光纤结构与类型课程设计

TOC\o"1-5"\h\z目录 1\o"CurrentDocument"1光纤结构及光纤类型 21.1光纤结构 2\o"CurrentDocument"1.1.1光纤定义 2\o"CurrentDocument"1.1.2光纤作用 2\o"CurrentDocument"1.1.3光纤典型结构 2\o"CurrentDocument"1.2光纤类型 3\o"CurrentDocument"1.2.1多模光纤 3\o"CurrentDocument"1.2.2单模光纤 4\o"CurrentDocument"2光纤传输原理 42.1光纤传输原理分析 4\o"CurrentDocument"2.2激光光源工作原理 5\o"CurrentDocument"2.2.1半导体激光器工作原理 5\o"CurrentDocument"3模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成 63.1模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成框图 6\o"CurrentDocument"3.1.1光发射机 6\o"CurrentDocument"3.2.2光接收机 7\o"CurrentDocument"4模拟基带直接光强调制原理的应用 9\o"CurrentDocument"参考文献 91光纤结构及光纤类型1.1光纤结构1.1.1光纤定义光纤定义:光纤是光导纤维的简称。狭义的说，光纤是一种约束光并传导光的多层同轴圆柱实体介质光波导，又称光介质传输线。1.1.2光纤作用作用:光纤的主要作用是传导光，将传输的光信号从一地如实地传到另一地，实现光信号的长距离异地传输。1.1.3光纤典型结构光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为：纤芯（芯层）-一包层-一涂覆层（被覆层）。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。涂覆层又称被覆层，主要对裸光纤提供机械保护，可分为一次涂层和二次涂层，图1-1。芯层包层涂敷层 也护套层图1-1光纤结构纤芯（芯层）：光纤的纤芯主要由具有高折射率（记为n1）的导光材料制成，如：SiO2光纤芯层材料多为SiO2--GeO2。它的作用是传导光，使光信号在芯层内部沿轴向向前传输；包层：光纤的包层由低折射率（记为n2）导光材料制成（折射率较纤芯低），如：SiO2光纤包层材料多为SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射率，满足n1>n2光传导条件，光波在芯包界面上可发生全反射，使大部分的光能量被阻止在芯层中，从而导致光信号沿芯层轴向向前传输。涂覆层（被覆层）：光纤涂覆层是为保护裸光纤、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减而涂覆的高分子材料层。一般情况下涂覆层有二层，内层为低模量高分子材料，称为一次涂层；外层为高模量高分子材料，称为二次涂层：一次涂层：又分预涂层和缓冲层两层，常用材料有硅酮树脂、紫外固化炳烯酸酯UV等；二次涂层：其结构有三种，它们是紧套结构、松套结构、带状结构。常用材料有尼龙PA12、聚乙烯PE、硅橡胶、聚酰胺塑料、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT，聚丙烯，聚脂等。1.2光纤类型1.2.1多模光纤多模光纤的纤芯直径为50~62.5pm，包层外直径125pm，单模光纤的纤芯直径为8.3Mm，包层外直径125pm。光纤的工作波长有短波长0.85pm、长波长1.3川m和1.55pm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85Mm的损耗为2.5dB/km,1.31Mm的损耗为0.35dB/km，1.55mm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65mm以上的损耗趋向加大。由于OH「的吸收作用，0.90~1.30mm和1.34~1.52mm范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31mm。多模光纤（MultiModeFiber）:中心玻璃芯较粗（50或62.5mm），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。多模光纤中，模式色散与模内色散是影响带宽的主要因素。PCVD工艺能够很好地控制折射率分布曲线，给出优秀的折射率分布曲线，对渐变型多模光纤（GIMM），可限制模式色散而得到高的模式带宽。全系统带宽达到一定程度时，同样也受到模内色散的制约，尤其在850nm处，多模光纤的模内色散非常大。一些国际标准给出的多模光纤在850nm处的色散系数为-120ps/(nm•km),而PCVD多模光纤的色散值介于-95〜-110ps/(nm・km)。1.2.2单模光纤单模光纤(SingleModeFiber):中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10pm),只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.3川m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.3川m波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.3川m处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.3川m波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.3川m常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU-T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。单模光纤单模光纤中，模内色散是比特率的主要制约因素。由于其比较稳定，如果需要的话，可以通过增加一段一定长度的“色散补偿单模光纤”来补偿色散。零色散补偿光纤就是使用一段有很大负色散系数的光纤，来补偿在1550nm处具有较高色散的光纤。使得光纤在1550nm附近的色散很小或为零，从而可以实现光纤在1550nm处具有更高的传输速率。在单模光纤中，另一种色散现象是偏振模色散(PMD)，由于PMD是不稳定的，因而不能进行补偿。2光纤传输原理2.1光纤传输原理分析光独立传播定律认为，从不同光源发出的光线，以不同的方向通过介质某点时，各光线彼此互不影响，好象其他光线不存在似的。光的直线传播和折射、反射定律认为，光在各向同性的均匀介质(折射率n不变)中，

率。侧，侧。光线按直线传播。光在传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，光发生反射和折射现象。光在均匀介质中的传播速度为：V=c/n，式中c是光在真空中的传播速度；率。侧，侧。反射定律为反射线位于入射线和法线所决定的平面内，反射线和入射线处于法线的两反射角等于入射角。折射定律为折射线位于入射线和法线所决定的平面内，折射线和入射线位于法线的两光在传播过程中，若从一种介质传播到另一种介质的交界面时，因两种介质的折射率不等，将会在交界面上发生反射和折射现象。一般将折射率较大的介质称为光密媒质，折射率小的称为光疏媒质。为了保证光信号在光纤中能进行远距离传输，一定要使光信号在光纤中反复进行全反射，才能保证衰减最小，色散最小，到达远端。实现全反射的两个条件为：一定要使光纤纤芯的折射率n1大于光纤包层的折射率咫;光入光纤的光线向纤芯一包层界面入射时，入射角应大十临界角。2.2激光光源工作原理2.2.1半导体激光器工作原理半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（既利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体品体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器特点：半导体激光器激光器优点是体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高等特点。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器，一般是由GaAS（神化镓），InAS（神化钢），Insb（锑化钢）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单品(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单品(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器.3模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成3.1模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成框图模拟基带直接光强调制(DIM)光纤传输系统由光发射机(光源通常为发光二极管)、光纤线路和光接收机(光检测器)组成，这种系统的方框图如下图所示。图3-1模拟基带直接光强调制光纤传输系统组成框图3.1.1光发射机模拟基带直接光强调制光纤电视传输系统光发射机的功能是，把模拟电信号转换为光信号，系统框图如图3-2。对这种光发射机的基本要求是：发射(入纤)光功率要大，以利于增加传输距离。在光纤损耗和接收灵敏度一定的条件下，传输距离和发射光功率成正比。发射光功率取决于光源，LD优于LED。非线性失真要小，以利于减小微分相位(DP)和微分增益(DG)，或增大调制指数m(mTV)。LED线性优于LD。⑶调制指数m(mTV)要适当大。m大，有利于改善SNR；但m太大，不利于减小DP和DG。(4)光功率温度稳定性要好。LED温度稳定性优于LD，用LED作光源一般可以不用自动

温度控制和自动功率控制，因而可以简化电路、降低成本。V2同步分离光功率(b)(a)图3-3LED驱动电路的末级及其工作原理由于全电视信号随亮场和暗场的变化而变化，为保证动态DP和DG的规定值，必须保持DPV2同步分离光功率(b)(a)图3-3LED驱动电路的末级及其工作原理图3-2光发射机方框图图中R1C1电路用于调节DIM系统电视信号的幅频特性，Re用于监测通过LED的电流，Rc用于控制通过LED的极限电流，V2用于保护LED防止反向击穿，LED的工作点由箝位电路调节。3.2.2光接收机光接收机的功能是把光信号转换为电信号，光接收机基本组成：直接强度调制、直接检测方式的数字光接收机方框图示于图3-4。主要包括：光检测器、前置放大器、主放大器、均衡器、时钟提取电路、取样判决器以及自动增益控制(AGC)电路。图3-4图3-4数字光接收机方框图光检测器光检测器是光接收机实现光/电转换的关键器件，其性能特别是响应度和噪声直接影响光接收机的灵敏度。对光检测器的要求如下：波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85pm、1.31pm和1.55pm)兼容；响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流；噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号；性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。放大器前置放大器应是低噪声放大器，它的噪声对光接收机的灵敏度影响很大。前放的噪声取决于放大器的类型，目前有三种类型的前放可供选择，主放大器一般是多级放大器，它的作用是：提供足够的增益并通过它实现自动增益控制(AGC)，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定。主放大器和AGC决定着光接收机的动态范围。均衡和再生均衡的目的：对经光纤传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿使输出信号的波形适合于判决(一般用具有升余弦谱的码元脉冲波形)，以消除码间干扰，减小误码率。再生电路包括：判决电路和时钟提取电路4模拟基带直接光强调制原理的应用模拟基带直接光强调制(DIM)是用承载信息的模拟基带信号，直接对发射机光源(LED或LD)进行光强调制，使光源输出光功率随时间变化的波形和输入模拟基带信号的波形成比例。20世纪70年代末期，光纤开始用于模拟电视传输时，采用一根多模光纤传输一路电视信号的方式，就是这种基带传输方式。所谓基带，就是对载波调制之前的视频信号频带。于广播电视节目而言，视频信号带宽(最高频率)是6MHz，加上调频的伴音信号，这种模拟基带光纤传输系统每路电视信号的带宽为8MHz。用这种模拟基带信号对发射机光源(线性良好的LED)进行直接光强调制，若光载波的波长为0.85pm，传输距离不到4km,若波长为1.3pm，传输距离也只有10km左右。这种DIM光纤电视传输系统的特点是设备简单、价格低廉，因而在短距离传输中得到广泛应用。参考文献王晓凤.激光通信[J].邢台学院学报，2009,(02):115-117徐安士.新型光通信技术研究与发展[J].中国通信，2009,(03):52李威，杨道驰，张震.关于现代光纤通信系统探究[J].科技资讯，2009,(17):31段培贤，王蓬，陈佶.光通信技术在潜艇武器