教学课件·光纤通信技术与设备(第二版).ppt

1、第章概论第章概论 1.1光纤通信发展史 1.2光纤能信系统的结构与分类 1.3光纤通信的特点 1.4光纤通信网涉及的器件与产品 1.5光纤通信的应用与发展本章小结 1.1光纤通信发展史光纤通信发展史 在世界技术革命的浪潮中,光纤数字通信技术异军突起,迅猛发展,它的发展速度超出了人们的预想,光纤通信被誉为通信工具中的王牌。1880年,贝尔发明了光话系统,但光通信的关键性困难光源和传光介质问题没有解决,所以此后长达80年左右的时间内,光通信技术进展缓慢。1960年美国科学家梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器,1960年贝尔实验室又发明了氦-氖激光器。激光器的发明使光通信的研究有了进展。对于传光介质

2、,在20世纪60年代初出现了研究大气激光通信的热潮。这种通信方式的优点是无需敷设线路,经济方便;缺点是受自然条件的影响太大,难以实现。在大气激光通信的研究受阻之后,又有人进行地下光波通信的实验。但这种通信方式系统复杂、造价高、测试困难,也无法实现。1964年,高琨博士根据介质波导理论提出光纤通信的概念。他指出：只要设法消除玻璃中的杂质,就完全有可能做出衰减低于20 dBkm的光纤,并且光纤损耗极限还远低于这个数值。这一重大研究成果使光纤通信的研究出现了生机。因此英籍华人高琨博士被誉为“光纤通信之父”。2009年，高琨博士以“涉及光纤传输的突破性成就”获得诺贝尔物理学奖。1970年是光纤通信史上

3、闪光的一年。这一年美国康宁玻璃公司拉制出了衰减为20 dBkm 的低损耗光纤。同一年,贝尔实验室又成功研究出在室温下可连续工作的激光器。此后,光纤的损耗不断下降,1972年降至4 dBkm,1973年降至1 dBkm,1976年降至0.5 dBkm。1970年,美国首先在亚特兰大成功地进行了速率为44.763 Mbs、距离为10 km的光纤通信系统的现场试验,使光纤通信向实用化迈进了第一步。1980年,多模光纤通信系统投入商用,单模光纤通信系统也进入现场试验阶段。1983年,美、日、德、法、英、荷、意等国都先后宣布以后不再使用电缆,而改用光缆。随着光纤通信技术的日益发展,光缆不仅敷向陆地,而且

4、敷向海底。美、日、英联合建立的太平洋海底光缆全长8300 km,使用840 Mbs系统,连接美、日、新西兰等国。由美、英、法联合建设的横跨大西洋的海底光缆全长6000 km，使用560 Mbs系统,1991年开通使用。在光纤通信领域,我国从研制到推广应用用了不到15年的时间,其发展之快、应用范围之广、规模之大、所涉及学科之多是前所未有的。光纤通信目前已经经历了三代。第一代使用PDH技术,那时的网络比较简单,适合于小容量传输,传输速率为2.0488.44834.368139.264 Mbs;第二代使用SDH技术,是宽带传输，速率为1556222500 Mbs,适合于用户传输网络建设和市话传输网络

5、建设;第三代使用SDH+DWDM技术,性能卓越,其中光中继传输的使用使通信方式向全光通信迈进了一大步,波分复用技术使通信容量达到10 Gbs、20 Gbs、40 Gbs、80 Gbs和320 Gbs。现在,光纤通信正在向高速率、大容量和智能化的方向发展。光纤通信、卫星通信和无线通信是现代化通信的三大支柱,其中光纤通信是主体。1.2光纤通信系统的结构与分类光纤通信系统的结构与分类 现代的光纤通信系统主要分为准同步光纤通信系统(PDH,Plesiochronous Digital Hierarchy)、同步光纤通信系统(SDH,Synchronous Digital Hierarchy)和密集波分

6、复用系统(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)等。最基本的光纤通信系统组成如图1-1所示。它由电端机、光端机、光纤、中继器等组成。通信是双方向的,现在仅以一个方向为例,说明其工作的主要过程。一个方向包括6个部分,即电发送侧、光发送侧、光纤、中继器、光接收侧、电接收侧。电发送侧和电接收侧属于电端机(多路调制解调设备),同理,光发送侧和光接收侧属于光端机。此外还有一些附属设备,如光纤配线架等。图 1 1光纤通信系统模型 电发送侧。其主要任务是对电信号进行放大、复用、成帧等处理,然后输送到光发送侧。光发送侧。其主要任务是将电信号转换为光信号,并进行

7、处理,然后耦合到光纤。光纤。其主要任务是传送光信号。中继器。其主要任务是放大和整形。它将接收的光信号转换为电信号,然后进行处理,处理结束后,又将电信号转换为光信号,继续向前传送。光接收侧。其主要任务是接收光信号,并将光信号转换为电信号。电接收侧。其主要任务是对电信号进行解复用、放大等处理。经过上述处理后,就可以进行双向通信了。1.3光纤通信的特点光纤通信的特点 光纤通信之所以成为通信工具中的王牌,是因为它具有以往的任何通信方式不可比拟的越性。与电缆或微波通信相比,光纤通信具有许多的优点,表现如下：(1)通信容量大。理论上,如头发丝粗细的光纤可同时传输1000亿路语音,实际应用中可同时传输24万

8、路。这比传统的电缆或微波通信高出了几百甚至上千倍。而且一根光缆中可包含多根甚至几十根光纤,如果再使用复用技术,其通信容量之大十分惊人。(2)传输损耗小,中继距离长。目前,光纤的衰减被控制在0.19 dB/km以下,其衰减系数很低,可使中继距离延长到数百千米。有关资料显示,已经进行的光孤子通信试验可达到传输120万话路、6000 km无中继。而电缆或微波通信其中继距离则分别是1.5 km 和50 km。可见光纤通信用于通信干线、长途网络是十分合适的。(3)抗干扰性强。光波信号在光纤中传输的时候,只在光纤的“纤芯”中进行,不同光纤芯线之间几乎不存在相互间的串扰,无光泄漏,因此保密性好。光纤通信不受

9、外界的电磁干扰,而且耐腐蚀、可挠性强(弯曲半径大于25 cm时性能不受影响)。由于光纤信道带宽很大,特别适合于采用数字通信方式,而抗干扰性强又正是数字通信的一大优点。(4)可节省大量的金属材料。制造电缆使用铜材料,但地球上的铜资源非常有限,而制造光纤用的二氧化硅材料则非常丰富。据测算,使用1000 km的光缆,可节省150吨铜、500吨铅。(5)体积小、重量轻、便于施工和维护。光纤的重量轻,如军用的特制轻质光缆只有5 kg/km。光缆的施工方式也很灵活,维护也比较方便。光纤通信也存在一些不足,主要表现为：光信号难以直接放大,弯曲半径不宜太小,分路耦合不方便,需要高级的切断接续技术等。1.4光纤

10、通信网涉及的器件与产品光纤通信网涉及的器件与产品 从图1-1可以看出,光纤通信就是指利用光纤作为传输介质,实现光信号传输的通信方式。它是由电端机、光端机(光发射机、光接收机)、光纤等部件组成的，一部分属于电子电路,传输电信号;一部分属于光域,传输光信号。用来传输光信号的有光纤、光源、光电检测器、光放大器和光无源器件。(1)光纤。光纤是光纤通信的传输媒质,其任务是传送光信号。光纤通信系统波长在近红外波长。光纤通信的传输媒质材料是石英,它属于介质波导,是一个圆柱体,由纤芯和包层组成。纤芯折射率为n1,包层的折射率为n2,且n1n2。当满足全反射条件时,就可将光限制在纤芯中传播。光纤的主要特性是损耗

11、和色散。损耗用衰减系数表示,其单位为dBkm。光纤有三个低损耗窗口,波长为0=0.85 m(短波长波段)、0=1.31 m(长波长波段)、=1.55 m(长波长波段)。光纤的色散是指由于在光纤中不同频率成分和不同模式成分的光信号的传输速度不同而使光脉冲展宽的现象。色散用色散系数表示,其单位为ps(nmkm)。信号的散开,即色散的存在影响传输带宽,进而影响光纤的传输容量和传输距离。【知识扩展知识扩展】空芯光纤属于光电子材料领域，是传输可见光及近红外光的光波导，也是粒子导管。空芯光纤的主要特征是在各个方向上有一对或数对近似直角样（截角）棱镜或其层状结构，或者是等径圆柱构成的密堆积或松排列周期或非周

12、期层状结构。光主要沿纵向传输，在横向，光在包层结构中经两次或多次（近似）全反射，返至空芯区，由此限制光束发散而形成导模。该光纤非线性效应小、损耗小、单模工作的波长范围大，可传输超短脉冲或制作其他光电器件。(2)光端机。光源的作用是将电转换为光,即完成电光转换。常用的光源有激光器(LD)和发光二极管(LED),它们是光发送侧的主要器件。激光器性能较好,价格较贵。发光二极管性能稍次,价格较低。光电检测器的作用是将光转换为电,即完成光电转换。常用的光电检测器有PIN光电二极管和APD光电二极管,其中APD有放大作用。(3)电端机。电端机的作用是对来自光源的信号进行模/数转换、多路复用等处理。(4)光

13、放大器。光放大器的作用是放大光信号,它接收来自光纤的光信号,将光信号放大后,又送至下一段光纤,继续进行传送。它将置换中继器,在全光通信中起重要作用。光放大器的种类有半导体光放大器、非线性光纤放大器和掺杂光纤放大器。其中最重要的是掺铒光纤放大器。(5)光无源器件。光无源器件与电无源器件一样重要,光无源器件是为光路服务的。在光纤通信中除了使用上述光器件之外,还使用了如下的一些光无源器件,有光纤活动连接器、固定连接器、光衰减器、无源光耦合器、光波分复用器、光隔离器和光开关等。1.5光纤通信的应用与发展光纤通信的应用与发展1.光纤通信在我国的应用光纤通信在我国的应用1973年,我国开始研究光纤通信,主

14、要集中在石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机等方面。1978年改革开放后,我国的光纤通信研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程“八二工程”在武汉开通,该工程被称为实用化工程,要求一切商用产品而不是试验品,要符合国际CCITT标准,要由设计院设计,并由工人施工,而不是由科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。进入20世纪80年代后,数字光纤通信的速率已达到144 Mb/s,可传送1980路电话。光纤通信作为主流被大量采用,在传输干线上全面取代电缆。经过国家“六五”、“七五”、“八五”和“九五”计划,我国已建成“八纵八横”干线网,连通

15、全国各省区市,敷设光缆总长约250万千米。光纤通信已成为我国通信的主要手段。2005年3.2 Tb/s超大容量的光纤通信系统在上海至杭州间开通,这是至今为止世界上容量最大的实用线路。2.光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势(1)向超长距离传输发展。无中继传输是骨干传输网的理想,目前已能够实现2000 kmJP5000 km的无中继传输。通过采用如拉曼光放大技术等新的技术手段,有望更进一步延长光传输的距离。(2)向超高速系统发展。高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长,这促使光纤通信系统的传输速率在近30年来一直持续增加,增加了约2000倍,比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的

16、出现不仅增加了业务传输容量,而且也为各种各样的新业务,特别是宽带业务和多媒体业务提供了可靠的保证。(3)向超大容量波分复用(WDM)系统发展。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在光纤上传送,则可大大增加光纤的信息传输容量,这就是波分复用(WDM)的基本思路。采用波分复用系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源,使容量迅速扩大几倍甚至上百倍,也可在大容量长途传输时节约大量光纤和再生器,从而大大降低了传输成本。利用WDM网络实现网络交换和恢复,可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。其他方面,如光纤入户(FTTH)技术、光交换技术、新的光电器件、光孤子技术等,都是当前光纤通信的重点发展方向。【

17、知识扩展知识扩展】1991年至1995年期间,我国开始建设包含22条光缆干线、总长达33 000 km的“八横八纵”大容量光纤通信干线传输网。1998年12月,全国“八纵八横”格状形光缆骨干网提前两年建成,网络覆盖全国省会以上城市和70%地市,全国长途光缆达到200 000 km。我国已经形成以光缆为主,卫星和数字微波为辅的长途骨干网络。本章小结本章小结1.1960 年梅曼(T.H.Maiman)发明了红宝石激光器,产生了单色相干光,为光纤通信提供了合适的光源。1966年,英籍华人科学家高锟博士(C.K.Kao)提出了利用玻璃制作通信光导纤维(即光纤)的可行性。随后美国康宁公司首先研制出损耗为

18、20 dB/km的光纤,证实了高锟的理论。激光器及光纤的出现,为光纤通信的实用化奠定了基础。2.最基本的光纤通信系统由电端机、光端机、光纤(光缆)和中继器组成。电端机主要用来进行复用和解复用处理,光端机主要用来进行EO或OE处理,光纤用来传送光信号,中继器用来进行EO和OE转换、放大、整形处理。3.光纤通信具有通信容量大,传输损耗小,中继距离长,抗干扰能力强,节省资源,体积小,重量轻,便于施工和维护等优点。4.光纤通信已经成为我国通信网的主体,“八纵八横”光纤干线网基本形成。5.光纤通信自身的巨大技术优势以及网络应用的要求,使光纤通信技术向超长距离传输、超高速系统、超大容量波分复用(WDM)方

19、向发展。光纤入户(FTTH)技术、光交换技术、新的光电器件、光孤子技术等新技术、新器件、新标准的研发,必将极大地促进光纤通信技术的发展及应用,极大地影响人类生活的各个领域。第第2章光纤与光缆工程章光纤与光缆工程 2.1光纤结构 2.2光纤的导光原理 2.3光纤的传输特性 2.4光缆的结构与分类 2.5光缆的敷设与接续 2.6光纤光缆的发展现状本章小结实验与实训2.1光纤结构光纤结构 1.光纤结构光纤结构光纤是光导纤维的简称,它是一种新的导光材料。现在实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，外径一般为125 m140 m,芯径一般为3 m100 m。光纤在光通信系统中的作用是在不受外界干扰的条件下

20、，低损耗、小失真地将光从一端传送到另一端。光纤的基本结构一般是双层或多层的圆柱体，如图2-1所示。中心部分是纤芯,纤芯以外的部分称为包层。纤芯的作用是传导光,包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到传导光波的目的，需要使纤芯材料的折射率n1大于包层的折射率n2。为了实现纤芯与包层的折射率差，需要使纤芯与包层的材料有所不同。目前实际纤芯的主要成分是石英。如果在石英中掺入一定的掺杂剂,就可作为包层材料。经这样的掺杂后,上述目的就可实现了。目前广泛应用的掺杂剂主要是二氧化锗(GeO2)、五氧化二磷(P2O5)、三氧化二硼(B2O3)、氟(F)。前两种用于提高石英材料的折射率,后两种用于降低石英材

21、料的折射率。图 2 1光纤的基本结构 实用的光纤并不是裸露的玻璃丝,而是要在它的外面附加几层塑料涂层,以保护光纤,增加光纤的强度。经过涂覆以后的光纤称为光纤芯线。涂覆有一次涂覆和二次涂覆。光纤可分为紧套光纤和松套光纤,如图2-2所示。图 2 2光纤芯线结构紧套光纤是二次涂覆光纤,其目的是减小外应力对光纤的作用。紧套光纤的一个优点是结构相对简单,无论是测量还是使用都比较方便。松套光纤是光纤可以在套塑层中自由活动,其优点主要是机械性能好,具有较好的耐侧压力,温度特性好,防水性能好,管中充有油膏,可防止水分进入,有利于提高光纤的稳定可靠性,便于成缆,一般不会引入附加损耗。松套光纤一般都制成一管多芯的

22、结构。【提示提示】套塑后,光纤的温度特性下降,这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高,在低温情况下,压迫光纤发生微弯曲,增加了光纤的损耗。2.光纤分类光纤分类1)按材料划分按制作材料的不同,光纤可分为以二氧化硅为主要成分的石英光纤,以多种成分玻璃组成的玻璃光纤，在某种细管内充以一种传光的液体材料组成的液芯光纤，以塑料为材料的塑料光纤，以石英为纤芯和包层,外涂炭素材料的高强度光纤等。2)按折射率分布划分按光纤横截面上折射率的分布,光纤可被划分为阶跃型光纤、渐变型光纤和w型光纤,如图2-3所示,图中a为纤芯半径,b为包层半径。从图2-3可以发现,阶跃型光纤在纤芯或包层区域内,其折射率是均匀分布的,值分

23、别为n1和n2,且n1n2,而在纤芯与包层的分界面处,折射率是阶跃变化的;渐变型光纤在光纤轴心处的折射率最大(达到n1),而沿截面径向折射率逐渐变小,至纤芯与包层的分界面,折射率降为n2,包层区域内,折射率为n2,且均匀分布。图 2-3光纤的纤芯折射率剖面分布光在阶跃型光纤和渐变型光纤中传播的轨迹如图2-4所示。图 2 4光纤中的光传播3)按传输波长划分按传输波长划分,光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85 m(0.8 m0.9 m),长波长光纤的波长为1.3 m1.6 m,主要有1.31 m和 1.55 m 两种。长波长光纤具有衰耗低、带宽大等优点,适用于远距离、大容量

24、的光纤通信。【提示提示】光纤的传输波长0.85 m、1.31 m和1.55 m也被称为光纤传输的三个窗口。4)按传输模的数量划分按传输模的数量划分,光纤可划分为多模光纤和单模光纤。当光在光纤中传播时,如果光纤纤芯的几何尺寸(芯径d1)远大于光波波长,光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播,如图2-5所示,这些不同的光束称为模式,此时光纤被称为多模光纤。多模传输会产生模式色散现象,导致多模光纤的带宽变窄,降低光纤的传输容量。因此多模光纤适用于小容量或短距离的光纤通信。多模光纤的折射率分布一般为渐变型,纤芯直径一般为50 m。图 2 5多模传播【提示】不同的传输模式会具有不同的传播速度和相

25、位,经长距离传输后,会产生时延及光脉冲展宽的现象,该现象被称为模式色散。单模光纤是指当光纤的几何尺寸(芯径d1)较小,与光波长在同一数量级,如芯径d1在4 m10 m范围时,光纤只允许一种模式(基模)在其中传播,其余的高次模全部截止,这样的光纤称为单模光纤。单模传播如图2-6所示。图 2 6单模传播单模光纤避免了模式色散,适用于远距离的光纤通信,但其纤芯要求很纤细,因此对制作工艺提出了苛刻的要求。单模光纤和多模光纤的比较见表2-1所示。表表2 1单模光纤和多模光纤的比较单模光纤和多模光纤的比较 3.光纤制造过程简介光纤是用高纯度的玻璃材料制成的。下面简单介绍一下石英光纤的制作工艺。1)光纤制造

26、过程 制作光纤预制棒。制作光纤的第一步就是利用熔融的、透明状态的二氧化硅(SiO2,石英玻璃),熔制出一条玻璃棒光纤预制棒。石英玻璃的折射率为1.458,则熔制纤芯和包层时,为了满足n1n2的条件,在制备纤芯时,需要均匀地掺入极少量的、能提高石英折射率的材料,使其折射率为n1,在制备包层时,则相反。拉丝。将光纤预制棒放入高温拉丝炉中加温,使其软化,然后以相似比例的尺寸,拉制成又长又细的玻璃丝。最后得到的玻璃丝就是光纤。2)制造方法制备光纤预制棒的方法很多,主要有管内化学汽相沉积法、管外化学汽相沉积法、轴向汽相沉积法、微波腔体的等离子体法、多元素组分玻璃法等。下面简要介绍管内化学汽相沉积法。该方

27、法是制作高质量石英光纤中比较稳定可靠的方法,称为MCVD 法。MCVD 法是在石英反应管(也称衬底管、外包管)内沉积内包层和芯层的玻璃,整个系统是处于封闭的超提纯状态下,所以用这种方法制得的预制棒可以生产出高质量的单模和多模光纤。MCVD 法制备光纤预制棒的示意图如图2-7所示。图 2 7MCVD法制备光纤预制棒 其基本制作步骤是：熔制光纤的内包层玻璃。熔制的主材料选择液态的四氯化硅(SiCl4),掺杂剂选择氟利昂(CF 2Cl 2)等低折射率材料。在制作过程中载运气体氧气带着四氯化硅等物质一起进入石英反应管。随着玻璃车床的旋转,高达14001600 的氢氧火焰为反应管加热,这时管内的四氯化硅

28、等物质在高温下起氧化反应,形成粉尘状氧化物(SiO2-SiF4等),并逐渐沉积在高温区气流下游的管内壁上,当氢氧火焰的高温区经过这里时,就在石英反应管的内壁上形成均匀透明的掺杂玻璃SiO 2-SiF 4。氯气和未反应完的材料均从石英反应管的尾端排出。这样不断地重复沉积,就在管子的内壁上形成一定厚度的玻璃层,作为纤维的内包层。熔制芯层玻璃。芯层的折射率比内包层的折射率稍高,可选择折射率高的材料如三氯氧磷、四氯化锗等作为掺杂剂。用超纯氧气把掺杂剂等送进反应管中进行高温氧化反应,形成粉尘状氧化物等,沉积在气流下游的内壁上,氢氧火焰烧到这里时,就在内壁上形成透明的玻璃层,沉积在内包层玻璃上。经过一段时

29、间的沉积后,就在石英管的内壁上形成一定厚度的掺锗玻璃,这层玻璃就称为芯层玻璃。经过数小时的沉积,石英反应管内壁上已沉积了相当厚度的玻璃层,初步形成了玻璃棒体。持续加大火焰，或者降低火焰左右移动的速度,并保持石英反应管的旋转状态,石英反应管在高温下软化收缩,最后形成一个实心棒,即光纤原始的预制棒。原石英反应管已经和沉积的石英玻璃熔缩成一个整体,成为光纤的外包层(或称为保护层)。2.2光纤的导光原理光纤的导光原理 光具有两重性,既可以被看成光波,也可以被看成是由光子组成的粒子流。因此,光纤的导光原理可以使用两种理论来解释：射线理论和波动理论。射线理论把光作为光线处理,比较直观、易懂,但它是一种近似

30、方法,只能作定性分析。波动理论要解麦克斯韦方程,它很严密,有定量结果,但较复杂。1.从射线理论分析光纤的导光原理从射线理论分析光纤的导光原理1)光纤的导光原理光纤是怎样把光波传向远方的呢？简单直观的解释是从光线的观点来看光的传播,即光是通过全反射来进行传播的。光进入光纤后的射线传播,通过3种介质和2种界面进行。这3种介质是空气、纤芯和包层。空气的折射率为n0(n01),纤芯的折射率为n1,包层的折射率为n2。空气和纤芯端面之间形成界面1,纤芯与包层之间形成界面2。在界面1,其入射角记为0,折射角记为。在界面2,其入射角记为1,折射角记为2。当2=90时称为临界情况,此时的入射角 1记为c。(1

31、)临界状态时光线的传播情况。临界状态时光线的传播情况如图2-8(a)所示。因为在界面2上折射角2=90入射角 1=c所以在界面1上有折射角=90-c现在来求界面1上的入射角。根据折射定理有n0 sin0=n1sin=n1 sin(90c)=n1cosc (2-1)n0=1,所以有 sin0=n1 cos c (2-2)(2-3)(2-4)可见,界面1的入射角为0时,界面2的入射角为c,这是临界情况。222112122c11sin1cosnnnnnc2221sinnn(2)在包层与纤芯界面上产生全反射的情况。当光线在界面1上入射角小于0时,在界面2上的入射角大于c,则出现如图2-8(b)所示的情

32、况,光将全部反射回纤芯中。根据全反射定律,反射回纤芯的光线,在向另一侧纤芯与包层界面入射时,入射角保持不变,也就是说,这种光线可以在纤芯中不断反射,不产生折射。这种入射光全部反射回纤芯中的反射现象称为全反射。当折射角 时,临界角 的正弦为(2-5)可见,的大小由纤芯的包层与纤芯材料的折射率之比来决定。22c12csinnnc(3)部分光进入包层的情况。当光线在界面1上入射角大于时,在界面2上的入射角则小于,折射角小于90,如图2-8(c)所示。部分光线在纤芯中传送,部分光线折射入包层。c0图 2 8光线的反射和传播根据上面的分析可知：光线以0的角度入射到光纤纤芯,在界面2的入射角为,折射角为,

33、此时有一微弱的光线沿界面传播;当光线在界面1上入射角小于0时,在界面2上的入射角则大于,在包层与界面发生全反射,光线以之字形曲线向前传播,光被封在纤芯中;当光线在界面1上入射角大于0时,在界面2上的入射角则小于,折射角小于90,不会产生全反射,一部分光进入包层,进入包层的光将要损耗掉。c190ccc结论：因为n1n2,利用纤芯与包层的折射率差,当在界面1的入射角小于0时,就会在界面2发生全反射,光被封闭在纤芯中,以之字形曲线向前传播。在纤芯与包层界面满足全反射条件时,所对应的光线从空气进入纤芯的入射角0称为接收角。2)传导模和数值孔径根据前面的分析,当纤芯与包层界面满足全反射条件时,光线只在纤

34、芯内传输,这样形成的模称为传导模。当纤芯与包层界面不满足全反射条件时,部分光线在纤芯内传输,部分光线折射入包层,这种从纤芯向外部辐射的模式,叫辐射模。这样的结论只是一种近似,当进一步研究光的波动性和光波的相位一致条件时,应加以修正。只有既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束才称为传导模。接收角最大值0的正弦与n0的乘积,称为光纤的数值孔径。NA=n0 sin0=sin0 (2-6)(2-7)即 (2-8)(2-9)22)(0sin11211212121121222112221nnnnnnnnnnnnnnnnn2NA1n121nnn 为纤芯与包层的相对折射率差。NA表示光纤接收光能力的大小。

35、相对折射率差增大,数值孔径NA也随之增大。对单模光纤,为0.1 0.3,对跃变型多模光纤,为0.3 3。【提示】对无损耗光纤,在0内的入射光都能在光纤中传输。NA越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好。但NA越大,经光纤传输后产生的输出信号展宽越大,因而限制了信息传输容量,所以要选择适当的NA。2.从波动理论分析光纤中的问题从波动理论分析光纤中的问题用波动理论求解光纤中的问题,可以得到严格的结果。下面用传统的解法,即矢量解法,求解均匀光纤中的问题。由于用这样的方法要进行许多数学推导,因此不作详细推演,仅列出结果,也不作为教学要求,有兴趣的读者请参考有关文献。1)求矢量解的场方程在极坐

36、标系中,满足边界条件的电场z方向和磁场z方向场方程如下。电场z向分量场方程为磁场z向分量场方程为有了Ez、Hz的表示式,其他场分量可以根据麦氏方程求解。2)解特征方程特征方程为此方程有两组解,当方程右端取正、负号时各有一组解。式中,(u为导波的径向归一化相位常数,W为导波的径向归一化衰减常数,为相位常数)。)11()()()()(22WumWWKWKuuJuJmmmm2220221202;nkWnku又有。V叫做光纤的归一化频率,它概括了光纤的结构、n1和波长,是一个重要的综合性参数,光纤的许多特性都与光纤的归一化频率V有关。000122/2,2kaknWuV3)矢量模的分类在光纤中存在四种类

37、型的模:TE模、TM模、EH模和HE模。(1)TE模、TM模只在m=0时存在,特征方程为)()()()(0101WWKWKuuJuJ(2)EH模和HE模只在m0时存在,EH模的特征方程为HE模的特征方程为)()()()(11WWKWKuuJuJmmmm)()()()(11WWKWKuuJuJmmmm4)矢量模的特性矢量模的特性用三个特征参数u、W、来描述。u、W、三者之间有确定的关系,知道其中一个,便可以求出另外两个,下面给出的是u参数。(1)导波的截止条件为Vc=uc即导波在截止状态下的径向归一化相位常数uc与光纤归一化频率Vc相等。(2)TE模和TM模在截止状态下的特征方程为J0(uc)=

38、0uc是零阶贝赛尔函数的根,有一系列的值,如用0n代表零阶贝赛尔函数的第n个根,则有uc=0n(3)通过求零阶贝赛尔函数的根来求解TE模和TM模的截止频率。求uc。由表可以查得零阶贝赛尔函数的根为0n=2.404 83,5.520 08,8.653 73所以,当m=0时,求出一系列零阶贝赛尔函数的根uc值,每个uc对应于一定的场分布及相位常数,且决定了一个TE模和一个TM模。当uc=2.404 83时,得TE01和TM01模;当uc=5.520 08时,得TE02和TM02模;当uc=8.653 73时,得TE03和TM03模；以此类推。可知,m=0时,对应于一族TE模和TM模,记为TE0n和

39、TM0n,下标“0”是贝赛尔函数的阶数,“n”表示特征方程中零阶贝赛尔函数根的序号。求各模的截止条件。有了截止时的uc,根据前面Vc=uc=0n,可以求得光纤归一化截止频率Vc。对于TE01、TM01模,Vc=2.404 83;对于TE02、TM02模,Vc=5.520 08;对于TE03、TM03模,Vc=8.653 73。每一模式有它自己的归一化截止频率,以实际的光纤归一化频率V与各模式的归一化截止频率Vc相比,若VcV截止条件Vc=V临界条件(4)通过求WTBXm阶贝赛尔函数的根来求解TE模和TM模的截止频率。用类似的方法可以求得uc=mn,mn是m阶贝赛尔函数的第n个根。当m1,EH1

40、1模Vc=uc=11=3.831 71EH12模Vc=uc=12=7.015 59EH13模Vc=uc=13=10.173 47当m2,EH21模Vc=uc=21=5.135 62EH22模Vc=uc=22=8.417 24EH23模Vc=uc=23=11.619 84(5)LPmn模。对于一对确定m、n值有一个确定的u值,每一个u值对应着一个模式,它有自己的传输特性和传播特性。这种模式称为标量模或LPmn模,LPmn是线极化波的意思,它表示弱导波光纤中的电磁场基本上是一个线极化波,下标m、n是波形的编号。(6)单模光纤。单模光纤是在给定的波长上,只传输单一基模的光纤,例如在均匀光纤中,只传输

41、LP01(或HE11)模。光纤的归一化频率越高,传输的模式越多,为此,必须使V值小于与基模最靠近的那一模式(称第一高次模)的归一化截止频率,才能实现单模传输。2.3光纤的传输特性光纤的传输特性光纤特性包括传输特性、光学特性、几何特性、机械特性和温度特性等,这里仅介绍传输特性。传输特性包括损耗特性和带宽特性,主要参数有衰减、带宽和色散。1.光纤的损耗光纤的损耗光纤传播的光能有一部分在光纤内部被吸收,有一部分可能辐射到光纤外部,使光能减少,产生损耗。光纤每公里的损耗称为衰减系数,单位为dB/km。衰减系数与波长的关系曲线称为衰减谱,如图2-9所示。图 2 9光纤的衰减谱在衰减谱上,衰减系数出现的高

42、峰称为吸收峰;衰减系数较低所对应的波长,称为窗口,说的工作窗口是指下列波长：0=0.85 m、0=1.31 m、0=1.55 m。光纤衰减分为吸收衰减和散射衰减两种。吸收衰减包括固有吸收衰减和杂质吸收衰减,散射衰减包括固有散射衰减和结构不完善衰减。衰减产生的原因如下：(1)光纤的电子跃迁和分子振动都要吸收一部分光能,造成光的损耗,产生衰减。(2)光纤原料总有一些杂质,存在过渡金属离子(如Cu2+、Fe2+、Cr3+等),这些离子在光照下产生振动,也会产生电子跃迁,产生衰减。(3)在光纤中存在氢氧根,产生衰减。(4)由于瑞利散射、布里渊散射、受激拉曼散射等原因,使一部分光能射出光纤之外,产生衰减

43、。瑞利散射是指光波遇到与波长大小可以比拟的带有随机起伏的不均匀质点时,所产生的散射。光时域反射仪(OTDR)就是通过被测光纤中产生的瑞利散射来工作的。布里渊散射、受激拉曼散射是强光在光纤中引起的非线性散射,这种散射也产生损耗。(5)光纤接头和弯曲也会产生损耗。总之,光纤衰减包含紫外吸收衰减、红外吸收衰减、过渡金属离子吸收衰减、氢氧根吸收衰减、瑞利散射衰减和结构不完善衰减。光纤损耗是光纤的一项重要的性能指标,由于光纤损耗的存在,光纤中传输的光信号(模拟信号或数字脉冲)都会衰减,造成幅度的衰减。光纤损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。P(Z)=P(0)10-(Z/10)(2-10)式中，P(0)

44、为入射光功率,P(Z)为当光传输距离Z(km)后的功率,Z为传输距离,为光纤的损耗系数。则光纤的损耗系数为 (2-11)式中:L为光纤的长度,P1和P2分别为输入光功率和输出光功率,单位是mW或W;损耗系数表示单位长度光纤引起的光功率的损耗,单位是dB/km。21lg10)(PPL式(2-10)应用时要特别注意两点：假定光纤沿轴向是均匀的,即与轴向位置无关;对多模光纤而言,必须达到稳态(平衡)模分布。只有在满足上面的条件时,测量到的损耗系数才能线性相加。【提示提示】如果在制造工艺上进一步采取措施,降低OH-含量,将改善光纤的波长损耗特性,有可能实现按波长划分多群复用,进一步增大光纤的传输容量。

45、2.光纤的色散光纤的色散当光纤的输入端入射光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时间上的展宽，这种现象即为色散。以单模光纤中的色散现象为例，如图 2-10所示。图 2 10光纤中的色散现象色散将导致码间干扰，在接收端将影响光脉冲信号的正确判决，误码率性能恶化，严重影响信息传送。单模光纤中的色散主要由光信号中不同频率成分的传输速度不同引起，这种色散称为色度色散。在色度色散可以忽略的区域，偏振模色散也成为单模光纤色散的主要部分。以下主要介绍色度色散和偏振模色散的现象、原因以及对WTBZDWDM系统的影响。1)色度色散(1)色度色散简介。色度色散包括材料色散和波导色散。材料色散

46、：由于光纤材料石英玻璃对不同光波长的折射率不同，而光源具有一定的光谱宽度，不同的光波长引起的群速度也不同，从而造成了光脉冲的展宽。波导色散：对于光纤的某一传输模式，在不同的光波长下的群速度不同引起的脉冲展宽。它与光纤结构的波导效应有关，因此也称为结构色散。材料色散大于波导色散。根据色散的计算公式，在某一特定波长位置上，材料色散有可能为零，这一波长称为材料的零色散波长。幸运的是，该波长恰好位于1310 nm附近的低损耗窗口，如G.652就是零色散光纤。尽管光器件受色散的影响很大，但存在一个可以容忍的最大色散值(即色散容纳值)。只要产生的色散在容限之内，仍可保证正常的传输。(2)色度色散的影响。色

47、度色散主要会造成脉冲展宽和啁啾效应。脉冲展宽。脉冲展宽是光纤色散对系统性能影响最主要的表现。当传输距离超过光纤的色散长度时，脉冲展宽过大，这时，系统将产生严重的码间干扰和误码。啁啾效应。色散不仅使脉冲展宽，还使脉冲产生了相位调制。这种相位调制使脉冲的不同部位对中心频率产生了不同的偏离量，具有不同的频率，即脉冲的啁啾效应(Chirp)。啁啾效应将使光纤划分为正常色散光纤和反常色散光纤。正常色散光纤中，脉冲的高频成分位于脉冲后沿，低频成分位于脉冲前沿；反常色散光纤中，脉冲的低频成分位于脉冲后沿，高频成分位于脉冲前沿。在传输线路中，合理使用两种光纤可以抵消啁啾效应，消除脉冲的色散展宽。(3)如何消除

48、色度色散对DWDM系统的影响。对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550 nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤(DCF)对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。2)偏振模色散偏振模色散(PMD)是存在于光纤和光器件领域的一种物理现象。单模光纤中的基模存在两个相互正交的偏振模式，理想状态下，两种偏振模式应当具有相同的特性曲线和传输性质，但是由于几何和压力的不对称导致了两种偏振模式具有不同的传输速度，产生时延，形成PMD，如图2-11所示。PMD的单位通常为 km/ps图 2 11单模光纤中的PMD现象在数字传输系统，PMD将导致脉冲分离和脉冲展宽，对传输信号

49、造成降级，并限制载波的传输速率。PMD与其他色散相比，几乎可以忽略，但是无法完全消除，只能从光器件上使之最小化。脉冲宽度越窄的超高速系统中，PMD的影响越大。3)光纤的非线性效应在常规光纤通信系统中，发送光功率低，光纤呈线性传输特性。但是，对于DWDM系统而言，当采用掺铒光纤放大器(EDFA)后，光纤呈现非线性效应。光纤非线性效应使DWDM系统多波通道之间产生严重的串扰，引起光纤通信系统的附加衰减，限制发光功率、EDFA的放大性能和无电再生中继距离。非线性效应主要包括自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)、四波混频(FWM)受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。(1)自相位调

50、制(SPM)。由于折射率与光强存在依赖关系，在光脉冲持续时间内折射率发生变化，脉冲峰值的相位对于前、后沿来说均产生延迟。随着传输距离的增大，相移不断积累，达到一定距离后显示出相当大的相位调制，从而使光谱展宽导致脉冲展宽，这就称为自相位调制(SPM)，如图2-12所示。图 2 12SPM现象当系统使用色散系数为负的光纤工作区时(例如G.653光纤的短波长区，或工作区色散为负的G.655光纤)，SPM将导致色散受限距离变短；当使用色散系数为正的光纤工作区时(例如G.652、G.653光纤的长波长区，或工作区色散为正的G.655光纤)，SPM将延长色散受限距离。SPM影响主要发生在靠近发送机侧的一定