光纖的傳輸原理和傳輸特性

1．概述

（1）光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是一種引導光沿特定方向傳播的同心圓柱體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。中心部分是纖芯，其折射率是n1，纖芯外面的部分是包層，其折射率是n2。纖芯的折射率n1高于包層的折射率n2，從而形成一種光波導效應，使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸，實現(xiàn)光信號的長距離傳輸。外面的護套層僅起到保護作用，不會對光的傳輸產(chǎn)生影響。

圖2 光纖的基本結(jié)構(gòu)

光纖的幾何尺寸很小，纖芯直徑一般為5～50μm，包層的外徑為125μm，包括防護層整個光纖的外徑，也只有250μm左右。

常用的構(gòu)成纖芯和包層的材料是高純度的石英（SiO2），它是生活中玻璃的主要成分。不過必須在石英中加入少量不同的摻雜劑，用以增大或減小石英的折射率，才能作為纖芯或包層材料，常見的摻雜劑有二氧化鍺（GeO2）、三氧化二硼（B2O3）等。

（2）光纖的分類

按照折射率分布不同，可將光纖分為兩類：階躍型光纖（SIF）和漸變型光纖（GIF）。階躍型光纖又稱為均勻光纖，其纖芯折射率是常數(shù)，而漸變型光纖的纖芯折射率是漸變的，不過階躍型光纖和漸變型光纖的包層折射率都是常數(shù)。

按照光纖材料不同，可將光纖分為四類：石英光纖、石英芯-塑料包層光纖、多成分玻璃光纖和塑料光纖。其中，石英光纖損耗最低，在光纖通信中應用最廣泛，本章的論述主要是針對石英光纖的。

按照傳輸模式不同，可將光纖分為兩類：單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，為4～10μm，只能傳輸單一模式，可以完全避免模式色散，適用于大容量、長距離的光纖通信。多模光纖的纖芯直徑較大，約為50μm，在一定的工作波長下可以傳輸多種模式，但會產(chǎn)生模式色散，限制傳輸距離，其優(yōu)點是制造、耦合、連接都比單模光纖容易，適用于短距離通信及局域網(wǎng)等場合。

（3）光纖的標準

目前，國際上光纖主要采用國際電信聯(lián)盟的ITU-T的G系列。與之對應，我國的光纖標準為國家標準GB/T 15912系列和信息產(chǎn)業(yè)部頒布的通信行業(yè)標準YD/T系列，具體如下。

①G.651：定義了漸變折射率多模光纖，主要是指0.85μm和1.31μm的多模光纖。

②G.652：普通單模光纖，指零色散波長在1.31μm窗口的單模光纖。

③G.653：色散位移光纖，在G.652光纖的基礎(chǔ)上，將零色散點從1.31μm窗口移動到1.55μm窗口，解決了1.55μm波長的色散對單波長高速系統(tǒng)的限制問題。但光纖非線性效應導致的四波混頻在G.653光纖上對DWDM系統(tǒng)的影響嚴重，故G.653并沒有得到廣泛推廣。

④G.654：截止波長位移型單模光纖。這種光纖通過特殊設(shè)計使在1.55μm處的損耗系數(shù)降為0.185dB/km，這主要是為滿足海底光纖長距離通信的要求。

⑤G.655：非零色散位移光纖。這種光纖是在1.55μm窗口有合理的、較低的色散，能夠降低四波混頻和交叉相位調(diào)制等非線性影響，同時能夠支持長距離傳輸，而盡量減少色散補償。

（4）光纜

光纜最主要的技術(shù)要求是保證光纖在制造成纜、敷設(shè)，以及在各種使用環(huán)境下光纖的傳輸性能不受影響并具有長期穩(wěn)定性。

①光纜的主要特性。

機械性能：包括抗拉強度、抗壓、抗沖擊和彎曲性能。

溫度特性：包括高溫和低溫特性。

重量：每公里重量（kg/km）。

尺寸：外徑尺寸。

這些特性中最關(guān)鍵的是機械性能，目的是保持光纜在各種敷設(shè)條件下都能為纜芯提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機械強度，故必須采用加強芯和光纜保護層。

②光纜的結(jié)構(gòu)。

纜芯：光纜結(jié)構(gòu)中的主體，其作用主要是妥善地安置光纖的位置，使光纖在各種外力影響下仍能保持優(yōu)良的傳輸性能。多芯光纜還要對光纖進行著色以便于識別。另外，為防止氣體和水分子浸入，光纖中應具有各種防潮層并填充油膏。

加強元件：有兩種結(jié)構(gòu)方式，一種是放在光纜中心的中心加強件方式，另一種是放在護層中的外層加強方式。

光纖護層：同電纜護層一樣，是由護套等構(gòu)成的多層組合體。護層一般分為填充層、內(nèi)護套、防水層、緩沖層、鎧裝層和外護套等。

③光纜的分類。

從光纜的纜芯結(jié)構(gòu)劃分，可分為層絞式、骨架式、帶狀光纖和束管式四大類。我國和歐亞各國多采用前兩種結(jié)構(gòu)。

從光纜的應用角度劃分，可分為中繼光纜、海底光纜、用戶光纜、局內(nèi)光纜、無金屬光纜、復合光纜及野戰(zhàn)光纜等?？筛鶕?jù)其應用場合選擇以上四類結(jié)構(gòu)的光纜。

2．光纖的傳輸原理

（1）光纖的導光原理

光纖通信的基本問題是研究光信號如何在光纖中傳輸。

由于光具有波粒二象性，即波動性和粒子性，指的是光波既能像波一樣向前傳播，有時又表現(xiàn)出粒子的特性。這里避開用麥克斯韋方程組這種復雜的方法來解釋光的傳播特性，將光看成一條光線，即用幾何光學的方法來分析其傳播特性。當光從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的分界面上會發(fā)生反射和折射，如圖3所示。若入射光在分界面處被全部發(fā)射回第一種介質(zhì)中，則稱為全反射現(xiàn)象。

圖3 光線在界面上的反射與折射

光線在兩介質(zhì)界面處發(fā)生全反射必須滿足以下兩個條件。

①光線必須由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，即n1﹥n2。

②入射角必須大于其臨界角，即θc﹤θ1﹤90°。

這里臨界角。

由光纖的結(jié)構(gòu)可知，光纖纖芯的折射率n1高于包層的折射率n2，當激光被耦合進入纖芯后，只要到包層和纖芯界面的入射角大于臨界角，就會發(fā)生全反射，使光束在包層和纖芯的界面之間來回反射，從而使光束在光纖中傳輸下去。光纖的導光原理如圖4所示。

圖4 光纖的導光原理

根據(jù)光的反射和折射定理可知，當光線的入射角滿足下式時，可在光纖中傳播。

式中，［插圖］，是光纖纖芯和包層的相對折射率差。

若光纖外為空氣，則有n0=1，就有

（2）光纖的數(shù)值孔徑（NA）

定義滿足入射條件的最大入射角的正弦，即sinθmax為光纖的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture），記為NA，即

數(shù)值孔徑NA是光纖的一個極為重要的參數(shù)，反映了光纖捕捉光線的能力。

NA越大，光纖捕捉光線的能力就越強，光纖與光源之間的耦合效率就越高。理論上講，光纖的相對折射率差Δ應當取得大一些，但Δ太大會導致光纖嚴重的多徑色散。實際工程中，單模光纖的NA取值在0.1左右，多模光纖的NA取值在0.2左右。

3．光纖的傳輸特性

（1）光纖的損耗特性

光纖損耗的定義：光纖中傳播的光信號能量隨著傳播距離而不斷衰減。

光纖損耗的影響：決定了光信號在光纖中最大的傳輸距離。

光纖損耗的分類：吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。其中，吸收損耗與光纖材料有關(guān)。例如，石英光纖本身的損耗主要由光纖的本征吸收、瑞利散射、雜質(zhì)吸收等因素構(gòu)成。

石英光纖的損耗隨工作波長的變化如圖5所示。通常將石英光纖的通信波段劃分為三個波段，即850nm附近的短波長段、1310nm附近和1550nm附近的長波長段。

圖5 石英光纖的損耗特性

目前光纖采用的低損耗光譜如表1所示。光纖的第一低損耗窗口位于850nm附近，第二低損耗窗口位于1310nm附近（即S波段），第三低損耗窗口位于1550nm附近（即C波段）。1561～1625nm范圍定義為L波段或第四窗口。朗訊1998年推出了全波光纖即低水峰光纖，使1383nm的水峰幾乎不存在（衰減小于0.31dB/km），打開了光纖的第五窗口，即E波段（1350～1450nm）。

表1 目前光纖采用的低損耗光譜

（2）光纖的色散特性

光纖色散的定義：不同頻率（或波長）的電磁波以不同的相速度和群速度在媒質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象。

光纖色散的影響：會導致光脈沖在傳播過程中展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號的碼間串擾，從而限制光纖通信系統(tǒng)的帶寬及容量。

光纖色散的分類：一類是波長色散，它與波長相關(guān)；另一類是模式色散，它與光波波長無關(guān)，是由于不同模式在光纖中具有不同的傳播速度，因此造成光脈沖的展寬。

多模光纖中，模式色散起決定性作用，它最終限制了光纖的傳輸帶寬，所以高速傳輸系統(tǒng)和長途通信線路中只用單模光纖作為傳輸介質(zhì)。

單模光纖中，一般不存在模式色散，僅存在波長色散。這主要是由于光源發(fā)出的光脈沖不可能是單色光，即使是單色光，由于光波上調(diào)制的信號存在一定的帶寬，這些不同波長或頻率成分的光信號在光纖中傳播時也會因速度不同引起光脈沖的展寬。由于光波的波長不同，其顏色也不同，因此又將這種色散稱為色度色散。

（3）光纖的非線性特性

光纖非線性效應：當注入光纖的光功率較小時，光纖是線性介質(zhì)，光纖的各個參量隨光場強弱作線性變化；當光功率較大時，光纖將出現(xiàn)非線性變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是過大的光功率注入使得光纖介質(zhì)產(chǎn)生了電偶極子，電偶極子反過來與光波產(chǎn)生相互調(diào)制，在光功率小時引起小的振蕩即線性響應，在光功率大時引起大的振蕩產(chǎn)生非線性響應。

光纖非線性的影響：產(chǎn)生功率損耗，引起各波長間的串擾，導致光信號傳輸失真。

光纖非線性的分類：受激拉曼散射、受激布里淵散射、四波混頻效應和交叉相位調(diào)制等。
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