光纖通信講義

第1章概論

1?1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

LL2現(xiàn)代光纖通信

1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1?2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

121光通信與電通信

122光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

123光纖通信的應(yīng)用

1?3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

1.3.1發(fā)射和接收

1.3.2基本光纖傳輸系統(tǒng)

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)

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1.1光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀

1.1.1探索時(shí)期的光通信

?原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人

用旗語傳送信息。

?1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送

話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。

?1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激

光器，給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，

使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

?在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和

CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。

由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)，對(duì)光通信的研究

曾一度走入了低潮。

1.1.2現(xiàn)代光纖通信

1966年，英籍華裔學(xué)者高銀(C.K.Kao)和霍克哈姆

(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用

光纖(OpticalFiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了

現(xiàn)代光通信一光纖通信的基礎(chǔ)。

指明通過“原材料的提純制造出適合于

長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方

向

光纖通信發(fā)明家高銀（左）

1998年在英國(guó)接受IEE授予的獎(jiǎng)?wù)?/p>

1970年，光纖研制取得了重大突破

?1970年，美國(guó)康寧(Coming)公司研制成功損耗20dB/km的

石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。

?1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/knio

?1973年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到

2.5dB/kmo1974年降低到l.ldB/km。

?1976年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47

dB/km(波長(zhǎng)1.2pm)。

?在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55(im的光纖損耗：

1979年是0.20dB/km,1984年是0.157dB/km,1986年是

0.154dB/km,接近了光纖最低損耗的理論極限。

1970年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展

?1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)

先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的錢鋁神(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半

導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激

光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

?1973年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。

?1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3pm

的錮錢神磷(InGaAsP)激光器。

?1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬

小時(shí)。

?1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研

制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55pm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。；

由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使

1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑

實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展

?1976年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)

用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

?1980年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT-3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。

?1976年和1978年，日本先后進(jìn)行了速率為34Mb/s的突變

型多模光纖通信系統(tǒng)，以及速率為100Mb/s的漸變型多模光纖通

信系統(tǒng)的試驗(yàn)。

?1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。

?隨后，由美、日、英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋TAT-8

海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。

I?第一條橫跨太平洋TPC-3/HAW-4海底光纜通信系統(tǒng)于

1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，

促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。

光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段：

?第一階段(1966?1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)

用的開發(fā)時(shí)期。

?第二階段(1976?1986年)，這是以提高傳輸速率和增

加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。

?第三階段(1986?1996年)，這是以超大容量超長(zhǎng)距離

為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。

1.1.3國(guó)內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀

1976年美國(guó)在亞特蘭大進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著光纖通信

從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段。

此后，光纖通信技術(shù)不斷創(chuàng)新：光纖從多模發(fā)展到單模，

工作波長(zhǎng)從0.85pm發(fā)展到1.31pm和1.55pm（短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波

長(zhǎng)），傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成，光纖價(jià)格不斷下

降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)

將成為未來國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。

在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)

中占重要地位。

光纖通信整體發(fā)展時(shí)間表

100000

系10000

統(tǒng)相干檢測(cè)

性].5511m/

光

能1000直接吵

(放

G1.3|im/

b大

/100單模//

.s器

K0.8pim

m

)10-多模

1

0,1197419761978198019821984198619881990

1992

1.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用

1.2.1光通信與電通信

通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載

波頻率越高，頻帶寬度越寬。

光通信的主要特點(diǎn)

載波頻率高；頻帶寬度寬（圖1.1）

光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得

很小的損耗。（圖1.2）

頻率波長(zhǎng)名稱

紫外線

A7=rr|t|JJA

1R111A口j見尢宓

，（光纖通信用）

--------100THz

10Nm

近紅外線

--------10THz遠(yuǎn)紅外線

1uu|LXm

--------1THz亞毫米波

1mm

--------100GHz毫米波（EHF）

10mm

--------10GHz厘米波（SHF）

1uumm

--------1GHz分米波（UHF）

1m___

--------100MHz米波（VHF）

1um

--------10MHz短波（HF）

1ru\um,—

中波（MF）

--------1MHz—

圖1.1部分電磁波頻譜

)1V1:1V

頻率/Hz

G：109

T：1012

圖1.2各種傳輸線路的損耗特性

1.2.2光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

?容許頻帶很寬，傳輸容量很大

?損耗很小，中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小

?重量輕、體積小

?抗電磁干擾性能好

?泄漏小，保密性能好

?節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用

1.2.3光纖通信的應(yīng)用

光纖可以傳輸數(shù)字信號(hào)，也可以傳輸模擬信號(hào)。光纖在通

信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)，以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,

都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速,

是當(dāng)前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標(biāo)。

光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下：

①通信網(wǎng)

②構(gòu)成因特網(wǎng)的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)

③有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)

④綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)

622MSDH

業(yè)務(wù)分配節(jié)點(diǎn)(COT)

業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)(RT)

典型應(yīng)用之一：寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Ceoui網(wǎng)絡(luò)

中去?護(hù)

清華大

西安電子科

技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)

市心

西t網(wǎng)絡(luò)

:光纖環(huán)網(wǎng)155MBPS中'樊伊

:

：\西交大」

科技樓

典型應(yīng)用之二：作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)

1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成

下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作

為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。

輸入輸出輸入輸出

基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分

1、光發(fā)送機(jī)

組成框圖:

驅(qū)動(dòng)電路電信號(hào)輸入

?,

光源一調(diào)制器一通道耦合器光輸出.

結(jié)構(gòu)參數(shù):發(fā)送功率,dbm概念

p(mv)

p(dBm)=10x1g------------

1(mv)

光源光譜特性:輸出光功率足夠大,調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度

和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定，器件壽命長(zhǎng)

電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式

直接調(diào)制

用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流,

使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。

這種方案技術(shù)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率

受激光器的頻率特性所限制。

外調(diào)制

把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的

輸出光而實(shí)現(xiàn)的。

外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高,

因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。

電信號(hào)輸入

(b)

圖1.5兩種調(diào)制方案

（a）直接調(diào)制；（b）間接調(diào)制（外調(diào)制）

2.光纖線路

功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào),以盡可能小的畸變（失

真）和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)

組成1光纖、光纖接頭和光纖連接器

低損耗“窗口”：普通石英石纖在近紅外波段,除雜質(zhì)吸收

峰外，其損耗隨波長(zhǎng)的增加而減小，在0.85（im、1.31和1.55

pm有三個(gè)損耗很小的波長(zhǎng)“窗口”，見后圖。

光源激光器的發(fā)射波長(zhǎng)和光檢測(cè)器光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng),

都要和光纖這三個(gè)波長(zhǎng)窗口相一致。

目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55pm的損耗已達(dá)到0.154dB/km,

接近石英光纖損耗的理論極限。

2

.6段

1波

7L

.5圖

1意

5示

1.

化

.4

1變

)

.3m長(zhǎng)

1(^波

.2Z隨

1-減

1-

1.-衰

長(zhǎng)的

0

1.波纖

光

9

0.模

8單

0.通

7普

0.

(Emgp)蹩眼

3、光接收機(jī)

功能:是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),

并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào)

組成部分:耦合器,光電檢測(cè)器，解調(diào)器

電子電路

'r電信號(hào)輸出

光輸入一耦合器一光電檢測(cè)器一解調(diào)器----------

結(jié)構(gòu)參數(shù):接收機(jī)靈敏度,定為BERW10-9條件下，所要

求的最小平無接收功率。

粉潮方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè)

1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)

數(shù)字通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(hào)（如脈沖的有和無、電

平的高和低等）代表信息，強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)和信息之間的一一對(duì)應(yīng)

關(guān)系；

I模擬通信系統(tǒng)則用參數(shù)取值連續(xù)的信號(hào)代表信息，強(qiáng)調(diào)的

是變換過程中信號(hào)和信息之間的線性關(guān)系。

這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)和不同時(shí)期的

發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)字通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

①抗干擾能力強(qiáng)，傳輸質(zhì)量好。

②可以用再生中繼，傳輸距離長(zhǎng)。

③適用各種業(yè)務(wù)的傳輸，靈活性大。

④容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的保密通信。

⑤數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路，易于集成，從而實(shí)

現(xiàn)小型化、微型化，增強(qiáng)設(shè)備可靠性，有利于降低成本。

模擬通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

占用帶寬較窄外，電路簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、價(jià)格便宜等。

第2章光纖和光纜

2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1光纖結(jié)構(gòu)

2?1.2光纖類型

2.2光纖傳輸原理

2?2?1幾何光學(xué)方法

222光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論

2.3光纖傳輸特性

231光纖色散

2.3.2光纖損耗

2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用

2.4光纜

2.41光纜基本要求

242光纜結(jié)構(gòu)和類型

2.4.3光纜特性

2.5光纖特性測(cè)量方法

2.5.1損耗測(cè)量

2.5.2帶寬測(cè)量返回主目錄

2.5.3色散測(cè)量

254截止波長(zhǎng)測(cè)量

2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1光纖結(jié)構(gòu)

光纖(OpticalFiber)是由中心的纖芯和外圍的包層同軸

組成的圓柱形細(xì)絲。

纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主

要在纖芯內(nèi)傳輸。

包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械

保護(hù)作用。

設(shè)纖芯和包層的折射率分別為1和巧,光能量在光纖中

傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>%。

圖2.1光纖的外形

2.1.2光纖類型

光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純

度石英(SiO2)制成的光纖。

實(shí)用光纖主要有三種基本類型，

突變型多模光纖(Step-IndexFiber,SIF)

漸變型多模光纖(Graded-IndexFiber,GIF)

單模光纖(Single-ModeFiber,SMF)

相對(duì)于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型光纖的纖芯

直徑都很大，可以容納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光纖

圖2.2三種基本類型的光纖

（a）突變型多模光纖；（b）漸變型多模光纖；（c）單模光纖

特種單模光纖最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結(jié)構(gòu)

和折射率分布示于圖2.3,這些光纖的特征如下。

雙包層光纖

色散平坦光纖(DispersionFlattenedFiber,DFF)

色散移位光纖(DispersionShiftedFiber,DSF)

三角芯光纖

藉圓芯光纖雙折射光纖或偏振保持光纖。

(b)

圖2.3典型特種單模光纖

(a)雙包層；(b)三角芯；(c)橢圓芯

主要用途：

突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。

漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。

單模光纖用在大容量長(zhǎng)距離的系統(tǒng)。

特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平

L55"m色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10Gb/s容量的100km的超大容

量超長(zhǎng)距離系統(tǒng)。

色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸

容量提高幾倍到幾十倍。

三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率,

增加傳輸距離。\

偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)，、系統(tǒng)

最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。

2?2光纖傳輸原理

分析光纖傳輸原理的常用方法：

幾何光學(xué)法

麥克斯韋波動(dòng)方程法

2.2.1幾何光學(xué)方法

幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)

?數(shù)值孔徑

?時(shí)間延遲

通過分析光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布

幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)角度

?突變型多模光纖

?漸變型多模光纖

1.突變型多模光纖

數(shù)值孔徑

為簡(jiǎn)便起見，以突變型多模光纖的交軸（子午）光線為例，進(jìn)

一步討論光纖的傳輸條件。

設(shè)纖芯和包層折射率分別為町和〃2,空氣的折射率〃。=1，纖

芯中心軸線與z軸一致，如圖2.4。

光線在光纖端面以小角度0從空氣入射到纖芯（孫＜盯），折射角

為％,折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以

改變角度e,不同。相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)

生反射或折射。

根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角為

VO

?當(dāng)。＜久時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖

芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)

定律得到

nosin0=n^inO^n^osvi(2.1)

?當(dāng)貝久時(shí)，相應(yīng)的光線將以％入射到交界面，并沿交界面

向前傳播(折射角為90°),如光線2,

■當(dāng)。＞為時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸

消失，如光線3。

由此可見，只有在半錐角為旺〃的圓錐內(nèi)入射的光束才能

在光纖中傳播。

根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角仇的正弦為數(shù)值孔徑

(NumericalAperture,NA)O根據(jù)定義和斯奈爾定律

NA=nosinO^n^osVc,njsin^=n2sin90°(2.2)

n0=l,由式(2.2)經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到

NA=、/孔；—孔;x%V2A(2.3)

式中A=(ni-n2)/n1為纖芯與包層相對(duì)折射率差。

NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或久)越大，光纖接

收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。

對(duì)于無損耗光纖，在久內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。

NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好;

但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變?cè)酱?，因而限制了?/p>

息傳輸容量。

所以要根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。

時(shí)間延遲根據(jù)圖24入射角為6的光線在長(zhǎng)度為L(zhǎng)(ox)的

光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為/(oy),在。不大的條件下，其傳

播時(shí)間即時(shí)間延遲為

2

nInInL0

了=+sec0x?(1+—^)(2.4)

ccc2

式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(8=8c)和

最小入射角(。=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為

L2L2nL

Ar-0c-(NA)=——A(2.5)

2〃1c2tlicc

這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號(hào)畸變。

由此可見，突變型多模光纖的信號(hào)畸變是由于不同入射角的

光線經(jīng)光纖傳輸后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。

2.3光纖傳輸特性

產(chǎn)生信號(hào)畸變的主要原因是光纖中存在色散,

損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性：

損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離

色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量

2.3.1光纖色散

L色散、帶寬和脈沖展寬

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的

光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。

色散的種類：

模式色散

材料色散

波導(dǎo)色散

1.損耗的機(jī)理

圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗

與波長(zhǎng)的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。

吸收損耗是由Si。2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸

收產(chǎn)生的。

散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(

Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。

瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低

理論極限。

圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機(jī)理

由圖2.16看到：從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到

單模(SMF)光纖，損耗依次減小。

從色散的討論中看到：從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖,

色散依次減小(帶寬依次增大)。

單模石英光纖的零色散波長(zhǎng)在L31gm,還可以把零色散

波長(zhǎng)從1.31|im移到實(shí)現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。

正因?yàn)檫@些特性，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到

SMF光纖，從短波長(zhǎng)(0.85jim)“窗口”發(fā)展到長(zhǎng)波長(zhǎng)(1.31呻1

和1.55jim)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。

(a)(b)

圖2.16光纖損耗譜

(a)三種實(shí)用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖

2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用

G.651多模漸變型(GIF)光纖應(yīng)用于中小容量、中短距離

的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波

長(zhǎng)1.31pm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。

G.653色散移位光纖是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波

長(zhǎng)1.55pm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長(zhǎng)

距離通信系統(tǒng)。

G.6541.55Rm損耗最小的單模光纖其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)

1.31|im色散為零，在1.55(im色散為17?20ps/(nm-km),和常

規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20dB/km以下。

色散補(bǔ)償光纖其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)L55pm具有大的負(fù)色散。

G.655非零色散光纖是一種改進(jìn)的色散移位光纖。

表2.3光纖特性的標(biāo)準(zhǔn)

一般分類多模單模

ITU-T編號(hào)G.651G.652G653G.654

折射率分布G1特征常規(guī)色散移位1.55fan損耗最小

肝芯材料破，纖芯材料￡玻瑞玻璃玻璃

?

包展材料：

包層材料玻璃玻璃,玻璃.玻璃

舒芯直徑/即50±6%模場(chǎng)直徑/.m(9?10)±10%(7-8.3)±10%10.5±10%

*

(1550nm)

?

包層直徑/曲125±2.4%包層直徑/呻125±2.4%125±2,4%125±2.4%

纖芯不圓度/%<6模場(chǎng)不圓度——

包層不圓度/%<2包層不圓度/%<2<2<2

同芯謖差/%<6模場(chǎng)同心誤差<1<1<1

數(shù)值孔徑0.18-0.24檄止波長(zhǎng)/由

在研究之中j

(±0.02)光纖4.1100-12801350?1600

|光纜1"

<1270<1530

續(xù)表

一般分類多模單模

損耗/(dB/km)/1550nm,松繞75圈,

|獷5,附加損耗VO.5dBi

850nm3~4

1300nm0,8?3.1300nm<1.0(0,3?0.4*)?

<0,5(0.20-0.25)?

1550nm1550nm<0.5(0,20?0.25)*0,25?0.20)*

色散/(pa/(nm,km))

850nm<120

1300nm<61300nm士3.5(1285?1330nm)

1550nm

1550nm20±3.5(1525-1575nm)20

帶寬/(MHz?km)?

850nm200~1000

1310nm200?1200

—A——

2.4光纜

2.4.1光纜基本要求

保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力

篩選。

光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料進(jìn)行一次被覆和應(yīng)

力篩選，除去斷裂光纖，并對(duì)成品光纖用硬塑料進(jìn)行二次被覆。

二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種，見

圖2.18。

應(yīng)力篩選條件直接影響光纖的使用壽命。

設(shè)對(duì)光纖進(jìn)行拉伸應(yīng)力篩選時(shí)，施加的應(yīng)力為。p,作用時(shí)間

為tp（設(shè)為1s）；長(zhǎng)期使用時(shí)，容許施加的應(yīng)力為生，作用時(shí)間為％,

斷裂概率為106km一個(gè)斷裂點(diǎn)。理論推算得到的容許作用時(shí)間（光

纖使用壽命）％和應(yīng)力比0rMp的關(guān)系示于圖2.17。

圖2.17光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系

大套管

緊套松套,----V一次被覆光纖

/一次被覆光纖/

（V扁、rrni//((xxxxxx及.xx))

(a)(b)(C)(d)

圖2.18二次被彳夏光纖（芯線）簡(jiǎn)圖

（a）緊套；（b）松套；（c）大套管；（d）帶狀線

2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型

光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有

鎧裝。，

1.纜芯

纜芯通常包括被覆光纖（或稱芯線）和加強(qiáng)件兩部分。

被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

加強(qiáng)件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有

時(shí)配置在護(hù)套中。

JA先繩(索乙烯)

圖2.20光纜類型的

典型實(shí)例

(a)6芯緊套層絞式

光纜(架空、管道);

PE外V及

t?l燃包

鋼絲(分敢加弼)

1芯松套層絞式

曲淵府限料北ST京破(b)12

648芯光纖光纜(直埋防蟻)；

(c)12芯骨架式光纜

(直埋);

不根金靦加強(qiáng)件

島密rttpE護(hù)層

開去?芯束管式光

例的護(hù)ft(d)648

tx

防潮JZ

高弼I度制制束管纜(直埋)；

4-48心光纖

(e)108芯帶狀光纜;

(f)LXE束管式光纜

耐熱H材

內(nèi)金M(架空、管道、直

光纖

光纖

此纖，或埋)；

聚乙烯河酸度悵料線

MnO

釗餌

聚乙爍

餌儂形體(g)淺海光纜；

栗WMi

鋁包鋼戰(zhàn)

內(nèi)V*

外房加柒(h)架空地線復(fù)合光

O纜(OPGW)

光纜的基本型式

層絞式把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。

骨架式把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺

旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。

中心束管式把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)

件配置在套管周圍而構(gòu)成。

帶狀式把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)

構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形

成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。

2.護(hù)套

護(hù)套起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良

好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。

護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)

成。

根據(jù)使用條件光纜可以分為：

室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。

特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)合光纜

(OPGW),跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光

纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。

2.4.3光纜特性

拉力特性

壓力特性

彎曲特性

溫度特性

2.5光纖特性測(cè)量方法

光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為幾何特性、光學(xué)特性和

傳輸特性三類。

幾何特性包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；

光學(xué)特性主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場(chǎng)直徑和截止波

長(zhǎng)；

傳輸特性主要有損耗、帶寬和色散。

損耗測(cè)量

光纖損耗測(cè)量有兩種基本方法：一種是測(cè)量通過光纖的

傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測(cè)量光纖的后向

散射光功率，稱后向散射法。

帶寬測(cè)量

光纖帶寬測(cè)量有時(shí)域和頻域兩種基本方法。

時(shí)域法是測(cè)量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱

脈沖法；

頻域法是測(cè)量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱掃頻法。

色散測(cè)量

光纖色散測(cè)量有相移法、脈沖時(shí)延法和干涉法等。

第3章光波分復(fù)用技術(shù)

隨著人類社會(huì)信息時(shí)代的到來，對(duì)通信的需求呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)

的趨勢(shì)。

發(fā)展迅速的各種新型業(yè)務(wù)(特別是高速數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務(wù))對(duì)通

信網(wǎng)的帶寬(或容量)提出了更高的要求。

為了適應(yīng)通信網(wǎng)傳輸容量的不斷增長(zhǎng)和滿足網(wǎng)絡(luò)交互性、靈

活性的要求，產(chǎn)生了各種復(fù)用技術(shù)。

在光纖通信系統(tǒng)中除了大家熟知的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)外，

還出現(xiàn)了其他的復(fù)用技術(shù)，例如光時(shí)分復(fù)用(OTDM)、光波分復(fù)

用(WDM)、光頻分復(fù)用(OFDM)以及副載波復(fù)用(SCM)技術(shù)。

3.1光波分復(fù)用原理

1.WDM的概念

光波分復(fù)用（WDM：WavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)

是在一根光纖中同時(shí)傳輸多個(gè)波長(zhǎng)光信號(hào)的一項(xiàng)技術(shù)。

光波分復(fù)用（WDM）的基本原理是：在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)

的光信號(hào)組合起來（復(fù)用），并耦合到光纜線路上的同一根光纖中

進(jìn)行傳輸，在接收端又將組合波長(zhǎng)的光信號(hào)分開（解復(fù)用），并作

進(jìn)一步處理，恢復(fù)出原信號(hào)后送入不同的終端，因此將此項(xiàng)技術(shù)

稱為光波長(zhǎng)分割復(fù)用，簡(jiǎn)稱光波分復(fù)用技術(shù)。

波長(zhǎng)/nm

圖7.6中心波長(zhǎng)在1.31im和1.55"in的硅光纖低損耗傳輸窗口

（插圖表示1.55pm傳輸窗口的多信道復(fù)用）

光纖的帶寬有多寬？

如圖7.6所示，在光纖的兩個(gè)低損耗傳輸窗口：波長(zhǎng)為1.31

(im(1.25?1.35(im)的窗口，相應(yīng)的帶寬(公。=卜八九九和△九分另I」

為中心波長(zhǎng)和相應(yīng)的波段寬度，c為真空中光速)為17700GHz；

波長(zhǎng)為1.55^im(1.50-1.60(im)的窗口，相應(yīng)的帶寬為12500GHz。

兩個(gè)窗口合在一起，總帶寬超過30THz。如果信道頻率間隔

為10GHz,在理想情況下，一根光纖可以容納3000個(gè)信道。

由于目前一些光器件與技術(shù)還不十分成熟，因此要實(shí)現(xiàn)光信

道十分密集的光頻分復(fù)用(OFDM)還較為困難。在這種情況下，

人們把在同一窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用

(DWDM：DenseWavelengthDivisionMultiplexing)o

目前該系統(tǒng)是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)，同時(shí)用8,16或更多個(gè)

波長(zhǎng)在一對(duì)光纖上（也可采用單光纖）構(gòu)成的光通信系統(tǒng)，其中各

個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔為1.6nm、0.8nm或更低，約對(duì)應(yīng)于200GHz,

100GHz或更窄的帶寬。

WDM、DWDM和OFDM在本質(zhì)上沒有多大區(qū)別

以往技術(shù)人員習(xí)慣采用WDM和DWDM來區(qū)分是1310/1550

nm簡(jiǎn)單復(fù)用還是在1550nm波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)密集復(fù)用，但目前在電信

界應(yīng)用時(shí)，都采用DWDM技術(shù)。

由于1310/1550nm的復(fù)用超出了EDFA的增益范圍，只在一

些專門場(chǎng)合應(yīng)用，所以經(jīng)常用WDM這個(gè)更廣義的名稱來代替

DWDMo

WDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)、發(fā)展寬帶業(yè)務(wù)(如CATV,HDTV和

IPoverWDM等)、充分挖掘光纖帶寬潛力、實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信

等具有十分重要意義，尤其是WDM加上EDFA更是對(duì)現(xiàn)代信息網(wǎng)

絡(luò)具有強(qiáng)大的吸引力。

目前，“摻餌光纖放大器(EDFA)+密集波分復(fù)用(WDM)+非

零色散光纖(NZDSF,即G.655光纖)+光子集成(PIC)”正成為國(guó)際

上長(zhǎng)途高速光纖通信線路的主要技術(shù)方向。

如果一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的光纖傳輸鏈路都升級(jí)為WDM傳輸，

我們就可以在這些WDM鏈路的交叉(結(jié)點(diǎn))處設(shè)置以波長(zhǎng)為單位

對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉連接的光交叉連接設(shè)備(OXC),或進(jìn)行光上下

路的光分插復(fù)用器(OADM),則在原來由光纖鏈路組成的物理層

上面就會(huì)形成一個(gè)新的光層。

在這個(gè)光層中，相鄰光纖鏈路中的波長(zhǎng)通道可以連接起來，

形成一個(gè)跨越多個(gè)OXC和OADM的光通路，完成端到端的信息

傳送，并且這種光通路可以根據(jù)需要靈活、動(dòng)態(tài)地建立和釋放，

這就是目前引人注目的、新一代的WDM全光網(wǎng)絡(luò)。

2.WDM系統(tǒng)的基本形式

光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是WDM技術(shù)中的關(guān)鍵部件，將不

同波長(zhǎng)的信號(hào)結(jié)合在一起經(jīng)一