基于石英光纖的光信號傳輸研究

摘 要:為提高光信號在石英光纖中的傳輸能力和傳輸效果，通過分析光信號傳輸原理，確定出數值孔徑的范圍，提出實現單模傳輸的三項參數選擇方法，采用不同類型的石英光纖傳輸不同光波長的光信號，達到最佳的傳輸效果。充分使用光信號在石英光纖中的衰減特性和色散特性，達到遠距離、高速率的光信號傳輸能力。

關鍵詞:傳輸原理; 傳輸模式; 傳輸特性; 石英光纖

中圖分類號:TP806 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0095-04

Research on Quartz Fiber-based Optical Signal Transmission

TIAN Guo-dong

(Department of Electronic Intromation， Xi’an Railway Vocational Technical Institute， Xi’an 710014， China)

Abstract: In order to improve transmission capacity and effects of the optical signals in quartz fiber， to identify the scope of numerical aperture by analyzing the optical signal transmission principle， the three parameters selection method tp implement single mode transmission is proposed. The best results were achieved by different types of quartz fiber to transmit the different wavelength optical signals. Attenuation characteristic and dispersion characteristic of optical signal in quartz fiber are used to achieve long-distance and high-speed optical signal transmission capability.

Keywords: trancmission principle; mode of transmission; transmission characteristic; quartz fiber

光纖通信是長距離、大容量的通信方式，它可以高效地傳輸光信號[1]。由于石英光纖的纖芯直徑非常小，造成光信號的耦合困難和傳輸難題，合理選擇折射率、數值孔徑，選擇好不同模式的石英光纖，并充分利用衰減特性和色彩特性才能完成輸送光信號的工作。

1 光信號在石英光纖中的傳播原理

由物理光學可知，光在均勻介質中是沿直線傳播的。但是當光射到兩種不同介質的交界面時，將產生反射和折射，介質的折射率表示介質的傳光能力。某一介質的折射率n等于光在真空中的傳播速度c與在該介質中的傳播速度v之比，即:

n=c/v

(1)

由式(1)可知，折射率不同，光在介質中的傳播速度也不同。折射率越大，光在該介質中的傳播速度越小，相對來說，傳光速度大的(折射率小)介質稱為光疏介質，傳光速度小(折射率大)的介質稱為光密介質。產生全反射必須滿足兩個條件，即:

(1) 光線從光密介質射向光疏介質。

(2) 入射角大于臨射角[2]。

石英光纖由纖芯和包層組成，纖芯直徑為5～75 μm，包層直徑為100～150 μm。纖芯的作用是傳輸光波，包層的作用是將光波封閉在纖芯中。為了只讓光波在纖芯中傳輸，需要使纖芯材料的折射率n1大于包層材料的折射率n2。也就是說纖芯是光密介質，包層是光疏介質。

下面以射線光學的方法闡述光信號在光纖中的導光原理。光信號在突變型光纖中的傳播如圖1所示。突變型光纖的纖芯和包層部分的折射率都是均勻分布的。圖1上有三條在同一子午面上的光線，從空氣中在光纖軸線處以不同的入射角射向光纖的端面。三條光線在空氣-纖芯分界面處發生折射，它們的入射角i0和折射角i遵守折射定律。

n0sin i0=n1sin i

式中:

n0為空氣折射率。三條光線的入射角不同，折射角也不同，折射光在芯層中沿直線傳播。它們傳播到芯層與包層的分界面上時，光線3對于n1-n2界面的入射角較小，將在界面處同時產生反射和折射。反射光能量只占入射光能量的百分之幾。大量的折射光進入包層，然后再折射入高衰耗的涂復層而被吸收，不能在光纖中向遠端傳播。光線2相對n1-n2界面的入射角ic正好等于全反射臨界角，所以它沒有折射逸出，能夠沿纖芯向遠端傳播。光線1相對空氣-玻璃界面的入射角小于in，其相對于n1-n2界面的入射角大于臨界角ic，因而也出現全反射，能夠在光纖中無溢出衰耗地向遠端傳播。

圖1 光信號在突變型光纖中的傳播

由物理光學的全反射條件可以導出n1sin ic=n2，sin ic=n2/n1即cos ic=1-(n2/n1)2。

進一步導出:



NA≡sin in=n1cos ic=n12Δ=n21-n22

(2)

式中:



Δ≡n21-n222n21=(n1+n2)(n1-n2)2n21n1-n2n1

(3)

NA稱為光纖的數值孔徑;Δ稱為光纖的相對折射率差。由式(2)可見，數值孔徑NA只與突變型光纖的纖芯折射率以及纖芯與包層的折射率差相關，所以數值孔徑本質上反映的是光纖的導光性能[3]。

2 光信號在光纖中的傳播模式

按照光的波動理論，光波是波長介于紫外至紅外區的電磁波。光波的模式是電磁場的一種場型。場型是指電場、磁場強度的振幅在空間的穩定分布。無論是突變型光纖，還是漸變型光纖，凡是在in圓錐角內入射的光線都滿足全反射條件，不會出現折射逸出。這些反射光線還必須滿足一定的相位關系才能成為光纖中的傳導模式。這種光線在纖芯與包層界面上來回反射的曲折傳播可看成是沿軸線方向的向前傳播和上下界面來回反射的合成。根據光波的干涉理論，光波在兩個界面間來回反射時，只有當它來回一個周期引入的相移為2π的整數倍時，這種光波在兩界面間才能形成穩定的場型，即成為一種模式。由發送端射入光纖端面只能有一束光線時稱為單模光纖，由發送端同時射入光纖端面可以有多束光線時稱為多模光纖。多模光纖包括高次模、低次模、基模[4]。光纖中容納模式數量用N表示，它與光纖結構參數有關。

(N+1)=4n1aλcos i

(4)

滿足全反射條件的入射角i的最大值為臨界角ic。且cos ic=1-n22/n21。

即:

Nmax+1=4aλn21-n22

(5)

這里定義:



V≡πn(Nmax+1)=2πaλn21-n22=2πλa#8226;NA

(6)

為歸一化頻率，它是表征光纖中允許傳播模式多少的一個參量。對于圓柱形光纖波導，當V<2.405時為單模光纖;當V>2.405時為多模光纖。這里需要指出，單模光纖和多模光纖只是一個相對的概念。判斷一根光纖是不是單模的，除了其本身的結構參數外，還與信號光的波長有關。例如，一根芯徑為9 μm，n1=1.463，n2=1.460的光纖，運用式(6)在不同λ值下計算其歸一化的頻率。λ=1 300 nm時，得出V=2.36<2.405，因而它是單模光纖。當λ=1 200 nm時，算出V=2.56>2.405，因而同一根光纖在較短波長下工作就變成多模光纖了。仍使用上述n1，n2值可計算出光纖的數值孔徑為NA=0.108，此值對應的全反射臨界角已達86°，可以認為能夠在單模光纖上傳播的光線基本上是與光纖軸線平行的[5]。

由式(6)可知，歸一化頻率V與三個參數有關系，分別是光纖的纖芯直徑2a、光信號的傳輸波長λ以及光纖的數值孔徑NA。為了保障石英光纖的單一模式光信號傳輸，就必須使V值減小，因此要求光纖的線芯直徑盡可能小，目前的工藝水平可達到4~9 μm;數值孔徑要盡量地小，也就是說纖芯折射率只能略大于包層折射率;光信號的工作波長要盡可能的大，目前單模光纖選擇1 550 nm。

3 對應不同波長光信號傳輸的單模光纖和多模光纖

在光纖通信中單模光纖和多模光纖都有各自的應用范圍，多模光纖ITU-T建議為G.651光纖;單模光纖ITU-T建議為G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖和G.656光纖。多模光纖芯徑粗，數值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率，在光纖網絡中廣泛應用。 單模光纖是在給定的工作波長上只傳輸單一基模的光纖，在階躍光纖中只傳輸LP01模，在無界平方律折射指數光纖中，只傳輸LP00模。由于單模光纖只傳輸基模，沒有模式色散，頻帶特別寬，尤其適合遠距離、大容量通信[6]。

3.1 多模光纖

根據ITU-T建議，多模光纖定義為G.651光纖。多模光纖的纖芯折射率分布有兩種型式，一種是突變型(也叫階躍型)，另一種是漸變型(也叫梯度型)。突變型多模光纖在纖芯與包層的界面上折射率呈階躍型變化，纖芯的折射率為n1，包層的折射率為n2，且各自恒定不變。漸變型多模光纖的纖芯折射率n1分布則是從纖芯軸到包層交界面逐漸減小，包層的折射率為n2恒定不變。突變型多模光纖有A2，A3，A4三種類型，工作波長是850 nm。主要應用于短距離信息傳輸、樓內局部布線和光纖傳感器等。漸變型多模光纖有A1a(芯徑為(50.0±3) μm)、A1b(芯徑為(62.5±3) μm)、A1c(芯徑為(85.0±3) μm)和A1d(芯徑為(100.0±3) μm)四種類型，工作波長是850 nm和1 300 nm。A1a和A1b型主要應用于數據鏈路和局域網;A1c和A1b型主要應用于局域網和光纖傳感。

3.2 單模光纖

單模光纖的使用波段可劃分為六個[7]。O波段(原始波段，Original)為1 326～1 360 nm;E波段(擴展波段，Extended)為1 360～1 460 nm;S波段(短波段，Short)為1 460～1 530 nm;C波段(常規波段，Conventional)為1 530～1 560 nm;L波段(長波段，Long)為1 565～1 625nm;U波段(超長波段，Ultralong)為1 625～1 675 nm。

G.652常規單模光纖，又稱色散未移位光纖。其中，G.652A支持10 Gb/s系統的傳輸距離可達400 km;支持10 Gb/s以太網的傳輸距離達40 km、支持40 Gb/s系統的距離為2 km。對于G.652B型光纖，必須支持10 Gb/s系統的傳輸距離可達3 000 km以上，支持40 Gb/s系統的傳輸距離為80 km。G.652C型光纖的基本屬性與G.652A相同，但在1 550 nm下的衰減系數更低，而且消除了1 383 nm處的水吸收峰，即系統可以工作在1 360～1 530 nm波段。G.652D型光纖對無水吸收峰光纖的PMDQ提出更嚴的要求，是一種新的光纖類型，屬性與G.652B光纖基本相同，而衰減系數與G.652C光纖相同，即系統可以工作在1 360～1530 nm波段。

G.652常規單模光纖的低衰減區在1 550 nm，零色散區在1310 nm。如果在1 550 nm傳2.5 Gb/s系統，從衰減看，可傳送100 km以上，從色散受限距離看，如果采用外調制技術，能傳送58 km。在實際運用中，應取傳送受限距離最小的58 km作為再生段距離，這樣就白白浪費了42 km。如果將零色散波長移到1 550 nm處，形成低衰減，零色散都在1 550 nm窗口，這種光纖稱為G.653零色散位移光纖。它的傳輸能力為10 000 Mb#8226;km。因此對超大容量超長距離的光纖通信單波系統來說，G.653零色散位移光纖是一個理想的傳輸媒體。G.654光纖稱為截止波長位移單模光纖，也叫1 550 nm低衰減單模光纖，這種光纖在1 550 nm波長區具有極小的衰減，僅為0.15 dB/km，其零色散波長在1 310 nm附近，截止波長可位移較長波長，最佳工作波長范圍為1 500～1 600 nm，具有很好的抗彎曲性能。

G.655光纖在1 550 nm波長上有較小的色散，ITU-T規定1 530～1 565 nm波長范圍內，色散應在0.1～6 ps/(nm#8226;km)之間。第一代G.655光纖主要為C波段(1 530～1 565 nm)通信窗口設計的，它們的色散斜率較大。隨著寬帶光纖放大器(BOFA)的發展，WDM系統已經擴展到L波段(1 565~1 620 nm)。第二代G.655光纖適應了上述要求，具有較低的色散斜率，較好地滿足了密集波分復用(DWDM)的要求。G.655非零色散位移單模光纖已大量用于高速率、大容量、長距離的密集波分復用通信系統中。G.655光纖分為三類，分別是G.655A，G.655B，G.655C光纖[8]。

初期的DWDM系統通常工作在C波段，后來又利用了L波段。為進一步擴大可利用的波長范圍，以增加波道數，人們想到了利用S+C+L三個波段。為了減少系統的麻煩，又讓光纖在這個范圍內的色散變化維持在一個較小的范圍，這就引出了對另一種新型光纖的研究，這種光纖命名為G.656光纖。

4 光信號在石英光纖中的傳輸特性

光信號在石英光纖中的傳輸特性主要包括衰減(或損耗)特性和色散特性。

4.1 光信號在石英光纖中的衰減特性

在光信號沿光纖傳輸的過程中，光能逐漸減小的現象稱為傳輸衰減(或損耗)特性。傳輸衰減是光纖通信的主要傳輸參數之一。傳輸衰減可分為兩部分，即固有衰減和附加衰減。固有衰減是光纖材料本身所決定的衰減，它由吸收衰減和散射衰減兩部分組成。附加衰減是光纖在使用過程中產生的，主要包括彎曲輻射衰減、包層和套層衰減、耦合衰減和接續衰減。

對于不同波長的光信號，在光纖中傳輸時傳輸衰減不同。光信號在石英光纖傳輸衰減隨波長的變化關系稱光纖衰減的頻率(或波長)特性，波長在500～900 nm以及在1 000～1 300 nm范圍內，衰減以瑞利散射衰減為主。在950 nm及1 400 nm附近出現(OH)-1吸收衰減峰。在波長800～900 nm范圍內，衰減在1～2 dB/km，提供了以850 nm為中心的短波長低衰減波段。當光波長增大后，石英光纖(OH)-1根含量很低，小于10-9，吸收峰是由于摻鍺(即以GeO2#8226;SiO2為光纖芯，純SiO2為包層)產生的，是一種從1 000～1 600 nm波段內傳輸衰減都小于1 dB/km的極低衰減長波長寬窗口的光纖，且在1 550 nm處有最低衰減值約0.2 dB/km左右[9]。考慮到光信號的傳輸低衰減特性，在石英光纖中不能傳輸可見光，而只能傳輸近紅外光波。

4.2 光信號在石英光纖中的色散特性

色散是光纖通信的又一個重要參數。光信號在石英光纖中的色散引起傳輸信號的畸變，使通信質量下降，從而限制了通信容量和通信距離。在光信號的損耗已大為降低的今天，色散對光纖通信的影響就顯得更為突出。降低光纖的色散，對增加通信容量，延長通信距離，發展新型光纖通信技術都是至關重要的。

色散的原因:一是光源發出的光并不是單色光;二是調制信號有一定的帶寬。

色散的分類:由不同模式或不同頻率(或波長)成分組成的光信號，在光纖中傳輸時，由于群速度不同而引起信號畸變的物理現象稱為光纖的色散。光纖的色散分為模式色散(或模間畸變)、材料色散以及波導色散。后兩種色散是某一模式本身的色散，也稱模內色散。

色散的危害:光纖的色散導致光信號的波形失真，表現為脈沖寬度，它是光纖的時域特性。對于數字通信系統來講，光信號的脈沖展寬是一項重要的指標。脈沖展寬過大就會引起相鄰脈沖間隙減小，相鄰脈沖將會產生部分重疊而使再生中繼器發生判決錯誤，從而使誤碼率增加，傳輸頻帶變窄，限制了光纖的傳輸容量。

色散的表示方法:常用的色散表示方法有最大時延差用以Δτ，脈沖展寬σ和光纖3 dB帶寬B三種。最大時延差描述光纖中速度最快和最慢光波成分的時延之差。脈沖展寬和光纖帶寬用以描述光纖色散對傳輸信號的影響。將一段光纖看作一個網絡，可用時域法和頻域法分析其色散特性[10]。當在時域分析時，色散影響用脈沖展寬表示，而在頻域分析時，則采用傳輸帶寬表示。

5 結 語

目前，石英光纖對于單一波長的光信號傳輸容量已達到40 Gb/s，并已開始進行160 Gb/s的研究。為了進一步提高石英光纖的光信號傳輸能力，減小SDH傳輸速率的壓力還可以采用波分復用技術，即WDM技術和DWDM(密集波分復用)新技術[11]。目前在一芯石英光纖上傳輸幾十個到上百個不同波長的光信號已經成為現實。

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