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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 (1) 式中，为光纤的总损耗；为瑞利散射损耗；为材料的紫外吸收；职为材料的红外吸收；为离子对光的吸收；为不完善引起的散射损耗。 由于在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离子的浓度降低到的水平，从而使其吸收损耗大大降低，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、、略去，得到 (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 (3) 式中，系数、依赖于光纤材料，波长一定时为常数。 瑞利散射项和光纤中的光强分布成正比关系，与波长的 4 次方成反比，可以写成 (4) 式中，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 (5) 式中，为每层的瑞利散射系数，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，其瑞利散射系数与相对折射率的关系为 掺锗： (6) 掺氟： (7) 式中，相对折射率和掺杂浓度成正比。是未掺杂的石英的瑞利散射系数，表示为 其中，，，，分别为材料的折射率，光弹系数，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。 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G65