光纤特性

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         从1970年到现在短短三十年的时间,光纤通信技术取得了极其惊人的发展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体，光纤通信具有通信容量大、中继距离长、保密性好、适应能力强等优点。然而，就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2%左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用，光纤通信正在向更高水平、更高阶段的方向发展。为了更好的认识光纤通信技术，下面我们从光纤的几个特性来着手认识它。
光纤的特性可以分为三大类：几何特性、光学特性与传输特性。包括：衰耗系数（即衰减）、色散、非线性特性等。
1 、衰耗系数（衰减）
　　衰耗系数是多模光纤和单模光纤最重要的特性参数之一，在很大程度上决定了多模和单模光纤通信的中继距离。
　　衰耗系数的定义为：每公里光纤对光信号功率的衰减值。其表达式为：
　　　　　 　a= 10 lg Pi/Po 单位为dB/km
　　其中：Pi 为输入光功率值（W 瓦特）
　　　　　Po 为输出光功率值（W 瓦特）
　　假如某光纤的衰耗系数为a=3dB/km，则意味着经过一公里光纤传输Pi/Po= 10 0.3= 2后，其光信号功率值减小了一半。长度为L 公里的光纤总的衰耗值为A=aL 。
　　对于单模光纤，按照0.18dB/km 的衰耗。对于一个光信号，若经过EDFA 放大后输出功率为+5dBm ，其接收端的接收灵敏度若为-28dBm ，则放大增益为33dB ，除以衰耗系数，除数距离为33/0.18=183公里，考虑老化等裕度，可传输120km 以上。
　  使光纤产生衰耗的原因很多，主要有：吸收衰耗，包括杂质吸收和本征吸收；散射衰耗，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其它衰耗，包括微弯曲衰耗等。
其中最主要的是杂质吸收引起衰耗。在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子对光的吸收能力极强，它们是产生光信号衰减的重要因数。因此，要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb 以下。
    散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2 、GeO2 和P2O5 等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。
    综合以上几个方面的损耗，单模光纤在1310nm 和1550nm 波长

区的衰减常数一般分别为0.3~0.4dB/km(1310nm) 和0.17~0.25dB/km(1550nm) 。ITU-TG.652 建议规定光纤在1310nm 和1550nm 的衰减常数应分别小于0.5dB/km 和0.4dB/km 。
    实际工程中，光信号的长距离传输要求信号功率足以抵消光纤的衰耗，G.652 光纤在1550nm 窗口的衰耗系数一般为0.25dB/km 左右，考虑到光接头、光纤冗余度等因素，综合的光纤衰耗系数一般小于0.275dB/km 。
2 、色散
　　当一个光脉冲从光纤中输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真，这说明光纤对光脉冲有展宽的作用，即光纤存在色散。这主要是光脉冲的前端和后端在光纤中传输的距离不一致，导致脉冲变宽。
　　光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，光纤带宽变窄会限制光纤的传输容量，同时，也限制了光信号的传输距离。
　　G.652 光纤是1310nm 窗口零色散，在1550nm 窗口存在色散，在传输10G 信号时需加色散补偿光纤，进行色散补偿；G.653 光纤是色散位移光纤，在1550nm 窗口零色散，可传输10G 的光信号，但传输WDM 波分光信号时，因零色散，会产生四波混频等非线性效应，不能用于WDM 波分的传输。G.655 光纤在1550nm 窗口有很小的色散，可用于SDH 光信号和WDM 信号的传输。
　　光纤的色散可以分为三部分，即模式色散、材料色散和波导色散。
　　模式色散：主要对多模光纤而言，对单模光纤来说，因只有一个模式传播，不存在模式色散的问题。
　　定义：多模光在多模光纤中传输时会存在许多种传输模式，而每种传输模式具有不同的传播速度和相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达接收端时的时间却不一致，于是产生了脉冲展宽的现象，叫模式色散。
　　材料色散：是指组成光纤的材料二氧化硅本身所产生的色散。
　　波导色散：波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。
　　对于多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也比较大，其材料色散较小，不占主导地位，波导色散对多模光纤的影响甚小，所以，多模光纤主要考虑其模式色散。而单模光纤传输的是一个单模，不存在模式色散，模式色散为零，考虑的是其材料色散和波导色散。光纤的总色散所引起的脉冲展宽为三种色散各自平方的和后开平方。
　　色散主要用色散系数D(λ ) 表示。色散系数一般只对单模光纤来说，包括材料色散和波导色散，统称色散系数。
色散系数的定义：每公里的光纤由于单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。其计算公式为 ：σ= δλ*D*L
其中：δλ 为光源的均方根谱宽
    D(λ ) 为色散系数，L 为长度，现在的单模光纤色散系数一般为20ps/km.nm ，光纤长度越长，则引起的色散总值就越大。色散系数越小越好，，因色散系数越小，根据上式可知，光纤的带宽越大，传输容量也就越大。所以，传输2.5G 以上光信号时，要考虑光纤色散对传输距离的影响，最好采用零色散的G.653 光纤传输，但光纤色散为零时，传输WDM 波分光信号会产生四波混频等非线性效应，所以色散要小，但不能为零，最终采用的光纤为G.655 光纤来传输10G 的光信号和WDM 波分复用信号。对于单模光纤，其带宽系数在25GHz.km 以上，但多模光纤的带宽系数一般在1GHz.km 以下。所以，多模光纤一般用于622M 以下短距离的通信，而单模光纤可用于多种速率的通信。
    ITU-T G.652 建议规定零色散波长范围为：1300nm~1324nm ，最大色散斜率为0.093ps/（nm 2 .km ），在1525~1575nm 波长范围内的色散系数约为20ps/（nm.km ）。 ITU-T G.653 建议规定零色散波长为：1550nm ，在1525~1575nm 区的色散斜率为0.085ps/（nm 2 .km ）。在1525~1575nm 波长范围内的最大色散系数为3.5ps/（nm.km ）。G.655 光纤在1530~1565nm 范围内的色散系数在绝对值应处于0.1~6.0 ps/（nm 2 .km ）。
　　
3、带宽Bc 、数值孔径NA 、和截止波长λ c 等概念
　　带宽主要用带宽系数Bc表示
　　通过实验可以发现，如果输入光信号的功率大小保持不变，随着调制频率的增加，通过光纤传输后，其输出光功率会随发端调制频率的增加而减小，这说明光纤也存在象电缆一样的带宽系数，即对调制光信号的调制频率有一定的响应特性。象电缆一样有高频线、低频线的区分，且高频、低频线的衰减也不一样。
带宽系数的定义：一公里长的光纤，其输出光信号的功率下降到其最大值（直流光输入时的输出光功率）的一半时，此时光信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数，即下降一半时光信号的带宽，也叫3dB 带宽，对于DWDM 设备，还有0.5dB 带宽、1dB 带宽、20dB 带宽的特性测试。
　　数值孔径NA，在前面以对数值孔径进行了描述，数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。根据全反射的原理，NA 的物理意义就是能使光信号在光纤内以全反射形式传播的接收角θ c 的正弦值，光纤的NA 并非越大越好，NA 越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA 越大，则其相对折射率差⊿也就越大，导致模式色散越大，使传输容量和距离变小，对光纤NA 的取值有规定，CCITT 建议光纤的NA=0.18~0.24 之间。
    截止波长λc就是能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长，如果要传输的光信号波长不大于单模光纤的截止波长，不能实现单模传输。
    为避免模式噪声和色散代价，系统光缆中的最短光缆长度的截止波长应该小于系统的最低工作波长，截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高阶模的产生或可以将产生的高阶模式噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。目前ITU-T 定义了三种截止波长：
1 ）短于2m 长跳线光缆中的一次涂覆光纤的截止波长。
2 ）22m 长成缆光纤的截止波长。
3 ）2~20m 长跳线光缆的截止波长。
    G.652 光纤在22 米长光缆上的截止波长≤1260nm ，在2~20 米长的跳线光缆截止波长≤1260nm ，在短于2 米长跳线光缆上的光纤的截止波长≤1250nm 。
    G.655 光纤在22 米长光缆上的截止波长≤1480nm ，在短于2 米长光缆上的一次涂敷光纤上的截止波长小于等于1470nm ，2~20 米长跳线光缆上的截止波长≤1480nm 。

4 、光纤传输的非线性效应
　　光纤传输的衰耗和色散与光纤长度呈线性变化的，呈线性效应，而带宽系数与光纤长度呈非线性效应。非线性效应一般在WDM 系统上反映较多，在SDH 系统反映较少，因为在WDM 设备系统中，由于和波器、分波器的插入损
耗较大，对16 波系统一般相加在10dB 左右，对32 波系统，相加在15dB 左右，因此需采用EDFA 进行放大补偿，在放大光功率的同时，也使光纤中的非线性效应增加，成为影响系统性能，限制中继距离的主要因数之一，同时，也增加了ASE 等噪声。
　　光纤中的非线性效应包括：①散射效应（受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 等）、②与克尔效应相关的影响，即与折射率密切相关（自相位调制SPM 、交叉相位调制XPM 、四波混频效应FWM ），其中四波混频、交叉相位调制对系统影响严重。
A、受激布里渊散射SBS和受激拉曼散射SRS
　　从本质上说，任何物质都是由分子、原子等基本组成单元组成。在常温下，这些基本组成单元在不断地作自发热运动和振动。光纤中的受激布里渊散射SBS 和受激拉曼散射SRS 都是激光光波通过光纤介质时，被其分子振动所调制的结果，而且SBS 和SRS 都具有增益特性，在一定条件下，这种增益可沿光纤积累。SBS 与SRS 的区别在于，SBS 激发的是声频支声子，SRS 激发的是光频支声子。
　　受激布里渊散射SBS 产生原理：SBS 是光纤中泵浦光与声子间相互作用的结果，在使用窄谱线宽度光源的强度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射SBS 的门限时（SBS 的门限较低，对于1550nm 的激光器，一般为7~8dBm ），将有很强的前向传输信号光转化为后向传输，随着前向传输功率的逐渐饱和，使后向散射功率急剧增加。
　　在WDM+EDFA 的系统中，注入到光纤中的功率大于SBS 的门限值，会产生SBS 散射。SBS 对WDM 系统的影响主要是引起系统通道间的串扰及信道能量的损失。布里渊频移量在1550nm 处约为10~11GHz ，当WDM 系统的信道间隔（即波长间隔）与布里渊频移量相等时，就会引起信道间的串扰，但目前的WDM 系统，在32 波( 包括32 波) 以下时，其信道间隔不小于0.8nm ，既信道间隔不小于100GHz ，可以避免由于SBS 产生的信道串扰，但随着WDM 朝密集方向的发展，信道间隔越来越小，但信道间隔靠近10~11GHz 时，SBS 将成为信道串扰的主要因数。此外，由于SBS 会引起一部分信道功率转移到噪声上 ，影响功率放大。目前抑制SBS 的措施通常在激光器输出端加一个低频调制信号，提高SBS 的门限值。

　　受激拉曼散射SRS 产生原理：受激拉曼散射SRS 是光与硅原子振动模式间相互作用有关的宽带效应，在任何情况下，短波长的信号总是被这种过程所衰减，同时长波长信号得到增强。
　　在单信道和多信道系统中都可能发生受激拉曼散射SRS 。仅有一个单信道且没有线路放大器的系统中，信号功率大于1W 时，功率会受到这种现象的损伤，在较宽信道间隔的多信道系统中，较短波长信号通道由于受激拉曼散射SRS ，使得一部分光功率转移到较长波长的信号信道中，从而可能引起信噪比性能的劣化。由于受激拉曼散射SRS 激发的是光频支声子，其产生的拉曼频移量比布里渊频移量大得多，一般在100GHz~200GHz ，且门限值较大，在1550nm 处约为27dBm ，一般情况下不会发生。但对于WDM 系统，随着传输距离的增长和复用的波数的增加，EDFA 放大输出的光信号功率会接近27dBm ，SRS 产生的机率会增加。
　　因G.653 光纤的等效芯经面积小于G.652 光纤，受激拉曼散射SRS 门限值要低于采用G.652 光纤的系统，在G.653 光纤上产生SRS 的概率要大。
B、自相位调制SPM和交叉相位调制XPM
　　光纤中的克尔效应是一种折射率的非线性效应，即光纤中激光强度的变化导致光纤折射率的变化，引起光信号自身的相位调整，这种效应叫做自相位调制。
　　由于折射率对光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均是延迟的，这种相移随着传输距离的增加而积累起来，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制SPM 。在DWDM 系统中，光谱展宽是非常严重的，可使一个信道的脉冲光谱与另一个信道的脉冲光谱发生重叠，影响系统的性能。
　　一般情况下，自相位调制SPM 效应只在超长系统中表现比较明显，同时在色散大的光纤中也表现比较明显，所以，采用G.653 光纤，且将信道设置在零色散区附近，有利于减小自相位调制效应，对于使用G.652 光纤，且长度小于1000km 的系统，可以在适当的间隔进行色散补偿的方法来控制自相位调制SPM 效应。
　　在多波长系统中，一个信道的相位变化不仅与本信道的光强有关，也与其它相邻信道的光强有关，由于相邻信道间的相互作用，相互调制的相位变化称为交叉相位调制XPM 。XPM 引起的频谱展宽度与信道的间隔有关，越小，则产生的效应就越大，反之，则小。XPM 引起的展宽会导致多信道系统中相邻信道间的干扰。
　　SPM 和XPM 在色散大的光纤中产生的效应要比在色散小的光纤中产生效应要大，在实际系统中可通过采用色散小的G.653 和G.655 光纤来减小SPM 和XPM 效应。
C、四波混频
　　四波混频FWM 亦称四声子混合，是光纤介质三阶极化实部作用产生的一种光波间耦合效应，是因不同波长的两三个光波相互作用而导致在其它波长上产生所谓混频产物，或边带的新光波，这种互作用可能发生于多信道系统的信号之间，可以产生三倍频、和频、差频等多种参量效应。
在DWDM 系统中，当信道间距与光纤色散足够小且满足相位匹配时，四波混频将成为非线性串扰的主要因数。当信道间隔达到10GHz 以下时，FWM 对系统的影响将最严重。

　四波混频FWM 对DWDM 系统的影响主要表现在：(1)产生新的波长，使原有信号的光能量受到损失，影响系统的信噪比等性能；(2)如果产生的新波长与原有某波长相同或交叠，从而产生严重的串扰。四波混频FWM 的产生要求要求各信号光的相位匹配，当各信号光在光纤的零色散附近传输时，材料色散对相位失配的影响很小，因而较容易满足相位匹配条件，容易产生四波混频效应。
　　目前的DWDM 系统的信道间隔一般在100GHz ，零色散导致四波混频成为主要原因，所以，采用G.653 光纤传输DWDM 系统时，容易产生四波混频效应，而采用G.652 或G.655 光纤时，不易产生四波混频效应。但G.652 光纤在1550nm 窗口存在一定的色散，传输10G 信号时，应加色散补偿，G.655 光纤在1550nm 窗口的色散很小，适合10GDWDM 系统的传输。