光纤的传输与非线性特性

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1 光电子论文——光纤的传输与非线性特性页

光纤的传输与非线性特性

摘要：本文主要介绍光纤的传输特性与非线性特性。由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低很多，所以光纤被用作长距离的信息传递。光纤的传输告别了传统的双绞线传输模式，与之相比，其通信容量大、传输距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻便于施工、物美价廉。相比其他的传输线，在传输过程中的损耗比较小，从发送点到目的地接收到的数据是接近完整的，从而延长了传送距离。制作光纤的基本材料为二氧化硅，价格便宜，都为人们所接收。因此在价格相同，传输特性好的情况下，光纤成为了最佳选择。关键词：传输特性损耗

Optical Fiber Transmission And Nonlinear Properties

Abstract: This paper mainly introduces the transmission properties of optical fiber and nonlinear

properties. By the light in the optical fiber transmission loss than electricity in the wire transmission loss is much lower, so the optical fiber is used for long distance communication. Optical fiber transmission bid farewell to the traditional twisted-pair transmission mode, by contrast, its

communication capacity, long transmission distance and secrecy performance is good, strong ability to adapt, small volume, light weight in construction, good and inexpensive. Compared with other transmission line, in the process of transmission loss is small, from sending point to destination to receive data is close to complete, so as to extend the transmission distance. Making the basic materials of optical fiber to silicon dioxide, cheap, people will receive. So in the same price, good transport properties, fiber became the best choice.

Key words: Transmission characteristics Loss

与非线性传输特性成为了探讨的主要问题。

0 引言：

在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低很多，所以光纤被用作长距离的信息传递。光纤的传输告别了传统的双绞线传输模式，与之相比，其通信容量大、传输距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻便于施工、物美价廉。相比其他的传输线，在传输过程中的损耗比较小，从发送点到目的地接收到的数据是接近完整的，从而延长了传送距离。制作光纤的基本材料为二氧化硅，价格便宜，都为人们所接收。因此在价格相同，传输特性好的情况下，光纤成为了最佳选择。对于光纤的传输特性，传输损耗，

1 光纤的损耗特性

光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来的，造成光纤损耗的原因很多，其损耗机理也很复杂。

图1 Fig.1

1.1 吸收损耗

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由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者为本征吸收损耗，后者为杂质吸收损耗。

1.1.1 本征吸收损耗

短波长区，主要是紫外吸收的影响，长波长区，主要是红外吸收的影响。 ?紫外吸收损耗

由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。在

0.8~17?m范围内引起的损耗小于

0.1dB/km。

?红外吸收损耗

由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。石英光纤的工作波长不能大于2?m。

紫外和红外吸收损耗，构成了光纤的本征吸收损耗，它是材料本身所固有的，只有改变材料成分才能有微小改变。因此，在光纤制造过程中可以通过合理地选择光纤的掺杂材料来减小本征吸收损耗。表明：当工作波长较长时，掺GeO2杂质的光纤材料是最理想的。用

SiO2~GeO2材料制成的单模光纤，在1.55?m波长处测得的损耗仅为

0.2dB/km。

本征吸收损耗的结论为，本征吸收损耗在光纤通信系统工作波长范围内的影响并不明显但是这种衰耗限制了光纤通信系统的工作波长向紫外和更长的波段延伸。

图2 Fig.2

1.1.2 杂质吸收损耗

光纤中的氢氧根离子和过渡金属离子造成的损耗，过渡金属离子比较容易去除，过渡金属离子包括：铁(Fe)、铜(Cu)、钒(V)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)和铬(Cr)，在光通信使用的波长范围内有强烈的吸收作用。当要求损耗低于20dB/km时，过渡金属离子浓度不能超过几个ppb(十亿分之一)。目前在高纯度的石英光纤中可达到此纯度，因此过渡金属离子的影响很小。

氢氧根离子含量低，但吸收影响较大，不

过，随着科技的发展和工艺的不断提高，

OH?的含量将不断降低。当降到

0.8~1.0ppb(10?9)时,在0.7~1.6微米

波谱范围内，其吸收峰基本消失，得到如下图所示虚线所示的曲线，1.31波长窗口和1.55波长窗口不再被OH?吸收峰隔开，因此，可以得到一个很宽的低损耗波长窗口，有利于波分复用。

图3 Fig.3

1.1.3 原子缺陷吸收损耗

通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。原子缺陷吸收，可以通过选用合适的制造工艺、不同的掺杂材料及含量使之减小到可以忽略不计的程度。

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1.2 散射损耗

光线通过均匀透明介质时，从侧面是难以看到光线的。如果介质不均匀，如空气中漂浮的大量灰尘，我们便可以从侧面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介质中的不均匀性使光线朝四面八方散开的结果，这种现象称之为散射。散射损耗是以光能的形式把能量辐射出光纤之外的一种损耗。散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗。

1.2.1 线性散射损耗

任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。线性散射损耗包括瑞利散射和光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)。 ?瑞利散射

瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。从图3-1中可以看到这种损耗随着波长的增加而急剧减小。从图4还可以看出，对于短波长光纤损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。

在光纤的拉制过程中，玻璃处在熔融状态，其分子处在无规则的热运动状态。加热过程提供了热运动能量。当熔融石英冷却时，热运动强度也随之降低。达到固态时，随机分布的分子定位在玻璃中。这种随机分布导致了玻璃密度的涨落，从而产生折射率的涨落。这种密度涨落就像是在某种均匀物质中随机掺入了某种小颗粒。这种颗粒的尺寸远小于光波长。当光线通过这种结构的材料传播时，有一部分光能量会由于颗粒的影响而发生散射，这种损耗为瑞利散射。这种散射完全由光纤的材料决定，对于给定的玻璃材料，要制造出比这个损耗值更低的光纤是不可能的。

图4 Fig.4

?光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗)

在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不完整、芯径变化，圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等。这些结构上不完善处的尺寸远大于光波波长，引起与波长无关的散射损耗。随着工艺的改进，损耗可以降低到0.01~0.05dB/km的范围之内。

1.2.2 非线性散射损耗

光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别称为受激喇曼散射和受激布里渊散射。在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将呈指数增长。

1.3 弯曲损耗

光纤的弯曲有两种形式，分别是宏弯和微弯。宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲；微弯：光纤轴线产生微米级的弯曲。光纤弯曲会造成模式转换，低阶模转成高阶模，从而造成损耗增大，若导模转换为辐射模，则造成辐射损耗。另一种解释是弯曲处不满足全反射条件。

宏弯是指大尺度的弯曲，例如将光纤卷绕在轴上或者沿拐角铺设时产生的弯曲。玻璃光纤很好的柔韧性可以满足光缆铺设时不同场合对各种弯曲程度的要求。弯曲不仅会带来衰耗，还会降低光纤的抗张强度。光纤在涂覆保护层以及成缆时容易产生微弯。

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图5 Fig.5

1.4 光纤损耗系数

为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般用?表示损耗系数，单位是dB/km。表达式为为：??10LlgP1P(dB/km)式中：L2为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或?W为单位。如果光纤的输入和输出光功率以dB为单位，则损耗系数?为：

P1?P2L(dB/km)。 2 光纤的色散特性

2.1 色散的概念

在光纤中，光信号是由很多不同的成分(如不同模式、不同频率)组成的，由于信号的各频率成份或各模式成份的传播速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成份之间出现时延差，从而引起信号畸变，这种现象称为色散。色散的危害：在数字光纤通信系统中，会引起光脉冲展宽，严重时前后脉冲将相互重叠，形成码间干扰，误码率增大，影响了光纤的传输带宽从而限制了光纤通信系统的传输容量和中继距离。

色散分类：按色散产生的原因，分为模式(模间)色散、材料色散、波导色散和极化色散。多模光纤中模式色散占主导地位；单模光纤中包含材料色散、波导色散和极化色散；严格地说，极化色散属于模式色散。

2.2 模式色散

由于射线理论解释：由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。常用时延差表示色散程度。

2.2.1 阶跃型光纤中的模式色散

图6 Fig.6

从射线理论角度，计算模式色散公式为：

?LM?c?LLn1c?c(n1n?1)?Ln1?2cnsin?c1n1在弱导光纤中：??n1?n2n1?n2n? 1n22.2.2 渐变型光纤中的模式色散

纤芯中折射率服从抛物线分布的光纤的模式色散。纤芯折射率分布公式：

)?n(0)[1?2?(r1n(r2a)]2 ；最大模式时

延：t1Ln(0)2Ln(0)max?2?c??c；最小模式时延：tLn(0)min?c；模式色散为：

??t1Ln(0)2Mmax?tmin?2?c?；折射率为

其他指数分布的渐变型光纤的模式色散：

?（?-2）Ln(0)M?（??2）c?(??2)。其中， ?为光纤的折射率分布指数。

2.2.3 色散在电磁场的相关概念

?无损媒质中的平面波

自由空间:自由空间是指不存在电荷、电流的空间，在此空间内电磁场不被散射或吸收。一般情况下自由空间指的是真空。在真空中的平面波的相速度为：

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V?1p???????0?0?，各种频率波

0?0的传播速度相同，无色散。 ?有损耗媒质中的平面波

造成媒质损耗的原因：一是介质中电荷的极化，为了使媒质中的电荷的极化方向与外加时变电场方向相同，需要克服阻力做功消耗的能量。二是金属中的自由电子、半导体中的电子空穴对、电解质中的离子在外加电场作用下会产生欧姆损耗。这两方面的原因导致了媒质中

的

介

电

常

数

是

复

数

：

??c???j????j? ，相应的损耗角为：tan?????c??????，相应的传播常数为：

?jk??????1?c?jc?j???(1?j??)2

?弥散或者色散

一个时域的信号波形包含了很多频率成分,当这个信号波形在媒质中传输时,如果这些频率成分的相速度不同,则会引起信号波形的失真。把这种失真称为dispersion，把这种媒质称为色散媒质。有损的介质是典型的色散媒质，可理解为信道的弥散；在光纤中称为色散。

④群速度，群时延

在窄带通信系统中，已调信号是由高频的载波及分布在其附近的调制信号频率成分组成，这些频率成分形成了一个频率群，或者说一个波包(wavePacket)。群速度就是指波包的包络的传播速度，或者说频率群的传播速度。 ⑤色散媒质的分类

根据公式：up??/?，ug?1d?/d?可以求出无限大媒质空间中的相速度和群速度的一般关系为：

d?upd??dd?(?u)?1??dup2?,ug?pupupd1??dupupd?a)无色散媒质： up独立于? ，?是?的线性函数：dup/d??0,ug?up； b)正常色散媒质：随?的增加，up不断减小；

dup/d??0,ug?up；

c)反常色散媒质：随?的增加，up不断增加；

dup/d??0,ug?up。

2.3 材料色散

光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，从而引起脉冲展宽的现象称为材料色散。不同波长的光脉冲将有不同的传播速度，在到达出射端面时将产生时延差，从而使脉冲展宽。

2.3.1 色散系数

一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量，色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的时延差，用 D(?)表示，单位是

ps/(nm.km)。色散的具体表达式可以根据

群速度定义导出： D(?)?d?d?。经过一系列

的

公

式

推

导

，

得

到

：

D(?)?-?d2n1n1?d2(Vb)cd?2?c??dV2。其中，

b?W2V2 为归一化传播常数，第一项为材料

色散系数(由于纤芯材料的折射率随波长的变化而变化)，第二项为波导色散系数(因为b,V都是光纤折射率剖面结构参数的函数，所以称

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为波导色散系数)。 2.3.2 材料色散

材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出，材料色散用

?m表示：

?m(?)?Dm(?)????L 其中，??为光源

的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。 ?材料色散要比模式色散小； ?光纤的色散系数可正可负； ?正色散表示波长长传播慢； ?负色散表示波长长传播快； ?正负色散光纤结合改善总色散；

图7 Fig.7

图8 Fig.8

2.3.3 波导色散

波导色散是由于传播常数随波长变化引起的，是色散系数公式中第二项：

Dn1?d2(Vb)W(?)??c?V?dV2，从这个表达式2看出：它与归一化频率 V和

d(Vb)dV2的乘积成正比，而V和b又都是光纤波导结构参数的函数。波导色散系数和材料色散系数相比拟；感兴趣波长内，波导色散均为负值；纤芯

越小，相对折射率差越大，波导色散越小；一定波长范围内，波导色散与材料色散的代数和为零。

图9 Fig.9

图10 Fig.10

2.3.4 极化色散

极化色散也称为偏振模色散，用?p表示。从本质上讲属于模式色散。光纤中存在的是线偏振LPM；单模光纤中, LP01按照场强的偏振方向区分为LP01x和LP01y两种；单模光纤中，有可能同时存在两种模式，也有可能只存在一种模式，还有可能存在两种模式的交替；单模光纤中，理论上两种模式是简并的，具有相同的传播常数，但由于实际光纤的不完善性和外界的应力扰动，会导致光纤内部产生双折射现象，也就是二者不再简并，沿光纤传输时，会产生差分群时延，从而引起光脉冲的展宽；单

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模光纤中，极化色散计算公式为：?ny?nxp?Lc ；单模光纤中，通过减小光

纤不完善性，减小其椭圆度，减小内部残余应力，减小光纤中的双折射现象，从而减小极化色散。

2.3.5 总色散

光纤中存在着模式色散、材料色散、波导色散和极化色散，这几种色散的大小有下列关系：模式色散>>材料色散>波导色散>极化色散。由于极化色散很小，一般可忽略不计。在多模光纤中，主要存在模式色散、材料色散和波导色散；单模光纤中不存在模式色散，而只存在材料色散和波导色散。因此，光纤的总色散为：多模光纤???2?2M?（m??w），

单模光纤：???m??w。单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。

2.3.6 光纤的色散和带宽对通信容量的影响

光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如图所示：

图11 Fig.11

3 成缆对光纤特性的影响

3.1 光缆特性

光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后，对这些主要特性要根据国家

标准的规定做例行试验。成品光缆一般要求给出下述特性，这些特性的参数都可以用经验公式进行分析计算。

3.1.1 拉力特性

光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100~400kg范围。

3.1.2 压力特性

光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100kg/10cm~400kg/10cm。

3.1.3 弯曲特性

弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。

3.1.4 温度特性

光纤本身具有良好的温度特性，但由于塑料的热膨胀系数比石英大，所以在热涨或冷缩过程中，会导致光纤受到应力，从而导致光纤损耗增加。

3.2 成缆对光纤特性的影响 3.2.1 成缆的附加损耗

不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称为成缆损耗。主要原因是由于承揽过程中光纤受到了应力。骨架式结构的光缆附加损耗几乎为零，因为光纤在槽内几乎不受应力。

3.2.2 成缆可以改善光纤的温度特性

选用优质的套塑和涂层材料并采用优良的工艺，可以减小温度对光纤衰耗的影响；把光纤制成光缆，温度特性得到相当大的改善，是由于光缆中的金属加强构件的支撑作用阻止了光纤套管在温度变低时的收缩。

3.2.3 机械强度增加

成缆后，断点强度大大增加，抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能明显提高。

4 典型光纤参数

目前，ITU-T(国际电信联盟-电信标准化机构)分别对G.651光纤、G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤的主要参数进行了标准化。G.651光纤称为渐变型多模光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中

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小容量、中短距离的通信系统中。G.652光纤称为常规单模光纤，其特点是在波长1.31um处色散为零，系统的传输距离一般只受损耗的限制。G.653光纤称为零色散位移光纤，其特点是在波长1.55um处色散为零损耗又最小。G.654光纤称为截止波长光纤。其特点是在波长1.31um处色散为零，在1.55um处色散为

17~20ps/nm.km，和G.652光纤相同。

G.655光纤称为非零色散位移光纤，是一种改进的色散位移光纤。非零色散位移光纤具有常规单模光纤和色散位移光纤的优点，是最新一代的光纤。这种光纤在密集波分复用系统和孤子传输系统中使用，实现了超大容量、超长距离的通信。

5 光纤的非线性传输特性

5.1 简介

为了得到低损耗的光纤，人们通过知道光纤中引导光传播的基本原理是全内反射，于是制成了无包层的玻璃纤维。在20 世纪50 年代，知道包层的使用能够改善光纤的特性，从而诞生了光纤光学这个领域。

早期的光纤按现在的标准看具有很高的损耗，用当时最好的光学玻璃做成的光学纤维损耗也达到1000dB/km。1966 年高锟解决了石英光纤损耗的理论问题，提出了研制低损耗光纤的可能性。随着光纤制造技术的进一步发展，有了低损耗的光纤产生。低损耗光纤的获得，使得光纤中光传输时的非线性效应相对而言变得不可忽略。在1972 年，有科学家对单模光纤中的受激拉曼敞射和受激布里渊散射进行了研究，从而促进了非线性现象的研究。

5.2 光纤的非线性特性的提出

1973 年，有人提出了“通过色散和非线性效应的互作用将会导致光纤产生类孤子脉冲”这样一个重要结论。1980 年，在实验中观察到了光孤子，并在20 世纪80 年代导致了超短光脉冲的产

生和控制方面的一些成就。另一个同样重要的进展是将光纤用于光脉冲压缩和光开关。1987 年，利用光纤非线性效应的压缩技术已产生了短到6fs 的脉冲。非线性光纤光学领域在20 世纪90 年代继续得到发展，当在光纤中掺人稀土元素并用其制作放大器和激光器时，又增添了一个新的研究内容。尽管早在 1964年就开始制造光纤放大器，但仅在1987 年以后才得到快速发展。由于EDFA 能工作在1.55um波长区并能补偿光纤通信系统的损耗，因此引起人们的极大关注。到 1995 年，这种器件已达到商品化程度，EDFA 的使用导致了多信道光波系统设计上的革命。光纤放大器的研究进展同时加快了光孤子的研究，最终导致色散管理孤子概念的建立。另一重大进展是光纤光栅，光纤光栅始造于1978 年，在20 世纪90 年代得到发展，并成为光波技术不可分割的一部分。自 1996 年以来，光纤光栅和光子晶体光纤的非线性引起广泛关注。很显然，非线性光纤光学领域在 20 世纪90 年代得到巨大发展，并将在21 世纪继续得到发展。无论是在基本原理还是在技术方面，都产生了许多重大成就。

5.3 光在非线性介质中的传播

许多实验证实非线性效应能引起不同频率的光场之间能量的交换，而呈现出多种新的光学现象和新的光学效应。

物理光学中用经典线性谐振子模型导出了线性极化率的表达式为：

?^(w)?N2e1m(w22 0?w)2iw??为阻尼系数；w0为振子的固有频

率；e为电子电荷；N为钉子密度；m为电子质量。

极化率张量是描叙介质对光场响应特性的，因此介质本身结构的空间对称

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性将限制非线性极化率张量的独立分量个数。

6 总结

光纤的传输告别了传统的双绞线传输模式，与之相比，其通信容量大、传输距离长、保密性能好、适应能力强、体积小重量轻便于施工、物美价廉。相比其他的传输线，在传输过程中的损耗比较小，从发送点到目的地接收到的数据是接近完整的，从而延长了传送距离。制作光纤的基本材料为二氧化硅，价格

便宜，都为人们所接收。因此在价格相同，传输特性好的情况下，光纤成为了最佳选择。对于光纤的传输特性，传输损耗是不可避免的，只能尽可能的减少。

参考文献: