從理論基礎上分析光纖特點及性能

摘要：通信工程中，最基本的物質材料是光纖，光纖是通信工程中不可缺少的材料，對于它的原理、概念、傳輸的特性等，都是每一位通信專業學生必須熟識的，只有徹底了解這些，才方便以后的各種設計。本文就從這些方面進行論述。

關鍵詞：通信工程；物質材料；光纖；傳輸性能；設計方便

【中圖分類號】 TN929【文獻標識碼】 A【文章編號】 1671-1297（2012）11-0351-02

20世紀90年代中期以前的光線通信系統事以電時分復用為基礎的單波長系統，在新一代超高速光線通信系統中，最具代表性的成就是指在2000年，光波分復用系統使用波分復用技術在一根光纖上實現了3.28Tb/s的傳輸速率。光波分復用的突出優點是可有效地利用單模光纖地損耗區所帶來的巨大帶寬資源，明顯提高系統的傳輸容量，同時將相應增加的成本降到很低的程度。目前，“摻鉺光纖放大器+密集波分復用+非零色散光纖+光子集成”正成為國際上長途高速光纖通信線路的主要技術方向。同時，光交叉鏈接設備和光分插復用設備以及基于波長選路的密集波分復用全光網正在大力研究和試驗。此外，新型的光器件，新興的技術和新型的系統也都層出不窮，并獲得迅速發展。

一光纖的概念及原理的介紹

光纖，是由纖芯和包層兩部分組成的。纖芯區域完成光信號的傳輸，包層則是將光封閉在纖芯內，并保護纖芯，增加光纖的機械強度。

目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃，但兩區域中摻雜情況不同，因而折射率也不同。纖芯的折射率一般是1.463～1.467，包層的折射率是1.45～1.46左右。也就是說，纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。這就滿足了全反射的一個條件。當纖芯內的光線入射到纖芯與包層的交界面時，只要其入射角大于臨界角，就會在纖芯內發生全反射，光就會全部由交界面偏向中心。當碰到對面交界面時，又全反射回來，光纖中的光就是這樣在芯包交界面上，不斷地來回全反射，傳向遠方，而不會漏射到包層中去。

光獨立傳播定律認為，從不同光源發出的光線，以不同的方向通過介質某點時，各光線彼此互不影響，好像其他光線不存在似的。

光的直線傳播和折射、反射定律認為，光在各向同性的均勻介質（折射率n不變）中，光線按直線傳播。光在傳播中遇到兩種不同介質的光滑界面時，光發生反射和折射現象。光在均勻介質中的傳播速度為：V=c/n。（式中c是光在真空中的傳播速度，n是介質的折射率）反射定律為反射線位于入射線和法線所決定的平面內，反射線和入射線處于法線的兩側，反射角等于入射角。折射定律為折射線位于入射線和法線所決定的平面內，折射線和入射線位于法線的兩側。

光在傳播過程中，若從一種介質傳播到另一種介質的交界面時，因兩種介質的折射率不等，將會在交界面上發生反射和折射現象。一般將折射率較大的介質稱為光密媒質，折射率小的稱為光疏媒質。

為了保證光信號在光纖中能進行遠距離傳輸，一定要使光信號在光纖中反復進行全反射，才能保證衰減最小，色散最小，到達遠端。實現全反射的兩個條件為：一定要使光纖纖芯的折射率n1大于光纖包層的折射率n2；光入光纖的光線向纖芯一包層界面入射時，入射角應大于臨界角。

二光纖的傳輸特性

1.損耗特性。

由于損耗的存在，在光纖中傳輸的光信號不管是模擬信號還是脈沖信號，其幅度都要減小。衰減是光纖的一個重要的傳輸參數。它表明了光纖對光能的傳輸損耗、光纖每單位長度的損耗，直接關系到光纖通信系統傳輸距離的長短，對光纖質量的評定和對光纖通信系統的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。

形成光纖損耗的原因很多，既有來自光纖本身的損耗，也有光纖與光源的藕合損耗以及光纖之間的連接損耗。光纖本身損耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗兩類。吸收損耗是光波通過光纖的材料時，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，主要有本征吸收和雜質吸收。本征吸收是指光纖基本材料固有的吸收。本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收下限。對于石英光纖，本征吸收有兩個吸收帶；一個是紫外吸收帶，一個是紅外吸收帶。

光纖中的雜質吸收有鐵、鉻、銅等過渡金屬離子和氫氧根離子吸收。目前過渡金屬離子含量可以降低到0.4ppb以下，1ppb表示質量的十億分之一，吸收峰損耗也可降低到1dB/km以下。由氫氧根離子產生吸收峰出現在950mm、1240mm和1390mm波和附近。其中以1390mm的吸收峰影響最為嚴重。一般氫氧根離子的含量可降低到l0.5dB/km以下。目前采用特殊的生產工藝幾乎可以完全消除光纖內部的氫氧根離子，從而可以制成一個無水峰光纖，也稱全波光纖。散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導的光發生散射而產生的損耗。

2.色散特性。

光纖色散是光纖通信的最重要的傳輸特性之一。在光纖中由于不同成分的光信號有不同的傳輸速度。因而有不同的時間延時而產生的一種物理效應。

在光纖中，不同速率的信號傳過同樣的距離需要不同的時間，從而產生時延差.時延差越大，色散越嚴重，因此可用時延差表示色散的程度。由干光纖中色散的存在，將直接導致光信號在光纖傳輸過程中的畸變，會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產生碼間干擾.增加誤碼率，從而限制了通信容量和傳輸距離。因此制造優質的、色散小的光纖，對于通信系統容量和加大傳輸距離是非常重要的。

從光纖色散產生的機理來看，它包括模式色散、材料色散和波導色散3種。模式色散：在多模光纖中由于各傳輸模式的傳輸路徑不同，各模式到達出射端的時間不同，從而引起光脈沖展寬，由此產生的色散稱為模式色散。

材料色散：光纖材料石英玻璃的折射率對不同的傳輸光波長有不同的值，包含有許多波長的太陽光通過棱鏡以后可分成7種不同顏色就是一個證明。由于上述原因，材料折射率隨光波長而變化從而引起脈沖展寬的現象稱為材料色散。

波導色散：由于光纖的纖芯與包層的折射率差別很小，因而在界面產生全反射現象時，有一部分光進入到包層之內。由于出現在包層內的這部分光，大小與光波長有關，這就相當于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。具有一定波譜線寬的光源所發出的光脈沖射入到光纖后，由于不同波長的光其傳輸路程不完全相同，所以到達光纖出射端的時間也不相同，從而使脈沖展寬。具體說入射光的波長越長，進入到包層的光強比例就越大，傳輸路徑距離越長。由上述原因所形成的脈沖展寬現象叫做波導色散。

材料色散和波導色散都與光波長有關，所以又統稱為波長色散。模式色散僅在多模光纖中存在，在單模光纖中不產生模式色散，而只有材料色散和波導色散。通常各種色散的大小順序是模式色散>材料色散>波導色散，因此多模光纖的傳輸帶寬幾乎僅由模式色散所制約。在單模光纖中由于沒有模式色散，所以它具有非常寬的帶寬。色散的單位是指單位光源光譜寬度、單位光纖長度所對應的光脈沖的展。

3.光纖的型號介紹。

在這里主要介紹GYTA單模光纖。GYTA光纜的結構是將250？m光纖套入高模量材料制成的松套管中，松套管內填充防水化合物。纜芯的中心是一根金屬加強芯，對于某些芯數的光纜來說，金屬加強芯外還需擠上一層聚乙烯（PE）。松套管圍繞中心加強芯絞合成緊湊和圓形的纜芯，纜芯內的縫隙充以阻水填充物。涂塑鋁帶（APL）縱包后擠制聚乙烯護套成纜。8、12代表是8芯和12芯，B1代表G.652類是常規單模光纖。

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作者簡介：余明善（1991～），漢族，湖北荊州人，現為華中科技大學文華學院信息學部09級通信工程專業2班學生。