光纤通信的传输特性及应用探析

摘 要:光纤通信作为一门新兴技术,其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传输工具。本文作者针对光纤通信的传输特性及应用进行简单的探析。

关键词:光纤 通信 传输

中图分类号:TN9文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)08(c)-0015-01

1 光纤通信技术简介

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。

2 光纤通信的传输特性

光纤传输特性主要是指光纤的损耗特性和带宽特性(即色散特性),光纤特性的好坏直接影响光纤通信的中继距离和传输速率(或脉冲展宽),因此它是设计光纤系统的基本出发点。

2.1 光纤的损耗特性

光波在光纤传输过程中,其强度随着传输距离的增加逐渐减弱,光纤对光波产生的衰减作用称为光纤损耗。使用在系统中的光纤传输线,其损耗产生的原因,一方面是由于光纤本身的损耗,包括吸收损耗、瑞利散射损耗、以及因结构不完善引起的散射损耗;另一方面是由于作为系统传输线引起的弯曲损耗等。

2.1.1 吸收损耗

吸收损耗意味光波传输过程中,有一部分光能量转变为热能。包括光纤玻璃材料本身的固有吸收损耗,以及因杂质引起的吸收损耗。光纤材料的固有吸收又叫本征吸收,在不含任何杂质的纯净材料中也存在这种吸收。固有吸收有两个吸收带,一个吸收带在红外区,吸收峰在波长8mm～12mm范围,它的尾部拖到光通信所要用的波段范围,但影响不大;另一个吸收带在紫外区,吸收峰在0.1mm附近,吸收很强时,它的尾巴会拖到0.7mm～1.1mm波段里去。对物质固有吸收来说,在远离峰值区域的1.0mm～1.6mm波段范围内,固有吸收损耗为低谷区域。杂质吸收损耗是由光纤材料中铁、钴、镍、铬、铜、钒、镁等随遇金属离子以及水的氢氧根离子的存在造成的附加吸收损耗。目前光纤制造工艺对于金属离子杂质的提纯已经不成问题,可以使它们的影响减到最小;但是氢氧根的影响比较大,这是因为在光纤材料中,以及在光纤制造过程中含有大量的水分,提纯中极难清除干净,最后以氢氧根的形式残留在光纤内。残留于光纤内的氢氧根离子,使得在波长在0.94mm、1.24mm和1.38mm附近出现吸收谐振峰,峰值大小与氢氧根离子浓度密切相关。为减小氢氧根离子的影响,工作波长必须避开吸收峰谐振区域,为此将工作波长选择在0.85mm、1.3mm和1.55mm附近,提纯2称它们为第一窗口、第二窗口和第三窗口。第一窗口为短波长窗口,通常为多模光纤传输系统选用;第二窗口和第三窗口为长波长窗口,通常为单模光纤传输系统选用。

2.1.2 瑞利散射损耗

当光波照射到比光波长还要小的不均匀微粒时,光波将向四面八方折射,这一物理现象以发现这一现象的物理学家的名字命名,称为瑞利散射。在光纤中,因瑞利散射引起的光波衰减称为瑞利散射损耗。产生瑞利散射损耗的原因是在光纤制造过程中,因冷凝条件不均匀造成材料密度不均匀,以及掺杂时因材料组分中浓度涨落造成浓度的不均匀,以上两种不均匀微粒大小在与光波长可相比拟的范围内,结果都产生折射率分布不均匀,从而引起瑞利散射损耗。瑞利散射是固有的,不能消除。但由于瑞利散射的损耗系数与光波长的四次方成反比,随着工作波长的增加,瑞利散射损耗会迅速降低。因此远距离的光纤通信常应用长波长段波长。掺杂(如掺锗)会对瑞利散射的增加有影响。

2.1.3 因结构不均匀的散射损耗

这种散射损耗是由于光纤结构的缺陷产生的。结构缺陷包括光纤芯子与包层交界面的不完整,存在微小的凹凸缺陷,以及芯径与包层直径的微小变化和沿纵轴方向形状的改变等,他们将引起光的散射,产生光纤传输模式散射性的损失。不断提高光纤的制造工艺,采用现代化监测控制技术,可以使结构不完善引起的散射损耗越来越小。现在的光纤制造工艺已经非常先进,这种损耗已经做到0.02dB/km以下,并可达到忽略不计的程度。

2.1.4 弯曲损耗

弯曲损耗是一种辐射损耗。它是由于光纤的弯曲所产生的损耗,当光纤在集束成缆或在光纤、光缆的敷设、施工、接续中造成光纤的弯曲,其弯曲的曲率半径小到一定程度时,芯子内光射线不满足全反射条件,使部分光功率由传输模式转为辐射模式而造成的损耗。弯曲的曲率半径越小,造成的损耗越大。一般认为,当光纤弯曲的曲率半径超过10cm时,弯曲所造成的损耗可以忽略。因此,在工程中必须要保证光缆和光纤在静态和动态时的弯曲曲率半径限值要求,通常动态时的曲率半径限值要大于静态时的曲率半径限值,这是为了确保在施工过程中不会发生光纤断裂损伤。

2.2 光纤的色散特性

所谓光纤的色散是指光纤所传输信号的不同模式或不同频率成分,由于其传输速度的不同,从而引起传输信号发生畸变的一种物理现象。简言之,色散就是由于承载传输信号的不同模式或不同频率成分的光波传播速度不同,经光纤传导到达同一终端的时间有先有后,产生的群时延不同,存在时延差,这时延差就表示色散。对于光通信来说,大多数光纤通信系统采用数字通信方式,在这种通信系统中,用数字脉冲信号去调制光载频,因而,在光纤中所传输的是一个个的光脉冲信号,由于信号的各频率成分或各模式成分的传输速度不同,当它在光纤中传输一段距离后,将互相散开,于是光脉冲被展宽,严重时前后脉冲将互相重叠。这将形成码间干扰,增加误码率,使通信质量下降。为保证通信质量,必须加大码间距离,也就是减少单位时间的脉冲数量,这就降低了通信容量。另一方面,传输距离越长,脉冲展宽越严重,因而色散也就限制了光纤的一次传输距离。由此看来,制造优质的、色散小的光纤,对增加通信系统容量和加大传输距离是至关重要的。光纤的色散值是光纤的一个重要指标。

3 光纤通信传输应用展望

今天,人们使用光纤系统承载数字电视、语音和数字是很普通的一件事,在商用与工业领域,光纤已成为地面传输标准。在军事和防御领域,快速传递大量信息是大范围更新换代光纤计划的原动力。尽管光纤仍在初期发展阶段,但总有一天光控飞行控制系统会用重量轻、直径小又使用安全的光缆取代线控飞行系统。光导纤维与卫星和其他广播媒体一起,代表着在航空电子学、机器人学、武器系统、传感器、交通运输及其他高性能环境使用条件下的商用通信和专业应用的新的世界潮流。

参考文献

[1]贾金岭.浅析基于DWDM的光纤通信技术及其发展趋势[J].电脑知识与技术,2009,33.

[2]辛化梅.论光纤通信技术的现状及发展[J].山东师范大学学报(自然科学版),2003,4.

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