第三章光纤传输特性
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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*************************************************************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。
(1)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1.55μm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。
(2)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。
光纤的传输特性光纤的传输特性包括损耗、色散、衰减、偏振和非线性效应等,其中,损耗和色散是光纤最重要的传输特性。
损耗限制系统的传输距离,色散限制系统的传输容量。
(1)光纤的损耗特性。
在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射和辐射的信号功率被认为是损耗。
光纤损耗是光纤传输系统中限制中继距离的主要因素之一。
下表列出了3种石英光纤的典型损耗值。
(2)光纤的色散特性。
色散是光纤的一个重要参数,它会引起传输信号的畸变,使通信质量变差,限制通信容量与距离,特别是对高速和长距离光纤通信系统的影响更为突出。
光纤色散的产生涉及多方面的原因,这里只介绍模式色散、材料色散和波导色散。
①模式色散。
模式色散是指光在多模光纤中传输时会存在许多种传播模式,因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的轴向传输速度,所以虽然在输入端同时发送光脉冲信号,但光脉冲信号到达接收端的时间却不同,于是产生了时延,使光脉冲发生展宽与畸变。
②材料色散。
材料色散是由构成纤芯的材料对不同波长的光波所呈现的不同折射率造成的,波长短则折射率大,波长长则折射率小。
就目前的技术水平而言,光源尚不能达到严格单频发射的程度,因此无论谱线宽度多么狭窄的光源器件,它所发出的光也会包含多根谱线(多种频率成分),只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。
每根谱线都会受到光纤色散的作用,而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变进行理想均衡,故会产生脉冲展宽现象。
③波导色散。
波导色散是指由光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。
波导结构是指光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。
这种色散通常很小,可以忽略不计。