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关于光纤的几问几答

时间:2011-11-12来源:辉鹏网络 作者:xiaowu 点击:
内容提要: 为什么在光通信中使用激光?什么是光纤的截止波长?本文和大家探讨下。
  

   1.为什么在光通信中使用激光

  答:激光的发光波长近于单一,也就是说时间相干性很高的光。另一方面,光纤中光的损耗与光纤中所传输光波的工作波长有关。因此,在光纤通信中可以选择与光纤损耗小的工作波长范围相适应的激光光源。

  另外,光波长不同,石英玻璃的折射率也不相同,所以光在石英玻璃纤维中传输时,光波传输速度也因光波长的不同而异。因此对于一个包含有各种光波长的光脉冲来说,在光纤中传输时,由于传输速度的不同,光脉冲必将产生时间展宽,这样在一定时间内就不能传输更多的光脉冲。由此,高速率(或宽频带)信息的长距离传输就受到限制。以此观点出发,具有时间相干性很高的激光更适合于大容量长距离的光纤通信。另外,由于激光的空间相干性好,可以用透镜将光聚集成一点,这样可以使激光耦合到芯径极细的光纤里实现良好的耦合。再则,激光光束相位相同,具有很强的光强,可以增加无中继传输距离。

  由上可见,时间、空间相干性都高的激光自然是十分适合于光纤通信的。

  2.什么是光纤的截止波长

  答:对相同的光纤,由于使用的光工作波长不同,既可以形成单模(SM型)光纤,也可以形成多模(MM型)光纤。我们把光纤从MM型过渡到SM型的光工作波长的界线称为截止波长。工作在工作波长大于截止波长的光纤为单模光纤。反之,就是多模光纤。

  3.为什么光纤像发丝那样细

  答:对于金属电缆,芯线线径的粗细将会影响电气特征。线径越细,损耗越大。所以金属缆的细径化受到限制。

  与此完全不同,光纤是由具有较高折射率的石英纤芯和其周围的具有较低的折射率的石英层所构成的。光在纤芯和包层的界面不断产生全内反射,而被封闭在纤芯内向前传播。所以即使把纤芯芯径做得很细,也不会改变光的传输损耗。但纤芯如果过细,将难以形成传输模式,因而纤芯又必需有一定的粗细。一般说,纤芯直径是取使用光波长数倍到数十倍左右。对于包层来说,它不但可以形成产生全反射的界面,而且它对于确保光纤强度也是必需的。通常取包层的直径为纤芯直径的数倍即可。

  另一方面,如果纤芯和包层直径过大,光纤本身也就变得较粗,这样虽然增加了光纤的机械强度,但因为纤芯过粗,将使光纤中的传输模数量增多,模式色散的影响也就严重。这对光纤性能是很不利的。同时,为了不使光纤玻璃纤维被裸露出来,还需要对它进行涂敷,用以保护光纤和提高光纤的机械强度。可见,如若光纤太粗既不便于使用,而且也失去了它所具有的优越性。

  根据以上的理由,光纤如发丝那样的粗细是非常适宜的。

  4.光纤具有哪些参数

  答:光纤参数包括光学参数和结构参数。前者与光传播中起重要作用的折射率有关,后者则表示光纤的结构尺寸。

  光学参数中包括表示纤芯和包层具有不同折射率的相对折射率差;表示光由空气朝向光纤耦合射入和光从光纤射出状态的受光角以及数值孔径;此外还有表示纤芯折射率分布形状的折射率分布系数等等。

  结构参数中包括:表示纤芯直径的芯径,表示光纤直径的包层外径,此外还有表示偏离理想同心结构的偏心率和不圆率等等。

  5.怎样定义光纤的带宽

  答:从光纤一端入射的光脉冲经过光纤传输一段距离以后,光纤输出端的光脉冲与入射端相比较,波形发生了时间上的展宽,这种现象称为色散。对于数字信号调制光载波情况下,按照不同时间分隔的光脉冲的有无实现信息的传递。这样,由于色散使光脉冲展宽,影响了对光脉冲有无的正确判别。因而也就不能实现准确的信息传送。

  为此,或者必须减小每秒时间间隔内需要传送的信息量,或者必须在光脉冲尚未过度展宽时即加入光中继器,可见,色散现象限制了光纤传输的通信容量或信号在光纤中的一次传输距离。光纤带宽就是用来表示光纤在1秒钟所能传输信息量大小的一个标度。

  怎样来确定光纤的带宽呢?把正弦信号对光源进行强度调制的光入射到光纤内,正弦波的峰可以认为是一个脉冲,则在光纤出射端波形发生时间展宽。观察图1(a)所示的光波强度变化可知,对于振幅为A1强度的光,在光纤出射端光强振幅减小,图中用A0表示。这个振幅减小的比例与调制信号的频率有关。如图1(b)(c)所示,可见光强发生变化的正弦波频率越高,振幅衰减的比例越大。其关系如图2中的曲线所示。通常把这条曲线叫作光纤的基带频率特性。不同的光纤有不同的基带频率特性。

                  图1   光的调制频率和振幅衰减关系
 
 
                              图2    基带频率特性和带宽

       在光纤的基带频率特性中,把光纤出射端输出光功率降低一半的频率,称为该光纤传输带宽。它相应于光功率3dB的带宽,或称6dB(电)带宽(指光功率转变成电流的电功率带宽)。光纤的传输带宽越宽,每秒钟内所能传送的光脉冲数就可以越多,从而就能实现大容量的传输。在基带频率特性中所应用的频率(每秒内传送峰的个数)与数字传输中每秒内传送的脉冲个数相同。


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