光纖通信中光纖特性分析

袁峭林

【摘要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，尤其是在通信技術(shù)方面的發(fā)展，目前我國(guó)速度最快的通信技術(shù)就是光纖通信技術(shù)，它的工作原理就是利用光波作為載波的媒介，光纖作為傳輸?shù)拿劫|(zhì)，準(zhǔn)確的將要傳送的信息安全送達(dá)目的地的一種現(xiàn)代通信方式，基于此光纖通信技術(shù)被廣泛的稱作“有線”光通信。在當(dāng)今社會(huì)中，光纖技術(shù)相比其他通信技術(shù)，比如電纜、微波通信的傳輸技術(shù)，在傳輸頻帶寬、抗干擾性和信號(hào)等方面都有著自己的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)通信傳輸方式中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，就當(dāng)前我國(guó)的光纖通信技術(shù)而言，它的潛在能力并沒(méi)有全部被開發(fā)出來(lái)，在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中的技術(shù)還只是光纖通信技術(shù)本身的百分之二左右，剩下的巨大潛力還在等待人們?nèi)ラ_發(fā)利用。因此，為了更好的開發(fā)利用光纖通信技術(shù)，本文就光纖通信技術(shù)中光纖的特性進(jìn)行分析，并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的探析。

【關(guān)鍵詞】光纖通信；光纖特性；分析

光纖通信技術(shù)自1970年在我國(guó)開始用于通信傳輸，發(fā)展到現(xiàn)在只有短短的三十年時(shí)間，但是卻已經(jīng)取得了極其驚人的發(fā)展。由于光纖通信較之其他通信方式具有通信容量大、中繼距離長(zhǎng)、保密性好且適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且是選用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體，為光纖通信技術(shù)在我國(guó)的推廣和使用提供了必要的前提條件。為了能夠更好的認(rèn)識(shí)光纖通信技術(shù)，讓光纖通信技術(shù)向著更高水平的、更高階段的方向發(fā)展，我們可以從光纖的幾個(gè)特性開始入手。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)光纖的特性主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，分別是在幾何方面的特性、光學(xué)方面的特性與傳輸方面的特性，這三方面特性中又有著極具代表性的特性，分別是非線性特性、色散以及衰耗系數(shù)。

一、光纖通信技術(shù)

第一，光纖通信技術(shù)的概述。從光纖通信的組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看，主要是由光纖、光源和光檢測(cè)器這三種通信的基本物質(zhì)要素構(gòu)成的，由于是以一種光導(dǎo)纖維為傳輸媒介的“有線”光通信，所以又可以稱之為光導(dǎo)纖維通信。其中光纖又是包含了內(nèi)芯和包層兩個(gè)主要部分。內(nèi)芯一般為幾十微米直至幾微米，所占用的體積非常小，而外面層主要是起保護(hù)光纖的作用，因?yàn)楣饫w通信系統(tǒng)所使用的光纜不同于普通的使用單根的光纖的光纜，它使用的是由許多光纖聚集在一起的組成的一組光纜，很有效的杜絕了信息在傳播過(guò)程中出現(xiàn)信息泄露的現(xiàn)象。其中在實(shí)際應(yīng)用中，不僅根據(jù)光纖自身的制造工藝進(jìn)行分類，還可以按照光纖的組成材料和光學(xué)特性進(jìn)行分類?？傊?，光纖通信技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展正在不斷的完善過(guò)程中。

第二，光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)：首先是擁有相比于銅線或電纜的極寬頻帶和超大容量的通信存儲(chǔ)空間，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，我們已經(jīng)能夠使用密集波分復(fù)用技術(shù)最大化地增添了了光纖的傳輸容量，解決因終端設(shè)備的電子瓶頸效導(dǎo)致光纖自身的巨大優(yōu)勢(shì)未被使用的問(wèn)題，尤其是對(duì)于單波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)。然后是合適的長(zhǎng)中繼距離，傳輸損耗比其它任何傳輸介質(zhì)的損耗都要低出很多，而且如果將來(lái)能夠采用非石英系統(tǒng)極低損耗光纖，將讓光纖通信技術(shù)的低損耗更上一層樓。再然后是抗電磁干擾能力強(qiáng)，因?yàn)楣饫w原材料是由石英材料制成的絕緣體材料，可以讓光波導(dǎo)對(duì)電磁干擾具有強(qiáng)大的免疫力，還不容易被腐蝕損耗。最后是在光纖中的傳輸過(guò)程中光信號(hào)可以被完善地限制在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，可以保證光纜外面竊聽不到光纖中傳輸?shù)男畔?，并避免出現(xiàn)串音干擾的狀況。

二、光纖通信中的光纖特性

第一，衰耗系數(shù)。衰耗系數(shù)也就是每公里光纖對(duì)光信號(hào)功率的衰減值，這是區(qū)分多模光纖和單模光纖在傳輸過(guò)程中對(duì)特性研究的重要參數(shù)之一，對(duì)光纖的中繼距離在很大程度上有直接的影響。由于它的重要地位，我們必須對(duì)其做出深入的研究，找到使光纖產(chǎn)生衰耗的原因，延長(zhǎng)光纖的使用壽命。其中引起光纖產(chǎn)生衰耗的主要因素有：其一是吸收型的光纖衰耗，其主體是雜質(zhì)，因?yàn)楣饫w的制作材料在制作過(guò)程中的純度沒(méi)有完全達(dá)到限定范圍，這些雜質(zhì)對(duì)光的吸收能力十分強(qiáng)大，造成雜質(zhì)在光纖通信過(guò)程中容易對(duì)光信號(hào)的功率進(jìn)行大量消耗，吸收型的衰耗也是導(dǎo)致光信號(hào)快速衰減最主要的原因。其二是散射型的衰耗，主要包括線性散射、非線性散射和結(jié)構(gòu)不完整散射，在光纖通信傳輸過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重影響光纖的使用效果。其三是其它類型的衰耗，主要包括微彎曲衰耗，這種類型的衰耗在光纖通信傳輸過(guò)程中起到作用是相對(duì)較小的。三種重要類型的衰耗方式中最容易引起且產(chǎn)生的影響較大的是第一種吸收型的光纖衰耗，因此為了在以后能夠減少這種原因引起的光纖消耗，必須對(duì)制造光纖用的原材料二氧化硅進(jìn)行十分嚴(yán)格的化學(xué)提純操作，讓造成散射損耗的光纖材料密度發(fā)生變化，以獲得高純度低衰耗的光纖，保證材料中的雜質(zhì)含量始終保持在可控范圍之內(nèi)，降低雜質(zhì)吸收的機(jī)率?；蛘咴谥圃旃饫w的過(guò)程中，在纖芯和包層交界面上殘留一些氣泡和氣痕，這樣可以通過(guò)引起與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射損耗讓整個(gè)光纖損耗譜曲線上移來(lái)減小散射的損耗。

第二，色散。經(jīng)過(guò)多年對(duì)光纖的研究發(fā)展，色散是光纖的一個(gè)重要特性，對(duì)于色散有它的定義，我們都知道在在多模光纖傳輸過(guò)程中的多模光在這個(gè)過(guò)程中存在著許多種傳輸模式，但是每一種傳輸模式都有各自對(duì)應(yīng)的不同的傳播速度和相位，所以就算在輸入端同時(shí)輸入光脈沖信號(hào)，也會(huì)因?yàn)楣饷}沖的前端和后端在光纖中傳輸?shù)木嚯x不一致，造成最終通信信息到達(dá)接收端時(shí)的時(shí)間都是不一樣的，這種產(chǎn)生了脈沖展寬的現(xiàn)象就叫做色散。它是引起光纖帶寬變窄的主要原因，而光纖帶寬的變化對(duì)光纖的傳輸容量產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)通過(guò)光纖鏈路的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn) 光纖帶寬變窄不僅對(duì)光纖的傳輸容量能起到限制的作用，同時(shí)還會(huì)對(duì)光信號(hào)的傳輸距離產(chǎn)生直接的影響。為了進(jìn)一步了解光纖的色散特性，我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)光纖的色散根據(jù)形式的不一樣可以分為三種類型。一是模式色散，這種類型的色散主要是針對(duì)多模光纖起作用，因?yàn)樗墓饫w通信傳輸方式多種多樣，而對(duì)于單模光纖這種只有一個(gè)模式傳播的光纖傳輸技術(shù)，則不存在模式色散的問(wèn)題。二是材料色散，顧名思義，材料色散主要是指制作光纖的主要材料二氧化硅本身所產(chǎn)生的色散，這種色散雖然是不可避免的，但是產(chǎn)生的影響較小，在光纖的色散特性中不占主導(dǎo)地位。三是波導(dǎo)色散，它是是指由光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所引起的色散，這種形式的色散對(duì)于多模光纖來(lái)說(shuō)影響甚小。總而言之，就是色散大都是對(duì)多模光纖產(chǎn)生影響，主要形式是模式色散。對(duì)于光纖的色散特性需要注意的是對(duì)于單模光纖傳輸這種只是一個(gè)單模的傳輸方式，是不存在模式色散，模式色散為零，所以在單模光纖傳輸過(guò)程中考主要考慮的就是是材料色散和波導(dǎo)色散對(duì)其造成的影響。

第三，光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)。與光纖的衰耗和色散特性呈線性變化所形成的現(xiàn)行效應(yīng)不同，光線的帶寬系數(shù)與光纖長(zhǎng)度都是呈非線性變化的，稱之為非線性效應(yīng)。以此為依據(jù)光纖中的非線性效應(yīng)可以分為兩種類型。

首先是散射效應(yīng)，即受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS，眾所周知，時(shí)間的任何物質(zhì)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是是由分子、原子等基本組成單元組成的，這些基本組成單元在常溫條件下一直處于不斷地作自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)中，因此，作為散射效應(yīng)的重要組成部分，受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS在產(chǎn)生原理上是完全不一樣的。前者受激布里淵散射SBS纖中泵浦光與聲子間相互作用的結(jié)果，在使用光源的強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)過(guò)程中，必須保證信號(hào)光功率在受激布里淵散射SBS的控制范圍，否則將出現(xiàn)后向散射功率也會(huì)出現(xiàn)急劇的增加的現(xiàn)象，發(fā)生受激拉曼散射SRS狀況。而后者受激拉曼散射SRS的產(chǎn)生原理是是光與硅原子振動(dòng)模式間相互作用有關(guān)的寬帶效應(yīng)，不管在什么樣的情況下，在這個(gè)過(guò)程中懂得短波長(zhǎng)信號(hào)都會(huì)有所衰減，而長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)卻會(huì)增強(qiáng)。由于受激拉曼散射SRS激發(fā)的是光頻支聲子，且門限值較大，在單信道和多信道系統(tǒng)中，一般情況下不容易發(fā)生。但是如果在傳輸過(guò)程中隨著傳輸距離的增長(zhǎng)和復(fù)用波數(shù)的不斷增加，會(huì)造成光信號(hào)功率不斷接近受激拉曼散射SRS的門限值，增加SRS發(fā)生的幾率。

其次是與克爾效應(yīng)相關(guān)的影響，即與折射率密切相關(guān)，主要包括自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM。自相位調(diào)制是因光纖中激光強(qiáng)度的變化所導(dǎo)致光纖折射率發(fā)生變化，從而引起光信號(hào)自身的相位調(diào)整的一種效應(yīng)，也就是說(shuō)光纖中的克爾效應(yīng)是一種折射率的非線性效應(yīng)。交叉相位調(diào)制XPM是指在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中，一個(gè)信道的相位變化不僅與本信道的光強(qiáng)有關(guān)，也與其它相鄰信道的光強(qiáng)有關(guān)，它的出現(xiàn)通常是由于相鄰信道間的相互作用導(dǎo)致相位相互調(diào)制。四波混頻FWM還可以叫做四聲子混合，它是是光纖介質(zhì)三階極化實(shí)部作用產(chǎn)生的一種光波間耦合效應(yīng)，所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的效應(yīng)。

結(jié)語(yǔ)

光纖通信技術(shù)是我國(guó)現(xiàn)階段發(fā)展過(guò)程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)我國(guó)的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用，而光纖是其中的重要組成部分，為了能夠進(jìn)一步了解相關(guān)技術(shù)，發(fā)揮其應(yīng)有的作用，需要對(duì)其有所了解，尤其是在它的特性方面，因此，在未來(lái)的發(fā)展道路上，還需要不斷努力去探索。

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