爱华网光纤的带宽、色散与波长介绍
来源：机房360 作者：mopper 更新时间：2010-11-8 17:30:38| 摘要：随着光纤和光纤设备价格的不断下降，光纤被越来越多地应用于局域网布线。由于光纤具有链路带宽高、传输距离长的特点，因此，除被应用于楼字之间的布线外，还被广泛应用于服务器机房的布线，以实现中心交换机与骨干交换机、中心交换机与服务器之间的高速连接。 |
光纤的模式带宽
虽然光纤采用了渐变折射技术，但在光纤中模态散射依然存在，仅仅是程度有所不同。即便是单模光纤，在光纤的拐弯处也会有反射，一旦有反射就涉及到路径的不同，从而发生散射。所以，光脉冲经过光纤传输之后，不但幅度会因衰减而减小，波形也会出现愈来愈大的失真，发生脉冲宽度随时间而展宽的现象。如果这种扩散太大，展宽的脉冲可能对某一端的脉冲造成干扰，进而在传输系统中导致码间千扰和高比特差错率，便两个原本有一定间隔的光脉冲，经过光纤传输之后产生部分重叠。为避免重叠的发生，对输入脉冲应有最高速率的限制。
若定义相邻两个脉冲虽然重叠但仍能区分开来的最高脉冲速率为该光纤链路的最大可用带宽，则脉冲的展宽不仅与脉冲的速率有关，也与光纤的长度有关。所以，通常用光纤传输信号的速率与其传输长度的乘积来描述光纤的带宽特性，用B×L表示，单位为MHz×km。显然，对某个B×L值而言，当距离增长时，允许的模式带宽就需要相对减小。例如，在850nm波长的情况下，某一根光纤最小模式带宽是160MHz×lkm，则意味着当这根光纤长lkm时，可以传输最大频率为160MHz的信号；而当长度是500m时，最大可传输320MHz(160MHz×lkm/0.5km=320MHz)的信号；其余情况依次类推。
对于50/125μm光纤，在850nm的波长下，最小信息传输能力是500MHz×1km。
最小模式带宽意味着光纤所应有的信息传输能力的最小值应当是160MHz×lkm或500MHz×1km。
为什么当速率为100Mb/s时可以支持2000m的多模光纤，而当速率为IGb/s时只能支持550m的多模光纤呢?其主要原因是多模光纤的不同模式延迟(DifferentialModeDelay，
DMD)造成的。经过测试发现，多模光纤在传送光脉冲时，光脉冲在传输过程中会发散展宽。当这种发散情况严重到一定程度后，前后脉冲之间会相互叠加，使得接收端根本无法准确分辨每一个光脉冲信号，这种现象被称为微分模式延迟。产生微分模式延迟的主要原因在于，多模光纤中同一个光脉冲包含多个模态分 量，从光传输的角度看，每一个模态分量在光纤中传送的路径不同。例如，沿光纤中心直线传送的光分量，与通过光纤层反射传送的光分量具有不同的路径。从电磁波角度看，在多模光纤芯径中的三维空间内包含着很多模态(300~1100)分量，其构成相当复杂。
光纤的色散
色散(Dispersion)是指不同波长的光穿过光纤时散射后引起信号失真的现象。由于光纤中传输的光脉冲信号的各频率成分和各模式成分的传输速度不同，经过一定距离的光纤传输后，会使输出端的光脉冲发生展宽。当脉冲展宽前后沿相互重叠时，就会形成码间串音，导致通信系统的误码增加，限制了光纤的带宽和光信号高速传输的中继距离。
引起脉冲展宽(色散)的因素很多，对于多模光纤主要有模式色散、材料色散和波导色散等，其中模式色散是主要因素。单模光纤由于只传输一种模式，故不存在模式色散，主要受材料色散、波导色散和偏振模色散的影响。由于光纤的模式色散比材料色散的影响大得多，因此多模光纤的带宽受到了很大的限制。
①模式色散
模式色散是指光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分，在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散。
模式色散一般存在于多模光纤中。在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向传播的速度是不同的，它们到达终端时，必定有先有后，出现时延差，从而引起脉冲宽度展宽。单模光纤由于只传输一种模式，故不存在模式色散，但存在偏振模色散。
②材料色散
材料色散是因光纤纤芯材料的折射率随频率变化，使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。
在数字光纤通信系统中，实际使用的光源的输出光并不是单一光波，而是具有一定的谱线宽度。当光在折射率为n的介质中传播时，其速度V与空气中的光速C之间的关系为V=C/n
光的波长不同，折射率n就不同。因此，当具有一定谱线宽度的光源所发出的光脉冲入射到光纤内传输时，不同波长的光脉冲将有不同的传播速度，在到达输出端时将产生时延差，从而使脉冲展宽。
③波导色散
波导色散又称结构色散，是指由波导结构(包括纤芯尺寸、相对折射率等)决定的色散。
由于纤芯与包层的折射率差值很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，可能又回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径的长度随光波波长的不同而不同。把具有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不尽相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层的光强比例就越大，这部分光传输的距离就越长。这种色散是光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。
④偏振模色散
偏振模色散是单模光纤特有的一种色散，是指在单模光纤中实际传输的两个相互正交的偏振模，因两者之间具有不同的传播速度而引起的色散。
偏振模色散产生的原因
引起偏振模色散(PolarizationModeDispertion，PMD)的因素可以是内在的，如在制造过程中所产生的纤芯或包层的不对称性和玻璃表面的应力;也可以是外在的，如外部应力、弯曲和扭曲等因素。这些因素和距离结合在一起引起双折射和模稍合，从而产生PMD。双折射是指玻璃的折射率沿轴向变化的现象。由于两个偏振模的传播速度不同，因而引起了接收信号的延迟。模糯合是指两个偏振模之间的能量传递而引起的脉冲扩展和延迟。
偏振模色散的影响
当数据传输速率较低和传输距离相对较短时，PMD对单模光纤系统的影响微不足道。但随着对带宽需求的增长，在DWDM系统中，特别是在信道数为几十到上百、单信道速率为l0Gb/s和40Gb/s的大容量数字和模拟通信系统中，PMD将成为限制系统性能的因素，这是因为它会引起过大的脉冲展宽或造成过低的信噪比(SinaltoNoiseRatio，SNR)。实验证明，在400Gb/s的高速系统中，传输40km后，脉宽由0.98ps展宽到2.3ps。这表明在长距离、高速率系统中PMD的影响将成为至关重要的考虑因素，需要慎重对待。
对于多模光纤来说，在限制带宽万面起主导作用的是模式色散，其他两种色散影响很小。
对于单模光纤来说，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散、波导色散和偏振模色散之和。为减小总波长色散，应尽量选用窄谱线激光器作光源。
对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。
截止波长
通常单模光纤工作在给定的波长范围内，导波在纤芯中，由纤芯和包层的界面来导行，沿轴线方向传输。当波长超出给定范围时，导波就不能有效地封闭在纤芯中，将句句层辐射，在包层截止波长里的导波按指数迅速衰减，这时就认为出现了辐射模，导致处于截止状态，把此波长称为截止波长。只有当工作波长大于截止波长时，才能保证单模工作状态。
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