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1、論光在光纖通信中的傳輸特性摘要光纖通信作為一門新興技術(shù),其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的,也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會(huì)中各種信息的主要傳輸工具。本文針對(duì)光纖通信的傳輸特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探析。關(guān)鍵詞光纖通信傳輸1.光纖通信技術(shù)簡(jiǎn)介光纖即為光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。光纖通信是以光波作為信息載體,以光纖作為傳輸媒介的一種通信方式。從原理上看,構(gòu)成光纖通信的基本物質(zhì)要素是光纖、光源和光檢測(cè)器。光纖除了按制造工藝、材料組成以及光學(xué)特性進(jìn)行分類外,在應(yīng)用中,光纖常按用途進(jìn)行分類,可分為通信用光纖和傳感用光纖。傳輸介質(zhì)光纖又分為通用與專用兩種,
2、而功能器件光纖則指用于完成光波的放大、整形、分頻、倍頻、調(diào)制以及光振蕩等功能的光纖,并常以某種功能器件的形式出現(xiàn)。2.光纖通信的傳輸特性光纖傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和帶寬特性(即色散特性),光纖特性的好壞直接影響光纖通信的中繼距離和傳輸速率(或脈沖展寬),因此它是設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)。2.1.光纖的損耗特性光波在光纖傳輸過程中,其強(qiáng)度隨著傳輸距離的增加逐漸減弱,光纖對(duì)光波產(chǎn)生的衰減作用稱為光纖損耗。使用在系統(tǒng)中的光纖傳輸線,其損耗產(chǎn)生的原因,一方面是由于光纖本身的損耗,包括吸收損耗、瑞利散射損耗、以及因結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗;另一方面是
3、由于作為系統(tǒng)傳輸線引起的彎曲損耗等。2.1.1.吸收損耗吸收損耗意味光波傳輸過程中,有一部分光能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。包括光纖玻璃材料本身的固有吸收損耗,以及因雜質(zhì)引起的吸收損耗。光纖材料的固有吸收又叫本征吸收,在不含任何雜質(zhì)的純凈材料中也存在這種吸收。固有吸收有兩個(gè)吸收帶,一個(gè)吸收帶在紅外區(qū),吸收峰在波長8mm~12mm范圍,它的尾部拖到光通信所要用的波段范圍,但影響不大;另一個(gè)吸收帶在紫外區(qū),吸收峰在0.1mm附近,吸收很強(qiáng)時(shí),它的尾巴會(huì)拖到0.7mm~1.1mm波段里去。對(duì)物質(zhì)固有吸收來說,在遠(yuǎn)離峰值區(qū)域的1.0mm~1.6mm波段范圍內(nèi),固有吸收損
4、耗為低谷區(qū)域。雜質(zhì)吸收損耗是由光纖材料中鐵、鈷、鎳、鉻、銅、釩、鎂等隨遇金屬離子以及水的氫氧根離子的存在造成的附加吸收損耗。目前光纖制造工藝對(duì)于金屬離子雜質(zhì)的提純已經(jīng)不成問題,可以使它們的影響減到最小;但是氫氧根的影響比較大,這是因?yàn)樵诠饫w材料中,以及在光纖制造過程中含有大量的水分,提純中極難清除干凈,最后以氫氧根的形式殘留在光纖內(nèi)。殘留于光纖內(nèi)的氫氧根離子,使得在波長在0.94mm、1.24mm和1.38mm附近出現(xiàn)吸收諧振峰,峰值大小與氫氧根離子濃度密切相關(guān)。為減小氫氧根離子的影響,工作波長必須避開吸收峰諧振區(qū)域,為此將工作波長選擇在0.85m
5、m、1.3mm和1.55mm附近。2.1.1.瑞利散射損耗當(dāng)光波照射到比光波長還要小的不均勻微粒時(shí),光波將向四面八方折射,這一物理現(xiàn)象以發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的物理學(xué)家的名字命名,稱為瑞利散射。在光纖中,因瑞利散射引起的光波衰減稱為瑞利散射損耗。產(chǎn)生瑞利散射損耗的原因是在光纖制造過程中,因冷凝條件不均勻造成材料密度不均勻,以及摻雜時(shí)因材料組分中濃度漲落造成濃度的不均勻,以上兩種不均勻微粒大小在與光波長可相比擬的范圍內(nèi),結(jié)果都產(chǎn)生折射率分布不均勻,從而引起瑞利散射損耗。瑞利散射是固有的,不能消除。但由于瑞利散射的損耗系數(shù)與光波長的四次方成反比,隨著工作波長的增
6、加,瑞利散射損耗會(huì)迅速降低。因此遠(yuǎn)距離的光纖通信常應(yīng)用長波長段波長。摻雜(如摻鍺)會(huì)對(duì)瑞利散射的增加有影響。2.1.2.因結(jié)構(gòu)不均勻的散射損耗這種散射損耗是由于光纖結(jié)構(gòu)的缺陷產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷包括光纖芯子與包層交界面的不完整,存在微小的凹凸缺陷,以及芯徑與包層直徑的微小變化和沿縱軸方向形狀的改變等,他們將引起光的散射,產(chǎn)生光纖傳輸模式散射性的損失。不斷提高光纖的制造工藝,采用現(xiàn)代化監(jiān)測(cè)控制技術(shù),可以使結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗越來越小。現(xiàn)在的光纖制造工藝已經(jīng)非常先進(jìn),這種損耗已經(jīng)做到0.02dB/km以下,并可達(dá)到忽略不計(jì)的程度。2.1.3.輻射損耗彎
7、曲損耗是一種輻射損耗。它是由于光纖的彎曲所產(chǎn)生的損耗,當(dāng)光纖在集束成纜或在光纖、光纜的敷設(shè)、施工、接續(xù)中造成光纖的彎曲,其彎曲的曲率半徑小到一定程度時(shí),芯子內(nèi)光射線不滿足全反射條件,使部分光功率由傳輸模式轉(zhuǎn)為輻射模式而造成的損耗。彎曲的曲率半徑越小,造成的損耗越大。一般認(rèn)為,當(dāng)光纖彎曲的曲率半徑超過10cm時(shí),彎曲所造成的損耗可以忽略。因此,在工程中必須要保證光纜和光纖在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)的彎曲曲率半徑限值要求,通常動(dòng)態(tài)時(shí)的曲率半徑限值要大于靜態(tài)時(shí)的曲率半徑限值,這是為了確保在施工過程中不會(huì)發(fā)生光纖斷裂損傷。2.1.光纖的色散特性光纖色散是制約光傳輸系統(tǒng)
8、中繼距離和通信容量的另一個(gè)主要因素。光纖中傳送的光信號(hào)是由不同的頻率成分和不同的模式成分組成的,它們有不同的傳播速度,將會(huì)