光纤的特性

光纤的特性
4. 1.2光纤的色散特性
色散是光纤作为传输介质的另一重要特性，色散及相应的 脉冲展宽限制了光纤的传输容量。因此，千方百计抑制、补偿 光纤的色散，是提高系统性能，实现大带宽、高速率、长距离 信号传输的关键问题。近代光纤通信的飞速发展，始终伴随着 色散问题的不断探索与解决。正是在损耗与色散两大关键问题 的突破解决之后，才实现了光纤的低损耗、大带宽、高速率、 长距离的传输特性。 1.光纤色散的概念与影响 光纤色散是指光纤对在其中传输的光脉冲的展宽特性，它是 由于光纤中传输信号的不同频率(波长)成分与不同模式成分的 群速不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。 色散将使光纤中传输的无论是脉冲信号还是模拟信号均要发生 波形畸变。
图2. 6表示了单模光纤传输条件下，输人光脉冲信息、形成的脉冲 展宽及其对通信带来的严重影响后果。图2. 6(a)表示单模光纤传输 系统;图2. 6(b)表示光纤输人端输人的数码1011;图2. 6 (c)表示传输 距离L,后，由于每个脉冲展宽，“11”两脉冲波形相互搭接，已较难 分辨(易造成误码);图2. 6(d)表示传输距离L:后，脉冲展宽结果的 “1011”数码信号已完全不能分辨，通信失效。因此，为了保证通 信质量，对色散造成的脉冲展宽必须加以限制，即对光纤能传输的 最高数码率Bu.加以限制。如果输人理想矩形脉冲，其脉冲宽度△t， 则为保证传输过程中相邻脉冲间不搭接，脉冲展宽显然必须簇≤△t。 光纤中允许的最大数码率与光纤频带宽度之间的具体关系，尚同选 择的调制码型有关，留待尔后讨论。
色散的优质光纤，对增加通信容量、延长通信距离是十分重
要的
分析表明，实际光源(如半导体激光器与发光二极管)发出的
并非单一波长的光，而是以几。为中心波长的一个波谱，即
具有一定的谱线宽度。通常以光强下降到最大值一半时的谱
宽△ 来定义光源的谱线宽度，称为光源的半功率线宽
(FWHP)。不同光源的谱宽是不同的，但不同光源的谱宽均
信号波形畸变将导致传输的光脉冲在时域展宽而强度降低，
从而使误码率增加，通信质量下降。为保证通信质量，则势
必要加大相邻信息码之间的距离，这将限制通信容量;而且
由于光纤的色散具有均匀性和累加性，传输距离越长，脉冲
展宽与衰减也越严重，因而色散将限制信号在光纤中的最大
无中继传输距离。由此可见，解决色散补偿问题，制造出低
2.光纤色散的机理与类型 光信号通过光纤传输引起光信号畸变、脉冲展宽。由于光
信号能量是由不同频率和模式成分共同承载的，因而引起色散 的原因与机理也是多方面的。色散的主要机理与类型包括:多模 光纤的模式色散(或称模间色散);由于光纤材料固有的折射率对 波长依赖性而产生的波导色散;以及单模光纤中两种不同偏振模 式传输速度不同而引起的偏振色散。
光纤总的色散是由上述各种色散综合作用的结果，但对不同 类型光纤，所存在的色散类型是有差别的。例如:对阶跃多模光 纤，存在模式色散、材料色散、波导色散;对单模光纤，则 没有模间色散，而只存在材料色散、波导色散、偏振色散。其 中，单模光纤的偏振色散内容将在尔后有关光纤的偏振特性中 讨论。另外，材料色散与波导色散均属于频率色散，即是由于 相位常数随频率(或波长)的变化而引起的色散，故又可称为 “光谱色散”或“色度色散”。以下分别介绍各种类型的色散。
(1)模式(模间)色散 多模光纤中，即使对同一波长，不同传输模式仍具有不同的群速
度，即传播速度不同，由此引起的脉冲展 m,称s 为“模式色散”。
在多模光纤中，模式色散引起的脉冲展宽是各种色散因索中影响最 严重的一种。并且，传输的模式越多，脉冲展宽也越严重;另外，在 多模光纤中，渐变折射率多模光纤由于其自聚焦效应，色散性能得 到一定程度的改善，因而其模式色散的脉冲展宽较阶跃折射率光纤 的脉冲展宽可减小约两个数量级。 以多模阶跃折射率光纤为例，对模式色散进行时域分析。在全部传 导模中，低阶模(基模)近乎与光轴平行传播，传播速度快(如LPG;模 远离截止，传播最快)，最先到达出射端;而最高阶模其传播角几乎 等于全反射临界角，传播速度最慢，因而最后到达出射端。在弱波 导近似条件下，基模与最高阶模通过L(km)长度光纤，其传播的最
应满足
1
0
。当用信号脉冲调制光强时，送人光纤的被
调制波谱的能量是由不同频率(波长)成分和不同模式成分承载着、 并沿光纤传输的。例如，对单模光纤只激发出基模;对多模光纤则 激发出多种模式，它们各有不同的传输速度，即群速不同。因而 在到达光纤终端时，各种成分(如不同波长、不同模式)间产生时间 差，速度快的先到，速度漫的后到，结果导致脉冲展宽，引起复 杂的光纤色散现象。可以认为群时延是以单位时间度量的实际脉 冲宽度。
为改善阶跃多模光纤的色散性能，20世纪80年代推出并商用化的 渐变折射率多模光纤，通过适当选择光纤折射率分布形式，可以 大大减小直径达数十微米的光纤模式色散，从而显著地提高多模 光纤的传输容量与工作带宽。理论计算可以证明，渐变折射率多 模光纤的最大时延差应为
mg
Ln12 2c
(4.15)
Hale Waihona Puke 比较(4.15)式与(4.13)式，可以看出，由于△是在。. O1数量级，因 而渐变折射率多模光纤的脉冲展宽较阶跃折射率多模光纤的脉冲展 宽改善了两个数量级，工作带宽也有相应程度的提高。实际渐变折 射率光纤的脉冲展宽值可下降至0.2~1 ns/km，相应的带宽一长度 的乘积为0. 5-2. 5 GHz*km。
大时延差即脉冲展宽,m应s 为
ms
Ln1 c
(4.13)
式中，L为光纤长度，△为芯与包层相对折射率差。
单位长度((km)光纤的脉冲展宽 0 。即“特征色散”应为
0Lmsn1 c(n/skm ) （4.14）
例如，若n1=1.50, △ =1. 0%，则 0 =50（ns/km）表明模式色散
的值已很大，若要减小其值，则需尽量减小△值。由于脉冲展宽波 形畸变乃至重叠，可能造成传输信号的相互干扰甚至无法接收。为 此，必须保证有较大的脉冲间隔(例如，按上述计算脉冲间隔应在 50 ns以上)。因此，阶跃折射率多模光纤的带宽容量与传输速率受 到严重制约。在多模光纤中，其总的脉冲展宽主要取决于模群间时 延差。