第4章光纤通信系统

1、第4章 光纤通信系统 v4.1 光纤通信概述光纤通信概述 v4.2 光纤与光缆光纤与光缆 v4.3 光纤通信系统光纤通信系统 v4.4 光纤通信新技术光纤通信新技术 1 4.1 光纤通信概述 v 光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介光纤通信是以光波作为载体，以光导纤维作为传输媒介 的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长的一种通信技术。光纤通信以其宽带、大容量、低损耗、长 中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成中继、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于敷设等优点，成 为当代长途通信最主要手段。为当代长途通信最主要手段。 v 本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾

2、，然后对光纤通本章首先对光纤通信的发展历史做出回顾，然后对光纤通 信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输信的特点进行说明，重点阐述光纤的结构、分类、光波传输 机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要机理以及光纤通信系统各组成部分的工作原理。最后，简要 介绍了一些光纤通信新技术。介绍了一些光纤通信新技术。 2 光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及 当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。 光通信光通信可以上溯西周时期建立的烽火台作为军事报警设施，下及 当今指挥城市交通的信号灯和航海中使用的灯塔。 传输距离短 光通信的缺点光通信的缺点 传递信

3、息量少 为了使光通信光通信延长传输距离和增加传递信 息内容，1792年，法国工程师Claude Chappe （却柏）发明了采用机械臂编码来传输信息的 光电报，利用中间接续站（现在通信术语称为 中继站）可以实现超过100km的通信。 1794年，世界上第一个光电报在法国的两个城市巴黎和里尔投入商用，从而实现 了相距200km的通信。图1-1给出了Claude Chappe及其发明的光电报的示意图。从 中可以看到这个光电报通过转动机械臂角度发出了一条由CH 、A、 P、 P 、E 5个 字母组成的消息。这个非常有趣的消息恰好就是光电报发明人的名字 Chappe。 自1794年到1830年为止，法

4、国光电报系统从巴黎延伸到意大利、德国、比利时的边 界。光电报系统是一种视距通信，其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而其系统十分简单、传输距离和传递信息量少，而 且保密性差。且保密性差。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电 话”,通话距离达到213米。 光电话原理图光电话原理图 光源 透镜 送话器 反射镜 震动片 光敏电池 贝尔用弧光灯或者太阳 光作为光源，光束通过透镜 聚焦在话筒的震动片上。当 人对着话筒讲话时，震动片 随着话音震动而使反射光的 强弱随着话音的强弱作相应 的变化，从而使话音信息 “承载”在光波上（这个过 程叫调制调制）。 在接收端，装有一

5、个抛 物面接收镜，它把经过大气 传送过来的载有话音信息的 光波反射到硅光电池上，硅 光电池将光能转换成电流 （这个过程叫解调解调）。电流 送到听筒，就可以听到从发 送端送过来的声音了。 接收镜 贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型 1、为什么光通信传输的距离非常有限，这主要是因为，这种传输方式里 面的传输介质传输介质是“大气”，损耗大，如果碰上雨、雪甚至雾霾天气， 信号甚至可能会中断。 更深层次的原因，我们现代人都已经知道了，是因为光是一种“波”， 且波长很短（0.40.7 m ），它很容易被大气中的“尘埃粒子” 所阻挡。 2、另外，Bell的光电话是利用自然光（光源光源）

6、作为载波，这种光的频率 和相位杂乱无章，不能用于大容量的通信。 3、能否建立“光通道”如“波导管”式的东西以减少损失（损耗）呢？ 是否可以找到新型的光源呢？ 研究人员曾经将研究的重点转入到地下光波通信的实验， 先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，但 由于造价太高而出现了夭折，致使光通信发展一度出现 长期的低迷状态。 受英国物理学家John Tyndal l（约翰）在1870年做的”光可 以在水流柱里传输”的影响， 在1920-1950期间,人们发现在 纤细的、有柔韧性的玻璃中和 塑料光纤可以用于导光。 终于在1950年，有人采用“玻 璃纤维”传输光，但损耗达到 了1000dB/Km，

7、即在1Km的长度 上传输，损耗达到10100倍，这 个数值显然是太大了。 真正的奇迹是在1966年才出现。 1966年，英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)(C.K.Kao)及 其同事霍克哈姆(C.A.Hockham)在其发表的研究 论文中指出，“玻璃纤维”的严重损耗是由其 里面所含杂质（如铜、铁、铬等金属离子）太 多及石英玻璃拉制工艺的不均匀性产生的。论 文介质纤维表面光频波导明确提出： 1、如果能将光纤中过渡金属离子减少到最低限 度，并改进制造工艺，有可能使光纤损耗降到 最低（预见可减小到20dB/km以下）； 2、光纤可以实现高速通信； 3、给出了光纤原始结构。 高锟(C.K.Kao)

8、博士上述发现的重要意义在 于：指出了光纤高损耗的真正来源以及研制通 信光纤的正确方向。这一发现直接导致了在其 后数年内通信光纤制造领域所发生的质的飞跃， 以及光纤通信产业的迅速兴起。 光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章；并于2009年， 获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。 19701970年，光纤研制取得了重大突破年，光纤研制取得了重大突破 美国康宁玻璃公司1970年首 先研制出衰耗20dB/km的光纤。光 纤通信正式开始！ 据说康宁公司花费3000万美 元，得到30米光纤样品，认为非 常值得。这一突破，引起整个通 信界的震动，世界发达国家开始 投入巨大力量研

9、究光纤通信。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km4dB/km。 1973年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km2.5dB/km。 1974 年降低到1.1dB/km1.1dB/km。 1976年，日本电报电话（NTT）公司将光纤损耗降低到0.47dB/Km0.47dB/Km （波长1.2 m ）。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 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， 接近了光纤最低损耗

10、的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 19701970年开始，光纤研制取得了重大突破年开始，光纤研制取得了重大突破 1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发 明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用 红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉 冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的 第一束激光。 1965年，第一台可产生大功率激光的器 件-二氧化碳激光器诞生。 1967年，第一台射线激光器研制成功。 激光器的发明和应用，使沉睡了激光器的发明和应用，使沉睡了8080年的年的 光通信进入到了一个崭新的阶段。光通信进入到了一个崭新的阶段。 在光纤突飞猛进的同时，光源光源的研究工作也有了起色 4.

11、1.1 光纤通信发展简史 19 19601960年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激年，美国加州休斯实验室第一台固体红宝石激 光器光器 19611961年，美国贝尔实验室氦年，美国贝尔实验室氦- -氢气体激光器氢气体激光器 19661966年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤年，高锟提出带有包层材料的石英玻璃光纤 19701970年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为年，美国康宁玻璃公司首次制成了损耗仅为 20dB/km20dB/km的低损耗光纤的低损耗光纤 19701970年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器年，美国贝尔实验室砷化镓铝半导体激光器 光纤通信发展简史（续） 20 197

12、41974年，美国贝尔实验室制造出年，美国贝尔实验室制造出1dB/km1dB/km损耗的低损耗损耗的低损耗 光纤。光纤。 至此制约光纤通信的两个关键问题，至此制约光纤通信的两个关键问题，光源光源和和传输传输 媒介媒介问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得问题完全得到解决。光纤通信的普及和推广获得 了高速发展的基本条件。了高速发展的基本条件。 19771977年美国芝加哥率先开通了第一条年美国芝加哥率先开通了第一条45Mb/s45Mb/s的商用光的商用光 纤通信系统。纤通信系统。 目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已目前，国际国内长途通信传输网的光纤化比例已 经超过经超过90%90%

13、4.1.2 光纤通信的特点 21 传输损耗小，中继距离长：传输损耗小，中继距离长：1.55m1.55m波长附近波长附近 约约0.2-0.3dB/km0.2-0.3dB/km，中继跨度百公里。，中继跨度百公里。 传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在传输频带宽，通信容量大：单模光纤的潜在 带宽可达几十太赫兹（带宽可达几十太赫兹（101012 12Hz Hz） 抗电磁干扰，保密效果好抗电磁干扰，保密效果好 体积小、重量轻、便于运输和敷设体积小、重量轻、便于运输和敷设 原材料丰富、节约有色金属、有利于环保原材料丰富、节约有色金属、有利于环保 不足：光纤质地脆弱易断，敷设时的弯曲半不足：光纤质地脆弱易

14、断，敷设时的弯曲半 径不宜太小径不宜太小 4.1.3 光纤通系统组成 4.2 光纤与光缆 23 光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。光纤与光缆的结构、分类以及光纤的导光原理。 4.2.1 光纤的结构与分类 24 光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、光纤是多层同轴圆柱体，自内向外为纤芯、 包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层包层、涂覆层，称为裸纤。包层外面涂覆一层 硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（硅酮树脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m30150m），然），然 后增加保护套加以保护。后增加保护套加以保护。 纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率纤芯和包层是高纯度石英材料，包层折射率 略低于纤

15、芯，与纤芯一起形成光的全反射通道，略低于纤芯，与纤芯一起形成光的全反射通道， 使光波的传输局限于纤芯内。使光波的传输局限于纤芯内。 1. 光纤的结构 25 2. 光纤的分类（表4.1） 26 分类方法分类方法具体名称具体名称说明说明用途与特点用途与特点 按照材料的成分按照材料的成分 全石英系列光纤全石英系列光纤以以SiO2为主要材料为主要材料 长途大容量通信。损耗小，传输距离长，成本长途大容量通信。损耗小，传输距离长，成本 高高 多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维多种材料组合成分多种材料组合成分短距离光信号传输、容易制造、价格便宜短距离光信号传输、容易制造、价格便宜 塑料包层石英芯光纤塑料包层石英芯

16、光纤线芯是线芯是SiO2材料，包层是硅树脂材料，包层是硅树脂 易耦合，特性同全石英系列光纤相近但成本较易耦合，特性同全石英系列光纤相近但成本较 低，短距离高速数据传输，如低，短距离高速数据传输，如IEEE1394。 全塑料光纤全塑料光纤纤芯和包层均由塑料制成纤芯和包层均由塑料制成 挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输挠曲性好、易加工、易耦合、成本很低、传输 距离很短。多用于家电、音响及短距图像传输距离很短。多用于家电、音响及短距图像传输 按照折射率的分布按照折射率的分布 阶跃型光纤阶跃型光纤 纤芯和包层折射率均匀，但包层的折射率低于纤芯和包层折射率均匀，但包层的折射率低于 纤芯，交界处产生

17、跃变。纤芯，交界处产生跃变。 带宽较窄，适于小容量短距离通信带宽较窄，适于小容量短距离通信 渐变型光纤渐变型光纤从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小从纤芯到包层的折射率呈抛物线规律逐渐变小带宽较宽，适于中容量中距离通信带宽较宽，适于中容量中距离通信 按照传输模式按照传输模式 单模光纤单模光纤 仅允许与光纤轴平行的光波传输，即只有一个仅允许与光纤轴平行的光波传输，即只有一个 基膜传输基膜传输 宽带、大容量、长途通信宽带、大容量、长途通信 多模光纤多模光纤 光波可以以多个特定的角度射入光纤的端面传光波可以以多个特定的角度射入光纤的端面传 播播 多为渐变型。渐变型多模光纤主要用于局域网多为渐变型

18、。渐变型多模光纤主要用于局域网 按照工作波长按照工作波长 短波长光纤短波长光纤0.80.9m 长波长光纤长波长光纤1.01.7m 超长波长光纤超长波长光纤2.0m以上以上 按照按照ITU-T建议建议 G.651渐变多模光纤渐变多模光纤工作波长为工作波长为1.31m和和1.55m，主要用于计算机局域网或接入网。主要用于计算机局域网或接入网。 G.652标准单模光纤标准单模光纤是目前应用最广的光纤是目前应用最广的光纤 当工作波长在当工作波长在1.3m时，光纤色散很小，系统的时，光纤色散很小，系统的 传输距离只受光纤衰减所限制传输距离只受光纤衰减所限制 G.653色散位移单模光纤色散位移单模光纤在在

19、1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致。处实现最低损耗与零色散波长一致。 用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不用于超高速率、单信道、长中继距离通信。不 利于多信道的利于多信道的WDM传输，易发生四波混频导致传输，易发生四波混频导致 信道间发生串扰信道间发生串扰 G.654最佳性能单模光纤最佳性能单模光纤在在1.55m处具有极低损耗（大约处具有极低损耗（大约0.15dB/km） G.655非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤 这种光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好这种光纤综合了标准光纤和色散位移光纤最好 的传输特性，的传输特性， 特别适合于密集波分复用传输，所以非零色散特别适合于密集

20、波分复用传输，所以非零色散 光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。 全波光纤全波光纤 消除了常规光纤在消除了常规光纤在1385nm附近由于附近由于OH-造成的造成的 损耗峰，使光纤可利用的波长增加损耗峰，使光纤可利用的波长增加100nm左右左右 处于推广实用阶段处于推广实用阶段 3. 光纤的折射率径向分布图 27 4.2.2 光纤的导光原理 28 在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于在光学理论中，当传输媒介的几何尺寸远大于 光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一光波波长时，可以把光表示成其传播方向上的一 条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传

21、播条几何线，称为光射线。用光射线来分析光传播 特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分特性的方法，称为射线法。下面通过射线法来分 析光在阶跃型光纤中的导光原理。析光在阶跃型光纤中的导光原理。 1.光的反射与折射定律 v 入=反 29 2 1 sin sin n n 入 折 当当折 折900时，折射光线会反射回到纤 时，折射光线会反射回到纤 芯进行传播，这种现象称为全反射。芯进行传播，这种现象称为全反射。 2.光纤中的全反射传输 v调整入射角调整入射角，使得，使得折 折290度而发生全反射： 度而发生全反射： 30 NAsin 4.2.3 光纤的传输特性(P83) v 光纤的传输特性描述的是光

22、纤的传输损光纤的传输特性描述的是光纤的传输损 耗、色散和非线性效应。耗、色散和非线性效应。 31 4.2.3光纤的传输特性 光纤通信中的三个光纤通信中的三个”工作窗口工作窗口” 0.85m0.85m 20dB / km （现在为3dB / km）短波长窗口 （第一窗口） 1.31m 1.31m 0.35dBkm以下 长波长窗口 （第二窗口） 1.55m1.55m 0.15dB / dB 左右 长波长窗口 （第三窗口） 光纤材料中的 水气（主要是 OH -）对光纤 损耗影响很大， 特别是在 1.38m1.38m波长的 地方有一个强 烈的吸收峰。 本征吸收：紫外、红外吸收 吸收 损耗 衰 减 机

23、理 杂质吸收：过渡金属离子吸收、 OH-离子吸收 散射 损耗 线性散射：瑞利散射：材料不均匀； 制作缺陷：气泡、分界面不理想等。 非线性散射：受激拉曼和受激布里渊 散射 弯曲 损耗 光纤的弯曲引起辐射损耗 光纤中传输的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递 给晶格，使其振动加剧，从而引起损耗。 2m时特强烈。 光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低 能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电 子吸收，从而引起损耗。 0.4m 时特强烈。 受激拉曼和受激布里渊散射使输入光信号的部 分能量转移到其他频率分量上。 光纤的损耗特性 吸收损耗 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及 其中的过渡金属离子和氢氧

24、根离子(OH) 等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是 由光纤材料本身的特性所决定的，称为本 征吸收损耗。 1. 本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。 (1) 紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到高 能级时，光子流中的能量将被电子吸收， 从而引起的损耗。 (2) 红外吸收损耗 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损 耗。 2. 杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离 子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH。 3. 原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的

25、制造过程中，光纤材料 受到某种热激励或光辐射时将会发生某个 共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很 容易在光场的作用下产生振动，从而吸收 光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为 630nm左右。 散射损耗 1. 线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的， 无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等 等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光 纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗 所引起的损耗功率与传播模式的功率成线 性关系，所以称为线性散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过程， 属于固有散射。 对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞 利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损 耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗

26、一起构成光纤损耗的理论极限值。 (2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导散射损耗) 在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素， 可能造成光纤结构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面不 完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残留气泡和裂痕等等。 2. 非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射，它们都 与石英光纤的振动激发态有关，分别为受 激喇曼散射和受激布里渊散射。 弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率 半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习 惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产 生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为 微弯。 在光缆的生产、接续和施工过程中， 不可避免地出现弯曲。 微

27、弯是由于光纤受到侧压力和套塑光 纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和 套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损 耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起 的。 为了衡量一根光纤损耗特性的好坏， 在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念， 即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率 减小的分贝数，一般用表示损耗系数，单 位是dB/km。用数学表达式表示为： 式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和 P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或 W为单位。 ）（1 . 3 /lg 10 2 1 KmdB P P L 2、光纤的色散特性 色散的概念P83 v 理想光源应是频率单一的单色光，但现实理想光源应是频

28、率单一的单色光，但现实 光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折光源信号不纯，含有不同的波长成分，在折 射率为射率为n1的光纤介质中传输速度不同，从而的光纤介质中传输速度不同，从而 导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称导致光信号分量产生不同延迟，这种现象称 为为光纤的色散光纤的色散。 v 具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距具体表现为当光脉冲沿着光纤传输一定距 离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重离后脉冲宽度展宽，严重时前后脉冲相互重 叠，难以分辨。叠，难以分辨。 v 有三个参数色散系数、最大时延差有三个参数色散系数、最大时延差、 光纤带宽系数可以分别从不同的角度来描述光纤带宽系数可以分别从

29、不同的角度来描述 光纤色散的程度。光纤色散的程度。 光纤色散的类型 48 l 模式色散：模式色散：在多模光纤中，因同一波长分量的各种传导模式的相位不同、群 速度不同而导致光脉冲展宽的现象，称为模式色散（或模间色散）。用光的射 线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延 差。 l色度色散（色度色散（CD) 材料色散：材料色散：光纤材料的折射率随光频率呈非线性变化，使得各波长分量具 有不同的群速度。 波导色散：波导色散：各导模分量在不同光频率下的群速度不同。 多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料色散和波导色散。多模光纤主要考虑模式色散，单模光纤主要考虑材料色散和

30、波导色散。 l偏振模色散（偏振模色散（PMD）：）：对于单模光纤，两个偏振模式因光纤不完善而出现传 输常数的差异时产生的色散。 1. 阶跃型光纤中的模式色散 在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢 的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线 和以临界角c入射的光线，如图3.6 所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是 光线和光线到达终端的时延差。 图图3.6 阶跃型光纤的模式色散阶跃型光纤的模式色散 2. 渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折 射率分布，使光线在光纤中传播时速度 得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲 展宽将很小。 材料色散 一般情况下，材料色散往往是用色 散系数这个物理量来衡量

31、，色散系数定义 为单位光谱线宽光源在单位长度光纤上所 引起的时延差。，用D()表示，单位是 ps/（nmkm）。 2. 材料色散 在已知材料色散系数的前提下，材料 色散的表达式可根据色散系数的定义导出， 材料色散用m表示。 m()=Dm()L （3-25） 式(3-25)中：为光源的谱线宽度， 即光功率下降到峰值光功率一半时所对应 的波长范围；L是光纤的传播长度。 波导色散 式(3-23)中的第二项与波导的归一化传播 常数b和波导的归一化频率V有关，而b和V 又都是光纤折射率剖面结构参数的函数， 所以式(3-23)中的第二项称之为波导色散 系数，用Dw()表示。 ）（ 26. 3 ) ( 2

32、2 1 dV Vbd V C n D w 极化色散 极化色散也称为偏振模色散，用p表 示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给 出粗略的概念。 单模光纤中可能同时存在LP 0 1 x 和 LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模 式，并且可能由于激励和边界条件的随机 变化而出现这两种模式的交替。 当光纤中存在着双折射现象时，两个 极化正交的LP01x和LP01y模传播常数x和y 不相等。对于弱导光纤，y和x之差可以 近似地表示为： 式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射 率。 ）（ 27. 3 xyxy nn C 光纤的总色散为： 值得说明的是，单模光纤一般只给出 色散系数D，其中包含了材料

33、色散和波导 色散的共同影响。 单模光纤中的色散系数与波长关系 58 光纤的色散和带宽对通信容量的影响 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同 一特性。其中色散特性是在时域中的表现 形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时 间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在 频域中的表现形式，在频域中对于调制信 号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器， 当调制信号的高频分量通过光纤时，就会 受到严重衰减，如图3.12所示。 图图3.12 光纤的带宽光纤的带宽(f为调制信号频率为调制信号频率) 通常把调制信号经过光纤传播后，光 功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小， 定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下 降3

34、dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。 可用式(3-33)表示。 ）（ 光 光 33. 3 3 0 lg0 1dB P fP c 光功率总是要用光电子器件来检测，而 光检测器输出的电流正比于被检测的光功率， 于是： 从式(3-34)中可以看出，3dB光带宽对 应于6dB电带宽。 ）（ 光 光 电 电 电 电 34. 3 6 0 lg20 0 lg20 0 lg10dB P fP I fI P fP ccc 既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光 纤的同一个特性，那么它们之间必然存在 着一定的联系。 由于总色散包括模式色散、材料色散和 波导色散，所以光纤的总带宽也可表示为： 式中：BM是由模式色散引起

35、的模式畸变带 宽；Bc是由材料色散和波导色散引起的波长色 散带宽。 ）（ 47. 3 2 1 22 cMT BBB 波长色散带宽定义为： 式中：是光源的谱线宽度，单位是 nm；L是光纤的长度，单位是km；D()是 材料色散和波导色散的色散系数(即波长色 散系数)，单位是ps/(nmkm)，其中材料色 散占主导地位。 ）（48. 3 441 GHz LD B c 光纤链路总带宽与光纤长度之间的关系 要分光纤链路中间有无接头。对于无接头的 一个制造长度的光纤总带宽BT与其单位公 里带宽B的关系如下： BT=BL- 式中：L是光纤的制造长度(km)，为带 宽距离指数，它的取值与光纤的剖面分布及 模耦

36、合状态有关，一般在0.51.0之间(多 模光纤取0.50.9，单模光纤1)。 成缆对光纤特性的影响 光缆特性 1. 拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件 的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆 的重量，多数光缆在100400kg范围。 2.压力特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套 的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧 压力在100400kg/10cm。 3.弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相 对折射率差以及光缆的材料和结构。 4.温度特性 光纤本身具有良好的温度特性。 成缆对光纤特性的影响 1. 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后， 会带来附加损耗，称之为成缆

37、损耗。 2. 成缆可以改善光纤的温度特性 套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它的 损耗随温度变化如图3.14中虚线所示。 图3.14 光纤和光缆的温度特征 把光纤制成光缆，温度特性会得到相 当大的改善，如图3.14中的实线所示。 3. 机械强度增加 这一点是很显然的。一般光纤的断点 强度约为15kg，而由于光缆结构中加入 了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此 其断点强度远大于上述值；不仅如此，光 缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明 显增强。 典型光纤参数 目前，ITU-T(国际电信联盟电信标准 化机构)分别对G.651光纤、G.652光纤、 G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤的主要

38、参数特性进行了标准化。 G.651光纤称为渐变型多模光纤，这种 光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容 量、中短距离的通信系统中。 G.652光纤称为常规单模光纤，其特点 是在波长1.31m处色散为零，系统的传输 距离一般只受损耗的限制。 G.653光纤称为色散位移光纤，其特点 是在波长1.55m处色散为零，损耗又最小。 G.654光纤称为截止波长光纤，其特 点是在波长1.31m处色散为零，在 1.55m处色散为1720ps/nmkm，和 G.652光纤相同。 G.655光纤称为非零色散位移光纤，是 一种改进的色散位移光纤。 表3.1传输光纤的参数指标 光纤类型 多模渐变型 G.651 光纤

39、常规单 模 G.652 光 纤 色散位 移 G.653 光 纤 截止波 长 G.654 光 纤 非零色散 位移光纤 G.655 纤芯直径（ m）506% 包层直径（ m）1252.4% 纤芯不圆度 （%） 6 包层不圆度 （%） 22222 同芯误差（%）6 几 何 尺 寸 模场同心误差 （%） 1111 折射率分布近似抛物线 数值孔径 （0.180.24 ） 0.02 模场直径（ m） （910） 10% （78.3） 10% 10.5 10% 811 2m 光纤截止波 长 C（ m） 110012 80 待研究 135016 00 1470 光 学 特 性 22m 光缆截止 波长 CC（

40、m） 1270待研究1480 损耗（dB/Km） 850nm 1310nm 1550nm 4 21.0 0.5 1.0 0.50.25 0.5 0.24 零色散波长 （ m） 13001 324 15001 600 1.525 或 1.585 零色散斜率 （ps/nm2Km） 0.0930.0850.093 色散系数 （ps/nmKm） 850nm 1310nm 1550nm 120 6 3.5 20 3.5 20 0.16 传 输 特 性 带宽 （MHzKm） 850nm 1310nm 2001000 2001200 3.非线性效应 78 非线性效应在波分复用信道间产生串话和功率非线性效应在

41、波分复用信道间产生串话和功率 降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输降低代价，限制光纤通信的传输容量和最大传输 距离，影响系统的设计参数。距离，影响系统的设计参数。 光纤中的非线性效应分为两类光纤中的非线性效应分为两类:非弹性过程和非弹性过程和 弹性过程。弹性过程。 4.2.4 光缆 79 分类方法分类方法 光缆种类光缆种类 按用途按用途 长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合长途光缆、短途中继光缆、室内光缆、混合 光缆光缆 按敷设方式按敷设方式直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆 按传输模式按传输模式单模光缆、多模光缆（阶跃型、渐变型）单模光缆、多

42、模光缆（阶跃型、渐变型） 按结构按结构层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式 按外护套结构按外护套结构 无铠装、钢带铠装、钢丝铠装无铠装、钢带铠装、钢丝铠装 按 光 缆 中 有 无按 光 缆 中 有 无 金属金属 有金属光缆、无金属光缆有金属光缆、无金属光缆 按维护方式按维护方式 充油光缆、充气光缆充油光缆、充气光缆 光缆的分类光缆的分类 几种光缆的结构 80 4.3光纤通信系统 81 光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传光纤通信系统是以光为载波，以光导纤维为传 输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主输媒介来传输消息的通信系统。光纤通信系统主 要由

43、电端机、光端机、光中继器和光缆组成。要由电端机、光端机、光中继器和光缆组成。 1. 电发送端机 82 把信源消息转换成电数字信号。把信源消息转换成电数字信号。 2. 光发送端机 83 光源的调制有直接调制或外调制两种方式：光源的调制有直接调制或外调制两种方式： 3. 光端机的调制方式 84 直接调制（强直接调制（强-直调制）：利用电信号调制光直调制）：利用电信号调制光 波的幅度，驱动电路输出波的幅度，驱动电路输出“0”、“1”脉冲信号脉冲信号 直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体直接控制光源的发光强度。适用于低速的半导体 发光二极管（发光二极管（LED）。）。 外腔调制（相干光调制）：把

44、激光送入到外腔外腔调制（相干光调制）：把激光送入到外腔 调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于调制器，然后用电数字信号控制调制器，适用于 高速激光器（高速激光器（LD）调制。外调制可选择调制光波）调制。外调制可选择调制光波 的频率或相位。的频率或相位。 例子：一种直接调制的共发射极驱动电路 85 4. 光中继器 v 光光-电电-光中继方式正在被光放大器取代，光中继方式正在被光放大器取代， 例如，掺铒光纤放大器（例如，掺铒光纤放大器（EDFA: Erbium- Doped Fiber Amplifier）可以放大）可以放大1.55m 波长附近的光信号，适用于长途越洋光通信波长附近的光信号，适

45、用于长途越洋光通信 系统。系统。 86 5. 光接收端机 v 将光纤传输过来的微弱光信号，经光检将光纤传输过来的微弱光信号，经光检 测器转变为电信号，然后再经放大电路放大测器转变为电信号，然后再经放大电路放大 到足够的电平，送到电接收端机去。到足够的电平，送到电接收端机去。 87 电信号电信号 6.电接收端机 88 电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流，电接收端机接收判决器输出的再生码元数据流， 并还原为信宿可接收的形式。并还原为信宿可接收的形式。 4.4 光纤通信新技术 89 超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信超大容量、超长距离、超高速传输一直光纤通信 新技术的发展目标。新技术的

46、发展目标。 拓展光纤可用拓展光纤可用“窗口窗口”的波长范围可以提高的波长范围可以提高 光纤带宽；光纤带宽； 降低损耗系数降低损耗系数()可以增加光纤中继距离；可以增加光纤中继距离； 光波分复用或光时分复用可以增大系统容量；光波分复用或光时分复用可以增大系统容量； 相干光通信和光孤子通信也是研发热点。相干光通信和光孤子通信也是研发热点。 本节将对其中的一些内容进行概要介绍。本节将对其中的一些内容进行概要介绍。 4.4.1 光波分复用与光时分复用 90 采用光波分复用（采用光波分复用（WDM）或光时分复用）或光时分复用 （OTDM）技术可以在不增加线路投资的情况下，）技术可以在不增加线路投资的情况下， 扩大系统容量。扩大系统容量。 1. 光波分复用 91 光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来光波分复用：利用不同波长的光信号作为载波来 传输多路光信号。传输多路光信号。 2. 光波分复用的类型 92 根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复根据光波分复用时波长间隔的大小可以将波分复 用系