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袁国良 李元元编著 光纤通信简明教程 第1章光纤通信概述 光纤通信是利用光导纤维为传输介质传输光波信号的通信方式 光纤通信系统的组成 光纤通信系统通常由电发射机 光发射机 光接收机 电接收机和由光纤构成的光缆等组成 实现光纤通信的两大关键技术 合适的光源 必须是相干光 频率和方向的单一性较好 适合信息的调制合适的传输介质 对光信号的传输损耗小 光纤通信的发展 1960年 美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 1966年 英籍华人高锟指出 如果能够减少玻璃中的杂质含量 就可以制造出损耗低于20dB km的光纤 1970年是使光纤通信发展出现跨越的一年 美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB km的光纤 同年 美贝尔公司研制出使用寿命长达几小时的半导体激光器 光纤通信从此进入飞速发展 影响光纤通信系统性能主要参数 色散 由于光波长 频率 和传输方向的单一性不够而引起的传输过程中的波形失真 造成误码 损耗 光信号在光纤中传输时的能量损耗 光纤通信的主要优点 传输频带宽 通信容量大 传输衰减小 传输距离长 抗电磁干扰 传输质量好 体积小 重量轻 便于施工 原材料丰富 节约有色金属 有利于环保 二次涂覆主要采用下列两种保护结构 a 紧套结构 b 松套结构图1 5 2光纤保护结构示意图 光缆芯线再加上加强元件和保护层构成光缆 室外光缆的结构形式 如图所示 无源光器件除了光纤连接器还有 光纤耦合器光衰减器光隔离器光开关等等 第2章光纤通信的物理学基础 2 1光的本质 1 光线是按照直线传播 2 光具有波动性 3 光的量子性 2 2光的反射 折射和全反射 光的反射 折射和全反射 当光从光密介质射入光疏介质时 且入射角大于临界角时 将发生光的全反射现象 光纤正是利用了光的全反射原理 2 3波动光学 常用的光纤通信系统工作在近红外区 波长为0 8 1 8 m 对应的频率为167 375THz 光矢量在光波中 产生感光作用与生理作用的主要是电场强度E 所以电矢量E称为光矢量 2 光的相干性 光程与光程差 折射率n与光波在该媒质中传播的几何路程r的乘积nr叫做光程 两束相干光在不同媒质中传播时 对干涉加强 亮纹 和减弱 暗纹 条件起决定作用是这两束光的光程差 两束光总的光程差 满足如下规律 入射光满足 k k 1 2 反射光的干涉加强 入射光满足 k 1 2 2k 1 2 反射光的干涉减弱 3 增透膜和增反膜 薄膜干涉原理在镀膜技术中的应用主要有两个方面 一方面是利用薄膜反射时 使某些波长的光因干涉而减弱 以增加透射光的强度 这种薄膜称为增透膜 另一方面是利用薄膜表面反射时 使某些波长的光因干涉而加强 以减少透射光的强度 这种薄膜称为增反膜 4光的偏振 光的偏振现象证明了光是横波 1 光的偏振现象线偏振光 如果光矢量只沿一个固定的方向振动的光自然光 平均来看 光矢量对于光的传播方向呈轴对称均匀分布 没有任何一个方位更占优势 这种光称为自然光 部分偏振光 自然光在传播过程中 由于外界的某种作用 造成各个振动方向上的强度不等 使某一方向的振动比其他方向占优势 这种光叫作部分偏振光 2 起偏和检偏 偏振片允许通过的光振动方向 这个方向称作偏振化方向 也叫透光轴 从自然光获得偏振光的过程叫起偏 检验偏振光的过程 称为检偏 利用偏振片可以起偏和检偏 自然光入射到偏振片上 透射光满足马吕斯定律 I I0cos2 3 马吕斯定律 4 反射光和折射光的偏振儒斯特定律 反射起偏 自然光入射在两种各向同性介质的分界面上时 反射光和折射光都成为部分偏振光 布儒斯特定律1812年 布儒斯特在实验中发现 反射光的偏振化程度与入射角有关 当入射角自然光以起偏振角入射时 其反射光和折射光的传播方向相互垂直 且反射光成为线偏振光 2 4光的吸收 色散和散射 光的吸收 色散 散射都是光波与物质的相互作用过程 1 光的吸收 1 吸收的线性规律 光的吸收是指光波通过介质后 光强因为减弱现象 吸收的线性规律为 I I0e z 2 色散 1 色散的概念 色散是介质的折射率n随光波波长 变化的现象 2 正常色散 介质的折射率n是随波长 的增加而减小的色散叫正常色散 3 反常色散 反常色散是介质的折射率n随着波长 的增加而增加 与正常色散正好相反 3 散射 1 光的散射 当光通过不均匀介质时 会偏离原来的方向而向四周传播 这种现象称为光的散射 2 线性散射 散射光的频率等于入射光的频率 散射光中没有新频率的光产生 这类散射称为线性散射 3 非线性散射 散射光中除了入射光的频率或谱线之外 还有新频率的光或新谱线产生 这类散射称为非线性散射 拉曼散射和布里渊散都属于非线性散射 2 5激光原理 激光Laser Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 是指光的受激辐射放大 1960年梅曼研制了第一台激光器 红宝石激光器 1自发辐射 受激辐射和受激吸收 光和物质的相互作用有三个主要过程 1 自发辐射 2 受激辐射 3 受激吸收 粒子数反转分布 要获得光放大 就必须有高能级粒子数N2大于低能级粒子数N1的分布 称为粒子数反转分布 2 激光的形成 构成一个激光器需要如下三个要素 如图2 5 5所示 1 激光工作物质2 激励3 光学谐振腔 1 纵模在激光谐振腔内 每一个谐振频率对应一个驻波模式 这种纵向振荡模式称为纵模 3 激光的模式 单纵模激光器多纵模激光器单色性好的激光器 必须采取选模措施 实现单纵模输出 2 横模 激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定光场分布叫做横模 不同横模的光场分布相差很大 基模的光强分布均匀 有较好的空间相干性 是理想的横模 第3章光纤 3 1光纤概述 光纤由纤芯和包层构成 外面加上涂覆层 光纤的种类很多 1 按照传输模式分类可分为 单模光纤和多模光纤 2 按照光纤材料分类可分为 石英光纤 石英纤芯塑料包层光纤 塑料光纤等 3 按照折射率分布来分类可分为 阶跃型 突变折射率 光纤和渐变型光纤 2 光纤的导光原理 1 阶跃型光纤的导光原理 2 渐变型光纤的导光原理 相对折射指数差 和数值孔径NA是描述光纤性能的两个重要参数 1相对折射率差 n1 n2 n1光纤纤芯的折射率和包层的折射率的相差程度可以用相对折射率差 来表示相对折射率 很小的光纤称为弱导波光纤 相对折射指数差 和数值孔径NA 2数值孔径NA表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径 用NA表示 数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就越强 由于弱导波光纤的相对折射指数差 很小 因此其数值孔径也不大 2 光纤的归一化频率解方程过程中已经引入了两个常数U和W 由U和W可以得出两个比较重要的基本参量 归一化传播常数b和归一化频率V b和V定义为这两个常数决定于光纤的结构和波长 3 阶跃型光纤中的线性偏振模式 在弱导波光纤中传播的电磁波非常接近TEM波 具有偏振方向保持不变的特性 人们称为线性偏振模式 也称为标量模 用LPmn表示 m取值为 m 0 1 2 n取值为 n 1 2 3 不同的m和n的值 则场的分布状况和传输特性都不同 当然不同的m和n的值 对应着不同的模式 图3 2 1给出几个低阶模的强度分布和可视图形 可以很好地理解线性偏振模式 单模传输条件为0 V 2 40483 3 2 18 满足上公式 3 2 18 时 LP01能够传输 而LP11以上所有模式处于截止状态 3 3渐变型光纤的理论分析 1渐变型光纤的最佳折射指数分布由渐变型光纤导光原理可知 只要n r 取得合适 那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度 即具有不同条件的子午射线 从同一地点出发 达到相同的终端 这种现象称为光纤的自聚焦现象 相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布 3 4单模光纤 单模光纤是在给定的工作波长上 只传输单一基模的光纤 在单模光纤中不存在模间色散 因此它具有相当宽的传输频带 适用于长距离 大容量的传输 3 模场直径 MFD 3 5光纤的损耗特性 1 衰减系数损耗是光纤的一个重要传输参量 是光纤传输系统中继距离的主要限制因素之一 损耗的大小可以用衰减常数 定义 通常 表示成dB km为单位的形式 2 光纤损耗特性 由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗窗口 第一低损耗窗口短波长0 85 m附近 第二低损耗窗口长波长1 31 m附近 第三低损耗窗口长波长1 55 m附近 实验上曲线的损耗值为 对于单模光纤 在0 85 m时约为2 5dB km 在1 31 m时约为0 4dB km 在1 55 m时仅为0 2dB km 已接近理论值 理论极限为0 15dB km 3 光纤损耗特性的分析 1 吸收损耗 本征吸收 石英材料本身所固有 分紫外吸收和红外吸收两种杂质吸收 过渡金属离子吸收 OH 离子吸收原子缺陷吸收 光纤材料某个共价键断裂产生原子缺陷 吸收光能 2 散射损耗 光纤材料不均匀性使光向各个方向散开造成的光能损耗 线性散射 散射光频率与入射光相同 有瑞利散射和波导散射瑞利散射 光纤材料折射率不均匀引起的散射 与波长的4次方成反比波导散射 光纤纤芯直径不均匀 产生导模和辐射模的耦合 能量从导模转移到辐射模造成的损耗 非线性散射 散射光频率与入射光不同有两种类型 为受激喇曼散射和受激布里渊散射 3 弯曲损耗 光纤弯曲导致纤芯的光能量泄露到包层造成的损耗 宏弯损耗和微弯损耗 3 6光纤的色散特性 1 光纤色散的概念和种类光信号在光纤中传输时不仅由于光纤损耗而使光功率变小 波形也会变得越来越失真 光信号通过光纤传播期间 波形在时间上发生展宽的现象称为光纤色散 引起光纤色散的原因很多 主要有 1 模式色散 2 材料色散 3 波导色散 4 偏振模色散 5 高级色散 色散的程度在时域用脉冲展宽 来描述 脉冲展宽 也就是信号最先到达和最后到达的时延差 脉冲展宽 越大 色散就越严重 如果很大 就会产生码间干扰 整个光纤通信系统就不能正常的工作 因此对光纤色散的分析与研究是十分重要的 色散的程度在频域可以用带宽来描述 二者的关系通过推导可得B 441 3 6 1 式中 为脉冲展宽 单位为ps B为3dB光带宽 FWHM 单位为GHz 2 多模光纤的模式色散 1 多模阶跃型光纤的模式色散多模阶跃型光纤的模式色散是指在多模阶跃型光纤中不同模式群速不同而引起的色散 可以用光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示 3 单模光纤的材料色散和波导色散 普通单模光纤的材料色散系数Dm 波导色散系数Dw和总色散D随波长变化的曲线 总色散在1 31 m附近为零 这个波长称为零色散波长 而在1 55 m附近色散系数D 15 18ps km nm 在1 55 m附近的损耗最低 如果合理地设计光波导的结构就可以把