光纤与波长

1光纤与波长的关系光是一种电磁波，它在光纤中的传播属于介质圆波导，当光线在介质的界面发生全反射是，电磁波被限制在介质中，这种波型成为导波或导模。对给定的导波和工作波长，存在多种满足全反射条件的入射情况，称为导波的不同模式。将光纤按照传输模式分类，有多模光纤和单模光纤之分。多模光纤可以传输若干个模式，而单模光纤对给定的工作波长只能传输一个模式。多模光纤多用于传输速率相对较低，传输距离相对较短的网络中，如局域网等，这类网络中通常具有节点多，接头多，弯路多，而且连接器、耦合器的用量大，单位光纤长度使用光源个数多等特点，使用多模光纤可以有效的降低网络成本。单模光纤多用于传输距离长，传输速率相对较高的线路中，如长途干线传输，城域网建设等。单模一种光纤类型，光以单一路径通过这种光纤。以激光器为光源。多模一种光纤类型，光以多重路径通过这种光纤。以发光二极管或激光器为光源。按传输模式分按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。多模光纤的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层外直径125μm。光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dB/km,1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。由于OHˉ的吸收作用，20.90~1.30μm和1.34~1.52μm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31μm。多模光纤多模光纤(MultiModeFiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。单模光纤单模光纤(SingleModeFiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100MBPS的以太网以至这行的1G千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。3从成本角度考虑，采用单模光纤的成本会比多模光纤的成本高。在多模光纤上传输决定传输距离的主要因素是光纤的带宽和LED的工作波长，例如，如果采用工作波长1300nm的LED和50微米的光纤，其传输带宽是400MHz.km，链路衰减为0.7dB/km，如果基带传输频率F为150MHz，对于出纤功率为-18dBm，接收灵敏度为-25dBm的光纤传输系统，其最大链路损耗为7dB，则可计算：ST连接器损耗：2dB（两个ST连接器）光学损耗裕量：2则理论传输距离：L=（7dB-2dB-2dB）/0.7dB/km=4.2kmL为传输距离，而根据光纤的带宽计算：L=B/F=400MHz.km/150MHz=2.6km其中B为光纤带宽，F为基带传输频率，那么实际传输测试时，L￡2.6km，由此可见，决定传输距离的主要因素是多模光纤的带宽。（2）单模传输设备所采用的光器件是LD，通常按波长可分为850nm和1300nm两个波长，按输出功率可分为普通LD、高功率LD、DFB-LD（分布反馈光器件）。单模光纤传输所用的光纤最普遍的是G.652，其线径为9微米。1310nm波长的光在G.652光纤上传输时，决定其传输距离限制的是衰减因数；因为在1310nm波长下，光纤的材料色散与结构色散4相互抵消总的色散为0，在1310nm波长上有微小振幅的光信号能够实现宽频带传输。1550nm波长的光在G.652光纤上传输时衰减因数很小，单纯从衰减因数考虑，1550nm波长的光在相同的光功率下传输的距离大于1310nm波长的光下的传输的距离，但是实际情况并非如此，单模光纤带宽B与色散因数D的关系为：B=132.5/（Dl*D*L）GHz其中L为光纤的长度，Dl为谱线宽度，对于1550nm波长的光，其色散因数如表3为20ps/(nm.km)，假设其光谱宽度等于1nm，传输距离为L=50公里，则有：B=132.5/（D*L）GHz=132.5MHz也就是说，对于模拟波形，采用1550nm波长的光，当传输距离为50公里时，传输带宽已经小于132.5MHz，如果基带传输频率F为150MHz，那么传输距离已经小于50km，况且实际应用中，光源的谱线宽度往往大于1nm。从上式可以看出，1550nm波长的光在G.652光纤上传输时决定其传输距离限制的主要是色散因数。