第4章光纖通信系統(tǒng)

1、第4章 光纖通信系統(tǒng)v4.1 光纖通信概述光纖通信概述v4.2 光纖與光纜光纖與光纜v4.3 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)v4.4 光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù)14.1 光纖通信概述v 光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信技術(shù)。光纖通信以其寬帶、大容量、低損耗、長的一種通信技術(shù)。光纖通信以其寬帶、大容量、低損耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)等優(yōu)點，成中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)等優(yōu)點，成為當(dāng)代長途通信最主要手段。為當(dāng)代長途通信最主要手段。v 本章首先對光纖通信的發(fā)展歷史做出回顧，然后對光纖通本章首先

2、對光纖通信的發(fā)展歷史做出回顧，然后對光纖通信的特點進行說明，重點闡述光纖的結(jié)構(gòu)、分類、光波傳輸信的特點進行說明，重點闡述光纖的結(jié)構(gòu)、分類、光波傳輸機理以及光纖通信系統(tǒng)各組成部分的工作原理。最后，簡要機理以及光纖通信系統(tǒng)各組成部分的工作原理。最后，簡要介紹了一些光纖通信新技術(shù)。介紹了一些光纖通信新技術(shù)。2 光通信光通信可以上溯西周時期建立的烽火臺作為軍事報警設(shè)施，下及當(dāng)今指揮城市交通的信號燈和航海中使用的燈塔。 光通信光通信可以上溯西周時期建立的烽火臺作為軍事報警設(shè)施，下及當(dāng)今指揮城市交通的信號燈和航海中使用的燈塔。 傳輸距離短光通信的缺點光通信的缺點傳遞信息量少 為了使光通信光通信延長傳輸距離

3、和增加傳遞信息內(nèi)容，1792年，法國工程師Claude Chappe（卻柏）發(fā)明了采用機械臂編碼來傳輸信息的光電報，利用中間接續(xù)站（現(xiàn)在通信術(shù)語稱為中繼站）可以實現(xiàn)超過100km的通信。 1794年，世界上第一個光電報在法國的兩個城市巴黎和里爾投入商用，從而實現(xiàn)了相距200km的通信。圖1-1給出了Claude Chappe及其發(fā)明的光電報的示意圖。從中可以看到這個光電報通過轉(zhuǎn)動機械臂角度發(fā)出了一條由CH 、A、 P、 P 、E 5個字母組成的消息。這個非常有趣的消息恰好就是光電報發(fā)明人的名字 Chappe。自1794年到1830年為止，法國光電報系統(tǒng)從巴黎延伸到意大利、德國、比利時的邊界。光

4、電報系統(tǒng)是一種視距通信，其系統(tǒng)十分簡單、傳輸距離和傳遞信息量少，而其系統(tǒng)十分簡單、傳輸距離和傳遞信息量少，而且保密性差。且保密性差。1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”,通話距離達到213米。光電話原理圖光電話原理圖光源 透鏡送話器反射鏡震動片光敏電池 貝爾用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動片上。當(dāng)人對著話筒講話時，震動片隨著話音震動而使反射光的強弱隨著話音的強弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息“承載”在光波上（這個過程叫調(diào)制調(diào)制）。 在接收端，裝有一個拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)

5、換成電流（這個過程叫解調(diào)解調(diào)）。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。 接收鏡貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型1、為什么光通信傳輸?shù)木嚯x非常有限，這主要是因為，這種傳輸方式里面的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是“大氣”，損耗大，如果碰上雨、雪甚至霧霾天氣，信號甚至可能會中斷。 更深層次的原因，我們現(xiàn)代人都已經(jīng)知道了，是因為光是一種“波”，且波長很短（0.40.7 m ），它很容易被大氣中的“塵埃粒子”所阻擋。2、另外，Bell的光電話是利用自然光（光源光源）作為載波，這種光的頻率和相位雜亂無章，不能用于大容量的通信。3、能否建立“光通道”如“波導(dǎo)管”式的東西以減少損失（損耗

6、）呢？是否可以找到新型的光源呢？ 研究人員曾經(jīng)將研究的重點轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實驗，先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實驗，但由于造價太高而出現(xiàn)了夭折，致使光通信發(fā)展一度出現(xiàn)長期的低迷狀態(tài)。 受英國物理學(xué)家John Tyndall（約翰）在1870年做的”光可以在水流柱里傳輸”的影響，在1920-1950期間,人們發(fā)現(xiàn)在纖細的、有柔韌性的玻璃中和塑料光纖可以用于導(dǎo)光。 終于在1950年，有人采用“玻璃纖維”傳輸光，但損耗達到了1000dB/Km，即在1Km的長度上傳輸，損耗達到10100倍，這個數(shù)值顯然是太大了。 真正的奇跡是在1966年才出現(xiàn)。 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕高錕(C.K

7、.Kao)(C.K.Kao)及其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其發(fā)表的研究論文中指出，“玻璃纖維”的嚴(yán)重損耗是由其里面所含雜質(zhì)（如銅、鐵、鉻等金屬離子）太多及石英玻璃拉制工藝的不均勻性產(chǎn)生的。論文介質(zhì)纖維表面光頻波導(dǎo)明確提出：1、如果能將光纖中過渡金屬離子減少到最低限度，并改進制造工藝，有可能使光纖損耗降到最低（預(yù)見可減小到20dB/km以下）；2、光纖可以實現(xiàn)高速通信；3、給出了光纖原始結(jié)構(gòu)。 高錕(C.K.Kao)博士上述發(fā)現(xiàn)的重要意義在于：指出了光纖高損耗的真正來源以及研制通信光纖的正確方向。這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了在其后數(shù)年內(nèi)通信光纖制造領(lǐng)域所發(fā)生的質(zhì)的飛躍，以及光纖通信產(chǎn)業(yè)的迅速

8、興起。光纖通信發(fā)明家高錕(左)1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)?；并?009年，獲得諾貝爾物理學(xué)獎。獲得諾貝爾物理學(xué)獎。19701970年，光纖研制取得了重大突破年，光纖研制取得了重大突破 美國康寧玻璃公司1970年首先研制出衰耗20dB/km的光纖。光纖通信正式開始！ 據(jù)說康寧公司花費3000萬美元，得到30米光纖樣品，認為非常值得。這一突破，引起整個通信界的震動，世界發(fā)達國家開始投入巨大力量研究光纖通信。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。1974 年降低到1.1

9、dB/km1.1dB/km。1976年，日本電報電話（NTT）公司將光纖損耗降低到0.47dB/Km0.47dB/Km（波長1.2 m ）。在以后的 10 年中，波長為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km0.20 dB/km， 1984年是0.157 dB/km0.157 dB/km， 1986 年是0.154 dB/km0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限光纖最低損耗的理論極限。 19701970年開始，光纖研制取得了重大突破年開始，光纖研制取得了重大突破 1960年，美國人梅曼(T. H. Maiman)發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶

10、石晶體做發(fā)光材料，用發(fā)光度很高的脈沖氙燈做激發(fā)光源，獲得了人類有史以來的第一束激光。 1965年，第一臺可產(chǎn)生大功率激光的器件-二氧化碳激光器誕生。 1967年，第一臺射線激光器研制成功。 激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了8080年的年的光通信進入到了一個嶄新的階段。光通信進入到了一個嶄新的階段。 在光纖突飛猛進的同時，光源光源的研究工作也有了起色4.1.1 光纖通信發(fā)展簡史1919601960年，美國加州休斯實驗室第一臺固體紅寶石激年，美國加州休斯實驗室第一臺固體紅寶石激光器光器19611961年，美國貝爾實驗室氦年，美國貝爾實驗室氦- -氫氣體激光器氫氣體激光器19

11、661966年，高錕提出帶有包層材料的石英玻璃光纖年，高錕提出帶有包層材料的石英玻璃光纖19701970年，美國康寧玻璃公司首次制成了損耗僅為年，美國康寧玻璃公司首次制成了損耗僅為20dB/km20dB/km的低損耗光纖的低損耗光纖19701970年，美國貝爾實驗室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器年，美國貝爾實驗室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）2019741974年，美國貝爾實驗室制造出年，美國貝爾實驗室制造出1dB/km1dB/km損耗的低損耗損耗的低損耗光纖。光纖。 至此制約光纖通信的兩個關(guān)鍵問題，至此制約光纖通信的兩個關(guān)鍵問題，光源光源和和傳輸傳輸媒介媒介問題完全得到解決。光纖通信的普及

12、和推廣獲得問題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得了高速發(fā)展的基本條件。了高速發(fā)展的基本條件。19771977年美國芝加哥率先開通了第一條年美國芝加哥率先開通了第一條45Mb/s45Mb/s的商用光的商用光纖通信系統(tǒng)。纖通信系統(tǒng)。 目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已經(jīng)超過經(jīng)超過90%90%4.1.2 光纖通信的特點21 傳輸損耗小，中繼距離長：傳輸損耗小，中繼距離長：1.55m1.55m波長附近波長附近約約0.2-0.3dB/km0.2-0.3dB/km，中繼跨度百公里。，中繼跨度百公里。 傳輸頻帶寬，通信容量大：單模光纖的潛在傳輸頻帶寬，通

13、信容量大：單模光纖的潛在帶寬可達幾十太赫茲（帶寬可達幾十太赫茲（10101212HzHz） 抗電磁干擾，保密效果好抗電磁干擾，保密效果好 體積小、重量輕、便于運輸和敷設(shè)體積小、重量輕、便于運輸和敷設(shè) 原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保 不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時的彎曲半不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時的彎曲半徑不宜太小徑不宜太小4.1.3 光纖通系統(tǒng)組成4.2 光纖與光纜23 光纖與光纜的結(jié)構(gòu)、分類以及光纖的導(dǎo)光原理。光纖與光纜的結(jié)構(gòu)、分類以及光纖的導(dǎo)光原理。4.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類24 光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、光纖是多層同軸圓柱體，自

14、內(nèi)向外為纖芯、包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯（硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m30150m），然），然后增加保護套加以保護。后增加保護套加以保護。 纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。1. 光纖的結(jié)構(gòu)252. 光纖的分類（表4.1）26分類方法分類方法具體名稱具體名稱說明說明用途與特點用途與特點按照材料的成分按照材料的成分全石英系列光纖全石英

15、系列光纖以以SiO2為主要材料為主要材料長途大容量通信。損耗小，傳輸距離長，成本長途大容量通信。損耗小，傳輸距離長，成本高高多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維多種材料組合成分多種材料組合成分短距離光信號傳輸、容易制造、價格便宜短距離光信號傳輸、容易制造、價格便宜塑料包層石英芯光纖塑料包層石英芯光纖線芯是線芯是SiO2材料，包層是硅樹脂材料，包層是硅樹脂易耦合，特性同全石英系列光纖相近但成本較易耦合，特性同全石英系列光纖相近但成本較低，短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，如低，短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，如IEEE1394。全塑料光纖全塑料光纖纖芯和包層均由塑料制成纖芯和包層均由塑料制成撓曲性好、易加工、易耦合、成本很低、傳

16、輸撓曲性好、易加工、易耦合、成本很低、傳輸距離很短。多用于家電、音響及短距圖像傳輸距離很短。多用于家電、音響及短距圖像傳輸按照折射率的分布按照折射率的分布階躍型光纖階躍型光纖纖芯和包層折射率均勻，但包層的折射率低于纖芯和包層折射率均勻，但包層的折射率低于纖芯，交界處產(chǎn)生躍變。纖芯，交界處產(chǎn)生躍變。帶寬較窄，適于小容量短距離通信帶寬較窄，適于小容量短距離通信漸變型光纖漸變型光纖從纖芯到包層的折射率呈拋物線規(guī)律逐漸變小從纖芯到包層的折射率呈拋物線規(guī)律逐漸變小帶寬較寬，適于中容量中距離通信帶寬較寬，適于中容量中距離通信按照傳輸模式按照傳輸模式單模光纖單模光纖僅允許與光纖軸平行的光波傳輸，即只有一個僅

17、允許與光纖軸平行的光波傳輸，即只有一個基膜傳輸基膜傳輸寬帶、大容量、長途通信寬帶、大容量、長途通信多模光纖多模光纖光波可以以多個特定的角度射入光纖的端面?zhèn)鞴獠梢砸远鄠€特定的角度射入光纖的端面?zhèn)鞑ゲザ酁闈u變型。漸變型多模光纖主要用于局域網(wǎng)多為漸變型。漸變型多模光纖主要用于局域網(wǎng)按照工作波長按照工作波長短波長光纖短波長光纖0.80.9m長波長光纖長波長光纖1.01.7m超長波長光纖超長波長光纖2.0m以上以上按照按照ITU-T建議建議G.651漸變多模光纖漸變多模光纖工作波長為工作波長為1.31m和和1.55m，主要用于計算機局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。主要用于計算機局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖標(biāo)

18、準(zhǔn)單模光纖是目前應(yīng)用最廣的光纖是目前應(yīng)用最廣的光纖當(dāng)工作波長在當(dāng)工作波長在1.3m時，光纖色散很小，系統(tǒng)的時，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制傳輸距離只受光纖衰減所限制G.653色散位移單模光纖色散位移單模光纖在在1.55m處實現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致。處實現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致。用于超高速率、單信道、長中繼距離通信。不用于超高速率、單信道、長中繼距離通信。不利于多信道的利于多信道的WDM傳輸，易發(fā)生四波混頻導(dǎo)致傳輸，易發(fā)生四波混頻導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_信道間發(fā)生串?dāng)_G.654最佳性能單模光纖最佳性能單模光纖在在1.55m處具有極低損耗（大約處具有極低損耗（大約0.15dB/k

19、m）G.655非零色散位移單模光纖非零色散位移單模光纖這種光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好這種光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好的傳輸特性，的傳輸特性，特別適合于密集波分復(fù)用傳輸，所以非零色散特別適合于密集波分復(fù)用傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。全波光纖全波光纖消除了常規(guī)光纖在消除了常規(guī)光纖在1385nm附近由于附近由于OH-造成的造成的損耗峰，使光纖可利用的波長增加損耗峰，使光纖可利用的波長增加100nm左右左右處于推廣實用階段處于推廣實用階段3. 光纖的折射率徑向分布圖274.2.2 光纖的導(dǎo)光原理28 在光學(xué)理論中，

20、當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠大于在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠大于光波波長時，可以把光表示成其傳播方向上的一光波波長時，可以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。1.光的反射與折射定律v 入=反2921sinsinnn入折當(dāng)當(dāng)折折900時，折射光線會反射回到纖時，折射光線會反射回到纖芯進行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。芯進行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。2.光纖中的全反射傳輸v調(diào)整入射角調(diào)

21、整入射角，使得，使得折折290度而發(fā)生全反射：度而發(fā)生全反射：30NAsin4.2.3 光纖的傳輸特性(P83)v 光纖的傳輸特性描述的是光纖的傳輸損光纖的傳輸特性描述的是光纖的傳輸損耗、色散和非線性效應(yīng)。耗、色散和非線性效應(yīng)。314.2.3光纖的傳輸特性光纖通信中的三個光纖通信中的三個”工作窗口工作窗口”0.85m0.85m 20dB / km （現(xiàn)在為3dB / km）短波長窗口 （第一窗口） 1.31m 1.31m 0.35dBkm以下 長波長窗口 （第二窗口）1.55m1.55m 0.15dB / dB 左右 長波長窗口 （第三窗口） 光纖材料中的水氣（主要是 OH -）對光纖損耗影響

22、很大，特別是在1.38m1.38m波長的地方有一個強烈的吸收峰。 本征吸收：紫外、紅外吸收吸收損耗衰減機理雜質(zhì)吸收：過渡金屬離子吸收、 OH-離子吸收散射損耗線性散射：瑞利散射：材料不均勻；制作缺陷：氣泡、分界面不理想等。非線性散射：受激拉曼和受激布里淵散射彎曲損耗光纖的彎曲引起輻射損耗光纖中傳輸?shù)墓獠ㄅc晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起損耗。 2m時特強烈。光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起損耗。 0.4m 時特強烈。受激拉曼和受激布里淵散射使輸入光信號的部分能量轉(zhuǎn)移到其他頻率分量上。光纖的損耗特性吸

23、收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH)等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。1. 本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。(1) 紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。(2) 紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。2. 雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。3.

24、原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。散射損耗1. 線性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。 瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。 對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一

25、起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(2) 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。2. 非線性散射損耗 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。 彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。 在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套

26、塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達式表示為：式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或W為單位。）（1 . 3 /lg1021KmdBPPL2、光纖的色散特性色散的概念P83v 理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實光源信號不純，含有不同的波長成分，在折光源信號不

27、純，含有不同的波長成分，在折射率為射率為n1的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導(dǎo)致光信號分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱導(dǎo)致光信號分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為為光纖的色散光纖的色散。v 具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，嚴(yán)重時前后脈沖相互重離后脈沖寬度展寬，嚴(yán)重時前后脈沖相互重疊，難以分辨。疊，難以分辨。v 有三個參數(shù)色散系數(shù)、最大時延差有三個參數(shù)色散系數(shù)、最大時延差、光纖帶寬系數(shù)可以分別從不同的角度來描述光纖帶寬系數(shù)可以分別從不同的角度來描述光纖色散的程度。光纖色散的程度。光纖色散的類型48l 模式色散：模式色散

28、：在多模光纖中，因同一波長分量的各種傳導(dǎo)模式的相位不同、群速度不同而導(dǎo)致光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。用光的射線理論來說，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時延差。l色度色散（色度色散（CD) 材料色散：材料色散：光纖材料的折射率隨光頻率呈非線性變化，使得各波長分量具有不同的群速度。 波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散：各導(dǎo)模分量在不同光頻率下的群速度不同。 多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色散和波導(dǎo)色散。多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色散和波導(dǎo)色散。l偏振模色散（偏振模色散（PMD）：）：對于單模光纖，兩個偏振模式因光纖不完善而出現(xiàn)傳輸常數(shù)的差

29、異時產(chǎn)生的色散。1. 階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線和以臨界角c入射的光線，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達終端的時延差。圖圖3.6 階躍型光纖的模式色散階躍型光纖的模式色散2. 漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設(shè)計光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時速度得到補償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。材料色散 一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個物理量來衡量，色散系數(shù)定義為單位光譜線寬光源在單位長度光纖上所引起的時延差。，用D()表示，單位是ps/（nmkm）。2. 材料色散 在已知材料色

30、散系數(shù)的前提下，材料色散的表達式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用m表示。m()=Dm()L （3-25） 式(3-25)中：為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應(yīng)的波長范圍；L是光纖的傳播長度。波導(dǎo)色散 式(3-23)中的第二項與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw()表示。 ）（ 26. 3 ) (221dVVbdVCnDw極化色散 極化色散也稱為偏振模色散，用p表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。 單模光纖中可能同時存在LP0 1x和LP01y兩

31、種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。 當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時，兩個極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)x和y不相等。對于弱導(dǎo)光纖，y和x之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。）（ 27. 3 xyxynnC光纖的總色散為：值得說明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。單模光纖中的色散系數(shù)與波長關(guān)系58光纖的色散和帶寬對通信容量的影響 光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而

32、帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對于調(diào)制信號而言，光纖可以看作是一個低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號的高頻分量通過光纖時，就會受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。圖圖3.12 光纖的帶寬光纖的帶寬(f為調(diào)制信號頻率為調(diào)制信號頻率) 通常把調(diào)制信號經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬。可用式(3-33)表示。）（光光33. 3 30lg0 1dBPfPc 光功率總是要用光電子器件來檢測，而光檢測器輸出的電流正比于被檢測的光功率，于是：從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對應(yīng)于6dB電帶寬。

33、）（光光電電電電34. 3 60lg200lg200lg10dBPfPIfIPfPccc 既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。 由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長色散帶寬。）（ 47. 3 21 22cMTBBB波長色散帶寬定義為：式中：是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長度，單位是km；D()是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長色散系數(shù))，單位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。 ）（48. 3 441GHzLDB

34、c 光纖鏈路總帶寬與光纖長度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無接頭。對于無接頭的一個制造長度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=BL- 式中：L是光纖的制造長度(km)，為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.51.0之間(多模光纖取0.50.9，單模光纖1)。成纜對光纖特性的影響光纜特性1. 拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范圍。2.壓力特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主

35、要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4.溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性。成纜對光纖特性的影響1. 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗，稱之為成纜損耗。2. 成纜可以改善光纖的溫度特性 套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。圖3.14 光纖和光纜的溫度特征 把光纖制成光纜，溫度特性會得到相當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實線所示。3. 機械強度增加 這一點是很顯然的。一般光纖的斷點強度約為15kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強構(gòu)件、護套、甚至鎧裝層等，因此其斷點強度遠大于上述值；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭

36、曲性能都有明顯增強。典型光纖參數(shù) 目前，ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu))分別對G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進行了標(biāo)準(zhǔn)化。 G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。 G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點是在波長1.31m處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。 G.653光纖稱為色散位移光纖，其特點是在波長1.55m處色散為零，損耗又最小。 G.654光纖稱為截止波長光纖，其特點是在波長1.31m處色散為零，在1.55m處色散為1720ps/nmkm，和G

37、.652光纖相同。 G.655光纖稱為非零色散位移光纖，是一種改進的色散位移光纖。表3.1傳輸光纖的參數(shù)指標(biāo)光纖類型多模漸變型G.651 光纖常規(guī)單模G.652 光纖色散位移G.653 光纖截止波長G.654 光纖非零色散位移光纖G.655纖芯直徑（ m）506%包層直徑（ m）1252.4%纖芯不圓度（%）6包層不圓度（%）22222同芯誤差（%）6幾何尺寸模場同心誤差（%）1111折射率分布近似拋物線數(shù)值孔徑（0.180.24）0.02模場直徑（ m）（910）10%（78.3）10%10.510%8112m 光纖截止波長C（ m）11001280待研究135016001470光學(xué)特性22

38、m 光纜截止波長CC（ m）1270待研究1480損耗（dB/Km）850nm1310nm1550nm421.00.51.00.50.250.50.24零色散波長（ m）13001324150016001.525 或1.585零色散斜率（ps/nm2Km）0.0930.0850.093色散系數(shù)（ps/nmKm）850nm1310nm1550nm12063.5203.5200.16傳輸特性帶寬（MHzKm）850nm1310nm200100020012003.非線性效應(yīng)78 非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串話和功率非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串話和功率降低代價，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸

39、降低代價，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。 光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類:非彈性過程和非彈性過程和彈性過程。彈性過程。4.2.4 光纜79分類方法分類方法 光纜種類光纜種類按用途按用途長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合光纜光纜按敷設(shè)方式按敷設(shè)方式直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜 按傳輸模式按傳輸模式單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式層絞式、骨架式、

40、大束管式、帶式、單元式 按外護套結(jié)構(gòu)按外護套結(jié)構(gòu) 無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝 按 光 纜 中 有 無按 光 纜 中 有 無金屬金屬 有金屬光纜、無金屬光纜有金屬光纜、無金屬光纜 按維護方式按維護方式 充油光纜、充氣光纜充油光纜、充氣光纜 光纜的分類光纜的分類幾種光纜的結(jié)構(gòu)804.3光纖通信系統(tǒng)81 光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要由電端機、光端機、光中繼器和光纜組成。要由電端機、光端機、光中繼器和光纜組成。1. 電發(fā)送端機82 把信源消

41、息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號。2. 光發(fā)送端機83光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：3. 光端機的調(diào)制方式84 直接調(diào)制（強直接調(diào)制（強-直調(diào)制）：利用電信號調(diào)制光直調(diào)制）：利用電信號調(diào)制光波的幅度，驅(qū)動電路輸出波的幅度，驅(qū)動電路輸出“0”、“1”脈沖信號脈沖信號直接控制光源的發(fā)光強度。適用于低速的半導(dǎo)體直接控制光源的發(fā)光強度。適用于低速的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）。）。 外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號控制調(diào)制器，適用于調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號控制調(diào)

42、制器，適用于高速激光器（高速激光器（LD）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波的頻率或相位。的頻率或相位。例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動電路854. 光中繼器v 光光-電電-光中繼方式正在被光放大器取代，光中繼方式正在被光放大器取代，例如，摻鉺光纖放大器（例如，摻鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）可以放大）可以放大1.55m波長附近的光信號，適用于長途越洋光通信波長附近的光信號，適用于長途越洋光通信系統(tǒng)。系統(tǒng)。865. 光接收端機v 將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢將光纖傳輸過來的微弱光信號，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后?/p>

43、經(jīng)放大電路放大測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再?jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電接收端機去。到足夠的電平，送到電接收端機去。87電信號電信號6.電接收端機88 電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，電接收端機接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，并還原為信宿可接收的形式。并還原為信宿可接收的形式。4.4 光纖通信新技術(shù)89 超大容量、超長距離、超高速傳輸一直光纖通信超大容量、超長距離、超高速傳輸一直光纖通信新技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。新技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。 拓展光纖可用拓展光纖可用“窗口窗口”的波長范圍可以提高的波長范圍可以提高光纖帶寬；光纖帶寬； 降低損耗系數(shù)降低損耗系數(shù)()可以增加光纖中繼距離；可以增加光纖中繼距

44、離； 光波分復(fù)用或光時分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量；光波分復(fù)用或光時分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量； 相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點。相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點。 本節(jié)將對其中的一些內(nèi)容進行概要介紹。本節(jié)將對其中的一些內(nèi)容進行概要介紹。4.4.1 光波分復(fù)用與光時分復(fù)用90 采用光波分復(fù)用（采用光波分復(fù)用（WDM）或光時分復(fù)用）或光時分復(fù)用（OTDM）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，擴大系統(tǒng)容量。擴大系統(tǒng)容量。1. 光波分復(fù)用91光波分復(fù)用：利用不同波長的光信號作為載波來光波分復(fù)用：利用不同波長的光信號作為載波來傳輸多路光信號。傳輸多路光信號。2. 光波分復(fù)用的類型92 根據(jù)光波分復(fù)用時波長間隔的大小可以將波分復(fù)根據(jù)光波分復(fù)用時波長間隔的大小可以將波分復(fù)用系統(tǒng)分為三種類型：用系統(tǒng)分為三種類型： 密集波分復(fù)用（密集波分