本文主要介绍光纤的主要参数
光纤是一种细玻璃丝,其中心纤芯的折射率略高于周围的包层。从物理光学的角度来看,光在纤芯-包层边界处由全内反射引导。更确切地说,光纤是一种介质波导,其中有离散数量的传播模式。
如果纤芯直径和折射率差足够小,则只有单模传播。
单模传播的条件是归一化频率V小于2.405,其中
a是纤芯半径,λ是自由空间波长,n1和n2分别是纤芯和包层的折射率。多模光纤的纤芯和包层之间的折射率差(Δ)通常在1%到1.5%之间,纤芯直径在50到100μm之间。单模光纤的Δ≈0.3%,纤芯直径在8到10μm之间。光纤数值孔径(NA)是接收锥半角的正弦值,由下式给出
单模光纤的NA通常约为0.1,而多模光纤的NA在0.2至0.3的范围内。
从传输系统的角度来看,两个最重要的光纤参数是衰减和带宽。
光纤中有三种主要的衰减机制:吸收、散射和辐射损耗。二氧化硅在紫外(电子跃迁electronic transitions)和1.6μm以上的红外(原子振动跃迁atomic vibrational transitions)具有共振吸收峰,但在可见光和近红外区域具有高度透明性。
通过使用足够厚的包层(通信光纤的外径为125μm)、可压缩的涂层来缓冲光纤免受外力的影响,以及防止急转弯的电缆结构,通常可以保持较小的辐射损耗。
在没有杂质和辐射损失的情况下,基本的衰减机制是来自不规则玻璃结构的瑞利散射,这导致折射率在距离上的波动与波长相比很小。这会导致散射损失α
为了获得“最佳”光纤。衰减随波长的变化如图1所示。λ=1.4μm处的衰减峰值是由于光纤中的少量水引起的共振吸收,尽管光纤中没有这个峰值。由于在该波长下有可用的源和探测器,初始系统在0.85μm左右的波长下运行。目前的系统(除了一些短距离数据链路)通常在1.3或1.55μm的波长下运行。前者除了衰减低(最佳光纤约为0.32dB/km)外,还是标准单模光纤的最小模内色散波长。1.55μm的工作允许更低的衰减(最小约为0.16dB/km)和使用在该波长下工作的掺铒光纤放大器。
图1 光纤衰减与波长的函数关系。虚线表示瑞利散射。实线表示总衰减。
色散Dispersion
脉冲扩展(色散)限制了可用于光纤的最大调制带宽(或最大脉冲速率)。分散有两种主要形式:模间色散intermodal dispersion和模内色散intramodal dispersion。
在多模光纤中,不同的模式会经历不同的传播延迟,从而导致脉冲扩展。对于渐变折射率光纤,每单位长度的最低色散约为
在近似抛物线函数中对纤芯的折射率进行分级会导致传播延迟的近似均衡。对于阶跃折射率光纤,单位长度的色散为,其中Δ=0.01比方程(4)给出的值大1000倍。
带宽和色散成反比,比例常数取决于脉冲形状和带宽的定义方式。如果色散脉冲近似为高斯脉冲,δτ为半功率点的全宽,则-3dB带宽B,由下式给出
多模光纤通常由其1km长度内的带宽确定。典型的规格在200 MHz到1 GHz的范围内。光纤带宽是折射率分布的敏感函数,与波长有关,随长度的缩放取决于是否存在模式混合。此外,对于短距离链路,带宽取决于发射条件。
多模光纤通常仅在比特率和距离足够小,不需要担心色散的准确表征时使用。
虽然单模光纤中没有模间色散,但由于源的有限光谱宽度和群速度对波长的依赖性,单模内仍然存在色散(模内色散)。单位长度的波节内色散由下式给出
其中D是光纤的色散系数,δλ是光源的光谱宽度,S0是色散斜率
如果存在模间色散intermodal dispersion和模内色散intramodal disersion,则总分散的平方是模间色散intermodal dispersion和模内色散intramodal dispersion的平方和。对于典型的数字系统,总色散应小于脉冲间周期T的一半。根据方程式(5),这对应于至少0.88/T的有效光纤带宽。
模内色散有两个来源:材料色散,这是折射率是波长的函数的结果;以及波导色散,是光纤波导的传播常数是波长函数的结果。
对于折射率为n(λ)的材料,材料色散系数由下式给出
对于硅基玻璃,Dmat具有图2所示的一般特征。在波长为820 nm时,它约为-100 ps/km⋅nm,在波长接近1300 nm时通过零点,在1550 nm时约为20 ps/kmхnm。
图2模内色散系数与波长的函数关系。短点虚线表示材料色散Dmat;长点虚线曲线显示了波导色散Dwg,在1.55μm处实现零色散的D(实线)。
对于阶跃折射率单模光纤,波导色散约为
对于传统单模光纤,波导色散很小(在1300 nm处约为-5 ps/km⋅nm)。然后,得到的D(λ)略微偏移(相对于材料色散曲线)到更长的波长,但零色散波长(λ0)仍保持在1300 nm附近。然而,如果通过减小a或等效地通过减小芯中的折射率来使波导色散变大为负值,则零色散波长可能会偏移到1550nm附近(见图2)。这种光纤被称为色散位移光纤,并且由于在该波长下较低的光纤衰减和掺铒光纤放大器的出现而具有优势。
请注意,色散位移光纤在色散最小值处的斜率较小(S0≈0.06ps/km⋅nm2,而传统单模光纤的S0≈0.09ps/km⋅nm2)。对于更复杂的折射率分布,至少在理论上,可以控制波导色散的形状,使1300和1550 nm波段的总色散都很小,从而得到色散平坦的光纤。
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原文标题:光纤的几个参数:归一化频率、数字孔径、衰减和色散
文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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