《光纤通信系统中散射损耗的仿真解析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光纤通信系统中散射损耗的仿真解析.pdf(11页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、光纤通信系统中散射损耗的仿真 摘要光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的 问题,光纤通信是随着光纤损耗的不断降低而发展起来。而造成光纤 损耗的原因有很多,散射损耗作为其中之一,通过利用Matlab 实现 对单模掺锗、 掺氟两类光纤的瑞利散射损耗特性的仿真分析,为光纤 传输特性的研究提供理论依据有重要意义。 关键词散射损耗, Matlab 1. 引言 随着我国国民经济建设持续、快速、健康地发展,通信业务的种 类越来越多, 信息传递的需求量越来越大。光纤通信作为一门高新技 术产业,光纤通信技术将逐步普及, 光纤通信的应用领域将更加广阔。 在光纤应用中,尽可能增大光纤的最大传输距离拥有重要的意
2、 义。损耗和色散是影响光纤最大传输距离的主要因素,光纤对光能量 的散射损耗是引起损耗的主要原因之一。散射损耗分线性散射损耗和 非线性散射损耗,线性散射损耗又包括瑞利散射损耗和波导散射损 耗。 瑞利散射损耗是一种最基本的散射过程,是一种本征损耗, 它和 本征吸收一起构成光线损耗的理论极限值。本文主要是通过对瑞利散 射损耗的仿真,来为光纤的传输特性的研究提供理论依据。 2. 瑞利散射损耗的仿真实现 2.1 什么是瑞利 散射损耗 散射损耗可分为线性散射损耗和非线性散射损耗两大类。所谓线 性或非线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传输模式的功率 是否成线牲关系。 非线性散射损耗主要包括受激喇曼散射损
3、耗和受激布里渊散射 损耗。它们都与石英光纤的振动激发态有关。 线性散射损耗主要包括瑞利散射损耗和材料不均匀引起的散射 损耗,也即波导散射损耗。 波导散射损耗是由于制造光纤材料的不均 匀性以及在光纤制造过程中, 由于工艺技术问题, 造成光纤结构上的 缺陷,如光纤中的气泡、光纤的纤芯和包层的交界面不完善粗糙。圆 度不均匀及裂痕等, 使得这些结构上不完善的尺寸远大于波长,引起 的与波长无关的散射损耗。 瑞利散射损耗是光纤的本征散射损耗,是一种最基本的散射过 程,属于固有散射。 这是由光纤材料密度的不均匀或者内应力不均匀 造成折射率随即变化, 这种不均匀性或起伏在光纤制造过程中被固定 下来,这些不均匀
4、尺寸比光波长还小,当光纤中传播的光照射在这些 不均匀微粒上时, 就会向各个方向散射。 人们把这种粒子的尺寸比波 长小地多时产生的散射称为瑞利散射。 2.2 理论分析 光纤的损耗主要来自于光纤材料对光的本征吸收以及光纤不完 善对光的散射损耗两个方面。 其中吸收损耗来自于光纤材料的电子能 态跃迁或分子振动态的改变, 分别称为紫外吸收和红外吸收;另外是 1 OH等杂质离子对光的吸收。 如果不考虑非线性的受激喇曼散射损耗 和受激布里渊散射损耗, 散射损耗主要来自光纤材料中不可避免的随 机密度或浓度波动引起的瑞利散射损耗,以及芯包界面的不完善引起 的散射损耗。光纤的损耗可以用式( 1 )表示 TRUVI
5、ROHIM (1) 式中, T为光纤的总损耗;R为瑞利散射损耗;UV为材料的紫外吸 收; IR职为材料的红外吸收;OH为 1 OH离子对光的吸收; IM 为不 完善引起的散射损耗。 由于在1.55 m低损耗窗口紫外吸收非常小, 而目前的光纤制造技术已 经可以使光纤中 1 OH离子的浓度降低到 9 10的水平,从而使其吸收损 耗大大降低0.01/dB km,由芯包界面的不完善引起的散射损耗也可 以通过制造工艺的改进加以抑制。可以将式 (1) 中的 UV 、 OH 、 IM 略 去,得到 TRIR (2) 这样,光纤的总损耗主要取决于瑞利散射项和红外吸收项。红外 吸收项可以表示为 exp IR a
6、 B(3) 式中,系数B、a依赖于光纤材料,波长一定时 IR为常数。 瑞利散射项 R和光纤中的光强分布成 P r正比关系,与波长的 4 次方成反比,可以写成 4 1 R A r P r dr P r dr (4) 式中,A r为瑞利散射系数,可通过对光纤预制棒的测量得到。对光 纤中折射率为分层均匀的情况,由式( 4 )可以得到 4 1 Rii i A(5) 式中, i A为每层的瑞利散射系数, i为这一层的功率限制因子。 又已知对普通掺锗、掺氟的石英玻璃而言,其瑞利散射系数 A与 相对折射率的关系为 掺锗: 0 1 44AA(6) 掺氟: 0 141AA(7) 式中,相对折射率和掺杂浓度成正比
7、。是 0 A未掺杂的石英的瑞利散 射系数,表示为 3 82 0 8 3 Bf An p kT 其中n,p, B k, f T分别为材料的折射率,光弹系数,Boltzman常 数,绝热压缩比, 及固化温度。本文中未掺杂的石英的瑞利散射系数 取 4 0.8/dBkmm。 2.3 瑞利散射损耗仿真 由于目前国内铺设量最大的是 G652 光纤,而纯二氧化硅芯单模 光纤正成为低损耗光纤制造发展的趋势,本文将分析这两种光纤的瑞 利散射损耗特性。 2.3.1 掺锗单模光纤 图1 G652 光纤折射率分布示意图 对G652 光纤,其芯层掺锗,包层为纯石英。图 1 为G652 光纤的 折射率分布示意图。 对于单
8、包层阶跃光纤, 其芯层与包层中的功率限 制因子分别为、1,掺锗阶跃单模光纤的瑞利散射损耗可由式 ( 5 )、( 6 )得到 04 1 144 RGe A(8) 式中,与 01 LP模的传输常数、相对折射率差有关 2 222 0 00 22222 01001 1 JUk n k nk nJU (9) 式 中 , 0 2/k, 22222 00 / 12Uak n, 相 对 折 射 率 差 为 222 101 / 2nnn。式( 9 )代入式 ( 8 )得到瑞利散射损耗为 22 0 00 44222 001 12 441 2 RGe WJU AA k n aJU (10) 式中, 22222 00
9、 Wak n。 对波长为 1.55 m处掺锗单模光纤的瑞利散射损耗 RGe进行了分 析。图 2 和图 3 为掺锗单模光纤的瑞利散射损耗谱图。图 2 是取 不同的时瑞利散射损耗与芯径的关系;图 3 为不同芯径时瑞利散 射损耗与的关系曲线。由两图可以得到:对掺锗单模光纤,瑞利散 射损耗随芯径及随相对折射率差的增加而增大。瑞利散射损耗在芯 径较大时趋于平坦, 增加较慢;而瑞利散射损耗随相对折射率差近似 成线性变化。在芯径较大时,相对于芯径的变化,瑞利散射损耗主要 由相对折射率差决定。在掺锗光纤中,由于光功率大部分集中在有 锗掺杂的芯层,因此瑞利散射损耗对相对折射率差的变化较芯径更为 敏感。 2345
10、678 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 芯 径 /um 瑞 利 散 射 损 耗 d B /k m 图2 瑞利散射损耗与芯径的关系 0.20.30.40.50.60.70.8 0.145 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 相 对 折 射 率 差 瑞 利 散 射 损 耗 d B / k m 图3 瑞利散射损耗与的关系 图4 纯二氧化硅芯单模光纤折射率分布示意图 2.3.2 纯二氧化硅单模光纤 图 4 为纯二氧化硅芯单模光纤的折射率分布示意图。这种光纤 的芯层为纯二氧化硅,包层中掺杂氟。将
11、其简称为掺氟单模光纤。两 侧的折射率下陷可以将光功率更好地限制在芯层,从而改善其弯曲特 性。由式 ( 5 )光纤的瑞利散射损耗为 000 123 444 0 14 141141 1411 RF AAA A (11) 考虑到第二包层中的功率限制因子 3非常小,可将其忽略。这样 纯芯单模光纤可近似为阶跃光纤分析其瑞利散射损耗,光纤的相对折 射率差为。光纤的瑞利散射损耗可写为 22 0200 442222 001 41 2 RF W JUAA U k n aJU (12) 式中, 22222 00 Uak n; 22222 00 12Wak n; 222 101 / 2nnn。 由于光纤结构的不同,
12、式( 12 )中变量U、W的定义与式 ( 9 ) 、 式( 10 )中的定义不同。 0123456 0.14 0.142 0.144 0.146 0.148 0.15 0.152 0.154 0.156 0.158 0.16 图5 瑞利散射损耗与芯径的关系 0.20.30.40.50.60.70.8 0.138 0.14 0.142 0.144 0.146 0.148 相 对 折 射 率 瑞 利 散 射 损 耗 ( d B /k m ) 图6 瑞利散射损耗与相对折射率的关系 图5和图6分别为瑞利散射损耗与芯径、相对折射率差的变化关 系。由此可以看到与掺锗单模光纤不同,掺氟的单模光纤的瑞利散射
13、损耗随芯径、的增加成减小的趋势。这一点可以这样理解:对掺锗 的单模光纤芯层为掺锗区, 包层为纯石英, 而掺锗区的瑞利散射系数 较纯石英大,因此增大芯径或增大相对折射率差都会使功率限制因 子增加,由式 ( 8 ),的增加就使瑞利散射损耗增大。而对掺氟的 单模光纤,芯层为纯石英,包层为掺氟区,增大芯径或增大也会使 功率限制因子增加。同样由式 ( 11 ) ,瑞利散射损耗 RF减小。图 5 中瑞利散射损耗曲线在芯径较小时的斜率很大,说明在这个芯径范围 附近瑞利散射损耗对芯径的变化非常敏感。在芯径小于 3 m时,相对 折射率差大的曲线其瑞利散射损耗高,而芯径大于 3 m时相对折射率 差大的曲线其瑞利散
14、射损耗低。图 6 中瑞利散射损耗随相对折射率 差基本成线性变化,随的增加缓慢的减小。由以上两图可知,对 掺氟单模光纤,在影响瑞利散射损耗的两个结构因素芯径和相对折射 率差中,芯径变化的影响更大。和掺锗光纤的情况类似,掺氟光纤中 光功率主要集中在纯石英的包层中,因此芯径大小成为影响瑞利散射 损耗的最重要的因素。 比较掺锗、 掺氟两种单模光纤, 可以看到一般在同样的光纤结构 参数下,掺锗光纤的瑞利散射损耗比掺氟光纤要大。如芯径为5 m, 相对折射率差0.3%时,掺锗光纤的瑞利散射损耗比掺氟光纤要大 约0.01/dBkm。另外一点不同是,掺锗单模光纤瑞利散射损耗对相对 折射率差变化更为敏感;而掺氟单
15、模光纤瑞利散射损耗对芯径的变 化更为敏感。 在光纤的设计过程中, 利用上述光纤的两个关键性结构 参数芯径与相对折射率差对瑞利散射损耗的影响,并综合考虑光纤的 弯曲损耗、非线性效应等,可以设计得到光学损耗值更低的光学光纤。 总结 通过对单模掺锗、 掺氟两类光纤的瑞利散射损耗特性的分析,得 到了光纤结构参数芯径和相对折射率差与瑞利散射损耗的关系:单模 光纤的瑞利散射损耗与功率限制因子密切相关。在同样的光纤结构参 数下,掺锗光纤的瑞利散射损耗比掺氟光纤要大。对掺锗单模光纤而 言,瑞利散射损耗对相对折射率差变化更为敏感;而掺氟单模光纤的 瑞利散射损耗对芯径变化更为敏感。 瑞利损耗是一种本征损耗, 它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗 的理论极限值。因此,对散射损耗中瑞利散射损耗进行理论分析,拥 有重要意义。 参考文献 【1】郑玉甫 . 光纤通信原理与技术 . 兰州:兰州大学出版社 .2006 【2】王秉钧、王少勇 . 光纤通信系统 . 北京:电子工业出版社 .2004 【3】孙雨南、伍剑、杨爱英等. 光纤通信理论基础与应用. 北京: 北京理工大学出版社 .2006 【4】 张方迪 , 刘小毅等 .高折射率芯Bragg光纤瑞利散射特性的数值分析 . 维普资讯 【5】陈盛华 ,张志刚等 . 光子晶体光纤瑞利散射特性分析.维普资讯
链接地址:https://www.31doc.com/p-4991734.html