光纤的传输与非线性特性Word下载.docx

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0引言：

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低很多，所以光纤被用作长距离的信息传递。

对于光纤的传输特性，传输损耗，与非线性传输特性成为了探讨的主要问题。

1 

光纤的损耗特性

光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，造成光纤损耗的原因很多，其损耗机理也很复杂。

图1

Fig.1

1.1 

吸收损耗

由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者为本征吸收损耗，后者为杂质吸收损耗。

1.1.1 

本征吸收损耗

短波长区，主要是紫外吸收的影响，长波长区，主要是红外吸收的影响。

紫外吸收损耗

由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。

在

范围内引起的损耗小于

。

红外吸收损耗

由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。

石英光纤的工作波长不能大于

紫外和红外吸收损耗，构成了光纤的本征吸收损耗，它是材料本身所固有的，只有改变材料成分才能有微小改变。

因此，在光纤制造过程中可以通过合理地选择光纤的掺杂材料来减小本征吸收损耗。

表明：

当工作波长较长时，掺

杂质的光纤材料是最理想的。

用

材料制成的单模光纤，在

波长处测得的损耗仅为

本征吸收损耗的结论为，本征吸收损耗在光纤通信系统工作波长范围内的影响并不明显但是这种衰耗限制了光纤通信系统的工作波长向紫外和更长的波段延伸。

图2

Fig.2

1.1.2杂质吸收损耗

光纤中的氢氧根离子和过渡金属离子造成的损耗，过渡金属离子比较容易去除，过渡金属离子包括：

铁（Fe）、铜（Cu）、钒（V）、钴（Co）、镍（Ni）、锰（Mn）和铬（Cr），在光通信使用的波长范围内有强烈的吸收作用。

当要求损耗低于

时，过渡金属离子浓度不能超过几个ppb（十亿分之一）。

目前在高纯度的石英光纤中可达到此纯度，因此过渡金属离子的影响很小。

氢氧根离子含量低，但吸收影响较大，不过，随着科技的发展和工艺的不断提高，

的含量将不断降低。

当降到

时,在

微米波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如下图所示虚线所示的曲线，

波长窗口和

波长窗口不再被

吸收峰隔开，因此，可以得到一个很宽的低损耗波长窗口，有利于波分复用。

图3

Fig.3

1.1.3 

原子缺陷吸收损耗

通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为

左右。

原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量使之减小到可以忽略不计的程度。

1.2 

散射损耗

光线通过均匀透明介质时，从侧面是难以看到光线的。

如果介质不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧面清晰地看到光束的轨迹。

这是由于介质中的不均匀性使光线朝四面八方散开的结果，这种现象称之为散射。

散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。

散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗。

1.2.1 

线性散射损耗

任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。

线性散射损耗包括瑞利散射和光纤结构不完善引起的散射损耗（波导散射损耗）。

瑞利散射

瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。

从图3-1中可以看到这种损耗随着波长的增加而急剧减小。

从图4还可以看出，对于短波长光纤损耗主要取决于瑞利散射损耗。

值得强调的是：

瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。

在光纤的拉制过程中，玻璃处在熔融状态，其分子处在无规则的热运动状态。

加热过程提供了热运动能量。

当熔融石英冷却时，热运动强度也随之降低。

达到固态时，随机分布的分子定位在玻璃中。

这种随机分布导致了玻璃密度的涨落，从而产生折射率的涨落。

这种密度涨落就像是在某种均匀物质中随机掺入了某种小颗粒。

这种颗粒的尺寸远小于光波长。

当光线通过这种结构的材料传播时，有一部分光能量会由于颗粒的影响而发生散射，这种损耗为瑞利散射。

这种散射完全由光纤的材料决定，对于给定的玻璃材料，要制造出比这个损耗值更低的光纤是不可能的。

图4

Fig.4

光纤结构不完善引起的散射损耗（波导散射损耗）

在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化，圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等。

这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。

随着工艺的改进，损耗可以降低到

的范围之内。

1.2.2非线性散射损耗

光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别称为受激喇曼散射和受激布里渊散射。

在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。

1.3 

弯曲损耗

光纤的弯曲有两种形式，分别是宏弯和微弯。

宏弯：

曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲；

微弯：

光纤轴线产生微米级的弯曲。

光纤弯曲会造成模式转换，低阶模转成高阶模，从而造成损耗增大，若导模转换为辐射模，则造成辐射损耗。

另一种解释是弯曲处不满足全反射条件。

宏弯是指大尺度的弯曲，例如将光纤卷绕在轴上或者沿拐角铺设时产生的弯曲。

玻璃光纤很好的柔韧性可以满足光缆铺设时不同场合对各种弯曲程度的要求。

弯曲不仅会带来衰耗，还会降低光纤的抗张强度。

光纤在涂覆保护层以及成缆时容易产生微弯。

图5

Fig.5

1.4光纤损耗系数

为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数（衰减系数）的概念，即传输单位长度（1km）光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用

表示损耗系数，单位是dB/km。

表达式为为：

式中：

L为光纤长度，以km为单位；

和

分别为光纤的输入和输出光功率，以

或

为单位。

如果光纤的输入和输出光功率以dB为单位，则损耗系数

为：

2 

光纤的色散特性

2.1色散的概念

在光纤中，光信号是由很多不同的成分（如不同模式、不同频率）组成的，由于信号的各频率成份或各模式成份的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成份之间出现时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散。

色散的危害：

在数字光纤通信系统中，会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，误码率增大，影响了光纤的传输带宽从而限制了光纤通信系统的传输容量和中继距离。

色散分类：

按色散产生的原因，分为模式（模间）色散、材料色散、波导色散和极化色散。

多模光纤中模式色散占主导地位；

单模光纤中包含材料色散、波导色散和极化色散；

严格地说，极化色散属于模式色散。

2.2 

模式色散

由于射线理论解释：

由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。

常用时延差表示色散程度。

2.2.1 

阶跃型光纤中的模式色散

图6

Fig.6

从射线理论角度，计算模式色散公式为：

在弱导光纤中：

2.2.2 

渐变型光纤中的模式色散

纤芯中折射率服从抛物线分布的光纤的模式色散。

纤芯折射率分布公式：

；

最大模式时延：

最小模式时延：

模式色散为：

折射率为其他指数分布的渐变型光纤的模式色散：

其中，

为光纤的折射率分布指数。

2.2.3 

色散在电磁场的相关概念

无损媒质中的平面波

自由空间:

自由空间是指不存在电荷、电流的空间，在此空间内电磁场不被散射或吸收。

一般情况下自由空间指的是真空。

在真空中的平面波的相速度为：

，各种频率波的传播速度相同，无色散。

有损耗媒质中的平面波

造成媒质损耗的原因：

一是介质中电荷的极化，为了使媒质中的电荷的极化方向与外加时变电场方向相同，需要克服阻力做功消耗的能量。

二是金属中的自由电子、半导体中的电子空穴对、电解质中的离子在外加电场作用下会产生欧姆损耗。

这两方面的原因导致了媒质中的介电常数是复数：

，相应的损耗角为：

，相应的传播常数为：

弥散或者色散