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多模渐变折射率光纤:为什么需要知道它
日期:2021-02-18 10:06:19
渐变折射率光纤,为G.651.1国际电信联盟(ITU)标准下,是一种多模光纤,其折射率降低逐渐作为径向距离(距离芯中心)增加。相比之下,我们通常看到的是G.652.D光纤,它具有阶跃折射率分布。本文将对渐变折射率多模光纤与传统阶跃折射率光纤进行比较,以及其在处理模态色散(一种常见的信号失真误差)时的优势。
 
下图显示了光纤纤芯和包层的不同折射率分布。

光纤折射图
图1.左:纤芯和包层的阶跃折射率。右:纤芯和包层的梯度指数

纤芯的折射率高于包层的折射率,以实现全内反射,从而将光捕获在纤芯内部。对于阶跃折射率纤芯,光仅在纤芯-覆层界面反射,如下所示:

折射率光纤
图2.光在阶跃光纤纤芯中传播

 
但是,当折射率在渐变折射率纤芯中逐渐下降时,光线也会略微弯曲并遵循弯曲路径,如下所示:

渐变折射率纤芯
图3.光线在渐变折射率核心中传播

 
弯曲光路的优点将在本文后面详细讨论,但是在渐变折射率纤芯中,较长路径的光线基本上比较短路径的光线传播更快。这是因为光纤内部的光速与折射率成反比。
 
为了解释渐变折射率光纤的优点,让我们首先讨论模态色散,因为它在传统的阶跃折射率多模光纤中很常见。
 
在多模应用中会引起模态色散,在这些应用中,即使不同的光模式同时进入光纤,它们也会异步离开光纤。同样,这是因为所有光模的速度都相同,因为纤芯内部的折射率是均匀的。下图显示了模式A和模式B同时进入光纤:

多模光纤
图4.模式A和模式B同时进入光纤纤芯但入射角不同

 
显然,模式B的路径比模式A的路径短,因此,由于两个灯具有相同的速度,因此B会比模式A提前到达。假设信号是进入光纤的理想脉冲,则在传播了p km之后,该脉冲将在时间上扩展:

光纤脉冲
图5.退出光纤时,模式B领先于A,因为它传播的距离较短。

 
但是,当以固定的时间间隔将一个以上的脉冲发送到光纤中时,由于模式B的第二个脉冲(蓝色)可能比模式A的第一个脉冲(黑色)早到达,因此所得信号变得难以区分:

模态色散
图6.两个脉冲间隔一段时间发送到内核 退出时,两个信号重叠。

 
这种现象称为模态色散。模态色散将信号的带宽限制为数十MHz.km,这意味着当光纤的长度为1 km时,信号带宽不得超过几十MHz。
 
渐变折射率纤维可以显着降低模态色散。同样,两种模式进入光纤的模式A具有较大的入射角:

光纤路径
图7.模式A和模式B同时进入光纤纤芯,其中A入射角较大。

 
模式A的路径比模式B的路径更长,但到达的时间几乎与模式B的时间相同。正如我之前所解释的,尽管B传播的时间更长,但由于芯包层界面附近的折射率较低,因此它的传播速度也比A快。与传统的多模光纤相比,渐变折射率多模可以接受更高的带宽而不会造成信号混淆。
 
渐变折射率多模光纤如今已被广泛制造和使用,并且正在迅速替代阶跃折射率光纤。一些大型的光纤制造商已经创建渐变折射率等品牌,如我们嘉富光通信 。实际上,阶跃折射率多模光纤不如渐变折射率光纤那么普遍,大多数制造商对多模光纤的默认选择是渐变折射率。