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光纤的传输特性
光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性,色散特性和非线性效应。
光纤的损耗特性
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概念:光波在光纤中传输,随着传输距离的增加光功率逐渐下降。
衡量光纤损耗特性的参数:光纤的衰减系数(损耗系数),定义为单位长度光纤引起的光功率衰减,单位为dB/km。其表达式为:
式中求得波长在λ处的衰减系数;Pi表示输入光纤的功率,Po表示输出光功率,L为光纤的长度。
光纤的损耗特性曲线
?损耗直接关系到光纤通信系统的传输距离,是光纤最重要的传输特性之一。自光纤问世以来,人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作,1.31μm光纤的损耗值在0.5dB/km以下,而1.55
μm的损耗为0.2dB/km以下,接近了光纤损耗的理论极限。总的损耗随波长变化的曲线,叫做光纤的损耗特性曲线—损耗谱。
?从图中可以看到三个低损耗“窗口”:850nm波段—短波长波段、1310nm波段和1550nm波段—长波长波段。目前光纤通信系统主要工作在1310nm波段和1550nm波段上。
光纤的损耗因素
光纤损耗的原因主要有吸收损耗和散射损耗,还有来自光纤结构的不完善。这些损耗又可以归纳以下几种:
1、光纤的吸收损耗
光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的,把光能以热能的形式消耗于光纤中,是光纤损耗中重要的损耗。包括:本征吸收损耗;杂质离子引起的损耗;原子缺陷吸收损耗。
2、光纤的散射损耗
光纤内部的散射,会减小传输的功率,产生损耗。散射中最重要的是瑞利散射,它是由光纤材料内部的密度和成份变化而引起的。物质的密度不均匀,进而使折射率不均匀,这种不均匀在冷却过程中被固定下来,它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小,带有随机起伏的不均匀物质时,改变了传输方向,产生散射,引起损耗。另外,光纤中含有的氧化物浓度不均匀以及掺杂不均匀也会引起散射,产生损耗。
3、波导散射损耗
交界面随机的畸变或粗糙引起的模式转换或模式耦合所产生的散射。在光纤中传输的各种模式衰减不同,长距离的模式变换过程中,衰减小的模式变成衰减大的模式,连续的变换和反变换后,虽然各模式的损失会平衡起来,但模式总体产生额外的损耗,即由于模式的转换产生了附加损耗,这种附加的损耗就是波导散射损耗。要降低这种损耗,就要提高光纤制造工艺。对于拉得好或质量高的光纤,基本上可以忽略这种损耗。
4、光纤弯曲产生的辐射损耗
光纤是柔软的,可以弯曲,可是弯曲到一定程度后,光纤虽然可以导光,但会使光的传输途径改变。由传输模转换为辐射模,使一部分光能渗透到包层或穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉,从而产生损耗。当弯曲半径大于5~10cm时,由弯曲造成的损耗可以忽略。
分类引起原因
分类
引起原因
影响
红外吸收(分子振动引起)
本征损耗(光
本征吸
收
8-12μm,对光纤通信影响不大
紫外吸收(电子跃迁引起)
0.7-1.1μm,对光纤通信有一定影响
纤固有的损
耗,无法避免本征散瑞利散射(材料折射率的不均匀
长波长瑞利散射减小
决定光纤的
射 性引起)
损耗极限)
非固有损耗 杂质吸 过渡金属离子和离子影响较大 离子的振动吸收造成0.95μm,1.24μm,1.39μm收 处出现损耗峰
(由材料和
波导散
工艺引起) 射
宏观上的不均匀 可以通过改善制造工艺解决
形成光纤损耗的原因很多,其损耗机理复杂,计算也比较复杂。降低损耗主要依赖于工艺的提高、相对材料的研究等。
光纤的色散特性
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概念:光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的,不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同,从而导致信号畸变的一种现象。
在数字光纤通信系统中,色散使光脉冲发生展宽。严重时,会导致光脉冲前后相互重叠,造成码间干扰,增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量,也限制了光纤通信系统
的中继距离。
光纤色散的表示法常用的表示方法有三种:
1、色散系数D(λ):单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差,其公式为:
式中, 为单位长度光纤上的时延差,单位是ps/km; 是光源上的线宽,单位为nm。
2、最大时延差重。
:描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差,时延差越大色散越严
3、光纤带宽:用光纤的频率特性来描述光纤的色散。经理论推导,光纤的带宽和时延差的关系为:
式中,B为光脉冲为高斯形,光功率下降3dB时的光纤每公
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