光纖傳輸特性與其測量方法分析

摘 要 光纖是光纖通信的重要材料，信號在其中的傳輸會伴隨失真和損耗，為保證系統(tǒng)的性能，對光纖特性的研究尤為重要。本文主要對光纖傳輸特性中的光纖損耗和光纖色散進(jìn)行研究分析，首先對兩種傳輸特性的產(chǎn)生機(jī)理與表示方法進(jìn)行探討，再對它們的測量方法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 光纖通信;傳輸特性;光纖色散;光纖損耗

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種業(yè)務(wù)對于通信質(zhì)量的需求也逐漸增長，其中光纖通信提高了信息傳輸速率，成為主要通信方式之一。光纖通信技術(shù)是以光纖作為傳輸媒介，而影響光纖通信質(zhì)量的一個因素是光纖傳輸特性。光纖特性在構(gòu)造光纖通信系統(tǒng)，設(shè)計工藝以及制造的過程等方面十分重要，因此對于其特性參數(shù)及測量方法的研究有助于提高通信質(zhì)量。

1光纖的傳輸特性

1.1 光纖的色散特性

光纖的色散會造成信號失真，它是光信號在光纖中傳輸時，由于成分不相同的光擁有不同的傳播速率和頻率成分而造成的一種效應(yīng)，這種特性在頻域上限制了系統(tǒng)的傳輸帶寬，而在時域上引起了信號脈沖的展寬[1]。通常光纖色散可以被分為以下四種類型[2]：

第一種，模式色散，這種色散會出現(xiàn)在多模光纖傳輸中，與光纖折射率分布有關(guān)。光信號在多模光纖中傳輸時，由于各種光纖模式的傳輸相位常數(shù)和到達(dá)時間的不同，即使它們擁有相同波長也會出現(xiàn)信號脈沖展寬的現(xiàn)象。模式色散一般用時延差Δτ表示，即高階模式群與低階模式群的到達(dá)時間的差值。

第二種，材料色散，是由于傳輸媒質(zhì)材料本身特性引起的。在光纖中傳輸?shù)牟ㄩL不相同的光，它們傳輸一段距離后的到達(dá)時間不同，且不同波長的折射率也不相同，從而造成材料色散。材料色散一般由光纖色散系數(shù)表示。

第三種，波導(dǎo)色散，它與材料色散合稱為色度色散，由在光纖中引導(dǎo)光波傳輸?shù)拿浇楫a(chǎn)生的。對于結(jié)構(gòu)和形狀不完善的光纖來說，光波傳輸時會分散在纖芯和材料外圍的包層中，信號脈沖展寬正是因?yàn)檫@兩部分的折射率不同而導(dǎo)致的。波導(dǎo)色散一般也由色散系數(shù)來表示。

第四種，偏振模色散，也稱為雙折射色散，是由于受到光纖本身與外部因素影響而引起的。實(shí)際的光纖在制造時存在一定缺陷，沒有互相垂直的偏振模具有相同傳輸常數(shù)的情況，從而會有時延差。

1.2 光纖的損耗特性

系統(tǒng)的傳輸距離在很大程度上由光纖損耗決定，這種損耗是光波隨傳輸距離的增長以及光纖材料自身缺陷的原因而逐漸衰減的特性。光纖的損耗系數(shù)表示為

其中L（km）是光纖的長度，輸入光功率和輸出光功率分別表示為Pi和Po。

光纖損耗主要可以分為以下兩個部分：

第一，吸收損耗，這一部分主要是由于材料本身以及雜質(zhì)對光能的吸收，量子躍遷所帶來的能量損失，它又可分為固有吸收和雜質(zhì)吸收這兩種形式[3]。固有吸收存在于紅外和紫外兩個頻段，波長大于7μm的處于紅外波段，此區(qū)域的吸收是由分子振動引起的;波長小于0.4μm的處于紫外波段，材料電子躍遷會引起此區(qū)域的吸收。當(dāng)波段吸收帶到一定的程度時，其尾端能延伸到可見光區(qū)。雜質(zhì)吸收是一些如Fe2+、Co2+等過渡金屬與氫氧根離子躍遷所引起的損耗，過渡金屬離子的含量降低到小于10-9幅度時，它的影響可以忽略;氫氧根離子的影響難以忽略，它在0.95μm、1.24μm、1.39μm等波長處形成吸收峰，但在一些其他頻帶的吸收很小，在1.55μm處的吸收最小[3]。

第二，散射損耗，這一部分通常是因材料中的介質(zhì)不均勻和結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)缺陷而產(chǎn)生散射，這會導(dǎo)致光功率在傳輸過程中產(chǎn)生損耗。其中最重要的是瑞利散射，它就是由于光信號通過材料內(nèi)部密度不均勻的物質(zhì)，這些微粒的不均勻分布會導(dǎo)致某些區(qū)域的折射率不均勻分布，因此產(chǎn)生散射。瑞利散射損耗與波長有關(guān)，光纖損耗的最低理論極限就取決于它，可用來表示，式中A為瑞利散射系數(shù)，它與纖芯和包層的折射率差有關(guān)[1]。還有一些損耗是由于制造光纖材料的過程中，存在光纖界面不完整、其中殘留氣泡等結(jié)構(gòu)缺陷而引起的散射，這部分損耗與波長無關(guān)。

2光纖傳輸特性的測量

2.1 色散測量

光纖色散的測量分為時域和頻域兩類，分別是測量在光纖中傳輸相同距離的頻率不相同的光脈沖所用的時延，或測量頻率不同的光脈沖對應(yīng)頻域上的相位，常用相移法、脈沖法和干涉法[4]。

在所有測量方法中，相移法是測量單模光纖色散的基本方法。它通過計算不同時延信號產(chǎn)生的相位而得到相位差，然后得出光纖色散值。長L的光纖色散值表示為

式中Δλ兩種通過被測光纖的受調(diào)制光波的波長差，ΔФ為相位差，ω是受調(diào)制光波的角頻率。一般為了避免測量誤差要測量多個λ和Ф的值。

2.2 損耗測量

一般有剪斷法、插入法和后向散射法來測量光纖損耗，前兩種是測量光纖的傳輸功率，后者是測量光纖向后散射的光功率[1]。

截斷法用來測量光在光纖中傳輸時的損耗，通過計算可獲得光纖損耗系數(shù)，其表達(dá)為

式中，P1和P2分別表示光輸入時的功率和輸出時的光功率， L為被測光纖的長度[5]。

在實(shí)際中低階模式的損耗小于高階模式，所以光功率與光纖長度不呈線性的關(guān)系，那么為了得到唯一的表示光纖特性的損耗系數(shù)值就要在測量前做預(yù)處理，來獲得穩(wěn)態(tài)分布的注入條件。在經(jīng)過處理后的穩(wěn)定條件下，先對待測光纖的光功率進(jìn)行測量，再在保證輸入條件不變的情況下測被剪后短光纖的光功率，將數(shù)據(jù)帶入計算損耗系數(shù)的表達(dá)式中得出α的值。

插入法與剪斷法的原理相同，兩者都是根據(jù)光纖衰減系數(shù)的定義進(jìn)行測量的方法。插入法是將一段短光纖連接在注入裝置與檢測器之間，先測出短光纖的光功率，再測出插入裝置中的待測光纖的光功率，再由損耗系數(shù)公式進(jìn)行計算。

后向散射法是利用光信號在光纖傳輸中的散射現(xiàn)象，即與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率對光纖衰減系數(shù)進(jìn)行測量的方法[1]。經(jīng)過L1和L2兩點(diǎn)的光信號通過光檢測器后得到后向散射光功率分別為Pd（L1）和Pd（L2），經(jīng)推導(dǎo)得出的正向和反向平均損耗系數(shù)表達(dá)式為

測量過程大致為，將采用特定波長穩(wěn)定的大功率激光器發(fā)出的光源經(jīng)耦合器件后注入待測光纖中，之后耦合器再將被測光纖中的反向散射光注入具有高靈敏度的光檢測器。

3結(jié)束語

光纖通信技術(shù)作為現(xiàn)代通信的重要技術(shù)之一，在很多方面都被運(yùn)用，為了更好地發(fā)展光纖技術(shù)，則需要了解這項(xiàng)技術(shù)中的重要材料。本文就光纖的傳輸特性與其測量方法進(jìn)行了研究分析，光纖的特性反映了傳輸質(zhì)量，對其測量有助于改善光纖通信系統(tǒng)的制造工藝與性能。光纖特性的呈現(xiàn)與測試條件、測試技術(shù)、樣品結(jié)構(gòu)等因素都有密切關(guān)系，為獲得更高質(zhì)量的光纖系統(tǒng)，還應(yīng)加強(qiáng)對光纖特性與測量技術(shù)的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉增基.光纖通信（第二版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2008：26-44.

[2] 趙帥.光纖色散在光信息處理中的應(yīng)用探討[J].科技經(jīng)濟(jì)市場， 2019（8）：3-4.

[3] 崔宏.光纖損耗淺談[J].價值工程，2013，32（6）：78-79.

[4] 方偉，馬秀榮，郭宏雷，等.光纖色散測量概述[J].光通信技術(shù)，2006 （9）：24-26.

[5] 蘇寶璽，陳小君，吳榮琴.基于光通信中光損耗的測量與研究[J].長春師范大學(xué)學(xué)報，2017，36（12）：19-24.

作者簡介

張熳瑤（1999-），女，河南洛陽人;現(xiàn)就讀學(xué)校：河南大學(xué)，專業(yè)：通信工程。