摘 要:為提高光信號(hào)在石英光纖中的傳輸能力和傳輸效果，通過分析光信號(hào)傳輸原理，確定出數(shù)值孔徑的范圍，提出實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)娜?xiàng)參數(shù)選擇方法，采用不同類型的石英光纖傳輸不同光波長(zhǎng)的光信號(hào)，達(dá)到最佳的傳輸效果。充分使用光信號(hào)在石英光纖中的衰減特性和色散特性，達(dá)到遠(yuǎn)距離、高速率的光信號(hào)傳輸能力。

關(guān)鍵詞:傳輸原理; 傳輸模式; 傳輸特性; 石英光纖

中圖分類號(hào):TP806 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(zhǎng)距離、大容量的通信方式，它可以高效地傳輸光信號(hào)[1]。由于石英光纖的纖芯直徑非常小，造成光信號(hào)的耦合困難和傳輸難題，合理選擇折射率、數(shù)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(hào)的工作。

1 光信號(hào)在石英光纖中的傳播原理

由物理光學(xué)可知，光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的。但是當(dāng)光射到兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)，將產(chǎn)生反射和折射，介質(zhì)的折射率表示介質(zhì)的傳光能力。某一介質(zhì)的折射率n等于光在真空中的傳播速度c與在該介質(zhì)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(zhì)中的傳播速度也不同。折射率越大，光在該介質(zhì)中的傳播速度越小，相對(duì)來說，傳光速度大的(折射率小)介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，傳光速度小(折射率大)的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)。產(chǎn)生全反射必須滿足兩個(gè)條件，即:

(1) 光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。

(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(zhì)，包層是光疏介質(zhì)。

下面以射線光學(xué)的方法闡述光信號(hào)在光纖中的導(dǎo)光原理。光信號(hào)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(fā)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(shí)，光線3對(duì)于n1-n2界面的入射角較小，將在界面處同時(shí)產(chǎn)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(jìn)入包層，然后再折射入高衰耗的涂復(fù)層而被吸收，不能在光纖中向遠(yuǎn)端傳播。光線2相對(duì)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(yuǎn)端傳播。光線1相對(duì)空氣-玻璃界面的入射角小于in，其相對(duì)于n1-n2界面的入射角大于臨界角ic，因而也出現(xiàn)全反射，能夠在光纖中無溢出衰耗地向遠(yuǎn)端傳播。

圖1 光信號(hào)在突變型光纖中的傳播

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

進(jìn)一步導(dǎo)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(shù)值孔徑;Δ稱為光纖的相對(duì)折射率差。由式(2)可見，數(shù)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(guān)，所以數(shù)值孔徑本質(zhì)上反映的是光纖的導(dǎo)光性能[3]。

2 光信號(hào)在光纖中的傳播模式

按照光的波動(dòng)理論，光波是波長(zhǎng)介于紫外至紅外區(qū)的電磁波。光波的模式是電磁場(chǎng)的一種場(chǎng)型。場(chǎng)型是指電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅在空間的穩(wěn)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(nèi)入射的光線都滿足全反射條件，不會(huì)出現(xiàn)折射逸出。這些反射光線還必須滿足一定的相位關(guān)系才能成為光纖中的傳導(dǎo)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(jù)光波的干涉理論，光波在兩個(gè)界面間來回反射時(shí)，只有當(dāng)它來回一個(gè)周期引入的相移為2π的整數(shù)倍時(shí)，這種光波在兩界面間才能形成穩(wěn)定的場(chǎng)型，即成為一種模式。由發(fā)送端射入光纖端面只能有一束光線時(shí)稱為單模光纖，由發(fā)送端同時(shí)射入光纖端面可以有多束光線時(shí)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(shù)量用N表示，它與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

(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(gè)參量。對(duì)于圓柱形光纖波導(dǎo)，當(dāng)V<2.405時(shí)為單模光纖;當(dāng)V>2.405時(shí)為多模光纖。這里需要指出，單模光纖和多模光纖只是一個(gè)相對(duì)的概念。判斷一根光纖是不是單模的，除了其本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與信號(hào)光的波長(zhǎng)有關(guān)。例如，一根芯徑為9 μm，n1=1.463，n2=1.460的光纖，運(yùn)用式(6)在不同λ值下計(jì)算其歸一化的頻率。λ=1 300 nm時(shí)，得出V=2.36<2.405，因而它是單模光纖。當(dāng)λ=1 200 nm時(shí)，算出V=2.56>2.405，因而同一根光纖在較短波長(zhǎng)下工作就變成多模光纖了。仍使用上述n1，n2值可計(jì)算出光纖的數(shù)值孔徑為NA=0.108，此值對(duì)應(yīng)的全反射臨界角已達(dá)86°，可以認(rèn)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(gè)參數(shù)有關(guān)系，分別是光纖的纖芯直徑2a、光信號(hào)的傳輸波長(zhǎng)λ以及光纖的數(shù)值孔徑NA。為了保障石英光纖的單一模式光信號(hào)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(dá)到4~9 μm;數(shù)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(hào)的工作波長(zhǎng)要盡可能的大，目前單模光纖選擇1 550 nm。

3 對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)光信號(hào)傳輸?shù)膯文９饫w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(yīng)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(shù)值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率，在光纖網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。 單模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)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(shù)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(yuǎn)距離、大容量通信[6]。

3.1 多模光纖

根據(jù)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(zhǎng)是850 nm。主要應(yīng)用于短距離信息傳輸、樓內(nèi)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(zhǎng)是850 nm和1 300 nm。A1a和A1b型主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈路和局域網(wǎng);A1c和A1b型主要應(yīng)用于局域網(wǎng)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(gè)[7]。O波段(原始波段，Original)為1 326～1 360 nm;E波段(擴(kuò)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(guī)波段，Conventional)為1 530～1 560 nm;L波段(長(zhǎng)波段，Long)為1 565～1 625nm;U波段(超長(zhǎng)波段，Ultralong)為1 625～1 675 nm。

G.652常規(guī)單模光纖，又稱色散未移位光纖。其中，G.652A支持10 Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離可達(dá)400 km;支持10 Gb/s以太網(wǎng)的傳輸距離達(dá)40 km、支持40 Gb/s系統(tǒng)的距離為2 km。對(duì)于G.652B型光纖，必須支持10 Gb/s系統(tǒng)的傳輸距離可達(dá)3 000 km以上，支持40 Gb/s系統(tǒng)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(shù)更低，而且消除了1 383 nm處的水吸收峰，即系統(tǒng)可以工作在1 360～1 530 nm波段。G.652D型光纖對(duì)無水吸收峰光纖的PMDQ提出更嚴(yán)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(shù)與G.652C光纖相同，即系統(tǒng)可以工作在1 360～1530 nm波段。

G.652常規(guī)單模光纖的低衰減區(qū)在1 550 nm，零色散區(qū)在1310 nm。如果在1 550 nm傳2.5 Gb/s系統(tǒng)，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(diào)制技術(shù)，能傳送58 km。在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)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(fèi)了42 km。如果將零色散波長(zhǎng)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(duì)超大容量超長(zhǎng)距離的光纖通信單波系統(tǒng)來說，G.653零色散位移光纖是一個(gè)理想的傳輸媒體。G.654光纖稱為截止波長(zhǎng)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(zhǎng)區(qū)具有極小的衰減，僅為0.15 dB/km，其零色散波長(zhǎng)在1 310 nm附近，截止波長(zhǎng)可位移較長(zhǎng)波長(zhǎng)，最佳工作波長(zhǎng)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(zhǎng)上有較小的色散，ITU-T規(guī)定1 530～1 565 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，色散應(yīng)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(shè)計(jì)的，它們的色散斜率較大。隨著寬帶光纖放大器(BOFA)的發(fā)展，WDM系統(tǒng)已經(jīng)擴(kuò)展到L波段(1 565~1 620 nm)。第二代G.655光纖適應(yīng)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(fù)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(zhǎng)距離的密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)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(tǒng)通常工作在C波段，后來又利用了L波段。為進(jìn)一步擴(kuò)大可利用的波長(zhǎng)范圍，以增加波道數(shù)，人們想到了利用S+C+L三個(gè)波段。為了減少系統(tǒng)的麻煩，又讓光纖在這個(gè)范圍內(nèi)的色散變化維持在一個(gè)較小的范圍，這就引出了對(duì)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(hào)在石英光纖中的傳輸特性

光信號(hào)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(hào)在石英光纖中的衰減特性

在光信號(hào)沿光纖傳輸?shù)倪^程中，光能逐漸減小的現(xiàn)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(shù)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(chǎn)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(xù)衰減。

對(duì)于不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，在光纖中傳輸時(shí)傳輸衰減不同。光信號(hào)在石英光纖傳輸衰減隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系稱光纖衰減的頻率(或波長(zhǎng))特性，波長(zhǎng)在500～900 nm以及在1 000～1 300 nm范圍內(nèi)，衰減以瑞利散射衰減為主。在950 nm及1 400 nm附近出現(xiàn)(OH)-1吸收衰減峰。在波長(zhǎng)800～900 nm范圍內(nèi)，衰減在1～2 dB/km，提供了以850 nm為中心的短波長(zhǎng)低衰減波段。當(dāng)光波長(zhǎng)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(chǎn)生的，是一種從1 000～1 600 nm波段內(nèi)傳輸衰減都小于1 dB/km的極低衰減長(zhǎng)波長(zhǎng)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(hào)的傳輸?shù)退p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(hào)在石英光纖中的色散特性

色散是光纖通信的又一個(gè)重要參數(shù)。光信號(hào)在石英光纖中的色散引起傳輸信號(hào)的畸變，使通信質(zhì)量下降，從而限制了通信容量和通信距離。在光信號(hào)的損耗已大為降低的今天，色散對(duì)光纖通信的影響就顯得更為突出。降低光纖的色散，對(duì)增加通信容量，延長(zhǎng)通信距離，發(fā)展新型光纖通信技術(shù)都是至關(guān)重要的。

色散的原因:一是光源發(fā)出的光并不是單色光;二是調(diào)制信號(hào)有一定的帶寬。

色散的分類:由不同模式或不同頻率(或波長(zhǎng))成分組成的光信號(hào)，在光纖中傳輸時(shí)，由于群速度不同而引起信號(hào)畸變的物理現(xiàn)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(dǎo)色散。后兩種色散是某一模式本身的色散，也稱模內(nèi)色散。

色散的危害:光纖的色散導(dǎo)致光信號(hào)的波形失真，表現(xiàn)為脈沖寬度，它是光纖的時(shí)域特性。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)來講，光信號(hào)的脈沖展寬是一項(xiàng)重要的指標(biāo)。脈沖展寬過大就會(huì)引起相鄰脈沖間隙減小，相鄰脈沖將會(huì)產(chǎn)生部分重疊而使再生中繼器發(fā)生判決錯(cuò)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(shí)延差用以Δτ，脈沖展寬σ和光纖3 dB帶寬B三種。最大時(shí)延差描述光纖中速度最快和最慢光波成分的時(shí)延之差。脈沖展寬和光纖帶寬用以描述光纖色散對(duì)傳輸信號(hào)的影響。將一段光纖看作一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可用時(shí)域法和頻域法分析其色散特性[10]。當(dāng)在時(shí)域分析時(shí)，色散影響用脈沖展寬表示，而在頻域分析時(shí)，則采用傳輸帶寬表示。

5 結(jié) 語

目前，石英光纖對(duì)于單一波長(zhǎng)的光信號(hào)傳輸容量已達(dá)到40 Gb/s，并已開始進(jìn)行160 Gb/s的研究。為了進(jìn)一步提高石英光纖的光信號(hào)傳輸能力，減小SDH傳輸速率的壓力還可以采用波分復(fù)用技術(shù)，即WDM技術(shù)和DWDM(密集波分復(fù)用)新技術(shù)[11]。目前在一芯石英光纖上傳輸幾十個(gè)到上百個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]李峰.淺談光纖通信的優(yōu)越性[J].山西建筑，2004(22):98-99.

[2]田國棟.光纖通信技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[3]劉增基.光纖通信[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[4]徐寶強(qiáng)，楊秀峰，夏秀蘭.光纖通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[5]時(shí)書麗，張良.單模光纖偏振穩(wěn)定的方法[J].遼寧教育學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(5):26-30.

[6]粟小玲，朱春祥.光纖色散對(duì)光纖通信系統(tǒng)中繼距離主要影響分析[J].信息通信，2008(2):15-16，23.

[7]楊岳濤.通信接入網(wǎng)的光纖化技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連海事大學(xué)，2008.

[8]楊榮草.光脈沖在非均勻光纖系統(tǒng)中的穩(wěn)定傳輸特性研究[D].太原:山西大學(xué)，2005.

[9]郝瑞宇.可變參量光纖系統(tǒng)中光脈沖的傳輸特性研究[D].太原:山西大學(xué)，2007.

[10]田國棟.基于OTDR技術(shù)的光纖測(cè)試方法探討[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(19):99-101.

[11]劉宏宇.WDM/DWDM系統(tǒng)在遠(yuǎn)程光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的工程應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2007.