1光纤结构和类型
光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴
圆柱形电介质波导,如图1所示。纤芯材料主要成分 为掺杂的5102,含量达99.999%,其余成分为极少量的 掺杂剂如Geo:等,以提高纤芯的折射率。纤芯直径约 为8林m一100林m。包层材料一般也为5102,外径为 125林m,作用是把光强在纤芯中。为了增强光纤的 柔韧性、机械强度和耐老化特性,还在包层外增加一 层涂覆层,其主要成分是环氧树醋和硅橡胶等高分子 材料。光能量主要集中在纤芯传输。包层为光的传输 提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。 根据光纤横截面上折射率的径向分布情况,把光
纤可以粗略地分为阶跃型和渐变型两种。作为信息传 输波导,实用光纤有两种基本类型,它们是多模光纤 和单模光纤。图1表示光线在不同种类光纤纤芯中传 播的路径由于色散引起的输出脉冲相对于输人脉冲 的展宽△:,以及其横截面的折射率分布。 1.1多模光纤
可以传播数百到上千个模式的光纤,称为多模
(Multimode)光纤。根据折射率在纤芯和包层的径向分 布情况,又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。 阶跃(51,StepIndex)多模光纤折射率在纤芯n,保
持不变,到包层突然变为nZ,如图1(a)所示。阶跃多模 光纤一般纤芯直径Za=50~100林m,光线以曲折形状传 播,因光纤色散使输出脉冲信号展宽必丁二)最大,相应 的带宽大约只有10MHz·km,通常用于短距离传输。
技术讲座/TEC扭帕LOGYFOR姗
色散,所以带宽很宽。但是随之出现的问题是,因单模 光纤芯径很小,所以把光祸合进光纤很困难。那么是 不是制造一种光纤,既没有模间色散,带宽较宽,芯径 较大,又使光祸合容易,我们说这就是如图1向所示的
渐变折射率多模光纤,简称渐变多模光纤。 我们可以这样理解阶跃多模光纤存在的模间色
散,在图1(a)中,代表各模的光线以不同的路经在纤芯 内传输,在传输速度相同的情况下(均为c/nl,。是自由 空间光速),到达终点所需的时间也不同。例如,编号为 1的光线直线传输,路经最短,到达光纤末端所需的时 间最短;编号为3的光线曲折传输,路经最长,到达末 端所需的时间最长。所以这些光线经接收机内的光电 探测器变成各自的光电流,这些光电流在时域内叠加 后,从而使输出脉冲相对于输人脉冲展宽了△、。 渐变(GI,GradedIndex)多模光纤折射率n,不象阶 跃多模光纤是个常数,而是在纤芯中心最大,沿径向 往外按抛物线形状逐渐变小,直到包层变为n:,如图 1伪)所示。这样的折射率分布可使模间色散降低到最 小,其理由是,虽然各模光线以不同的路经在纤芯内 传输,但是这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数, 所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的 光线速度最慢(因nl。最大,所以速度clnJ洲最小); 光线3到达终点传输的距离最长,但是它的传输速度 最快(因nl。最小,所以速度c/nl。最快),这样一来到 达终点所需的时间几乎相同,输出脉冲展宽不大。 1.2单模光纤
只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。标准单 模(SM,SingleMode)光纤折射率分布和阶跃型光纤相 吨李翔盔
(a)夕,<0c(b)临界角已=氏(c)全反射6:>氏
图2光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小 的介质,出现三种不同的情况
似,只是纤芯直径比多模光纤小得多,模场直径只有9 一romm,光线沿轴线直线传播,如图1(c)所示,因色散 使输出脉冲信号展宽必玩)最小。
事实上,为调整工作波长或改变色散特性,可以
设计出各种结构复杂的单模光纤。已经开发的有色散 移位光纤、非零色散移位光纤、色散补偿光纤,以及在 1.55卜m衰减最小的光纤等。
表l阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较 多多多模光纤纤阶跃跃
单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单单模光纤纤阶阶阶跃多模光纤纤渐变多模光纤纤纤
ddd二(nl一司In,,0.02220.015550.00333
芯芯径Za(林m)))1oooo625558.3(MFD二9.3))) 包包层直径(卜m)))14DDD12555,12555 NNNAAA0333026660.111
带带宽x距离离(20一l(X))MHZ·kmmm哪一3)GHz·kmmm<3.sp以(km·nm)))
或或色散散散散>100(Gb儿)·kmmm
衰衰减(dBlkm)))850nm:4一666850nm:333850nm:1.888 11111300nm:0.7一11113(X)nm:0.6一lll13(X)nm:03444 巧巧巧巧50nrn:0.333巧50llnl二0222 应应用光源源LEDDDLED,LDDDLDDD
典典型应用用短距离或或本地网、宽域网网长距离通信信 用用用户接人网网或中等距离离离 2光纤传输原理
光波从折射率较大的介质人射进人折射率较小 的介质时,在边界将发生反射和折射,当入射角超过 临界角时,将发生全反射,如图2(c)所示。光纤传输电 磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的全反 射条件外,还需满足传输过程中的相干加强条件。因 此,对于特定的光纤结构,只有满足一定条件的电磁 波可以在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波 称为光纤模式。光纤中可传导的模式数量取决于光纤 的具体结构和折射率的径向分布。如果光纤中只支持 一个传导模式,则称该光纤为单模光纤。相反,支持多 个传导模式的光纤称为多模光纤。
定义数值孔径(NA,NumeriealAperture)为NA=
幼不丈=nl、厄万,式中△=(nl一nZ)/n,为纤芯与包层相 对折射率差。设△=l%,nl=l.5,得到NA二0.21或ec= 12.10。
因此用数值孔径表示的光线最大人射角。~是 NA.、:‘,,、、sin“萨竺sina~=NA(n0=1时)(l)n0 角度Za~称为人射光线的总接收角,它与光纤
的数值孔径和光发射介质的折射率有关。式(l)只应用 于子午光线入射,对于斜射人射光线,具有较宽的可 接收入射角。多模光纤的大多数导模的人射光线是斜 射光线,所以它对人射光线所允许的最大可接收角要 比子午光线人射的大。
当。=e。时,光线在波导内以人射到纤芯与包层 ‘日范通信教术2003年第2期
阶跃多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散, 光纤带宽很窄;而单模光纤没有模间色散,只有模内 _
2003年第2期龙透信俄术..
交界面,并沿交界面向前传播(折射角为),如图3(b)所 示。当时,光线将折射进人包层并逐渐消失。因此,只 有与此相对应的在半锥角为2的圆锥内人射的光线 才能在光纤中传播。
NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或)越大, 光纤接收光的能力越强,从光源到光纤的藕合效率越 高。对无损耗光纤,在内的入射光都能在光纤中传输。
NA越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能 越好。但NA越大,经光纤传输后产生的输出信号展宽 越大,因而了信息传输容量。所以要根据使用场 合,选择适当的NA。 3光纤传输特性
衰减、色散和带宽是光纤最重要的传输特性。在 传输高强度功率条件下,还要考虑光纤的非线性光学 效应。
图4表示标准单模光纤、色散移位光纤、非零色
散光纤和色散补偿光纤的衰减、色散和折射率分布。 图中用灰色线也画出了标准单模光纤的衰减曲线 数字通信工程师感兴趣的是光纤能够传输的最
大数字速率。这个速率称为光纤的比特率容量B(b/s), 它直接与光纤的色散特性有关。对于归零码,最大比 特率B=0.sl乙丁,八:是色散引起的脉冲展宽。如果输人 信号是模拟信号(如正弦波),B就是频率几对于非归零 码,。所以非归零比特率是归零比特率的两倍。 由于光纤色散,光脉冲经光纤传输后使输出脉冲 4单模光纤种类和应用
自从1970年美国贝尔实验室,根据英籍华人高
馄提出的利用光导纤维可以通信的理论,成功地试制 出用于通信的光纤以来,光纤光缆得到迅速的发展。 30年来,光纤光缆的新产品层出不穷,而且得到通信 业的广泛应用。现就人们目前常用的几种光纤和今后 将广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。
G.652标准单模光纤是指零色散波长在1.3mm窗
口的单模光纤。它的最大缺点是低衰减和零色散不在 同一工作波长上,如图4所示。为此,在上世纪80年 代中期,开发成功了一种把零色散波长从1.3林m移到 1.55林m的色散移位光纤(DSF,Dispersion一Shifted Fiber)。ITU把这种光纤的规范编为G.653。这属于第二 代单模光纤。
然而,色散移位光纤在1.55林m色散为零,不利于 多信道的WDM传输,因为当复用的信道数较多时,信 道间距较小,这时就会发生一种称为四波混频(FWM, Fou:waveMixing)的非线性光学效应,这种效应使两 个或三个传输波长混合,产生新的、有害的频率分量, 导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零, FWM的干扰就会十分严重;如果有微量色散,FWM干 扰反而还会减小。针对这一现象,科学家们研制了一 种新型光纤,即非零色散光纤(NZ一DSD,ITU把这种光 纤的规范编为G.655光纤。
非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤 最好的传输特性,既能用于新的陆上网络,又可对现
有系统进行升级改造,它特别适合于高密度WDM系 统的传输,所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统 的最佳传输介质。AT&T研制的真波光纤(True Wave玛,美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(玩af
Fibef),阿尔卡特的特锐光纤汀eraugllt玛以及国内长飞公司的大保 实光纤等均属于非零色散光纤。它与标准光纤、色散
移位光纤的比较见表2。由表可见,非零色散光纤综合 了常规光纤和色散移位光纤最好的传输特性,是新一 代DWDM光纤通信系统的最佳传输介质,将在大容 量线路中取代色散移位光纤。近年来,非零色散光纤 的用量在逐年增加。
为了满足海底光缆长距离通信的需求,科学家们
开发了一种应用于1.55林m波长的纯石英芯单模光 纤,在该波长附近上的衰减最小,仅为0.185dB瓜m。它 在1.3林m波长区域的色散为零,但在1.55林m波长区 域色散较大,约为(17~20)Ps/(nm·km)。ITU把这种光 纤规范为G.654光纤。 (召白国息可琳 1200130014001500 波长(nm) 6001700
图5光纤的损耗谱和工作窗口
我们知道,光纤在1390nm波长附近,由于OH离
子的作用,产生一个较大的吸收损耗峰。随着工作在 (1290一1660)nm波段的光纤喇曼放大器技术的突破, 为了将DWDM系统应用于城域网,仅使用现有的波 段还是不够的,为此光纤制造商在1380nm波长附近, 把OH离子浓度降到了ro名以下,消除了(1360~
1460)nm波段的损耗峰,使该波段的损耗也降低到0.3 dBlkm左右。该波段就是E波段(Extendedwavelength band),它位于0波段和S波段之间。这样一来,全波光 纤,顾名思义,就是在光纤的整个波段,从1280nm开 始到1675nm终止,都可以用来通信,与常规光纤相 比,全波光纤应用于DWDM,可使信道数增加50%,这 就为DWDM系统应用于城域网创造了条件。 光纤的C波段正好与EDFA工作波段一致,这是 现在常用的光纤波段,通常称为C波段,以它为参考, 比它波长短的称为S段(Short一wavelengthband),比它 长的称为L波段(Long一wavelengthband),比它波长更 长的称为U波段(Ultralongwavelengthband),如表2 和图5所示。
色散补偿光纤(DCF,DispersionCo哪ensating
Fiber)是具有大的负色散光纤,用于对1.3林m标准单 模光纤的色散补偿。表3给出标准光纤、色散移位光 纤、非零色散移位光纤和鱼散补偿光纤的比较。
