單模光纖的參數(shù)及理論分析

1、單模光纖的特性參數(shù)及特性的理論分析陸銳勇 2009012303皖西學(xué)院信息工程學(xué)院通信工程2009級(jí)02班摘要：本文通過(guò)在理論上對(duì)單模光纖的特征參數(shù)(即影響單模光纖的傳輸效率因素)，以及 衰減特性的分析。在單模光纖中存在彎縮損耗，材料對(duì)信號(hào)的吸收及模內(nèi)色散等現(xiàn)象。并結(jié) 合實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范，對(duì)單模光纖的生產(chǎn)要求和研發(fā)趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結(jié)和概述。關(guān)鍵詞：?jiǎn)文９饫w、色散、宏彎損耗、微彎損耗、吸收Abstract： Based in theory of single mode fiber characteristic parameters (i.e. the effects of single mod

2、e optical fiber transmission efficiency factors ), and attenuation characteristics analysis. In a single-mode fiber in the presence of bending loss, material absorbs the signal and intramode dispersion phenomenon. Combined with the practical application of the technical specification for single-mode

3、 fiber, the production requirements and development trend for simple summary and overview.Key words: A single-mode optical fiber, dispersion, macro bending loss, microbending loss, absorption一、光纖的介紹光纖是一種高度透明的玻璃絲，由二氧化硅等高純度玻璃經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)z制成。光纖 從橫截剖面看可以分為三部分，即折射率較高的芯區(qū)、折射率較低的包成、表面涂覆層。包 層和涂覆層的作用是滿足光纖能夠?qū)Ч獾男枨螅?/p>

4、覆層是為了防止光纖表面微小裂紋的擴(kuò) 大，從而增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖的種類(lèi)有很多，根據(jù)光纖中的傳輸模式的多少可以分為單模光纖和多模光纖。單模 光纖指在給定的工作波長(zhǎng)上，只能傳輸單一模式的光纖。因?yàn)閱文９饫w中不存在模式色散， 所以具有幾十吉赫茲以上的傳輸頻段，有利于大容量、長(zhǎng)距離、高碼速的信息傳輸。目前ITU-T已經(jīng)在建議G.652、G.653、G.654、G.655和G,656中分別定義了 5種不同設(shè) 計(jì)的單模光纖。其中G.652光纖是目前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，稱(chēng)為1310nm性能最佳 的單模光纖；G.652光纖還可以分為 G.652.A、G.652.B、G.652.C、G.652.D。二

5、、光纖在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用光纖通信系統(tǒng)主要由發(fā)送端機(jī)、光纖傳輸信道、接收端機(jī)組成。光纖是光纖通信系統(tǒng)中 最重要的組成部分，是光波的傳輸媒介，其傳播特性直接影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量。在最初對(duì)光纖如何對(duì)光進(jìn)行傳導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，所有將光纖用于通信的嘗試都因信號(hào)剛 傳輸幾英尺就完全消失而失敗。即隨著傳輸距離的增加，信號(hào)將發(fā)生衰減和失真，信道的傳 輸特性是影響光纖通信系統(tǒng)性能的決定因素。光纖的主要傳輸特性是損耗和色散。光纖的傳 輸損耗特性用衰減系數(shù)表示，與光線中的雜質(zhì)濃度和光波頻率等因素有關(guān)。三、單模光纖的特征參數(shù)單模光纖的常用特征參數(shù)：衰減系數(shù)、截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑1.衰減系數(shù)a衰減量的大小通常用單位長(zhǎng)度的衰

6、減，即衰減系數(shù)a表示，定義為 a = 10/L lg (Pi/Po) (dB/km)式中L光纖長(zhǎng)度，單位kmPi輸入光纖的光功率PO-一光纖的輸出光功率。截止波長(zhǎng)入c截止波長(zhǎng)是單模光纖所特有的參量，也是單模光纖最基本的參數(shù)，通?？梢杂脕?lái)判斷光 纖中是否為單模工作方式。截止波長(zhǎng)久c的含義是，能使光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)淖钚」ぷ?光波波長(zhǎng)。也就是說(shuō)，盡管其它條件皆滿足，但如果光波波長(zhǎng)不大于單模光纖的截止 波長(zhǎng)，仍不可能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。要保證單模傳輸，光纖的歸一化頻率 V就要足夠小，當(dāng) V減小到高次模LP11的截止頻率2.40483時(shí)，高次模LP11正好截止，光纖中只傳輸基模。 單模光纖工作波長(zhǎng)要大于截止波

7、長(zhǎng)，截止波長(zhǎng)的典型值大于1260nm。場(chǎng)模直徑d場(chǎng)模直徑是衡量基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面內(nèi)特定分布的約束光功率的物理量。對(duì)于階躍型 單模光纖，基模HE11場(chǎng)強(qiáng)在光纖截面的分布近似高斯分布。通常將纖芯中場(chǎng)分布曲線最大 值的1/e處所對(duì)應(yīng)的寬度定義為場(chǎng)模直徑。ITU-T規(guī)定，在1.31|J m波長(zhǎng)上，場(chǎng)模直徑的標(biāo) 稱(chēng)值在910p m，容差為土川m。四、階躍型折射率單模光纖的衰減特性分析單模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)情況下，只傳輸基模的光纖。在階躍折射率單模光纖中只 傳輸HE1。由于單模光纖只傳輸基模，無(wú)模式色散，因此，其頻帶寬，非常適合高速率、 遠(yuǎn)距離傳輸。在行一根光纖中發(fā)射光進(jìn)行信息傳輸時(shí)，衰減是指由除了

8、開(kāi)始沒(méi)有滿足全反射條件外 的原因所造成的能量損耗。造成光纖衰減主要有吸收衰減和散射衰減。吸收衰減是因?yàn)椴牧?吸收而導(dǎo)致部分光功率變成熱量而使光功率減少。散射衰減主要來(lái)自纖芯折射率的不均勻 性、芯包邊界邊界的不規(guī)則、宏彎損耗以及輸入輸出之間的耦合損耗。一般的散射衰減包括 宏彎損耗和微彎損耗，一般在實(shí)際應(yīng)用中只標(biāo)明宏彎損耗，將微彎損耗計(jì)算在總衰減中。一般光纖損耗（Loss）定義為光纖輸出端功率Pout與發(fā)射到光纖時(shí)的功率Pin的比值。Loss = Pout / Pin式中功率以W為單位。在通信技術(shù)中常用分貝（db）來(lái)測(cè)量衰減，上式是總衰減的計(jì)算公 式，衰減顯然是和光纖的長(zhǎng)度L成正比。光纖通信技術(shù)還

9、有一個(gè)定義單位衰減公式A（dB/km） = Loss（dB） / 光纖長(zhǎng)度（km）A （dB/km）被稱(chēng)為衰減，是光纖最重要的特征之一，有時(shí)也被稱(chēng)為光纜損耗因子。1、散射在光纖的加工制造過(guò)程中，高透明度的光纖中不會(huì)有微粒雜質(zhì)，但是可能存在折射率的細(xì)微 變化。這種細(xì)微變化會(huì)被傳輸?shù)墓庖暈楣庾璧K，導(dǎo)致光的初始方向發(fā)生改變。光離開(kāi)纖芯方 向造成光散射損耗（瑞利色散）。一般光纖散射也稱(chēng)為內(nèi)部損耗，指一束以小于或者等于臨 街角的方向進(jìn)行傳播的光在遇到障礙物后會(huì)改變其方向。散射效應(yīng)破壞了在纖芯包層邊界保 持全內(nèi)反射的條件，部分光穿出纖芯，從而造成傳輸功率的損耗。這種損耗對(duì)硅制單模光纖 的最小衰減加以絕對(duì)的

10、限制。2、階躍折射率光纖的彎曲損耗彎曲損耗是單模光纖和多模光纖的一個(gè)主要區(qū)別，兩類(lèi)損耗均由纖芯模場(chǎng)限制決定。纖 芯限制模場(chǎng)越緊，彎曲損耗就越小。（1）宏彎損耗單模光纖要比多模光纖對(duì)彎曲更敏感。光纖的彎曲會(huì)造成高斯曲線的中心偏移到包層的 外側(cè)，從而造成模場(chǎng)的重新分布，于是曲線就不再是高斯曲線。結(jié)果在包層外側(cè)出現(xiàn)較長(zhǎng)的 “尾巴”，即中心偏移。為了使偏離光纖中心的光傳播更長(zhǎng)的距離，該部分的尾巴必須以比光束其他部分更快的 速度傳播。偏離中心越大，它的速度也就應(yīng)該越快。偏離光纖中心的光信號(hào)的速度就必須大 于光速，這就意味尾巴要損耗掉，所以，光束功率會(huì)損耗掉一部分，衰減將會(huì)增長(zhǎng)。在高斯 模型中，當(dāng)模場(chǎng)直徑

11、MFD比較大的時(shí)候宏彎損耗也較大。因?yàn)镸FD依賴(lài)波長(zhǎng)，所以宏彎 損耗也依賴(lài)波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越短場(chǎng)模直徑越小，單模光纖的宏彎敏感性也就越小。還有，工作波 長(zhǎng)越長(zhǎng)（在1600nm范圍內(nèi)），光纖所經(jīng)歷的衰減就越小。所以，一個(gè)單模光纖中的宏彎損 耗隨著彎曲半徑的減少和工作波長(zhǎng)的增加而增長(zhǎng)。（2）微彎損耗單模光纖中微彎損耗是由于光纖的中心軸線圍繞理論筆直的位置所發(fā)生的微小變化而 產(chǎn)生的。在單模光纖中，對(duì)微彎損耗的敏感性隨著波長(zhǎng)的增加有所增長(zhǎng)，原因在于較長(zhǎng)的波 長(zhǎng)會(huì)使MFD增加，導(dǎo)致更多的功率輻射到纖芯外面。產(chǎn)生這些中心軸線的微小變化在于制 造光纜的工程中施加在光纖上的壓力和熱力的影響，同時(shí)，微彎損耗隨著溫度和

12、熱應(yīng)力的變 化而變化。3、吸收在光纖傳輸中，如果光（光子流）所擁有的頻率具有的能量等于材料的能級(jí)距離，這種 光會(huì)被材料吸收。這種吸收導(dǎo)致光功率的損耗，而減少損耗可以通過(guò)改變光的頻率或改善材 料。材料的主要吸收波峰在945nm、1240nm、1380nm處。在實(shí)際應(yīng)用中，改善材料的方法 已經(jīng)達(dá)到極限，我們只能通過(guò)改變光的頻率。符合需求的光波長(zhǎng)有三個(gè)吸收較小的區(qū)域，分 別位于850nm附近，1300nm附近和1500nm附近，這三個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為透明窗口。4、其他衰減因素單模光纖存在模內(nèi)色散，即存在于一個(gè)模式中的色散，這也是單模光纖中主要帶寬的限 制因素。產(chǎn)生模內(nèi)色散的主要因素有兩個(gè)：色度色散和偏振模式色散。凹陷包層折射可能發(fā)生功率泄露，原因是包層外部的折射率比包層內(nèi)部的折射率要高。 改善此問(wèn)題的方法是，凹陷包層的工作波長(zhǎng)應(yīng)該在截止波長(zhǎng)和某個(gè)更高值之間進(jìn)行選擇。五、光纖的設(shè)計(jì)趨勢(shì)現(xiàn)在的光線設(shè)計(jì)根據(jù)光纖的特性，光纖的發(fā)展趨勢(shì)包括:繼續(xù)改善已制成的光纖的特性； 研制具有內(nèi)置色散補(bǔ)償能力的新型光纖；進(jìn)一步加強(qiáng)光纖的有效區(qū)域，使更多的功率得到發(fā) 射而不引起非線性效應(yīng)；研制專(zhuān)用光纖，例如PM