光纤传输特性与其测量方法分析

摘 要 光纤是光纤通信的重要材料，信号在其中的传输会伴随失真和损耗，为保证系统的性能，对光纤特性的研究尤为重要。本文主要对光纤传输特性中的光纤损耗和光纤色散进行研究分析，首先对两种传输特性的产生机理与表示方法进行探讨，再对它们的测量方法进行了分析。

关键词 光纤通信;传输特性;光纤色散;光纤损耗

随着通信技术的快速发展，各种业务对于通信质量的需求也逐渐增长，其中光纤通信提高了信息传输速率，成为主要通信方式之一。光纤通信技术是以光纤作为传输媒介，而影响光纤通信质量的一个因素是光纤传输特性。光纤特性在构造光纤通信系统，设计工艺以及制造的过程等方面十分重要，因此对于其特性参数及测量方法的研究有助于提高通信质量。

1光纤的传输特性

1.1 光纤的色散特性

光纤的色散会造成信号失真，它是光信号在光纤中传输时，由于成分不相同的光拥有不同的传播速率和频率成分而造成的一种效应，这种特性在频域上限制了系统的传输带宽，而在时域上引起了信号脉冲的展宽[1]。通常光纤色散可以被分为以下四种类型[2]：

第一种，模式色散，这种色散会出现在多模光纤传输中，与光纤折射率分布有关。光信号在多模光纤中传输时，由于各种光纤模式的传输相位常数和到达时间的不同，即使它们拥有相同波长也会出现信号脉冲展宽的现象。模式色散一般用时延差Δτ表示，即高阶模式群与低阶模式群的到达时间的差值。

第二种，材料色散，是由于传输媒质材料本身特性引起的。在光纤中传输的波长不相同的光，它们传输一段距离后的到达时间不同，且不同波长的折射率也不相同，从而造成材料色散。材料色散一般由光纤色散系数表示。

第三种，波导色散，它与材料色散合称为色度色散，由在光纤中引导光波传输的媒介产生的。对于结构和形状不完善的光纤来说，光波传输时会分散在纤芯和材料外围的包层中，信号脉冲展宽正是因为这两部分的折射率不同而导致的。波导色散一般也由色散系数来表示。

第四种，偏振模色散，也称为双折射色散，是由于受到光纤本身与外部因素影响而引起的。实际的光纤在制造时存在一定缺陷，没有互相垂直的偏振模具有相同传输常数的情况，从而会有时延差。

1.2 光纤的损耗特性

系统的传输距离在很大程度上由光纤损耗决定，这种损耗是光波随传输距离的增长以及光纤材料自身缺陷的原因而逐渐衰减的特性。光纤的损耗系数表示为

其中L（km）是光纤的长度，输入光功率和输出光功率分别表示为Pi和Po。

光纤损耗主要可以分为以下两个部分：

第一，吸收损耗，这一部分主要是由于材料本身以及杂质对光能的吸收，量子跃迁所带来的能量损失，它又可分为固有吸收和杂质吸收这两种形式[3]。固有吸收存在于红外和紫外两个频段，波长大于7μm的处于红外波段，此区域的吸收是由分子振动引起的;波长小于0.4μm的处于紫外波段，材料电子跃迁会引起此区域的吸收。当波段吸收带到一定的程度时，其尾端能延伸到可见光区。杂质吸收是一些如Fe2+、Co2+等过渡金属与氢氧根离子跃迁所引起的损耗，过渡金属离子的含量降低到小于10-9幅度时，它的影响可以忽略;氢氧根离子的影响难以忽略，它在0.95μm、1.24μm、1.39μm等波长处形成吸收峰，但在一些其他频带的吸收很小，在1.55μm处的吸收最小[3]。

第二，散射损耗，这一部分通常是因材料中的介质不均匀和结构上出现缺陷而产生散射，这会导致光功率在传输过程中产生损耗。其中最重要的是瑞利散射，它就是由于光信号通过材料内部密度不均匀的物质，这些微粒的不均匀分布会导致某些区域的折射率不均匀分布，因此产生散射。瑞利散射损耗与波长有关，光纤损耗的最低理论极限就取决于它，可用来表示，式中A为瑞利散射系数，它与纤芯和包层的折射率差有关[1]。还有一些损耗是由于制造光纤材料的过程中，存在光纤界面不完整、其中残留气泡等结构缺陷而引起的散射，这部分损耗与波长无关。

2光纤传输特性的测量

2.1 色散测量

光纤色散的测量分为时域和频域两类，分别是测量在光纤中传输相同距离的频率不相同的光脉冲所用的时延，或测量频率不同的光脉冲对应频域上的相位，常用相移法、脉冲法和干涉法[4]。

在所有测量方法中，相移法是测量单模光纤色散的基本方法。它通过计算不同时延信号产生的相位而得到相位差，然后得出光纤色散值。长L的光纤色散值表示为

式中Δλ两种通过被测光纤的受调制光波的波长差，ΔФ为相位差，ω是受调制光波的角频率。一般为了避免测量误差要测量多个λ和Ф的值。

2.2 損耗测量

一般有剪断法、插入法和后向散射法来测量光纤损耗，前两种是测量光纤的传输功率，后者是测量光纤向后散射的光功率[1]。

截断法用来测量光在光纤中传输时的损耗，通过计算可获得光纤损耗系数，其表达为

式中，P1和P2分别表示光输入时的功率和输出时的光功率， L为被测光纤的长度[5]。

在实际中低阶模式的损耗小于高阶模式，所以光功率与光纤长度不呈线性的关系，那么为了得到唯一的表示光纤特性的损耗系数值就要在测量前做预处理，来获得稳态分布的注入条件。在经过处理后的稳定条件下，先对待测光纤的光功率进行测量，再在保证输入条件不变的情况下测被剪后短光纤的光功率，将数据带入计算损耗系数的表达式中得出α的值。

插入法与剪断法的原理相同，两者都是根据光纤衰减系数的定义进行测量的方法。插入法是将一段短光纤连接在注入装置与检测器之间，先测出短光纤的光功率，再测出插入装置中的待测光纤的光功率，再由损耗系数公式进行计算。

后向散射法是利用光信号在光纤传输中的散射现象，即与传输光相反方向的瑞利散射光功率对光纤衰减系数进行测量的方法[1]。经过L1和L2两点的光信号通过光检测器后得到后向散射光功率分别为Pd（L1）和Pd（L2），经推导得出的正向和反向平均损耗系数表达式为

测量过程大致为，将采用特定波长稳定的大功率激光器发出的光源经耦合器件后注入待测光纤中，之后耦合器再将被测光纤中的反向散射光注入具有高灵敏度的光检测器。

3结束语

光纤通信技术作为现代通信的重要技术之一，在很多方面都被运用，为了更好地发展光纤技术，则需要了解这项技术中的重要材料。本文就光纤的传输特性与其测量方法进行了研究分析，光纤的特性反映了传输质量，对其测量有助于改善光纤通信系统的制造工艺与性能。光纤特性的呈现与测试条件、测试技术、样品结构等因素都有密切关系，为获得更高质量的光纤系统，还应加强对光纤特性与测量技术的研究。

参考文献

[1] 刘增基.光纤通信（第二版）[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2008：26-44.

[2] 赵帅.光纤色散在光信息处理中的应用探讨[J].科技经济市场， 2019（8）：3-4.

[3] 崔宏.光纤损耗浅谈[J].价值工程，2013，32（6）：78-79.

[4] 方伟，马秀荣，郭宏雷，等.光纤色散测量概述[J].光通信技术，2006 （9）：24-26.

[5] 苏宝玺，陈小君，吴荣琴.基于光通信中光损耗的测量与研究[J].长春师范大学学报，2017，36（12）：19-24.

作者简介

张熳瑶（1999-），女，河南洛阳人;现就读学校：河南大学，专业：通信工程。