光波传输理论与技术.ppt

* 光纤的材料色散 所谓材料色散，是指由于构成光纤的材料的折射率随传输的光波频率(或光波长)而变化，引起模内不同频率信号的传输速度不同而引起的色散。 引起材料色散的原因，是因为光源器件不是工作于单一频率，在其中心频率或者说中心波长附近存在一个波谱，即光源器件所发出的光都有一定的谱线宽度，这样进入光纤传输的光并非是单一频率，而是一组不同频率的光波：而光纤材料的折射率并非固定不变的，它会随传输光波波长(光波频率)而变化。这样，不同波长的光波，其传播速度不同，所以不同波长的光波到达光纤末端的时间也就各不相同，以致引起时延差产生色散。 * 材料色散引起的脉冲展宽与光源的谱线宽度和材料色散系数成正比。这就要求，尽可能选择谱线宽度窄的光源和色散系数较小的材料，这样材料色散才能变小。事实证明，有些材料在某一波长附近，色散系数为零，从而时延差为零，这时没有脉冲展宽，通常称这个波长为材料的零色散波长。石英玻璃单模光纤的零色散波长在1.27?m附近。 * 光纤的波导色散 所谓波导色散，是指由光纤的几何结构所引起的色散。产生波导色散的原因是由于波导效应引起模内频率高(或波长短)的光信号进入包层，使一部分在纤芯中传播，另一部分在包层中传播，而包层折射率小于纤芯折射率，导致模内各信号传输速度不同而产生色散。其大小与光纤芯径、相对折射率差、归一化频率等因素有关。 一般地，波导色散比材料色散小，在短波长，波导色散更小，但到了材料的零色散波长附近，波导色散增大到可与材料色散相比较的程度，这时波导色散为主要色散，而当波长增加至某一波长时(对石英单模光纤在1.31?m附近)，材料色散与波导色散互相抵消，总色散为零，这是一个低色散区。 * 不同光纤的主要色散 上述三种色散，那种是主要的呢？这要视光纤的类型而定。对于多模阶跃型光纤，模式色散占主要地位，其次是材料色散，波导色散可忽略不计。对于多模渐变型光纤其模式色散较小，波导色散同样可忽略。对于理想的单模光纤，无模式色散，只有材料色散和波导色散，在短波长区，材料色散占主导地位，波导色散可忽略不计，在长波长区，波导色散增大不容忽视，此时总色散为材料色散与波导色散之和。此外，对于光纤结构不完善性严重的单模光纤，偏振模式色散的影响不容忽视。 * 光纤的色散是造成光波信号出现畸变的重要原因。上面用脉冲波形被展宽来描述因光纤色散产生的影响，这实际是用时域特性来描述光纤的色散效应，但是，在很多情况下，也可用光纤的频域特性来描述光纤的色散。所谓光纤的频域特性，就是把光纤看做一个有一定带宽的“网络”。由于“网络”有一定带宽(不是无穷宽)，一个光脉冲通过此“网络”时，就有相应的频率分量被抑制掉，从而在光纤的输出端(即“网络”的输出端)，光脉冲就出现了频率失真。高频分量被严重衰减，这种失真反映到波形上就是光波脉冲被展宽因此我们可以把光纤的色散效用光纤的频带宽度来描述。这就是说，时域的脉冲宽度展宽，对应着频域的高频分量衰减。脉冲展宽越大，高频分量衰减越严重，传输频带则越窄，因此带宽与色散成反比。这样色散、脉冲宽度、频带宽度都是从不同角度反映同一光纤特性。 * 光纤带宽的计算 光纤的总带宽同光纤中传播的模式转换及是否建立稳态模分布有关，由于光纤通信系统中有许许多多接头，因其接头的不均匀性以及光纤结构的不均匀性等原因，将激发出许多模式。光纤中的这些模式会在传偷过程中发生变换(传播速度快的模变成传播速度慢的模，或者慢模变成快模)，经过较长的距离才能建立稳态模传输，达到模式平衡。而模式平衡问题非常复杂，从而使光纤带宽的计算十分复杂。于是人们在实践中采用经验公式来计算，其表达式为： 式中：L为光纤的长度(km)；B为L千米光纤的带宽；r为带宽距离指数。 * 对于多模光纤取值在0.5～0.9之间，一般取r=0.7左右；对于单模光纤，因其传输一个模，则r=1；B1是指光脉冲为高斯形，光功率下降3dB时的每千米带宽或电功率下降6dB时的每千米带宽。它与光脉冲传播1km的时延差??(ns/km)的关系为： * 3 光纤制造工艺简介 目前通信中广泛使用的是石英系光纤。制造光纤的方法很多，但无论采用哪一种方法从原材料到制成光纤都要经过材料制备与提纯、制棒、拉丝与涂覆、套塑四个主要过程。其工艺流程如下图所示。 * 材料制备与提纯 生产石英光纤的原材料有：液态的卤化物四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(GeCl4)、三氯氧磷(POCl3)、三溴化硼(BBr3)及氟里昂(CFCl2)等。氧化反应和载运气体有：氧(O2)、氩(Ar)。除上述材料外，还有石英管或石英棒、石墨棒等以及一些涂料。 为了保证光纤质量，要求光纤中的过渡金属离子，氢氧根离子等杂质的含量在ppb的量级，这就需要对原材料进行提纯。目前广泛采用的是精馏法、吸附法或者二者同时使用的混合法。液态