中級通信傳輸與接入教程精講之光纖的色散與損耗

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       光纖的色散和損耗是限制光無中繼傳輸距離的兩個重要因素。

       光纖色散：

       光信號在光纖中傳輸時幅度會因損耗而減小，波形亦會發(fā)生愈來愈大的失真，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?dāng)_。在光纖傳輸理論中將色散分為模式色散和波長色散。

       1、模式色散。在多模光纖中，光信號耦合進(jìn)光纖以后，會激勵起多個導(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色散不同，它與光源的譜寬無關(guān)。這種與光源譜寬無關(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衡量多模光纖的傳輸容最。

       2、波長色散。單模光纖中不存在模式色散，伹存在波長色散。所謂波長色散是由于光源發(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由于速度不同引起的光脈沖的展寬現(xiàn)象稱為波長色散。

       根據(jù)波長色散的產(chǎn)生機(jī)理，又可以將波長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的變化（是波長的函數(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變寬了。對于普通的單模光纖，材料色散在波長λ=1.27nm左右為零，λ>1.27nm時有正的色散，λ<1.27pm時有負(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)。對于普通的單模光纖，波導(dǎo)色散相對于材料色散較小，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，可通過一定的措施來設(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。

       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衰減，這就是光纖損耗。光纖損耗限制了光纖最大無中繼傳輸距離。

       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），光纖的長度為L,經(jīng)長度L的光纖傳輸后光功率為/Kz=L），由于光功率隨長度是按指數(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的上限：紫外吸收隨波長減小而逐漸變大；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，其大小與光波長的4次方成反比，因而對短波長窗口的影響較大。輻射損耗如光纖的彎曲損耗、微彎損耗等。

       2、光纖的可用頻譜。根據(jù)光纖的光功率損耗，同時考慮到光源、光檢測器和包括光纖在內(nèi)的光器件的使用。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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