光纖的基本特性衰耗、色散

光纖的基本特性衰耗、色散1、光纖的損耗光纖的衰減或損耗是一個(gè)非常重要的、對(duì)光信號(hào)的傳播產(chǎn)生制約作用的特性。光纖的損耗限制了沒(méi)有光放大的光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗三種損耗。1）吸收損耗光纖吸收損耗是制造光纖的材料本身造成的，包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收。a：紅外和紫外吸收損耗光纖材料組成的原子系統(tǒng)中，一些處于低能的電子會(huì)吸收光波能量而躍遷到高能級(jí)狀態(tài)，這種吸收的中心波長(zhǎng)在紫外的0.16μm處，吸收峰很強(qiáng)，其尾巴延伸到光纖通信波段，在短波長(zhǎng)區(qū)，吸收峰值達(dá)1dB/km，在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)則小得多，約0.05dB/km。在紅外波段光纖基質(zhì)材料石英玻璃的Si-O鍵因振動(dòng)吸收能量，這種吸收帶損耗在9.1μm、12.5μm及21μm處峰值可達(dá)10dB/km以上,因此構(gòu)成了石英光纖工作波長(zhǎng)的上限。紅外吸收帶的帶尾也向光纖通信波段延伸。但影響小于紫外吸收帶。在λ=1.55μm時(shí)，由紅外吸收引起的損耗小于0.01dB/km。b：氫氧根離子（OH-）吸收損耗在石英光纖中，O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73μm，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖的傳輸頻帶內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24及0.95μm波長(zhǎng)上，在峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)傳輸窗口。目前，由于工藝的改進(jìn)，降低了氫氧根離子（OH-）濃度，這些吸收峰的影響已很小。c：金屬離子吸收損耗光纖材料中的金屬雜質(zhì)，如：金屬離子鐵（Fe3+）、銅（Cu2+）、錳（Mn3+）、鎳（Ni3+）、鈷（Co3+）、鉻（Cr3+）等，它們的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生邊帶吸收峰（0.5~1.1μm），造成損耗。現(xiàn)在由于工藝的改進(jìn)，使這些雜質(zhì)的含量低于10-9以下，因此它們的影響已很小。在光纖材料中的雜質(zhì)如氫氧根離子（OH-）、過(guò)渡金屬離子（銅、鐵、鉻等）對(duì)光的吸收能力極強(qiáng)，它們是產(chǎn)生光纖損耗的主要因素。因此要想獲得低損耗光纖，必須對(duì)制造光纖用的原材料二氧化硅等進(jìn)行十分嚴(yán)格的化學(xué)提純，使其純度達(dá)99.9999%以上。2）、散射損耗由于材料的不均勻使光散射而引起的損耗稱(chēng)為瑞利散射損耗。瑞利散射損耗是光纖材料二氧化硅的本征損耗。它是由材料折射指數(shù)小尺度的隨機(jī)不均勻性所引起的。在光纖制造過(guò)程中，二氧化硅材料處于高溫熔融狀態(tài)，分子進(jìn)行無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。在冷卻時(shí)，運(yùn)動(dòng)逐漸停息。當(dāng)凝成固體時(shí)，這種隨機(jī)的分子位置就在材料中“凍結(jié)”下來(lái)，形成物質(zhì)密度的不均勻，從而引起折射指數(shù)分布不均勻。這些不均勻，像在均勻材料中加了許多小顆粒，其尺度很小，遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)。當(dāng)光波通過(guò)時(shí)，有些光子就要受到它的散射，從而造成了瑞利散射損耗，這正像大氣中的塵粒散射了光，使天空變藍(lán)一樣。瑞利散射的大小與光波長(zhǎng)的四次方成反比。因此對(duì)短波長(zhǎng)窗口的影響較大。另外，在制造光纖的過(guò)程中，在纖芯和包層交界面上出現(xiàn)某些缺陷、殘留一些氣泡和氣痕等。這些結(jié)構(gòu)上有缺陷的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波，引起與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射損耗，并且將整個(gè)光纖損耗增加。3）、彎曲損耗光纖的彎曲會(huì)引起輻射損耗。實(shí)際中，光纖可能出現(xiàn)兩種情況的彎曲：一種是曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲。（例如，在敷設(shè)光纜時(shí)可能出現(xiàn)這種彎曲）；一種是微彎曲，產(chǎn)生微彎曲的原因很多，光纖和光纜的生產(chǎn)過(guò)程中，限于工藝條件，都可能產(chǎn)生微彎曲。不同曲率半徑的微彎曲沿光纖隨機(jī)分布。大曲率半徑的彎曲光纖比直光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量要少，有一部分模式輻射到光纖外引起損耗；隨機(jī)分布的光纖微彎曲，將使光纖中產(chǎn)生模式耦合，造成能量輻射損耗。光纖的彎曲損耗不可避免，因?yàn)椴荒鼙ＷC光纖和光纜在生產(chǎn)過(guò)程中或是在使用過(guò)程中，不產(chǎn)生任何形式的彎曲。彎曲損耗與模場(chǎng)直徑有關(guān)。G.652光纖在1550nm波長(zhǎng)區(qū)的彎曲損耗應(yīng)不大于1dB，G.655光纖在1550nm波長(zhǎng)區(qū)的彎曲損耗應(yīng)不大于0.5dB。彎曲損耗對(duì)光纖衰減常數(shù)的影響不大；決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗。2、衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長(zhǎng)度光纖中傳輸時(shí)的衰耗量，單位一般用dB/km。衰減系數(shù)是光纖最重要的特性參數(shù)之一。因?yàn)樵诤艽蟪潭壬纤鼪Q定了光纖通信的傳輸距離。在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，也就是我們通常說(shuō)的1310nm窗口和1550nm窗口，1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm~1562nm）和L-band（1565nm~1610nm）。3、光纖的色散光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，因而這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散。色散一般用時(shí)延差來(lái)表示，所謂時(shí)延差，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí)間之差。光纖中的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。色度色散、也稱(chēng)為模內(nèi)色散，又可以分為材料色散和波導(dǎo)色散，模式色散也稱(chēng)為模間色散。一般情況下單模光纖中不存在模式色散。1）、模式色散對(duì)于多模中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同模式的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生色散，稱(chēng)模式色散。模式色散主要存在于多模光纖中。2）、色度色散由于光源的不同頻率（或波長(zhǎng)）成分具有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同頻率的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生色散稱(chēng)為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散：由于材料折射率隨光信號(hào)頻率（波長(zhǎng)）的變化而不同，光信號(hào)不同頻率（波長(zhǎng)）成分所對(duì)應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱(chēng)材料色散。波導(dǎo)色散：由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱(chēng)波導(dǎo)色散，它的大小可以和材料色散相比擬。一般在單模光纖中只考慮材料色散和波導(dǎo)色散。色散系數(shù)就是單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的時(shí)延差，用D表示，單位是ps/nm.km。3）、偏振模色散（PMD）由于信號(hào)光的兩個(gè)正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱(chēng)偏振模色散，它也是光纖的重要參數(shù)之一。在實(shí)際的光纖中，由于光纖制造工藝造成纖芯截面一定程度的橢圓度，或者是由于材料的熱漲系數(shù)的不均勻性造成光纖截面上各向異性的應(yīng)力而導(dǎo)致光纖折射率的各向異性，這兩者均能造成兩個(gè)偏振模傳播速度的差異，從而產(chǎn)生群時(shí)延的不同，形成了偏振模色散，見(jiàn)圖。由于引起偏振模色散的因素是隨機(jī)產(chǎn)生的，因而偏振模色散是一個(gè)隨機(jī)量。4）、碼間干擾（ISI）在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，色散將導(dǎo)致14碼間干擾，下面將解釋碼間干擾現(xiàn)象。光纖通信都采用脈沖編碼形式，即傳輸一系列的“1”，“0”光脈沖。實(shí)際光源是非零譜寬的，光源輸出的光信號(hào)被電脈沖進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。所謂光的強(qiáng)度（光強(qiáng)）是指單位面積上的光功率。強(qiáng)度調(diào)制即是使光波的強(qiáng)度與調(diào)制信號(hào)電流成正比地變化。調(diào)制信號(hào)具有調(diào)制光源的每一波長(zhǎng)成分。圖中描述的是兩個(gè)光脈沖的情況，光脈沖寬度為T(mén)，光纖的輸入脈沖波形較窄。設(shè)光譜的最快和最慢波長(zhǎng)為λ1、λ3，其光脈沖譜寬為?λ=λ3-λ1。不同波長(zhǎng)在光纖中的傳輸速度不同，設(shè)λ1和λ3分別是最快和最慢的波長(zhǎng)。其它波長(zhǎng)的傳輸速度介于這兩個(gè)極端情況之間。當(dāng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后，各個(gè)波長(zhǎng)以稍有差別的時(shí)間到達(dá)光纖終端，即有時(shí)延差ΔT。由