程控交換與光纖通信23

2.3光纖傳輸特性

損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離.色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量。

2.3.1光纖色散

1.色散、帶寬和脈沖展寬

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘栍捎诓煌煞值墓獾臅r間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。

模式色散在多模光纖中，傳輸?shù)哪Ｊ胶芏啵煌哪Ｊ?，其傳輸路徑不同，所?jīng)過的路程就不同，達終點的時間也就不同，這就引起了脈沖的展寬。

材料色散材料色散是由光纖材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，嚴格來說，并不是一個固定的常數(shù)，而是對不同的傳輸波長有不同的值。波導(dǎo)色散由于光纖幾何特性而使信號的相位和群速度隨波長變化引起的色散。色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時域和頻域的表示方法不同。從頻域上看色散限制了傳輸信號的帶寬；從時域上看色散引起信號脈沖展寬。所以，色散通常用3dB光帶寬f3dB或脈沖展寬Δτ表示。用脈沖展寬表示時，光纖色散可以寫成

Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2

式中Δτn、Δτm、Δτw分別為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散所引起的脈沖展寬的均方根值。一般，頻率響應(yīng)|H(f)|隨頻率的增加而下降，這表明輸入信號的高頻成分被光纖衰減了。受這種影響，光纖起了低通濾波器的作用。將歸一化頻率響應(yīng)|H(f)/H(0)|下降一半或減小3dB的頻率定義為光纖3dB光帶寬f3dB，由此得到

|H(f3dB)/H(0)|=1/2(2.44a)或

T(f)=10lg|H(f3dB)/H(0)|=-3(2.44b)

圖2.11光纖帶寬和脈沖展寬的定義

光纖3dB光帶寬f3dB和脈沖展寬Δτ、σ的定義示于圖2.11。用高斯脈沖半極大全寬度(FWHM)Δτ表示有則3dB光帶寬為

2.多模光纖的色散設(shè)光源的功率譜很陡峭，長度為L的多模光纖rms脈沖展寬為

σ模間為模式色散產(chǎn)生的rms脈沖展寬。當(dāng)g→∞時，相應(yīng)于突變型光纖，由式(2.50a)簡化得到當(dāng)g=2+ε時，相應(yīng)于脈沖展寬達到最小值的漸變型光纖漸變型光纖的rms脈沖展寬比突變型光纖減小Δ/2倍。其中σ模內(nèi)為模內(nèi)色散產(chǎn)生的rms脈沖展寬，其中材料色散和波導(dǎo)色散。對于一般多模光纖，材料色散是主要的，其他可以忽略:圖2.12三種不同光源的均方根脈沖展寬與折射率分布指數(shù)的關(guān)系由圖可見，rms脈沖展寬σ隨光源譜線寬度σ增大而增大，并在很大程度上取決于折射率分布指數(shù)g。當(dāng)g=g0時，σ達到最小值。g的最佳值g0=2+ε，取決于光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料的波長特性。當(dāng)用分布反饋激光器時，最小σ約為0.018ns，相應(yīng)的帶寬達到10GHz·km。

3.單模光纖的色散色度色散：理想單模光纖沒有模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散(ChromaticDispersion)，常簡稱為色散，它是時間延遲隨波長變化產(chǎn)生的結(jié)果。單位長度的單模光纖色散系數(shù)為：SiO2材料M2(λ)的近似經(jīng)驗公式為：式中，λ的單位為nm。當(dāng)λ=1273nm時，M2(λ)=0。

式(2.52)第二項為波導(dǎo)色散，其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)δ=0時，相應(yīng)于常規(guī)單模光纖。含V項的近似經(jīng)驗公式為式(2.52)圖2.13不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性

2.3.2光纖損耗

由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，不管是模擬信號還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示

(2.59)式中，α是損耗系數(shù)。設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為習(xí)慣上α的單位用dB/km，由式(2.60)得到損耗系數(shù)

1.損耗的機理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。

0.951.241.39

吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。

a.由材料電子躍遷引起的吸收帶發(fā)生在紫外(UV)區(qū)(λ<0.4μm)，由分子振動引起的吸收帶發(fā)生在紅外(IR)區(qū)(λ>7μm)，由于SiO2是非晶狀材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū)。

b.光纖中的雜質(zhì)主要有過渡金屬(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氫氧根(OH-)離子。散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。瑞利散射損耗αR與波長λ四次方成反比，可用經(jīng)驗公式表示為

αR=A/λ4

瑞利散射系數(shù)A取決于纖芯與包層折射率差Δ。當(dāng)Δ分別為0.2%和0.5%時，A分別為0.86和1.02。瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。如果Δ=0.2%，在1.55μm波長，光纖最低理論極限為0.149dB/km。

2.實用光纖的損耗譜根據(jù)以上分析和經(jīng)驗，光纖總損耗α與波長λ的關(guān)系可以表示為α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。圖2.16光纖損耗譜(a)三種實用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。在0.8~1.55μm波段內(nèi)，除吸收峰外，光纖損耗隨波長增加而迅速減小。在1.39μmOH-吸收峰兩側(cè)1.31μm和1.55μm存在兩個損耗極小的波長“窗口”。另一方面，從色散的討論中看到：從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。石英單模光纖的零色散波長在1.31μm，還可以把零色散波長從1.31μm移到1.55μm，實現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。正因為這些特性，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(0.85μm)“窗口”發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。

2.3.3光纖標(biāo)準和應(yīng)用制訂光纖標(biāo)準的國際組織主要有ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準化機構(gòu))，即原CCITT(國際電報電話咨詢委員會)和IEC(國際電工委員會)。表2.3列出ITU-T已公布的光纖特性的標(biāo)準。

G.651多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖，是第一代單模光纖，其特點是在波長1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設(shè)的光纖線路90%采用這種光纖。G.653色散移位光纖，是第二代單模光纖，其特點是在波長1.55μm色散為零，損耗又最小。G.654