光纖通信系統(tǒng)課件

緒

論

n1.1光纖製備與應用的發(fā)展

1.1.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖一般是由纖心、包層、塗敷層及護套構(gòu)成的，是一個多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱圓柱體，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

圖1.1光纖的基本結(jié)構(gòu)纖心一般是由某種類型的玻璃或塑膠製成的圓柱體，其直徑約為5~85

m。n1.1光纖製備與應用的發(fā)展包層是環(huán)繞纖心的圓柱形套層，可以是一層或多層，由特性與纖心不同的玻璃或塑膠製成，其折射率略小於纖心折射率。塗敷層是一種塗料的敷層，其作用是保護光纖不受外來的損害，以增強光纖的韌性。護套是由塑膠製成的圓形保護套，用來維持光纖的機械強度。n1.1光纖製備與應用的發(fā)展1.1.2光纖發(fā)展史光纖自1841年由DanielColladon通過實驗發(fā)現(xiàn)了光線能夠沿著盛水的彎曲通道而傳播以來，經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展（參見表1.1），現(xiàn)已經(jīng)是通信的主要幹線。此外，各種特殊需要的光纖也應運而生，目前已有幾十種。n

1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

n1

1.2.1

通信系統(tǒng)的組成21.2.2通信系統(tǒng)的分類31.2.3

光通信概述41.2.4光纖通信的發(fā)展過程簡介1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.1通信系統(tǒng)的組成所謂通信，從廣義上講就是資訊從發(fā)信者傳輸?shù)绞招耪叩倪^程。消息是用以載荷資訊的有次序的序列或連續(xù)的時間函數(shù)。前者稱為離散資訊，後者稱為連續(xù)資訊。通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對象是消息，這種傳輸利用通信系統(tǒng)來實現(xiàn)。完成通信過程的全部設備和傳輸媒質(zhì)，稱為通信系統(tǒng)。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展19世紀末迅速發(fā)展起來的以電信號（或光信號）為資訊載體的通信系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖1.2所示。

圖1.2通信系統(tǒng)的一般模型n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展信源的作用是產(chǎn)生（形成）消息。信源分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)信機的作用是將消息變換成適於在通道中傳輸?shù)男盘?。通道是將信號從發(fā)信機傳輸?shù)绞招艡C的媒質(zhì)或途徑。收信機的作用與發(fā)信機相反，完成解調(diào)、解碼等任務，將信號轉(zhuǎn)換為資訊。信宿的作用是將復原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應的資訊，是傳輸資訊的歸宿點。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.2通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)有多種分類方法。

(1)按傳輸媒質(zhì)的不同進行分類可分為有線通信和無線通信兩大類。

(2)按通信業(yè)務和用途進行分類可分為常規(guī)通信和控制通信等。

(3)按傳輸信號的特徵進行分類可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

(4)按資訊傳遞的方向與時間關(guān)係進行分類可分為單工通信、半雙工通信和雙工通信。

(5)按調(diào)製方式進行分類可分為基帶傳輸通信和調(diào)製傳輸通信。

(6)按傳輸信號的複用方式進行分類可分為頻分複用、時分複用、碼分複用三種複用方式的通信。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.3光通信概述

1．基本概念從廣義上講，凡是用光作為資訊載波信號的通信稱為光通信。光通信系統(tǒng)使用電磁波譜中的可見光或近紅外區(qū)域的高頻電磁波（約100

THz）。有時又稱為光波通信系統(tǒng)，以區(qū)別於頻率低於5個數(shù)量級的微波（微波載波頻率為1~10GHz）通信系統(tǒng)。

n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展圖1.3為光的頻譜圖，可以看出光的頻率很高，回應帶寬也很寬，光通信充分利用了這一優(yōu)點。

圖1.3光的頻譜圖n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展根據(jù)定義，波長是光在一個週期時間內(nèi)行進的距離。設真空中光的波長為，介質(zhì)中的波長為，則光的波長和頻率之間的關(guān)係為

(1.1)(1.2)

式(1.1)和式(1.2)中，是真空中的光速，；為介質(zhì)的折射率（石英光纖的折射率為1.5左右）；

ν為光在介質(zhì)中的速度。

n

1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展在光通信系統(tǒng)中，除了一些特殊場合使用可見光之外，現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)一般使用近紅外光，典型波長為和相應的頻率分別為230THz和193THz。

2．光通信系統(tǒng)的分類與特點光通信系統(tǒng)可分為兩類：大氣鐳射系統(tǒng)（無線光通信）和光纖通信系統(tǒng)（有線光通信）。大氣鐳射通信主要是指用鐳射作為資訊的載波信號並以大氣為通道的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要是指用鐳射作為資訊的載波信號並以光纖為通道的通信系統(tǒng)n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展大氣鐳射通信系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成了近代光通信系統(tǒng)。下麵對這兩類光通信的特點做簡要討論

(1)大氣鐳射通信大氣鐳射通信是利用光波在空氣中直線傳播的特點，進行大氣傳輸?shù)墓馔ㄐ?。這種通信方式，其通道為大氣，不需要敷設任何通信線路，簡單經(jīng)濟。

(2)光纖通信光纖通信技術(shù)是當代通信技術(shù)發(fā)展的最高成就，已成為現(xiàn)代通信的基石。光纖通信得到如此飛速的發(fā)展，主要是因為它具有一系列獨特的優(yōu)點：n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展①頻帶寬，資訊容量大。

②傳輸損耗低，傳輸距離遠。

③製作光纖、光纜用的原材料資源豐富。

④光纖作為通道具有體積小、品質(zhì)輕的優(yōu)點，便於通信線路的敷設。

⑤光纖通信系統(tǒng)的抗干擾能力強，使用安全。但光纖通道也存在不足之處：①在敷設光纖、光纜時，彎曲半徑不能過小，否則光纖中傳輸?shù)膶⒊蔀檩椛淠６鴵p耗光能；②要求有比較好的光纖切斷、連接技術(shù)；③分路、耦合比較麻煩。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

1.2.4光纖通信的發(fā)展過程簡介光纖通信經(jīng)過30多年的發(fā)展，經(jīng)歷了5個發(fā)展階段，其中已有五代光纖通信系統(tǒng)由試驗研究進入了實用階段。

(1)第一代光纖通信系統(tǒng)1978年，第一代光纖通信系統(tǒng)（多模光纖通信系統(tǒng)）正式投入商業(yè)應用。光源為半導體雷射器(GaAlAsLD)或發(fā)光二極體(LED)，工作波長。該光纖通信系統(tǒng)稱為短波通信系統(tǒng)。光電探測器為管（矽光電二極體）或（矽雪崩光電二極體）。通道為均勻多模光纖.n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

(2)第二代光纖通信系統(tǒng)

20世紀80年代初，第二代早期多模光纖通信系（1.3μm多模光纖通信系統(tǒng)）問世。光源為InGaAsP半導體雷射器，工作波長λ=1.3μm

。

(3)第三代光纖通信系統(tǒng)1990年，第三代光纖通信系統(tǒng)已能提供商業(yè)應用。光源為銦鎵砷磷(InGaAsP)半導體雷射器，光電探測器與第二代光纖通信系統(tǒng)同為鍺光電探測器，通道為單模光纖（工作波長為1.55μm）。該系統(tǒng)是工作在λ=1.55μm長波波段的單模光纖通信系統(tǒng)，為長波光纖通信系統(tǒng)。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

(4)第四代光纖通信系統(tǒng)——相干光纖通信系統(tǒng)相干光纖通信系統(tǒng)是利用鐳射的相干性，將無線電通信中採用的“外差”接收（或零差接收）和先進的調(diào)製方式應用到光纖通信中的系統(tǒng)。

(5)第五代光纖通信系統(tǒng)——光孤子通信系統(tǒng)光孤子通信是利用光纖非線性進行超大容量、超長距離的光纖通信方式。光纖通信系統(tǒng)中，光孤子是一個非常窄，並具有很高強度的光脈衝。n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展n1

1.3.1

概述21.3.2感測器的組成31.3.3光纖傳感器的分類41.3.4光纖感測器的發(fā)展史51.3.5光纖感測器的研究現(xiàn)狀1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.3.1概述光纖感測器是用待測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M行調(diào)製得到調(diào)製信號，該信號經(jīng)光纖傳輸至光探測器進行解調(diào)，從而獲得待測量值的一種裝置。與傳統(tǒng)的感測器不同，它將被測信號轉(zhuǎn)換為光信號的形式取出。光纖傳感原理與技術(shù)是以光纖的導波現(xiàn)象為基礎的，光從光纖射出時，光的特性得到調(diào)製，通過對調(diào)制光的檢測，便能感知外界的資訊，實現(xiàn)對各種物理量的測量，這就是光纖感測器的基本原理。n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

1.3.2感測器的組成感測器的定義是:“能夠感受規(guī)定的被測量並按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。感測器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指感測器中能直接感受或回應被測量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指感測器中能將敏感元件感受的或回應的被探測量轉(zhuǎn)換成適於傳輸和（或）測量的電信號的部分。

n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展感測器的組成方框圖如圖1.5所示。

圖1.5感測器的組成方框圖n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

1.3.3光纖感測器的分類感測器的分類可以從測量、結(jié)構(gòu)、調(diào)製方式及器件材料等不同角度分類，如書上表1.2所示。

1.3.4光纖感測器的發(fā)展史20世紀傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即結(jié)構(gòu)型感測器、物理型感測器和智慧型感測器。其測量技術(shù)、方法和特點歷程參見表1.3。光纖傳感技術(shù)在我國的發(fā)展史參見表1.4。n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

1.3.5光纖感測器的研究現(xiàn)狀經(jīng)過二十餘年的研究積累，我國的光纖傳感正在穩(wěn)步發(fā)展。我國光纖傳感的進一步發(fā)展需要從光纖基礎產(chǎn)業(yè)、光電基礎產(chǎn)業(yè)和光纖傳感技術(shù)全方位考慮綜合發(fā)展，才有可能真正創(chuàng)造我國的尖端傳感技術(shù)，打破國外對我國的先進技術(shù)封鎖。n

光纖與光纜

n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式n1

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)2

2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念3

2.1.3階躍折射率光纖的模式分析2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)光纖的全稱是光導纖維(OpticalFiber)，是一種傳輸光能量的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所傳光的波長在可見光和紅外光區(qū)域。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。光能夠被束縛在光纖心中傳輸?shù)谋匾獥l件是纖心的折射率（至少在截面的某些區(qū)域）大於包層的折射率。護套在光學上幾乎與纖心隔絕，可以忽略其影響。纖心內(nèi)，折射率分佈可以是均勻的或是漸變的，也可能是更複雜的分佈。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式圖2.1給出了一些常見光纖的折射率分佈。圖2.1光纖的折射率分佈n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式根據(jù)光纖中光場的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。折射率由製作光纖的材料決定，在光纖分析中通常定義相對折射率差，通常單模光纖的相對折射率差滿足，多模光纖的相對折射率差滿足?？梢?，，，是弱導光波導。製作光纖的材料通常有高純石英()、多組分玻璃和有機聚合物等材料，詳細情況參見2.2節(jié)。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念

1.子午線的數(shù)值孔徑在光纖中，光線有兩種，一種是始終處在一個平面裏，經(jīng)過波導的中心軸線，在光纖心與包層介面上作全反射，呈鋸齒形，這種射線稱為子午線，如圖2.2(a)所示。另一種光線不在同一平面裏，不經(jīng)過光纖的中心軸線，但仍在光纖心與包層的介面上作全反射，這種光線的範圍是在邊界面和焦散面之間，稱為偏射線，如圖2.2(b)所示。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式子午線是平面曲線，偏射線是空間曲線。偏射線的極限是焦散面與心包層介面重合，這時偏射線稱為螺旋線，如圖2.2(c)所示。

圖2.2子午線和偏射線n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2

階躍折射率光纖分析的基本概念光纖端面外側(cè)是另外一種介質(zhì)，一般是空氣，其折射率為，入射光線與光纖軸成角，根據(jù)折射率定律，有

(2.1)只有當入射角大於臨界角時，光才在波導內(nèi)作全反射，才可以形成導波，因此，＞，即＞。

為了得到導波，外面光線的入射角必須滿足下式：n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

(2.2)即?？梢约ぐl(fā)導波的入射光線的最大角度的正弦值即為數(shù)值孔徑NA。一般情況下，則數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進入光纖形成導波。此計算是依據(jù)子午線而進行的，偏射線需要修正。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念2．偏射線入射光線，其方向單位向量，,,為光線的方向余弦，即與座標之間的夾角余弦。入射到波導端面上的某一點，。光線進入光纖後，在介面上進行全反射，每段射線為,…

，其單位矢為,…

，這些射線不經(jīng)過軸線。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式在射線與介面的交點處設想一個平面與介面相切，這個平面與光纖有一條切線，且與光纖軸線平行，每一個交點與軸線之間的距離為,…,，反射時有如下規(guī)律：(1)入射光線、反射光線和法線現(xiàn)在一個平面內(nèi)，法線為，用數(shù)學式子表示為

(2.3)(2)入射角等於反射角，用數(shù)學式子表示為

(2.4)n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式(3)若大於，則可以得到全反射，即

(2.5)(4)端面偏射線數(shù)值孔徑在光纖始端，什麼樣的射線能被光纖捕獲得以在光纖內(nèi)作全反射傳輸呢？應用式(2.5)，當時，可得n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式由圖2.3可見，，，

。圖2.3端面偏射線數(shù)值孔徑n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式若有全反射，則≥，故≤，≤。從端面入射時，，偏射線的數(shù)值孔徑為

(2.6)由於式(2.6)中≤1，故偏射線的數(shù)值孔徑要比子午光線大。當時，偏射線成為螺旋光線。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2.1.3階躍折射率光纖的模式分析在光纖中傳輸?shù)墓饪梢暈榻?jīng)典的電磁波，光纖可看做是由纖心和包層組成的無限長圓柱，則光纖中的電磁場形式：式中，為光纖傳輸常數(shù)。不同的所對應的電磁場在橫截面內(nèi)的分佈各不相同，稱為光纖的模式。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

1．模式本征方程在直角坐標系下，展開麥克斯韋方程得到n(2.7)2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式經(jīng)過變換後，得到(2.8)式(2.8)說明滿足亥姆霍茲方程，這是完全合理的。按上述相同的方法，令，則可以得到與上述類似的關(guān)於的方程，因此實際的模式可以有如下形式：

(2.9)式中，a,b是任意常數(shù)；是x方向線偏振模；是y方向線偏振模。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式從以上兩組線偏振模LP模中取一組，例如。若光纖中折射率變化很小，二階以上的變化率可以忽略，則有n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式因此，可以認為下述三種說法是一致的。(1)模式場中關(guān)於橫坐標的二階變化率趨於零。(2)在邊界上連續(xù)，只有分量，這相當於把電磁場看成標量，所以又稱為標量近似。(3)纖心和包層之間的折射率變化很小，即Δ＜＜1為弱導光波導。所以，標量近似又稱為弱導近似。在標量近似下，兩組線偏振模為

n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

電磁場的橫向分量互相垂直，且成比例，類似於向量法中的TE,TM模。在標量近似下，線偏振模仍然具有圓對稱性，即(2.10)下麵以一組線偏振模為例，求解在圓柱坐標系下滿足亥姆霍茲方程：

(2.11)在圓柱坐標系下，式(2.11)是貝塞爾方程，是貝塞爾方程的解，為貝塞爾函數(shù)。

n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式考慮到在圓柱內(nèi)的值必為有限，當,時，則

(2.12)式中，A,B為任意常數(shù)；為第一類貝塞爾函數(shù)；為第二類變型（虛宗量）貝塞爾函數(shù)。因此，可求出其他場分量：

(2.13)n

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

(2.14)

(2.15)n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式由邊界條件確定關(guān)於的特徵方程：

(2.19)式(2.19)是關(guān)於的特徵方程。利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式，可得 (2.20)或 (2.21)這就是LP模式的特徵（本征）方程。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式本征方程是超越方程，只能求數(shù)值解，解的步驟如下：(1)根據(jù)光纖的心徑a、相對折射率以及工作波長來確定歸一化頻率V：

(2.22)(2)利用或求解特徵方程，得到U或W，再由或得到。(3)已知U,W，可以確定A/B，即纖心內(nèi)、外場之比。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2．截止條件和模式分類對於某種模式，若W→0，U→V時，模式趨於截止，因此W→0為截止條件。

是滿足截止條件時的特徵方程?？芍?/p>

m=0時，截止頻率為0的模式是，是光纖的第一個模式，稱為基模；第二個模式是m=1時，由的第一個根V=2.4048開始的，即模。因此當V＜2.4048時，光纖內(nèi)只有一種模式，即單模傳輸。一個LP模式實際上是由4個向量模簡並而成的。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式當歸一化頻率V很大時，即V→∞時，可知此時U趨向於某個恒定值，則W→∞。在這種情況下，LPmn

模的U在和的兩個根之間變化，其中歸一化傳輸常數(shù)定義為

(2.23)標量近似的LP模的歸一化傳輸常數(shù)b與V之間的關(guān)係如圖2.4所示。

圖2.4線偏振LP模的b=f(V)關(guān)係圖n2.2光纖的材料、製作和光纜在這一節(jié)中主要介紹石英光纖的製作工藝。石英光纖的製造工藝大致可以分為兩個階段，即光纖預製棒的製造和預製棒拉制光纖。n

2.2.2預製棒拉絲2

2.2.1預製棒的製造方法12.2光纖的材料、製作和光纜

2.2.1預製棒的製造方法預製棒的製造方法很多，常見的方法有：外氣相沉積法(OVPO)、氣相軸向沉積法(VPAD)、改進的化學氣相沉積法(MCVD)、等離子體啟動化學氣相沉積法(PCVD)。下麵分別加以介紹。1．OVPO法OVPO法是CorningClassWork公司用於製造第一根損耗小於20dB/km

的石英光纖的方法。該方法採用以下化學反應：n2.2光纖的材料、製作和光纜以石英、石墨或陶瓷棒作為中心棒，在中心棒外沉積粉塵，然後抽掉中心棒，高溫燒結(jié)成預製棒，製造示意圖如圖2.5所示。圖2.5OVPO法n2.2光纖的材料、製作和光纜

OVPO法的基本步驟如下：(1)中心棒在噴嘴下方，勻速旋轉(zhuǎn)並來回平移，以便在中心棒外形成粉塵的均勻沉積。(2)控制氣體流量成分，可以使預製棒折射率分佈是階躍的，或是漸變的。(3)沉積過程完成後，經(jīng)過脫水處理後，抽出中心棒，在高溫爐中將粉塵狀預製棒燒結(jié)成透明玻璃預製棒。n2.2光纖的材料、製作和光纜2．VPAD法化學反應生成微粒的過程與OVPO法完全一樣，沉積時由橫向變?yōu)榭v向，這是日本NTT公司採用的光纖預製棒製作方法，製造示意圖如圖2.6所示。VPAD法的優(yōu)點是：沉積速度快，適合批量生產(chǎn)，一根棒可拉100km以上的光纖。

圖2.6VPAD法n2.2光纖的材料、製作和光纜3．MCVD法該方法在旋轉(zhuǎn)的石英管的內(nèi)壁進行沉積，製造示意圖如圖2.7所示。採用以下化學反應：停止氣相反應，加高溫將石英管燒結(jié)成實心棒，改變氣相組分可以製成階躍或梯度折射率預製棒。圖2.7MCVD法n2.2光纖的材料、製作和光纜4．PCVD法Philips研究所的科學家們發(fā)明了等離子體啟動化學氣相沉積法，該方法與MCVD法很類似，高純石英管置於微波諧振腔內(nèi)。在石英管內(nèi)通入反應氣體，微波諧振腔使管內(nèi)氣體等離子化，產(chǎn)生高溫化學反應，將一層純淨沉積在管壁上，的沉積率接近100％，通過改變氣相的組分產(chǎn)生折射率的變化，製造示意圖如圖2.8所示。沉積完成後，經(jīng)燒結(jié)形成預製棒。n2.2光纖的材料、製作和光纜圖2.8MCVD法

這種方法的優(yōu)點在於採用微波諧振腔加熱，高純石英管不被加熱，只是管內(nèi)的反應物被加熱，能耗低，操作易於進行。n2.2光纖的材料、製作和光纜

2.2.2預製棒拉絲預製棒製作完成，第二階段是將預製棒拉絲成為光纖。石英光纖拉絲機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.9所示。在拉絲過程中，可以基本保持原預製棒的折射率分佈不變。

圖2.9石英光纖拉絲機的結(jié)構(gòu)示意圖n2.2光纖的材料、製作和光纜在拉絲過程中，需要保持光纖直徑的均勻性，根據(jù)品質(zhì)守恆，有

(2.24)式中，D為預製棒直徑；d為光纖直徑；為預製棒下降速度；為光纖收絲速度。通過控制和來控制光纖的直徑，一般為30~1000m/min。n2.2光纖的材料、製作和光纜實際應用中，為了提高光纖的強度、耐溫等性能，光纖必須製成光纜才能使用。成纜時可以有多種結(jié)構(gòu)，通常由外護套、包帶和加強心構(gòu)成。圖2.10為層絞式和骨架式兩種常見的光纜結(jié)構(gòu)。圖2.10光纜結(jié)構(gòu)圖n2.3光纖的傳輸特性光纖作為光通信的傳輸介質(zhì)，從通信角度來看，主要關(guān)心光纖的以下幾個傳輸特性：(1)衰減：只有衰減小到一定程度才可能做長距離通信使用；(2)色散：色散小，脈衝展寬小，從而要求光纖有較小的色散，才可能以高速率傳輸信號或者說有較大的通信容量。另外，隨著光纖通信的發(fā)展，光纖的偏振特性和非線性效應對光信號的傳輸也有較大的影響。n2.3光纖的傳輸特性n12.3.1衰減22.3.2

色散32.3.3偏振特性42.3.4非線性效應2.3光纖的傳輸特性

2.3.1衰減一段光纖的損耗由通過這段光纖的光功率損失來衡量，穩(wěn)態(tài)條件下，單位長度的光纖損耗稱為衰減係數(shù)，通常定義為（）(2.25)式中，為入射光功率；為傳輸後的輸出光功率。產(chǎn)生光纖損耗的機制很複雜，主要與光纖材料本身的特性有關(guān)，其次，製造工藝也影響光纖的損耗，影響損耗的製造工藝因素很多。

n2.3光纖的傳輸特性

2.3.2色散光脈衝在光纖中傳輸時，由於傳輸常數(shù)是光頻率的函數(shù)，當與更高階導數(shù)不為零時，意味著光信號中不同頻率（或波長）成分具有不同的群延遲或群速度，這種群速度隨光頻率變化的現(xiàn)象稱為群速度色散(GVD)，簡稱為色散。色散將導致光脈衝在光纖中傳輸時的脈衝展寬，從而限制了光纖通信的資訊傳輸速率，即通信容量。n2.3光纖的傳輸特性在多模光纖中，由於存在多個模式，因此群速度也必然不同，這種色散稱為模式間色散。對於單模光纖，由於只有基模，光脈衝中的不同頻率成分具有不同的群延遲或群速度，這種色散要比模式間色散小很多，下麵討論這種色散。

為時延差，即光信號中群速度最慢與最快頻率成分的傳輸時延差：(2.26)式中，D為色散係數(shù)，單位為ps/(nm·km)；L為光傳輸長度；為傳輸光的波長範圍。

n2.3光纖的傳輸特性傳輸常數(shù)之間的關(guān)係為

(2.27)根據(jù)光纖的模式理論，可以得到式中，為材料色散；為波導色散；為折射率剖面色散。n2.3光纖的傳輸特性石英單模光纖的色散曲線如圖2.12所示，ZMD是材料色散的色散零點，是總色散零點波長，常規(guī)石英光纖的約為1310nm。圖2.12石英單模光纖的色散曲線n2.3光纖的傳輸特性2.3.3偏振特性雙折射現(xiàn)象，即當一束線偏光（圓偏光也有類似定義）通過光纖時，其傳輸常數(shù)隨偏振方向改變的現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象對光通信的影響主要體現(xiàn)為偏振模色散(PMD)。單模光纖在其基模工作時有兩個正交的極化方向，每一個方向代表一個偏振模。傳播常數(shù)為和，由於雙折射，，單位距離的時延分別為,

故時延差為

n2.3光纖的傳輸特性因為歸一化雙折射率為

故對於石英光纖，第二項遠小於第一項,因此

(2.28)對於普通光纖，B在數(shù)量級，。n2.3光纖的傳輸特性

2.3.4非線性效應當光纖中的光場強較弱時，光纖可視為線性介質(zhì)；但光場強加大後，任何電介質(zhì)都會表現(xiàn)出非線性。1．非線性極化理論光纖作為電介質(zhì)在外電場（包括光波電場）作用下，感應電偶極矩，極化所形成的附加電場與外電場疊加形成介質(zhì)中的場。

n2.3光纖的傳輸特性電偶極子的極化強度對於電場是非線性的，通常滿足

(2.29)式中，為真空介電常數(shù)；,,分別為一階、二階、三階電極化率。當外場較弱時，，，因此由麥克斯韋方程組推導出光在介質(zhì)中傳播的波動方程是線性的。

(2.30)n2.3光纖的傳輸特性線上性光學範圍內(nèi)，光的疊加性原理成立。光頻率各分量不存在相互作用，頻率也不會變化，表徵介質(zhì)特性的參數(shù)如介電係數(shù)、吸收係數(shù)都與外加光場強度無關(guān)。但在非線性光學範圍內(nèi)，情況就不同了，式(2.29)中的第二項及其以後的各項之和統(tǒng)稱為非線性極化強度向量：

(2.31)由於非線性極化強度的存在，物質(zhì)方程不再是線性的，因此由麥克斯韋方程組推導出的波動方程也是非線性方程：

(2.32)

n2.3光纖的傳輸特性光纖中不顯示二階非線性光學效應，摻雜時才會考慮二階非線性光學效應。三階非線性極化強度項導致克爾效應、雙光子吸收、光波自作用以及受激輻射受激拉曼散射和受激布裏淵散射等現(xiàn)象。這些是影響光纖通信的重要的非線性光學效應。從物理機制上講，非線性光學效應大致可以分為兩大類：一類稱為參量過程（非啟動的），另一類稱為非參量過程（啟動的）。在參量過程中，參與參量過程的光場之間需要滿足一定的相位匹配條件。在非參量過程中，非參量過程不需要滿足相位匹配條件。n2.3光纖的傳輸特性2．受激散射及其對光纖通信的影響受激散射是三階非線性極化強度項表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，從量子觀點容易說明其物理機理，並分析其對光通信系統(tǒng)的影響。(1)物理機理拉曼散射和布裏淵散射是光纖物質(zhì)中原子參與的光散射現(xiàn)象。在晶體中，原子在其平衡位置附近不停地振動，由於原子之間的相互作用，每一個原子的振動要依次傳遞給其他原子，從而形成晶體中的格波，格波的形式很複雜，可以分解成一些簡諧波的疊加。n2.3光纖的傳輸特性根據(jù)量子力學理論，格波的能量是量子化的，對頻率的格波，它們的每份能量稱為一個聲子。所謂聲子，就是晶格振動能量變化的最小單位。入射光波被晶格振動散射，可以理解為光子與聲子相互碰撞的問題，在散射過程中，常常伴隨聲子的吸收和發(fā)射，但必須滿足能量守恆，從而使入射光發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換。

通過薛定諤方程求出的格波解分為兩支，頻率較高的一支與晶體的光學性質(zhì)有關(guān)，通常稱為光學波，頻率較低的一支與宏觀彈性波（聲波）有密切關(guān)係，稱為聲學波。由光學波聲子參與的光散射稱為拉曼散射，由聲學波聲子參與的光散射稱為布裏淵散射。n2.3光纖的傳輸特性拉曼散射的基本過程可以理解為：頻率的入射光子與介質(zhì)相互作用，可以發(fā)射一個頻率為的斯托克斯(Stokes)光子和一個頻率為的光學波聲子。在這個過程中，能量守恆，即（h是普朗克常量），光波產(chǎn)生下頻移。入射光子與介質(zhì)相互作用，也可能吸收頻率的聲子而產(chǎn)生一個頻率為的反斯托克斯光子，能量仍守恆，光波產(chǎn)生上頻移。布裏淵散射與拉曼散射過程相似，只是參與的聲子是聲學聲子，頻率低，因此布裏淵散射頻移小。

n2.3光纖的傳輸特性

(2)受激Raman散射對光通信的影響當光纖中傳輸功率較小時，主要是自發(fā)拉曼散射與布裏淵散射，對光纖通信不會產(chǎn)生明顯的影響。但隨光功率增大，就可能產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)和受激布裏淵散射(SBS)。臨界功率大約為3W左右，它與光纖的有效面積以及光纖的長度、光學性質(zhì)都有關(guān)。n2.3光纖的傳輸特性受激拉曼散射主要以前向散射為主，對光纖的影響主要表現(xiàn)為限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β?。受激拉曼散射導致頻率轉(zhuǎn)換，使光纖損耗加大，引起波分複用系統(tǒng)中的串擾。受激拉曼散射對波分複用系統(tǒng)的影響遠遠超過了單通道光纖系統(tǒng)，每一個通道只要幾毫瓦的光子功率就能引起明顯的拉曼串擾，其特點是短波長通道功率向長波長通道轉(zhuǎn)移。由於光纖中處於激發(fā)態(tài)的原子很少，反斯托克斯光增益小，長波長通道功率向短波長通道轉(zhuǎn)移不明顯。n2.3光纖的傳輸特性

(3)受激布裏淵散射的特點及對光通信的影響受激布裏淵散射(SBS)的特點是：以反向散射為主；增益?zhèn)S數(shù)大；閾值低，對常規(guī)單模光纖來說大約為4mW；頻移小，僅有數(shù)十兆赫茲。因此，受激布裏淵散射主要對窄譜線光源的系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響，反向散射光回饋回窄譜線雷射器會嚴重影響雷射器的正常工作，必須使用光隔離器。受激布裏淵散射使光譜線增寬，對相干光通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。n2.3光纖的傳輸特性3．非線性折射率調(diào)製引起的非線性光學效應折射率與光強有關(guān)的現(xiàn)象是引起的，光纖的折射率可以表示為

(2.33)式中，為線性折射率；為與有關(guān)的非線性折射率係數(shù)，對於石英光纖約為；P為光功率；為光纖的有效面積，，其中I為光強。n2.3光纖的傳輸特性非線性折射率調(diào)製可以引發(fā)以下非線性光學效應。

(1)自相位調(diào)製(SPM)n依賴於光功率P，則光傳輸常數(shù)也與P

相關(guān)：，光傳輸L長度後，產(chǎn)生的非線性相位差為

(2.34)式中，為光纖的有效長度；為輸入端光功率。n2.3光纖的傳輸特性當光波被調(diào)製後，隨時間變化，SPM導致頻譜展寬，展寬值可以由的導數(shù)求得

(2.35)SPM導致的頻譜展寬是一種頻率啁啾。(2)交叉相位調(diào)製(XPM)產(chǎn)生XPM現(xiàn)象的物理機制與SPM類似，當兩束或更多束光波在光纖中傳輸時，某通道的非線性相位變化不僅依賴於該通道的功率變化，而且與其他通道相關(guān)，從而引起較大的頻譜展寬。n2.3光纖的傳輸特性

(3)四波混頻(FWM)四波混頻是源於非線性折射率的參量過程，需要滿足相位匹配條件。從量子的觀點看，一個或幾個光子湮滅，同時產(chǎn)生幾個不同頻率的新光子，在參量過程中能量和動量都守恆，動量守恆即波向量守恆，就是相位匹配條件。四波混頻大致分為兩種情況，一種情況是三個光子合成一個新光子，其頻率為。當時，對應三次諧波，當,時，對應頻率上轉(zhuǎn)換，由於在光纖中難以滿足相位匹配條件，實現(xiàn)有困難。n2.3光纖的傳輸特性另一種情況是頻率為,的光子湮滅，產(chǎn)生頻率為,的新光子。能量守恆，動量守恆，在光纖滿足的條件相對容易些。四波混頻引起光波分複用(WDM)系統(tǒng)中複用通道之間的串擾，嚴重影響傳輸品質(zhì)。光纖色散越小，複用通道波長間隔越小，串擾越嚴重。這是因為有群速度色散時，相位匹配條件難以滿足。在色散位移光纖中，相位匹配條件容易滿足，四波混頻嚴重，因此非零色散位移光纖應運而生。n2.4光纖的種類光纖的種類繁多，按光纖所用材料、折射率分佈、傳輸模式等，都可以對光纖進行分類。從材料角度，可以分為石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合物光纖、液心光纖等。從折射率分佈角度，可以分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。從傳輸模式上，可以分為多模光纖和單模光纖。從用途上，可以分為常規(guī)通信光纖和特種光纖。n2.4光纖的種類

根據(jù)國際電工委員會(IEC)標準IEC60793—1—1的光纖分類方法，光纖可以分為A類和B類兩大類，A類為多模光纖，B類為單模光纖。它們的分類參見表2.1和表2.2。表2.1多模光纖的分類n類別材料類型折射率分佈指數(shù)g值A1玻璃心/玻璃包層梯度折射率1≤g≤3A2.1玻璃心/玻璃包層準階躍折射率3≤g≤10A2.2玻璃心/玻璃包層階躍折射率10≤g≤

A3玻璃心/塑膠包層階躍折射率10≤g≤

A4聚合物光纖2.4光纖的種類表2.2單模光纖的分類下麵分別介紹多模光纖和單模光纖。n類別特點零色散波長(nm)工作波長(nm)B1.1非色散位移光纖13101310,1550B1.2截止波長位移光纖13101550B1.3波長段擴展的非色散位移光纖1300~13241310,1360~1530,1550B2色散位移光纖15501550B3色散平坦光纖1310,15501310,1550B4非零色散位移光纖＜15301530~15652.4光纖的種類n12.4.1多模光纖22.4.2單模光纖n2.4.1多模光纖從結(jié)構(gòu)上看，多模光纖有梯度多模光纖和階躍多模光纖，其折射率分佈函數(shù)如圖2.13所示。梯度多模光纖包括,,和四類，由多組分或摻雜石英玻璃製成，其具體分類參見表2.3。圖2.13多模光纖的折射率分佈2.4.1多模光纖表2.34種梯度多模光纖的性能及其應用場合類型心/包層直徑工作波長(nm)帶寬(MHz)數(shù)值孔徑損耗(dB/km)應用場合A1a50/125850,1310200~15000.20~0.240.8~1.5資料鏈路、局域網(wǎng)A1b62.5/125850,1310300~10000.26~0.290.8~2.0資料鏈路、局域網(wǎng)A1c85/125850,1310300~10000.26~0.302.0局域網(wǎng)A1d100/125850,1310100~500.26~0.293.0~4.0局域網(wǎng)n2.4.1多模光纖階躍多模光纖包括,,三類9種，可用多組分玻璃或塑膠製成。其特點是纖心直徑大，數(shù)值孔徑大，可以有效地與發(fā)光二極體(LED)耦合，主要應用於短距離資訊傳輸、樓內(nèi)局域網(wǎng)、感測器等。其具體分類參見表2.4。nn2.4.1多模光纖表2.4三類階躍多模光纖的特性光纖類型A2aA2bA2cA3aA3bA3cA4aA4bA4c心/包層直徑(

m)100/400200/300980/1000200/240200/380730/750200/280200/230480/500工作波長(nm)850850650帶寬(MHz)≥10≥5≥10數(shù)值孔徑0.23~0.260.400.50衰減(dB/km)≤10≤10≤400典型適用長度(m)200010001002.4.2單模光纖為了保證單模傳輸，光纖心徑必須很小，一般心直徑為8~10

，包層直徑為125。石英單模光纖衰減小，帶寬高，是理想的光通信介質(zhì)。為了解決色散以及非線性效應對光纖傳輸性能的影響，人們專門研究開發(fā)了色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖和色散補償光纖等。按色散波長和截止波長的位移與否，可以將單模光纖分為5類，參見表2.5。下麵分別介紹。n2.4.2單模光纖

表2.5單模光纖的分類n名稱ITU-T（國際通信聯(lián)盟）IEC非色散位移單模光纖G652:A,B,CB1.1色散位移單模光纖G653B2截止波長位移單模光纖G654B1.2非零色散位移單模光纖G655:A,BB4色散平坦單模光纖

2.4.2單模光纖1．非色散位移單模光纖G652(SMF)G652光纖可細分為G652A,G652B和G652C三種。常規(guī)單模光纖的特點是：(1)波長1310nm為色散零點；(2)波長1550nm處衰減最小，約為0.22dB/km，色散係數(shù)的最大值為；(3)工作波長可以在1310nm或1550nm。它廣泛用於數(shù)據(jù)通信。它的缺點是：波長1550nm色散大，阻礙了高速率、遠距離的應用。n2.4.2單模光纖常規(guī)G652在1385nm附近有較高的水()吸收峰，數(shù)量級的就會產(chǎn)生幾個dB/km的衰減，朗訊於1998年發(fā)佈了全波光纖(allwavefiber)。

2．色散位移光纖G653(DSF)色散位移光纖於1988年商用化，改變了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)即光纖折射率分佈的形狀，力求加大波導色散，使光纖色散係數(shù)零點從1310nm移到1550nm，實現(xiàn)了1550nm處最低衰減與零色散一致。n2.4.2單模光纖這種光纖適用於長距離、大容量通信系統(tǒng)中。由於1550nm的零色散，四波混頻等非線性效應嚴重，不適合用於波分複用系統(tǒng)。3．截止波長位移單模光纖G654(WSF)1550nm截止波長位移是非色散位移光纖，零色散波長為1310nm，截止波長在1550nm。衰減極小(≤)。選用純石英()作為纖心，摻氟包層，製造特別困難，價格昂貴。它主要用於長距離，不能插入有源器件的無中斷海底光纖通信系統(tǒng)中。n2.4.2單模光纖

4．非零色散位移單模光纖G655(NDF)NDF是於1994年由朗訊與康寧公司為波分複用傳輸系統(tǒng)設計的，在1550nm處有合理的低色散，足以支持10Gb/s系統(tǒng)的長距離傳輸，又可以抑制四波混頻和交叉相位調(diào)製等非線性光學效應，以滿足密集波分複用系統(tǒng)的要求。5．色散平坦單模光纖(DFF)DFF是於1998年商用化的，在1310~1550nm波長範圍內(nèi)都是低色散，有兩個零色散波長1310nm和1550nm，折射率剖面結(jié)構(gòu)複雜、製造困難。n2.4.2單模光纖

6．色散補償光纖(DCF)隨著光纖放大器的應用，衰減對光纖通信系統(tǒng)而言已經(jīng)不成問題，但色散嚴重阻礙了光纖從1310nm到1550nm的升級擴容。色散補償光纖在1550nm處有很大的負色散係數(shù)，一般為-700~-50ps/(nm·km)。當常規(guī)光纖由1310nm擴容至1550nm，其色散為正值，在系統(tǒng)中加入一段負色散係數(shù)光纖，可以抵消1550nm處的正色散。各種石英單模光纖的色散係數(shù)如圖2.14所示。n2.4.2單模光纖

圖2.14石英單模光纖的色散係數(shù)n習題2.1有一種石英單模光纖，它的纖心直徑為8，工作波長為1550nm，已知纖心折射率為1.460，試問此光纖包層的折射率應為多少？2.2一種塑膠光纖在波長650nm處的衰減係數(shù)，光纖中注入波長為650nm,5mW的光功率，問經(jīng)過多少米傳輸，光功率衰減20dB？這時光功率是多少mW？2.3石英光纖的數(shù)值孔徑，對於波長的光，光纖是單模的，問光纖的心直徑應該是多少？

常見光無源器件n3.1光纖連接器光纖連接器可分為兩大類：活動連接器和固定連接器。n13.1.1光纖活動連接器23.1.2光纖固定連接器3.1.1光纖活動連接器1．基本結(jié)構(gòu)及工作原理光纖活動連接器基本上是採用某種機械和光學結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖心對接，保證95％以上的光能通過連接器。目前，活動連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖3.1~圖3.5所示。

圖3.1套管結(jié)構(gòu)n3.1.1光纖活動連接器

圖3.2雙錐結(jié)構(gòu)

圖3.4球面定心結(jié)構(gòu)

圖3.3V形槽結(jié)構(gòu)

圖3.5透鏡耦合結(jié)構(gòu)n3.1.1光纖活動連接器套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。插針是一個帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖3.6所示。

圖3.6插針的結(jié)構(gòu)與主要尺寸n3.1.1光纖活動連接器插針的精度要求是：外徑不圓度小於0.0005mm；外圓柱面光潔度為；微孔偏心量小於；插針端面為球面，其曲率半徑為20~60mm。套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)，如圖3.7所示。n3.1.1光纖活動連接器圖3.7套筒的結(jié)構(gòu)與尺寸套筒的精度要求是：內(nèi)孔光潔度為；拔插力為3.92~5.88N。開口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。n3.1.1光纖活動連接器光纖活動連接器結(jié)構(gòu)上差別很大，品種也很多，但按功能可分成如下幾部分：(1)

連接器插頭(PlugConnector)：由插針體和若干外部零件組成。(2)

轉(zhuǎn)換器或適配器(Adapter)：即插座，可以連接同型號插頭，也可以連接不同型號插頭，可以連一對插頭，也可以連接幾對插頭或多心插頭。n3.1.1光纖活動連接器(3)

轉(zhuǎn)換器(Converter)：將某一種型號的插頭變換成另一種型號的插頭，由一種型號的轉(zhuǎn)換器加上另外其他型號的插頭組成。(4)

光纜跳線(CableJumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，稱為跳線。兩個插頭型號可以不同，可以是單心的，也可以是多心的。(5)

裸光纖轉(zhuǎn)換器(BareFiberAdapter):將裸光纖穿入裸光纖轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成一個插頭。n3.1.1光纖活動連接器2．主要性能指標及測試方法(1)

插入損耗插入損耗是指光信號通過活動連接器後，輸出光功率相對輸入光功率的分貝數(shù)，其運算式為

(dB) (3.1)式中，為輸入光功率；為輸出光功率。插入損耗越小越好。n3.1.1光纖活動連接器(2)

回波損耗回波損耗又稱為後向反射損耗，是指光纖連接處，後向反射光功率相對入射光功率的分貝數(shù)，其運算式為

(dB) (3.2)式中，為輸入光功率；為後向反射光功率?；夭〒p耗越大越好。n3.1.1光纖活動連接器(3)

重複性和互換性重複性是指光纖活動連接器多次插拔後，插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時，插入損耗的變化，也用dB表示。n3.1.1光纖活動連接器影響光纖活動連接器插入損耗的因素很多，現(xiàn)簡述如下：(1)兩個光纖纖心位置的錯位，如圖3.8所示。實際有三種情況，即橫向錯位、角度傾斜和端面間隙。

圖3.8光纖纖心位置的錯位n3.1.1光纖活動連接器(2)在兩個光纖端面之間，由於存在不同的介質(zhì)（如空氣），光在介質(zhì)之間多次反射，產(chǎn)生損耗，稱為菲涅耳反射引起的損耗，其運算式為

(3.3)式中，。當=1,=1.46時，。(3)由於兩根光纖纖心直徑不同，數(shù)值孔徑不同也會引起光纖連接器損耗。n3.1.2光纖固定連接器光纖固定連接器的作用是使一對或幾對光纖之間永久性的連接。製作固定接頭的方法有熔接法、V形槽法、毛細管法、套管法等。1．熔接法用熔接法制作固定連接器，是光纖固定連接的主要方法。它採用加熱的方法將光纖熔接在一起，只要操作得當，熔接機設計合理，連接插入損耗很小，後向反射光近似為零，可以得到非常理想的光纖固定接頭。n3.1.2光纖固定連接器光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖3.9所示。其特點如下：

(1)電弧熔接(2)氫氧焰熔接(3)鐳射熔接圖3.9光纖熔接方法n3.1.2光纖固定連接器(1)電弧熔接

用高壓電極放電來加熱光纖，使之熔融連接，電弧放電和光纖的對準可以由微機控制，實現(xiàn)自動化操作。電弧熔接是熔接法中應用廣泛的方法。(2)氫氧焰熔接

用於一些特殊的場合，如海底光纜的光纖熔接，其特點是接頭強度高，但火焰的控制較為困難。(3)鐳射熔接如用雷射器加熱並熔接光纖，其特點是加熱環(huán)境非常乾淨，接頭強度高，但設備昂貴。n3.1.2光纖固定連接器實現(xiàn)光纖熔接的設備是光纖熔接機，它由下述部分組成：(1)光纖的準直與夾緊結(jié)構(gòu)；(2)光纖的對準機構(gòu)；(3)電弧放電機構(gòu)；(4)電弧放電和電機驅(qū)動的控制機構(gòu)。以下是詳細介紹。(1)光纖的準直與夾緊結(jié)構(gòu)光纖的準直與夾緊結(jié)構(gòu)由精密V形槽和壓板構(gòu)成，精密V形槽的作用是使一對光纖不產(chǎn)生軸偏移，壓板使光纖固定在V形槽內(nèi)。n3.1.2光纖固定連接器(2)光纖的對準機構(gòu)在熔接光纖之前，一般要通過手動或自動裝置使纖心完全對準。常用如下三種方法來實現(xiàn)光纖的對準：①功率監(jiān)測②纖心直視③包層對準(3)電弧放電機構(gòu)熔接機的電弧放電由兩根電極完成，電極由鉬絲製成。(4)電弧放電和電機驅(qū)動的控制機構(gòu)在電極放電過程中，電機的驅(qū)動都由微處理機控制，按預定程式工作。n3.1.2光纖固定連接器2．其他固定連接方式(1)V形槽固定接頭這種接頭攜帶方便，操作簡單，不需要貴重的儀錶和設備。V形槽的結(jié)構(gòu)是多樣的，圖3.10為FMS-1型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3.10FMS-1型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖n3.1.2光纖固定連接器(2)毛細管固定接頭毛細管固定接頭一般採用玻璃材料製作，將兩根處理好的光纖從兩頭穿入玻璃毛細管內(nèi)，利用其精密內(nèi)孔使兩根光纖纖心對準。在兩根光纖端面加入匹配液，消除菲涅爾反射。(3)套管式固定接頭與活動連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒。插入損耗在0.1dB以下，回波損耗達45dB以上。n3.2光耦合器光耦合器(Coupler)是能使光信號在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，並進行光功率再分配的器件。從功能上，可分為光功率分配器和光波長分配（合/分波）耦合器。從端口形式上，可分為X形()、Y形()、星形(N×N,N＞2)以及樹形(1

×N,N＞2）耦合器。n3.2光耦合器從工作帶寬上，可分為單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬頻耦合器和雙工作窗口的寬頻耦合器。另外，由於傳導光模式的不同，又有多模光纖耦合器和單模光纖耦合器之分。

n

n13.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)23.2.2光耦合器的製作方法33.2.3耦合機理43.2.4波導型光耦合器53.2.5光波分複用器(WDM)和解複用器3.2光耦合器

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)1．插入損耗(InsertionLoss) (3.4)式中，為第i個輸出端口的插入損耗；為第i個輸出端口的光功率；為輸入的光功率。2．附加損耗(ExcessLoss) (3.5)插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)，而且與分光比有很大的關(guān)係。n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)3．分光比(CouplingRation)

(3.6)它是光耦合器特有的技術(shù)指標。4．方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標,是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以X形耦合器為例，方向性定義為耦合器正常工作時，輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)由2端輸出的光功率與全部注入的光功率(即圖3.11中1端注入的光功率)之比為

(3.7)

圖3.11X形耦合器的方向性n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)5．均勻性(Uniformity)對於要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），由於工藝局限，往往不可能做到絕對的均勻，用均勻性來衡量其不均勻程度：

(3.8)6．偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss)衡量器件對於傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈敏度。n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)當傳輸光信號的偏振態(tài)變化時，器件各輸出端輸出功率的最大變化量：

(3.9)

7．隔離度(Isolation)

(3.10)式中，為在第i個光路輸出端測到的其他輸出端光信號的功率；為輸入的光功率。n3.2.2光耦合器的製作方法光耦合器大致可分為分立元件組合型、全光纖型和平面波導型。1、早期採用分立光學元件（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）組合拼接。其耦合機理簡單直觀，可用一般的幾何光學進行描述。但損耗大，與光纖耦合困難，環(huán)境穩(wěn)定性較差。n3.2.2光耦合器的製作方法

2、全光纖耦合器，即直接在兩根（或兩根以上）光纖之間形成某種形式的耦合。全光纖耦合器的發(fā)展：（1）最早是Sheem和Giallorenzi發(fā)明的蝕刻法（2）

Bergh等人發(fā)明了光纖研磨法，（3）研磨結(jié)束後，在研磨面上加一小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合器。n3.2.2光耦合器的製作方法（4）20世紀80年代初，人們開始用光纖熔融拉錐法制作單模光纖耦合器，已成為當前製作光耦合器的主要方法。3、集成化是未來光纖通信發(fā)展的必然趨勢。利用平面光波導製作的光耦合器具有體積小，分光比控制精確，易於大批生產(chǎn)等特點。n3.2.2光耦合器的製作方法熔融拉錐法是：將兩根（或兩根以上）除去塗覆層的光纖以一定方式靠近，在高溫下熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐形式的特殊波導結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。熔融拉錐製作系統(tǒng)的示意圖如圖3.12所示。圖3.12熔融拉錐製作系統(tǒng)示意n3.2.2光耦合器的製作方法熔融拉錐型全光纖耦合器有如下優(yōu)點：(1)極低的附加損耗，對於X形或Y形耦合器（參見表3.1），附加損耗小於0.05dB。

表3.1

標準X,Y型全光纖耦合器的典型性能指標

指標單模2(1)×2工作波長1310,1550nm附加損耗≤0.1dB分光比容差分光比方向性＞60dB工作溫度-40°C~85°Cn3.2.2光耦合器的製作方法(2)方向性好，一般達到60dB，保證了傳輸光信號的定向性，減小了線路之間的串擾。(3)良好的環(huán)境穩(wěn)定性，光路結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在-40℃~85℃溫度範圍內(nèi)耦合器可以保證穩(wěn)定工作。(4)控制方法簡單、靈活，不僅可以方便地改變器件的性能參數(shù)，還能製作具有不同功能的其他器件。(5)製作成本低，適於批量生產(chǎn)。表3.1給出了標準X，Y型全光纖耦合器的典型性能指標。n3.2.3耦合機理1．單模光纖耦合器在單模光纖中，傳導模是兩個正交的基模(模)，耦合器中光場強分佈如圖3.13所示。圖3.13耦合器中光