光纖傳輸特性與其測(cè)量方法分析

摘 要 光纖是光纖通信的重要材料，信號(hào)在其中的傳輸會(huì)伴隨失真和損耗，為保證系統(tǒng)的性能，對(duì)光纖特性的研究尤為重要。本文主要對(duì)光纖傳輸特性中的光纖損耗和光纖色散進(jìn)行研究分析，首先對(duì)兩種傳輸特性的產(chǎn)生機(jī)理與表示方法進(jìn)行探討，再對(duì)它們的測(cè)量方法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 光纖通信;傳輸特性;光纖色散;光纖損耗

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種業(yè)務(wù)對(duì)于通信質(zhì)量的需求也逐漸增長(zhǎng)，其中光纖通信提高了信息傳輸速率，成為主要通信方式之一。光纖通信技術(shù)是以光纖作為傳輸媒介，而影響光纖通信質(zhì)量的一個(gè)因素是光纖傳輸特性。光纖特性在構(gòu)造光纖通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工藝以及制造的過程等方面十分重要，因此對(duì)于其特性參數(shù)及測(cè)量方法的研究有助于提高通信質(zhì)量。

1光纖的傳輸特性

1.1 光纖的色散特性

光纖的色散會(huì)造成信號(hào)失真，它是光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，由于成分不相同的光擁有不同的傳播速率和頻率成分而造成的一種效應(yīng)，這種特性在頻域上限制了系統(tǒng)的傳輸帶寬，而在時(shí)域上引起了信號(hào)脈沖的展寬[1]。通常光纖色散可以被分為以下四種類型[2]：

第一種，模式色散，這種色散會(huì)出現(xiàn)在多模光纖傳輸中，與光纖折射率分布有關(guān)。光信號(hào)在多模光纖中傳輸時(shí)，由于各種光纖模式的傳輸相位常數(shù)和到達(dá)時(shí)間的不同，即使它們擁有相同波長(zhǎng)也會(huì)出現(xiàn)信號(hào)脈沖展寬的現(xiàn)象。模式色散一般用時(shí)延差Δτ表示，即高階模式群與低階模式群的到達(dá)時(shí)間的差值。

第二種，材料色散，是由于傳輸媒質(zhì)材料本身特性引起的。在光纖中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)不相同的光，它們傳輸一段距離后的到達(dá)時(shí)間不同，且不同波長(zhǎng)的折射率也不相同，從而造成材料色散。材料色散一般由光纖色散系數(shù)表示。

第三種，波導(dǎo)色散，它與材料色散合稱為色度色散，由在光纖中引導(dǎo)光波傳輸?shù)拿浇楫a(chǎn)生的。對(duì)于結(jié)構(gòu)和形狀不完善的光纖來說，光波傳輸時(shí)會(huì)分散在纖芯和材料外圍的包層中，信號(hào)脈沖展寬正是因?yàn)檫@兩部分的折射率不同而導(dǎo)致的。波導(dǎo)色散一般也由色散系數(shù)來表示。

第四種，偏振模色散，也稱為雙折射色散，是由于受到光纖本身與外部因素影響而引起的。實(shí)際的光纖在制造時(shí)存在一定缺陷，沒有互相垂直的偏振模具有相同傳輸常數(shù)的情況，從而會(huì)有時(shí)延差。

1.2 光纖的損耗特性

系統(tǒng)的傳輸距離在很大程度上由光纖損耗決定，這種損耗是光波隨傳輸距離的增長(zhǎng)以及光纖材料自身缺陷的原因而逐漸衰減的特性。光纖的損耗系數(shù)表示為

其中L（km）是光纖的長(zhǎng)度，輸入光功率和輸出光功率分別表示為Pi和Po。

光纖損耗主要可以分為以下兩個(gè)部分：

第一，吸收損耗，這一部分主要是由于材料本身以及雜質(zhì)對(duì)光能的吸收，量子躍遷所帶來的能量損失，它又可分為固有吸收和雜質(zhì)吸收這兩種形式[3]。固有吸收存在于紅外和紫外兩個(gè)頻段，波長(zhǎng)大于7μm的處于紅外波段，此區(qū)域的吸收是由分子振動(dòng)引起的;波長(zhǎng)小于0.4μm的處于紫外波段，材料電子躍遷會(huì)引起此區(qū)域的吸收。當(dāng)波段吸收帶到一定的程度時(shí)，其尾端能延伸到可見光區(qū)。雜質(zhì)吸收是一些如Fe2+、Co2+等過渡金屬與氫氧根離子躍遷所引起的損耗，過渡金屬離子的含量降低到小于10-9幅度時(shí)，它的影響可以忽略;氫氧根離子的影響難以忽略，它在0.95μm、1.24μm、1.39μm等波長(zhǎng)處形成吸收峰，但在一些其他頻帶的吸收很小，在1.55μm處的吸收最小[3]。

第二，散射損耗，這一部分通常是因材料中的介質(zhì)不均勻和結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)缺陷而產(chǎn)生散射，這會(huì)導(dǎo)致光功率在傳輸過程中產(chǎn)生損耗。其中最重要的是瑞利散射，它就是由于光信號(hào)通過材料內(nèi)部密度不均勻的物質(zhì)，這些微粒的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致某些區(qū)域的折射率不均勻分布，因此產(chǎn)生散射。瑞利散射損耗與波長(zhǎng)有關(guān)，光纖損耗的最低理論極限就取決于它，可用來表示，式中A為瑞利散射系數(shù)，它與纖芯和包層的折射率差有關(guān)[1]。還有一些損耗是由于制造光纖材料的過程中，存在光纖界面不完整、其中殘留氣泡等結(jié)構(gòu)缺陷而引起的散射，這部分損耗與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

2光纖傳輸特性的測(cè)量

2.1 色散測(cè)量

光纖色散的測(cè)量分為時(shí)域和頻域兩類，分別是測(cè)量在光纖中傳輸相同距離的頻率不相同的光脈沖所用的時(shí)延，或測(cè)量頻率不同的光脈沖對(duì)應(yīng)頻域上的相位，常用相移法、脈沖法和干涉法[4]。

在所有測(cè)量方法中，相移法是測(cè)量單模光纖色散的基本方法。它通過計(jì)算不同時(shí)延信號(hào)產(chǎn)生的相位而得到相位差，然后得出光纖色散值。長(zhǎng)L的光纖色散值表示為

式中Δλ兩種通過被測(cè)光纖的受調(diào)制光波的波長(zhǎng)差，ΔФ為相位差，ω是受調(diào)制光波的角頻率。一般為了避免測(cè)量誤差要測(cè)量多個(gè)λ和Ф的值。

2.2 損耗測(cè)量

一般有剪斷法、插入法和后向散射法來測(cè)量光纖損耗，前兩種是測(cè)量光纖的傳輸功率，后者是測(cè)量光纖向后散射的光功率[1]。

截?cái)喾ㄓ脕頊y(cè)量光在光纖中傳輸時(shí)的損耗，通過計(jì)算可獲得光纖損耗系數(shù)，其表達(dá)為

式中，P1和P2分別表示光輸入時(shí)的功率和輸出時(shí)的光功率， L為被測(cè)光纖的長(zhǎng)度[5]。

在實(shí)際中低階模式的損耗小于高階模式，所以光功率與光纖長(zhǎng)度不呈線性的關(guān)系，那么為了得到唯一的表示光纖特性的損耗系數(shù)值就要在測(cè)量前做預(yù)處理，來獲得穩(wěn)態(tài)分布的注入條件。在經(jīng)過處理后的穩(wěn)定條件下，先對(duì)待測(cè)光纖的光功率進(jìn)行測(cè)量，再在保證輸入條件不變的情況下測(cè)被剪后短光纖的光功率，將數(shù)據(jù)帶入計(jì)算損耗系數(shù)的表達(dá)式中得出α的值。

插入法與剪斷法的原理相同，兩者都是根據(jù)光纖衰減系數(shù)的定義進(jìn)行測(cè)量的方法。插入法是將一段短光纖連接在注入裝置與檢測(cè)器之間，先測(cè)出短光纖的光功率，再測(cè)出插入裝置中的待測(cè)光纖的光功率，再由損耗系數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算。

后向散射法是利用光信號(hào)在光纖傳輸中的散射現(xiàn)象，即與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率對(duì)光纖衰減系數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法[1]。經(jīng)過L1和L2兩點(diǎn)的光信號(hào)通過光檢測(cè)器后得到后向散射光功率分別為Pd（L1）和Pd（L2），經(jīng)推導(dǎo)得出的正向和反向平均損耗系數(shù)表達(dá)式為

測(cè)量過程大致為，將采用特定波長(zhǎng)穩(wěn)定的大功率激光器發(fā)出的光源經(jīng)耦合器件后注入待測(cè)光纖中，之后耦合器再將被測(cè)光纖中的反向散射光注入具有高靈敏度的光檢測(cè)器。

3結(jié)束語(yǔ)

光纖通信技術(shù)作為現(xiàn)代通信的重要技術(shù)之一，在很多方面都被運(yùn)用，為了更好地發(fā)展光纖技術(shù)，則需要了解這項(xiàng)技術(shù)中的重要材料。本文就光纖的傳輸特性與其測(cè)量方法進(jìn)行了研究分析，光纖的特性反映了傳輸質(zhì)量，對(duì)其測(cè)量有助于改善光纖通信系統(tǒng)的制造工藝與性能。光纖特性的呈現(xiàn)與測(cè)試條件、測(cè)試技術(shù)、樣品結(jié)構(gòu)等因素都有密切關(guān)系，為獲得更高質(zhì)量的光纖系統(tǒng)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)光纖特性與測(cè)量技術(shù)的研究。

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作者簡(jiǎn)介

張熳瑤（1999-），女，河南洛陽(yáng)人;現(xiàn)就讀學(xué)校：河南大學(xué)，專業(yè)：通信工程。