存档

“光纤极客”怎么说|第2篇:色散

欢迎回来，光纤爱好者们! 

作为快速回顾，本系列的第1篇文章重点介绍了带宽需求的增长. 我们还研究了由光纤外部因素引起的光纤衰减.g. 弯曲，以及内置的衰减机制.e. 散射和吸收. 

在第二篇文章中，我们将重点讨论光纤中存在的几种色散. 

色散是什么? 

多, 但并非全部, 在光纤网络中传输的流量中，有一半是以激光脉冲的形式传输的. 这种脉冲是通过打开和关闭激光产生的, 创建光脉冲，其中“无光”代表数字“0”，“全光”代表数字“1”。. 因此，数字信息是一系列“无光”和“全光”的编码，光纤另一端的接收器可以理解并将其转换为数字电信号. 

如图1所示，可以用一系列方形脉冲来说明这种信号. 

当这样的信号受到色散影响时, 方形脉冲的边缘将被磨圆, 脉冲会随着时间扩散. 所以色散会使脉冲变宽. 

如果弥散较小, 光纤另一端的检测器仍然能够正确地检测信号. 一旦色散过大, 加宽的脉冲会相互重叠，探测器会开始误读信号, 产生错误，这将有效地妨碍传输质量. 这种质量的一个度量是误码率(BER)，它表示传输错误的数量相对于传输的总比特数. 

因为更快的传输速率要求脉冲的持续时间更短, 这也意味着一定的色散水平对传输速率更快的信号更有害. 此外, 色散几乎总是取决于光纤的长度——光纤越长, 色散越大. 

因此，传输受到以下因素的限制:A)光纤的色散B)传输速率, C)纤维的长度. 分散可以被描述为“限速器”，主要有三种类型: 

模色散，色散和偏振模色散.

模态色散是色散类型中最严重的, 因此是最严格的“限速器”. 

光的“模式”是携带光通过光纤的不同类型的波. 在“多模”光纤中, 核心相当大，通常可以允许多达17种不同的模式传播. 在“单模”光纤中，纤芯非常小，只允许一个模式传播. 

问题是不同的模式在光纤中遵循不同的路径，而这些路径的长度也不同. 一些模式在靠近核心中心的地方传播，另一些模式则在核心的外缘反弹, 这些模式比靠近中心的模式传播的距离要长. 因此，不同的模式传播距离不同，因此有些模式往往比其他模式传播得快. 被注入光纤的部分光将通过一种模式传播——其他部分通过另一种模式传播——以此类推. 如果不采取措施缓解这种情况, 部分输入信号将比其他部分晚到达输出——这将导致输出信号相对于输入信号“分散”，如图1所示. 

尽量减少信号到光纤输出端的色散, 多模光纤的纤芯被设计成延迟光模在纤芯附近传播(这是最短距离)，而加速光模在纤芯附近传播(这是最短距离). 在一个完美的世界里，这将导致所有模式同时把光带到光纤的输出端. 唉，这个世界并不完美, 因此，在现实生活中，一点模态色散是无法避免的. 

这意味着, 尽管多模光纤能够使用非常便宜的光源(如led或vcsel)，但它们仍然局限于通常小于2公里的传输距离, 实际上通常不到几百米. 

避免模态色散的方法是缩小光纤芯的尺寸. 在一个小的光纤芯中，只有一种光模式存在的空间，称为基本模式. 在这种单模光纤中, 高阶模确实可以在接头或连接器处产生, 但是在穿过光纤一小段距离后，它们会从光纤中泄漏出来. 

现在找到了避开最重要的限速器的方法，我们可以把注意力转向下一个排队的人. 

色散意味着不同波长的光沿着光纤以不同的速度传播. 再一次。, 这种差异导致光纤输出端的信号“模糊”，并有效地起到限速器的作用. 

有人可能会问，为什么这是一个大问题, 由于用于向光纤中注入光的激光器具有非常精确的定义和稳定的波长. 然而, 快速打开和关闭激光实际上会产生一些接近原始激光波长的新波长. 幸运的是，这些新波长中的大多数都相当微弱，不会造成问题——但不幸的是，激光的开启和关闭速度越来越快, 产生的波长范围变宽(图5). 

在这种传输系统中，色散引起的问题随着传输速度的增加和光纤长度的延长而恶化(与光纤长度成线性比例)。. 

试图减少色散的问题，色散移位(ITU-T - G).纤维型是最初发展起来的. 在经典标准单模(ITU-T G.652)光纤的色散在1310nm左右为零. 色散位移光纤的色散在1550 nm左右为零, 因为光纤的衰减在1550nm处较低，所以这种组合似乎是理想的. 

基本上，在DWDM到来之前，这工作得很好. 在DWDM系统中，许多独立的信道在同一根光纤上传输. 每个信道被分配一个唯一的波长, 但不幸的是，在DWDM系统中，如果光纤中的色散很低，则光纤的非线性(称为四波混频(FWM))往往会引起不必要的噪声问题. 

因此，为了限制DWDM系统中的光纤非线性问题，实现一定程度的色散是可取的, 非零色散位移光纤(ITU-T G).655)被开发. 这种类型的光纤在1550 nm左右有少量的色散(明显小于标准G.因此“速度限制”较小，但色散仍然足够高，可以非常显著地减少非线性问题. 后来的G.非零色散位移光纤的发展是对DWDM系统中信道数量不断增加的需求的响应. 当通道数量增加时, 单个通道需要更紧密地挤在一起，这反过来又需要光纤中更多的色散来减少四波混频的影响. 

同时开发具有不同色散特性的新型光纤, 研制了具有负色散特性的专用器件. 因为传输纤维通常具有正色散, 这两者的结合可以用来减少全光纤链路的总色散几乎为零. 

具有减少传输链路的总色散的能力, G的色散越高.因此，656根纤维是一种可接受的技术折衷办法，只剩下费用问题有待考虑. 

在许多最近的大容量传输系统中, 传输光纤的色散进行了电子补偿，效率高, 对于这样的系统，高色散的光纤实际上可能是有利的，因为它有助于限制光纤的非线性.

只是为了使混乱完全, 单模光纤实际上可以携带两个版本的基本光模式. 这是因为光可以以两种不同的偏振存在, 它们的模态彼此垂直. 这种现象是通过一些太阳镜知道的，它们切断了其中一种偏振模式. 从海面或潮湿的道路反射的阳光将主要由这两种偏振模式之一的光组成，而其他物体反射的光将由两种偏振模式的混合组成. 切断反射光的偏振模式将“杀死”反射, 但是让另一种偏振模式穿过眼镜, 让其他对象可见. 

在光纤中, 两种极化模式都将存在, 但可能在纤维中以不同的速度传播. 如果光纤芯不是完美的圆形，并且光纤中存在应力，则会出现这种速度差异. 如果纤维的几何形状不是绝对完美的，在制造过程中应力会被“冻结”到纤维中, 例如, 如果包层或涂层不是圆形的, 或者如果堆芯的中心与包层或涂层的中心不同. 

甚至使用最先进的技术, 高品质制造工艺, 纤维不会在几何上100%完美, 因此，在两种极化模式之间将存在速度差, 会导致分散, 它可能会限制通过光纤的高速传输. 即使纤维是100%完美的, 光缆中光纤的轻微弯曲会在光纤中引入应力，从而产生PMD. 这是第三个限速器. 

从“pmd视角”来看光纤，它可能被认为有一个“快”和一个“慢”通道. 减少PMD的一种有效方法是在制造过程中来回扭转光纤，以便通过光纤传播的光有效地看到“快”和“慢”通道之间的大量移位. 

由于应力是造成纤维PMD的重要原因，所以外界施加的应力也会影响纤维PMD. 实际上，仅仅用两根手指夹住一根纤维就可能改变PMD. 结果是, 光纤的PMD可能受到光纤布线和外部应力的影响, 比如附近铁路的振动. 

与其他色散类型一样，PMD的效果随着传输距离的增加(PMD随距离的平方根缩放)和传输速度的增加而增加. 传输速率为2.5 Gbps或更小，PMD通常不是问题. 对于非常高的传输速率系统, 如今，PMD的补偿是电子化的，并内置于传输系统中.