基于石英光纤的光信号传输研究

基于石英光纤的光信号传输研究 摘 要:为提高光信号在石英光纤中的传输能力和传输效果,通过分析光信号传输原理,确定出数值孔径的范围,提出实现单模传输的三项参数选择方法,采用不同类型的石英光纤传输不同光波长的光信号,达到最佳的传输效果。充分使用光信号在石英光纤中的衰减特性和色散特性,达到远距离、高速率的光信号传输能力。 　　关键词:传输原理; 传输模式; 传输特性; 石英光纤 　　中图分类号:TP806 文献标识码:A 　　文章编号: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 　　 　　光纤通信是长距离、大容量的通信方式,它可以高效地传输光信号[1]。由于石英光纤的纤芯直径非常小,造成光信号的耦合困难和传输难题,合理选择折射率、数值孔径,选择好不同模式的石英光纤,并充分利用衰减特性和色彩特性才能完成输送光信号的工作。 　　 　　1 光信号在石英光纤中的传播原理 　　 　　由物理光学可知,光在均匀介质中是沿直线传播的。但是当光射到两种不同介质的交界面时,将产生反射和折射,介质的折射率表示介质的传光能力。某一介质的折射率n等于光在真空中的传播速度c与在该介质中的传播速度v之比,即: 　　n=c/v 　　(1) 　　由式(1)可知,折射率不同,光在介质中的传播速度也不同。折射率越大,光在该介质中的传播速度越小,相对来说,传光速度大的(折射率小)介质称为光疏介质,传光速度小(折射率大)的介质称为光密介质。产生全反射必须满足两个条件,即: 　　(1) 光线从光密介质射向光疏介质。 　　(2) 入射角大于临射角[2]。 　　石英光纤由纤芯和包层组成,纤芯直径为5～75 μm,包层直径为100～150 μm。纤芯的作用是传输光波,包层的作用是将光波封闭在纤芯中。为了只让光波在纤芯中传输,需要使纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。也就是说纤芯是光密介质,包层是光疏介质。 　　下面以射线光学的方法阐述光信号在光纤中的导光原理。光信号在突变型光纤中的传播如图1所示。突变型光纤的纤芯和包层部分的折射率都是均匀分布的。图1上有三条在同一子午面上的光线,从空气中在光纤轴线处以不同的入射角射向光纤的端面。三条光线在空气-纤芯分界面处发生折射,它们的入射角i0和折射角i遵守折射定律。 　　n0sin i0=n1sin i 　　式中: 　　n0为空气折射率。三条光线的入射角不同,折射角也不同,折射光在芯层中沿直线传播。它们传播到芯层与包层的分界面上时,光线3对于n1-n2界面的入射角较小,将在界面处同时产生反射和折射。反射光能量只占入射光能量的百分之几。大量的折射光进入包层,然后再折射入高衰耗的涂复层而被吸收,不能在光纤中向远端传播。光线2相对n1-n2界面的入射角ic正好等于全反射临界角,所以它没有折射逸出,能够沿纤芯向远端传播。光线1相对空气-玻璃界面的入射角小于in,其相对于n1-n2界面的入射角大于临界角ic,因而也出现全反射,能够在光纤中无溢出衰耗地向远端传播。 　　图1 光信号在突变型光纤中的传播 　　由物理光学的全反射条件可以导出n1sin ic=n2,sin ic=n2/n1即cos ic=1-(n2/n1)2。 　　进一步导出: 　　 　　NA≡sin in=n1cos ic=n12Δ=n21-n22 　　(2) 　　式中: 　　 　　 Δ≡n21-n222n21=(n1+n2)(n1-n2)2n21n1-n2n1 　　(3) 　　NA称为光纤的数值孔径;Δ称为光纤的相对折射率差。由式(2)可见,数值孔径NA只与突变型光纤的纤芯折射率以及纤芯与包层的折射率差相关,所以数值孔径本质上反映的是光纤的导光性能[3]。 　　 　　2 光信号在光纤中的传播模式 　　 　　按照光的波动理论,光波是波长介于紫外至红外区的电磁波。光波的模式是电磁场的一种场型。场型是指电场、磁场强度的振幅在空间的稳定分布。无论是突变型光纤,还是渐变型光纤,凡是在in圆锥角内入射的光线都满足全反射条件,不会出现折射逸出。这些反射光线还必须满足一定的相位关系才能成为光纤中的传导模式。这种光线在纤芯与包层界面上来回反射的曲折传播可看成是沿轴线方向的向前传播和上下界面来回反射的合成。根据光波的干涉理论,光波在两个界面间来回反射时,只有当它来回一个周期引入的相移为2π的整数倍时,这种光波在两界面间才能形成稳定的场型,即成为一种模式。由发送端射入光纤端面只能有一束光线时称为单模光纤,由发送端同时射入光纤端面可以有多束光线时称为多模光纤。多模光纤包括高次模、低次模、基模[4]。光纤中容纳模式数量用N表示,它与光纤结构参数有关。 　　(N+1)=4n1aλcos i 　　(4) 　　满足全反射条件的入射角i的最大值为临界角ic。且cos ic=1-n22/n21。 　　即: 　　Nmax+1=4aλn21-n22 　　(5) 　　这里定义: 　　 　　V≡πn(Nmax+1)=2πaλn21-n22=2πλa•NA 　　(6) 　　为归一化频率,它是表征光纤中允许传播模式多少的一个参量。对于圆柱形光纤波导,当V<2.405时为单模光纤;当V>2.405时为多模光纤。这里需要指出,单模光纤和多模光纤只是一个相对的概念。判断一根光纤是不是单模的,除了其本身的结构参数外,还与信号光的波长有关。例如,一根芯径为9 μm,n1=1.463,n2=1.460的光纤,运用式(6)在不同λ值下计算其归一化的频率。λ=1 300 nm时,得出V=2.36<2.405,因而它是单模光纤。当λ=1 200 nm时,算出V=2.56>2.405,因而同一根光纤在较短波长下工作就变成多模光纤了。仍使用上述n1,n2值可计算出光纤的数值孔径为NA=0.108,此值对应的全反射临界角已达86°,可以认为能够在单模光纤上传播的光线基本上是与光纤轴线平行的[5]。 由式(6)可知,归一化频率V与三个参数有关系,分别是光纤的纤芯直径2a、光信号的传输波长λ以及光纤的数值孔径NA。为了保障石英光纤的单一模式光信号传输,就必须使V值减小,因此要求光纤的线芯直径尽可能小,目前的工艺水平可达到4~9 μm;数值孔径要尽量地小,也就是说纤芯折射率只能略大于包层折射率;光信号的工作波长要尽可能的大,目前单模光纤选择1 550 nm。 　3 对应不同波长光信号传输的单模光纤和多模光纤 　　 　　在光纤通信中单模光纤和多模光纤都有各自的应用范围,多模光纤ITU-T建议为G.651光纤;单模光纤ITU-T建议为G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和G.656光纤。多模光纤芯径粗,数值孔径大,能从光源耦合更多的光功率,在光纤网络中广泛应用。 单模光纤是在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤,在阶跃光纤中只传输LP01模,在无界平方律折射指数光纤中,只传输LP00模。由于单模光纤只传输基模,没有模式色散,频带特别宽,尤其适合远距离、大容量通信[6]。 　　3.1 多模光纤 　　根据ITU-T建议,多模光纤定义为G.651光纤。多模光纤的纤芯折射率分布有两种型式,一种是突变型(也叫阶跃型),另一种是渐变型(也叫梯度型)。突变型多模光纤在纤芯与包层的界面上折射率呈阶跃型变化,纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2,且各自恒定不变。渐变型多模光纤的纤芯折射率n1分布则是从纤芯轴到包层交界面逐渐减小,包层的折射率为n2恒定不变。突变型多模光纤有A2,A3,A4三种类型,工作波长是850 nm。主要应用于短距离信息传输、楼内局部布线和光纤传感器等。渐变型多模光纤有A1a(芯径为(50.0±3) μm)、A1b(芯径为(62.5±3) μm)、A1c(芯径为(85.0±3) μm)和A1d(芯径为(100.0±3) μm)四种类型,工作波长是850 nm和1 300 nm。A1a和A1b型主要应用于数据链路和局域网;A1c和A1b型主要应用于局域网和光纤传感。 　　3.2 单模光纤 　　单模光纤的使用波段可划分为六个[7]。O波段(原始波段,Original)为1 326～1 360 nm;E波段(扩展波段,Extended)为1 360～1 460 nm;S波段(短波段,Short)为1 460～1 530 nm;C波段(常规波段,Conventional)为1 530～1 560 nm;L波段(长波段,Long)为1 565～1 625nm;U波段(超长波段,Ultralong)为1 625～1 675 nm。 　　G.652常规单模光纤,又称色散未移位光纤。其中,G.652A支持10 Gb/s系统的传输距离可达400 km;支持10 Gb/s以太网的传输距离达40 km、支持40 Gb/s系统的距离为2 km。对于G.652B型光纤,必须支持10 Gb/s系统的传输距离可达3 000 km以上,支持40 Gb/s系统的传输距离为80 km。G.652C型光纤的基本属性与G.652A相同,但在1 550 nm下的衰减系数更低,而且消除了1 383 nm处的水吸收峰,即系统可以工作在1 360～1 530 nm波段。G.652D型光纤对无水吸收峰光纤的PMDQ提出更严的要求,是一种新的光纤类型,属性与G.652B光纤基本相同,而衰减系数与G.652C光纤相同,即系统可以工作在1 360～1530 nm波段。 　　G.652常规单模光纤的低衰减区在1 550 nm,零色散区在1310 nm。如果在1 550 nm传2.5 Gb/s系统,从衰减看,可传送100 km以上,从色散受限距离看,如果采用外调制技术,能传送58 km。在实际运用中,应取传送受限距离最小的58 km作为再生段距离,这样就白白浪费了42 km。如果将零色散波长移到1 550 nm处,形成低衰减,零色散都在1 550 nm窗口,这种光纤称为G.653零色散位移光纤。它的传输能力为10 000 Mb•km。因此对超大容量超长距离的光纤通信单波系统来说,G.653零色散位移光纤是一个理想的传输媒体。G.654光纤称为截止波长位移单模光纤,也叫1 550 nm低衰减单模光纤,这种光纤在1 550 nm波长区具有极小的衰减,仅为0.15 dB/km,其零色散波长在1 310 nm附近,截止波长可位移较长波长,最佳工作波长范围为1 500～1 600 nm,具有很好的抗弯曲性能。 　　G.655光纤在1 550 nm波长上有较小的色散,ITU-T规定1 530～1 565 nm波长范围内,色散应在0.1～6 ps/(nm•km)之间。第一代G.655光纤主要为C波段(1 530～1 565 nm)通信窗口设计的,它们的色散斜率较大。随着宽带光纤放大器(BOFA)的发展,WDM系统已经扩展到L波段(1 565~1 620 nm)。第二代G.655光纤适应了上述要求,具有较低的色散斜率,较好地满足了密集波分复用(DWDM)的要求。G.655非零色散位移单模光纤已大量用于高速率、大容量、长距离的密集波分复用通信系统中。G.655光纤分为三类,分别是G.655A,G.655B,G.655C光纤[8]。 　　初期的DWDM系统通常工作在C波段,后来又利用了L波段。为进一步扩大可利用的波长范围,以增加波道数,人们想到了利用S+C+L三个波段。为了减少系统的麻烦,又让光纤在这个范围内的色散变化维持在一个较小的范围,这就引出了对另一种新型光纤的研究,这种光纤命名为G.656光纤。　　 　　4 光信号在石英光纤中的传输特性　　 　　光信号在石英光纤中的传输特性主要包括衰减(或损耗)特性和色散特性。 　　4.1 光信号在石英光纤中的衰减特性 　　在光信号沿光纤传输的过程中,光能逐渐减小的现象称为传输衰减(或损耗)特性。传输衰减是光纤通信的主要传输参数之一。传输衰减可分为两部分,即固有衰减和附加衰减。固有衰减是光纤材料本身所决定的衰减,它由吸收衰减和散射衰减两部分组成。附加衰减是光纤在使用过程中产生的,主要包括弯曲辐射衰减、包层和套层衰减、耦合衰减和接续衰减。 　　对于不同波长的光信号,在光纤中传输时传输衰减不同。光信号在石英光纤传输衰减随波长的变化关系称光纤衰减的频率(或波长)特性,波长在500～900 nm以及在1 000～1 300 nm范围内,衰减以瑞利散射衰减为主。在950 nm及1 400 nm附近出现(OH)-1吸收衰减峰。在波长800～900 nm范围内,衰减在1～2 dB/km,提供了以850 nm为中心的短波长低衰减波段。当光波长增大后,石英光纤(OH)-1根含量很低,小于10-9,吸收峰是由于掺锗(即以GeO2•SiO2为光纤芯,纯SiO2为包层)产生的,是一种从1 000～1 600 nm波段内传输衰减都小于1 dB/km的极低衰减长波长宽窗口的光纤,且在1 550 nm处有最低衰减值约0.2 dB/km左右[9]。考虑到光信号的传输低衰减特性,在石英光纤中不能传输可见光,而只能传输近红外光波。 　　4.2 光信号在石英光纤中的色散特性 　　色散是光纤通信的又一个重要参数。光信号在石英光纤中的色散引起传输信号的畸变,使通信质量下降,从而限制了通信容量和通信距离。在光信号的损耗已大为降低的今天,色散对光纤通信的影响就显得更为突出。降低光纤的色散,对增加色散的原因:一是光源发出的光并不是单色光;二是调制信号有一定的带宽。 　　色散的分类:由不同模式或不同频率(或波长)成分组成的光信号,在光纤中传输时,由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。光纤的色散分为模式色散(或模间畸变)、材料色散以及波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散,也称模内色散。 色散的危害:光纤的色散导致光信号的波形失真,表现为脉冲宽度,它是光纤的时域特性。对于数字通信系统来讲,光信号的脉冲展宽是一项重要的指标。脉冲展宽过大就会引起相邻脉冲间隙减小,相邻脉冲将会产生部分重叠而使再生中继器发生判决错误,从而使误码率增加,传输频带变窄,限制了光纤的传输容量。 　　色散的表示方法:常用的色散表示方法有最大时延差用以Δτ,脉冲展宽σ和光纤3 dB带宽B三种。最大时延差描述光纤中速度最快和最慢光波成分的时延之差。脉冲展宽和光纤带宽用以描述光纤色散对传输信号的影响。将一段光纤看作一个网络,可用时域法和频域法分析其色散特性[10]。当在时域分析时,色散影响用脉冲展宽表示,而在频域分析时,则采用传输带宽表示。 　　 　　5 结 语 　　 　　目前,石英光纤对于单一波长的光信号传输容量已达到40 Gb/s,并已开始进行160 Gb/s的研究。为了进一步提高石英光纤的光信号传输能力,减小SDH传输速率的压力还可以采用波分复用技术,即WDM技术和DWDM(密集波分复用)新技术[11]。目前在一芯石英光纤上传输几十个到上百个不同波长的光信号已经成为现实。