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单模光纤与多模光纤的色散
2009-05-13 13:47:35

一、概述 色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度,因此,色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。光纤的色散现象对光纤通信极为不利。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码,光纤在传输中的脉冲展宽,导致了脉冲与脉冲相重叠现象,即产生了码间干扰,从而形成传输码的失误,造成差错。为避免误码出现,就要拉长脉冲间距,导致传输速率降低,从而减少了通信容量。另一方面,光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此,为了避免误码,光纤的传输距离也要缩短。光纤的色散可分为: 1.模式色散又称模间色散 光纤的模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同,造成了脉冲的展宽,从而出现色散现象。 2.材料色散 含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时,不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同,传输速度不同就会引起脉冲展宽,导致色散。 3.波导色散又称结构色散 它是由光纤的几何结构决定的色散,其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时,受全反射作用,被限制在纤芯中传播。但是,如果横向尺寸沿光纤轴发生波动,除导致模式间的模式变换外,还有可能引起一少部分高频率的光线进入包层,在包层中传输,而包层的折射率低、传播速度大,这就会引起光脉冲展宽,从而导致色散。 4、偏振模色散(PMD)又称光的双折射 单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等,HE11x和HE11y存在相位差,则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振,就会产生双折射现象,即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等,模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化,从而会在光纤的输出端产生偏振色散。PCVD工艺生产出的单模光纤具有极低的偏振模色散(PMD)。 二、色散(带宽)的描述 模内色散系数的定义是:单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽(延时差)[ps/(nm·km)]。对所有类型的光纤,该系数是根据测定不同波长的光通过一定长度的光纤的相对时差(延时)来确定的。根据国际标准ITU、IEC和EIA/TIA的规定,测量单位光纤长度乘波长的群延时数据,宜用Sellmeier三项表达式来拟合(适用于单模和多模光纤)。图1和图2给出了PCVD工艺的单模光纤与多模光纤的典型模内色散曲线。 三、带宽的影响因素 (一) 光纤的类型 1. 单模光纤 单模光纤中,模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定,如果需要的话,可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤,来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤 。使得光纤在1550nm附近的色散很小或为零,从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。 在单模光纤中,另一种色散现象是偏振模色散(PMD),由于PMD是不稳定的,因而不能进行补偿。 2.多模光纤 多模光纤中,模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。PCVD工艺能够很好地控制折射率分布曲线,给出优秀的折射率分布曲线,对渐变型多模光纤(GIMM),可限制模式色散而得到高的模式带宽。 全系统带宽达到一定程度时,同样也受到模内色散的制约,尤其在850nm处,多模光纤的模内色散非常大。一些国际标准给出的多模光纤在850nm处的色散系数为-120ps/(nm·km),而PCVD多模光纤的色散值介于-95~-110 ps/(nm·km)。 (二)光源的光谱宽度 色散除了与光纤的类型、性能有关外,还与光源的谱宽有关。LED、LD以及动态单频激光器(DFB、DBR等)的谱宽依次变窄,而色散明显地减小。例如,如果使用光谱宽度小(大约1nm)的激光二极管,光纤就可维持高的带宽,而使用LED(谱宽约40nm)可大大降低系统带宽,并且显著降低优质多模光纤的模式带宽。 另外,LED较LD对调制带宽制约更多,系统设计者也需要考虑这种限制。 四、色散的测量 (一) 单模光纤 PCVD单模光纤色散的测量是按照国际标准ITU、IEC及EIA/TIA,采用“相位移方法”(PHASE-SHIFT METHOD),使用两个已调制的LED(1310nm及1550nm)。典型结果显示于图1。 单模光纤的模内色散的国际标准为S0≤0.093[ps/(nm·km)]及1300nm≤λ0≤1324 nm。图3a和图3b给出了PCVD单模光纤的S0和λ0的分布。其数据来源于长飞公司的临时光纤数据库的随机样本(包含少量不合格光纤),可以看出,所有值都在国际标准的限制之内。 (二) 多模光纤 PCVD工艺生产的50μm和62.5μm芯的多模光纤色散的测定,是按照国际标准ITU、IEC及EIA/TIA,采用“相对传播时间方法”(RELATIVE TIME OF FLIGHT METHOD)。测定波长范围为780nm~1550nm的激光脉冲,通过整个光纤长度的相对传播时间差。 从实验中观察到一个重要现象:激光二极管的谱宽以及所选用的波长<