼距離和傳輸速率( 或脈沖展寬) , 因此它是設(shè)計光纖系統(tǒng)的基本出發(fā)點。2.1. 光纖的損耗特性 光波在光纖傳輸過程中 , 其強度隨著傳輸距離的增加逐漸減弱, 光纖對光波產(chǎn)生的衰減作用稱為光纖損耗。 使用在系統(tǒng)中的光纖傳輸線, 其損耗產(chǎn)生的原因, 一方面是由于光纖本身的損耗, 包括吸收損耗、瑞利散射損耗、 以及因結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗; 另一方面是由

3、于作為系統(tǒng)傳輸線引起的彎曲損耗等。2.1.1. 吸收損耗吸收損耗意味光波傳輸過程中 , 有一部分光能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?包括光纖玻璃材料本身的固有吸收損耗, 以及因雜質(zhì)引起的吸收損耗。 光纖材料的固有吸收又叫本征吸收, 在不含任何雜質(zhì)的純凈材料中也存在這種吸收。 固有吸收有兩個吸收帶, 一個吸收帶在紅外區(qū) , 吸收峰在波長 8 m m12mm范圍, 它的尾部拖到光通信所要用的波段范圍, 但影響不大; 另一個吸收帶在紫外區(qū) , 吸收峰在 0 . 1 m m附近 , 吸收很強時 ,它的尾巴會拖到0 . 7 mm1 . 1 mm波段里去。對物質(zhì)固有吸收來說, 在遠離峰值區(qū)域的1 . 0 mm 1 . 6

4、 mm波段范圍內(nèi), 固有吸收損耗為低谷區(qū)域。雜質(zhì)吸收損耗是由光纖材料中鐵、 鈷、 鎳、 鉻、 銅、 釩、 鎂等隨遇金屬離子以及水的氫氧根離子的存在造成的附加吸收損耗。 目前光纖制造工藝對于金屬離子雜質(zhì)的提純已經(jīng)不成問題, 可以使它們的影響減到最小; 但是氫氧根的影響比較大,這是因為在光纖材料中, 以及在光纖制造過程中含有大量的水分, 提純中極難清除干凈, 最后以氫氧根的形式殘留在光纖內(nèi)。殘留于光纖內(nèi)的氫氧根離子, 使得在波長在0. 94mm、 1. 24mm和1. 38mm附近出現(xiàn)吸收諧振峰, 峰值大小與氫氧根離子濃度密切相關(guān)。 為減小氫氧根離子的影響, 工作波長必須避開吸收峰諧振區(qū)域, 為此

5、將工作波長選擇在0. 8 5mm、 1. 3mm和1. 5 5mm附近。2.1.2. 瑞利散射損耗當光波照射到比光波長還要小的不均勻微粒時, 光波將向四面八方折射, 這一物理現(xiàn)象以發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的物理學(xué)家的名字命名, 稱為瑞利散射 。 在光纖中 , 因瑞利散射引起的光波衰減稱為瑞利散射損耗。產(chǎn)生瑞利散射損耗的原因是在光纖制造過程中 , 因冷凝條件不均勻造成材料密度不均勻 , 以及摻雜時因材料組分中濃度漲落造成濃度的不均勻, 以上兩種不均勻微粒大小在與光波長可相比擬的范圍內(nèi), 結(jié)果都產(chǎn)生折射率分布不均勻, 從而引起瑞利散射損耗。 瑞利散射是固有的, 不能消除。但由于瑞利散射的損耗系數(shù)與光波長的四次

6、方成反比, 隨著工作波長的增加, 瑞利散射損耗會迅速降低。 因此遠距離的光纖通信常應(yīng)用長波長段波長。 摻雜( 如摻鍺) 會對瑞利散射的增加有影響。2.1.3. 因結(jié)構(gòu)不均勻的散射損耗這種散射損耗是由于光纖結(jié)構(gòu)的缺陷產(chǎn)生的。 結(jié)構(gòu)缺陷包括光纖芯子與包層交界面的不完整, 存在微小的凹凸缺陷, 以及芯徑與包層直徑的微小變化和沿縱軸方向形狀的改變等, 他們將引起光的散射, 產(chǎn)生光纖傳輸模式散射性的損失。 不斷提高光纖的制造工藝, 采用現(xiàn)代化監(jiān)測控制技術(shù),可以使結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗越來越小。 現(xiàn)在的光纖制造工藝已經(jīng)非常先進, 這種損耗已經(jīng)做到0. 02dB/ km以下, 并可達到忽略不計的程度。2.

7、1.4. 輻射損耗彎曲損耗是一種輻射損耗。 它是由于光纖的彎曲所產(chǎn)生的損耗, 當光纖在集束成纜或在光纖、 光纜的敷設(shè)、 施工、 接續(xù)中造成光纖的彎曲, 其彎曲的曲率半徑小到一定程度時, 芯子內(nèi)光射線不滿足全反射條件, 使部分光功率由傳輸模式轉(zhuǎn)為輻射模式而造成的損耗。 彎曲的曲率半徑越小,造成的損耗越大。 一般認為, 當光纖彎曲的曲率半徑超過10c m時, 彎曲所造成的損耗可以忽略。 因此, 在工程中必須要保證光纜和光纖在靜態(tài)和動態(tài)時的彎曲曲率半徑限值要求, 通常動態(tài)時的曲率半徑限值要大于靜態(tài)時的曲率半徑限值, 這是為了確保在施工過程中不會發(fā)生光纖斷裂損傷。2.2. 光纖的色散特性光纖色散是制約

8、光傳輸系統(tǒng)中繼距離和通信容量的另一個主要因素。光纖中傳送的光信號是由不同的頻率成分和不同的模式成分組成的，它們有不同的傳播速度，將會引起脈沖波形的形狀發(fā)生變化。這便是色散。色散會使光脈沖在傳輸過程中展寬，嚴重時前后脈沖將相互重疊，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，從而限制通信容量。其實色散是對一個光信號中所含有的不同顏色的光以不同速率在光纖中傳輸?shù)慕y(tǒng)稱。按照色散產(chǎn)生的原因，光纖色散主要分為模式（模間）色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化（偏振模）色散。模式色散：光纖中的不同模式，在同一波長下傳輸，各自的相位常數(shù) 不同，它所引起的色散稱為模式色散。材料色散：由于光纖材料本身的折射指數(shù)n和波長 呈非線性關(guān)系，從

9、而使光的傳播速度隨波長而變化，這樣引起的色散稱為材料色散。波導(dǎo)色散：光纖中同一模式在不同的頻率下傳輸時，其相位常數(shù)不同，這樣引起的色散稱為波導(dǎo)色散。其中，材料色散和波導(dǎo)色散都屬于頻率色散。在多模光纖中，模式色散和頻率色散都存在，且模式色散占主導(dǎo)地位。而在單模光纖中只傳輸基膜，因此沒有模式色散，只存在頻率色散（包括材料色散和波導(dǎo)色散）。在弱導(dǎo)波光纖中傳播的波可近似看作TEM波，因為它具有橫向場的極化方向保持不變的特點。而“極化”就是指隨著時間的變化，電場或磁場的空間方位是如何變化的。如果波的電場矢量空間取向不變，即其端點的軌跡為一直線，這種極化則為直線極化，簡稱線極化。對于弱導(dǎo)波光纖，已假定其橫

10、向場的極化方向保持不變，則認定它的橫向場是線極化波，以LP表示。關(guān)于極化（偏振模）色散的概念，其實，在光纖中，光場的分布形式（即模式）既不是簡單的橫電（TE）模，也不是簡單的橫磁（TM）模，而是線性偏振模（Linearly Polarized Mode）。理論上單模光纖中只傳輸基膜LP01，其實LP01按場強的偏振方向區(qū)分為LP01x和LP01y兩個模式，它們分別為沿x方向極化和沿y方向極化，且它們的極化方向互相垂直。所以，所謂單模光纖實際上支持兩個正交的偏振模HE11x和HE11y（LP01x、LP01y）。在理想的圓對稱纖芯的單模光纖中，兩個正交偏振模是完全簡并的，兩者的傳播常數(shù)相等，故不

11、存在偏振模色散。但在實際的光纖中，光纖在制造過程中會造成纖芯截面一定程度的橢圓度，或者由于材料的熱膨脹系數(shù)的不均勻性造成光纖截面上各向異性的應(yīng)力以及在施工、鋪設(shè)過程中帶來的外部應(yīng)力的影響，從而導(dǎo)致光纖折射率的各向異性。這兩者均能造成兩個偏振模傳播常數(shù)的差異，從而產(chǎn)生群延時的不同，形成了偏振模色散（PMD)。HE11x和HE11y的兩個正交偏振模的傳播常數(shù)之差 稱為雙折射。上述光纖結(jié)構(gòu)本身存在的雙折射稱為本征雙折射(Intrinsic Birefringence)。此外，光纖在使用過程中，由于、彎曲、扭絞、橫向壓力等機械外力的作用也會產(chǎn)生附加的雙折射(Extrinsic Birefringenc

12、e)。一般地，當光纖截面的圓對稱性受到破壞，由雙折射形成的兩個不同傳播常數(shù)的正交偏振模之間還會產(chǎn)生相互耦合。由于兩個偏振模的傳播常數(shù)相差很小，因而模式耦合很強。又由于光纖的雙折射與模式耦合都隨著光纖截面形狀、環(huán)境溫度和機械振動等因素變化，因此，偏振模色散表現(xiàn)為一個隨機量。為了理解PMD這一復(fù)雜的現(xiàn)象，可以認為單模光纖是由許多的短的光纖段（或波片）以任意的角度（主軸方向）級聯(lián)而成，其中每段光纖（或波片）都具有均勻雙折射。PMD的存在使得光脈沖信號在光纖中傳輸時，會出現(xiàn)持續(xù)的脈沖展寬，從而降低接收端檢測到的電信號的信噪比（SNR），并增大系統(tǒng)誤碼率(BRE) 。光纖中存在著模式色散、材料色散、波導(dǎo)

13、色散和偏振模色散，這些色散一般大小關(guān)系為：模式色散材料色散波導(dǎo)色散偏振模色散。這是當數(shù)據(jù)傳輸率較低和距離相對較短時PMD對單模光纖系統(tǒng)的影響微不足道的色散大小情況。隨著對帶寬需求的增長，特別是在10Gbit/s 及更高速率的系統(tǒng)中，PMD開始成為限制系統(tǒng)性能的因素，因為它會引起過大的脈沖展寬或造成過低的信噪比。2.3. 光纖的非線性光纖的非線性效應(yīng)是指在強光場的作用下，光波信號和光纖介質(zhì)相互作用的一種物理效應(yīng)。它主要包括兩類：一類是由于散射作用而產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如受激拉曼散射及布里淵散射；另一類是由于光纖的折射指數(shù)隨光強度變化而引起的非線性效應(yīng)，如自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制以及四波混頻等。2.

14、3.1. 散射產(chǎn)生的非線性效應(yīng)由于光纖材料的缺陷，有可能使得光通過介質(zhì)時發(fā)生散射。瑞利散射屬于線性散射，即散射光的頻率保持不變。但當輸入光功率很強時，任何介質(zhì)對光的響應(yīng)都是非線性的，在此過程中，光場把部分能量轉(zhuǎn)移給非線性介質(zhì)，即在這種非線性散射過程中，光波和介質(zhì)相互作用時要交換能量，使得光子能量減少。1) 受激拉曼散射（SRS）當強光信號輸入光纖后，就會引發(fā)介質(zhì)中分子振動，這些分子振動對入射光調(diào)制后就會產(chǎn)生新的光頻，從而對入射光產(chǎn)生散射作用，這種現(xiàn)象稱為受激拉曼散射。拉曼散射產(chǎn)生的散射光（斯托克斯波）強度與泵浦功率及光纖長度有關(guān)，因此可制成分布式拉曼散射激光器。2) 受激布里淵散射（SBS）受

15、激布里淵散射和受激拉曼散射的物理過程相似，都是在散射過程中通過相互作用，光波與介質(zhì)發(fā)生能量交換，但本質(zhì)上也存在差異。受激拉曼散射產(chǎn)生的斯托克斯波屬于光頻范疇，其波的方向與泵浦光方向一致。而受激布里淵散射所產(chǎn)生的斯托克斯波在聲頻范圍，波的方向與泵浦波方向相反，即在光纖中只要達到受激布里淵散射的閾值，就會產(chǎn)生大量的向后傳輸?shù)乃雇锌怂共?，這將使信號功率降低，反饋回的斯托克斯波也會使激光器的工作不穩(wěn)定，對系統(tǒng)將產(chǎn)生不良影響。 但是，由于受激布里淵散射的閾值比受激拉曼散射的閾值低很多，可以利用其低閾值功率提高布里淵放大。2.3.2. 折射率變化產(chǎn)生的非線性效應(yīng)折射率隨強度的變化引起的非線性效應(yīng)

16、，最重要的是自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制及四波混頻。1) 自相位調(diào)制（SPM）在強光場作用下，光纖的折射率出現(xiàn)非線性，這個非線性的折射率使得光纖中所傳輸光脈沖的前后沿的相位相對漂移。這種相位的變化必導(dǎo)致所傳光脈沖頻譜發(fā)生變化。由信號分析理論可知，頻譜的變化必然使得波形變化，從而使傳輸脈沖在波形上被壓縮或者展寬。把光脈沖在傳輸過程中由于自身引起的相位變化而導(dǎo)致光脈沖頻譜展寬的現(xiàn)象稱為自相位調(diào)制。2) 交叉相位調(diào)制（XPM）當光纖中有兩個或兩個以上不同波長的光波同時傳輸時，由于非線性效應(yīng)的存在，它們之間會相互作用。光纖中存在自相位調(diào)制，因此一個光波的幅度調(diào)制將引起其他光波的相位調(diào)制。這種由光纖中某一波長的光強對同時傳輸?shù)牧硪粋€不同波長的光強所引起的非線性相移，稱為交叉相位調(diào)制。由此可見，交叉相位調(diào)制與自相位調(diào)制總是相伴而生，而且光波的相位調(diào)制不僅與自身光強有關(guān)，而且還決定于同時傳輸?shù)钠渌獠◤姸?。交叉相位調(diào)制，可由不同頻率光波引起，也可由不同偏振方向的光波引起。3) 四波混頻（FWM）當多個頻率的光波以較大的功率在光纖中同時傳輸時，由于光纖中非線性效應(yīng)的存在，光波之間會產(chǎn)生能量交換。設(shè)頻率分布為1，2，3的光波同時在光纖中傳輸，三階電極化率將會引起頻率為4=1±2±3的光波出現(xiàn)，把這種現(xiàn)象稱為非線性介質(zhì)引發(fā)多個光波之間出現(xiàn)能量交換的一種響應(yīng)現(xiàn)象。 四