通信工程師考試光纖的色散與損耗

  1.2.1光纖的色散與損耗

  光纖的色散和損耗是限制光無(wú)中繼傳輸距離的兩個(gè)重要因素。

  光纖色散

  光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)幅度會(huì)因損耗而減小，波形亦會(huì)發(fā)生愈來(lái)愈大的失真，脈寬展寬，從而限制了光纖的較高信息傳輸速率，這是由光纖的色散引起的。色散是指不同頻率的電磁 波以不同的相速度和群速度在介質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象。色散導(dǎo)致光脈沖在傳播過(guò)程中展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_。在光纖傳輸理論中將色散分為模式色散和波長(zhǎng)色散。

  （1）模式色散。在多模光纖中，光信號(hào)耦合進(jìn)光纖以后，會(huì)激勵(lì)起多個(gè)導(dǎo)波模式。這些模式有不同的相位常數(shù)和不同的傳播速度，從而導(dǎo)致光脈沖的展寬。這種脈沖展寬與波長(zhǎng)色散不同，它與光源的譜寬無(wú)關(guān)。這種與光源譜寬無(wú)關(guān)，僅由傳播模式間相位常數(shù)的差異導(dǎo)致的色散效應(yīng)，稱為模式色散或模間色散。

  如果將不同的導(dǎo)波模式理解為不同的傳播路徑，則可以認(rèn)為不同的導(dǎo)波模式從始端到終端走過(guò)不同的路程，從而導(dǎo)致光脈沖展寬，所以又可以將模式色散稱為多徑色散。在多模光纖中，模式色散是起決定性作用的，它最終限制了光纖的傳輸帶寬和中繼距離，人們常用比特距離積來(lái)衡量多模光纖的傳輸容最。

  （2）波長(zhǎng)色散。單模光纖中不存在模式色散，伹存在波長(zhǎng)色散。所謂波長(zhǎng)色散是由于光源發(fā)出的光脈沖不可能是單色光（而且光波上調(diào)制的信號(hào)存在一定的帶寬），這些不同波長(zhǎng)或頻率成分的光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)由于速度不同引起的光脈沖的展寬現(xiàn)象稱為波長(zhǎng)色散。

  根據(jù)波長(zhǎng)色散的產(chǎn)生機(jī)理，又可以將波長(zhǎng)色散分為材料色散和波導(dǎo)色散等。

  材料色散是由于構(gòu)成光纖的纖芯和包層材料的折射率隨波長(zhǎng)的變化（是波長(zhǎng)的函數(shù)）而 引起的。由于實(shí)際的光源的光譜是有一定的寬度的，不同的波長(zhǎng)由于速度不同相互之間有延遲，從而導(dǎo)致輸入光纖的窄脈沖輸出時(shí)變寬了。對(duì)于普通的單模光纖，材料色散在波長(zhǎng)λ=1.27nm左右為零，λ>1.27nm時(shí)有正的色散，λ<1.27pm時(shí)有負(fù)的色散。

  波導(dǎo)色散趄由于光纖中模式的傳播常數(shù)是頻率的函數(shù)而引起的。它不僅與光源的譜寬有關(guān)還與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如F等）有關(guān)。對(duì)于普通的單模光纖，波導(dǎo)色散相對(duì)于材料色散較小，它與光纖波導(dǎo)參數(shù)有關(guān)，隨h光纖的纖芯、光波長(zhǎng)的減小而變大。波導(dǎo)色散為負(fù)色散。

  （3）色散補(bǔ)償。色散對(duì)光纖通信尤其是高比畤率光纖通信系統(tǒng)的傳輸有不利的影響，可通過(guò)一定的措施來(lái)設(shè)法降低或補(bǔ)償。如采用色散補(bǔ)償光纖（DCF）或色散補(bǔ)償器（如光纖光柵FG）等。

  1.光纖損耗

  （1）光纖損耗。光波在光纖中傳輸一段距離后能量會(huì)衰減，這就是光纖損耗。光纖損耗限制了光纖最大無(wú)中繼傳輸距離。

  光纖損耗用損耗系數(shù)o（A）表示，單位為dB/km,即單位長(zhǎng)度（km）的光功率損耗（dB）值。

  如果注入光纖的功率為MfO），光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng),經(jīng)長(zhǎng)度L的光纖傳輸后光功率為/Kz=L）， 由于光功率隨長(zhǎng)度是按指數(shù)規(guī)律衰減的，引起光纖損耗的主要機(jī)理是光能景的吸收損耗、散射損耗及輻射損耗。吸坆損耗與光纖材料有關(guān)，散射損耗與光纖材料及光波導(dǎo)中的結(jié)構(gòu)缺陷、非線性效應(yīng)有關(guān)，這兩項(xiàng)損耗是光纖材料固有的；輻射損耗則與光纖幾何形狀的擾動(dòng)有關(guān)。

  光纖材料的吸收損耗包括紫外吸收、紅外吸收和雜質(zhì)吸收等。紅外吸收形成了石英光纖工作波長(zhǎng)的上限：紫外吸收隨波長(zhǎng)減小而逐漸變大；而雜質(zhì)吸收典型的是OH吸收峰。

  散射損耗中，典型的如瑞利散射，其大小與光波長(zhǎng)的4次方成反比，因而對(duì)短波長(zhǎng)窗口的影響較大。

  輻射損耗如光纖的彎曲損耗、微彎損耗等。

  光纖的損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系，如圖1-3所示，可見(jiàn)有3個(gè)低損耗窗口，分別位于0.85fim,1.30fim 及1.55|im波段。

  （2）光纖的可用頻譜。根據(jù)光纖的光功率損耗，同時(shí)考慮到光源、光檢測(cè)器和包括光纖在內(nèi)的光器件的使用，目前光纖應(yīng)用的光譜范圍如表1-1所示。光纖的第1低損耗窗口位于0.85nm附近，第2低損耗窗口位于附近（S波段），第3低損耗窗口位于1.55pm附近（C波段）；將1561-1620nm段定義為L(zhǎng)波段或第4窗口，將1350-1450nm段定義為第5窗口。習(xí)慣上將1528-1545nm段稱為藍(lán)波段，將1350-1450nm 段稱為紅波段。

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