光纤通信技术943

第1章光纤通信概论1.1光纤通信发展历程1.2光纤通信的系统构成1.3光纤通信的特点1.4光纤通信新技术

1.1光纤通信发展历程

1.1.1光纤通信的产生与发展

1.目视光通信

人类社会发展中的远距离通信的主流是光通信，电气通信的历史不过一百多年。从古埃及、古中国、古希腊和古罗马时代至发明莫尔斯电报的数千年间，远距离通信主要为目视光通信。三千多年前我国周朝就利用烽火台的火光传送敌情消息，到了近现代，战争中用信号弹指挥作战、城市使用信号灯指挥交通等传递信息的方式均可称为目视光通信。我们现在经常提到的光纤通信与这些简单的视觉光通信完全不同，光纤通信是由光通信逐步发展、演变而来的，是指以光波作载波传送信息的通信方式。

2.贝尔的光电话

1880年贝尔发明了一种利用光波作载波传送话音信息的“光电话”，利用太阳光或弧光灯作光源，光束通过透镜聚焦在话筒的振动镜片上，当人对着话筒说话时，振动镜随着话音振动，从而使反射光的强度随着话音的变化而变化。接收端设有一面抛物面反射镜，把从大气中传送来的随着话音而变化的光波反射到硅片上，硅片将光能转变为电流，把电流送到听筒就可以听到发送端讲话的声音。

贝尔的光电话曾受到人们的关注和重视，但是由于当时各种技术条件的限制，这种光电话的传输距离很短，实用意义不大，只能说是光通信的雏形。因为没有理想的光源和良好的传输介质，光通信沉睡了80年。但光电话的发明的确证明了利用光波作载波传递信息的可能性。

3.激光器大气通信

1960年，美国科学家梅曼（Maiman）发明了红宝石激光器，激光器发出的激光与普通光相比，具有方向性好、亮度高等优点，同时也具有通常无线电波的性质，是一种理想的可以携带信息的光载波。激光器光源的出现，解决了长期以来找不到合适光源的问题，使长期徘徊不前的光通信得以继续向前发展。

20世纪60年代初期研究的光通信大多是利用大气传输光波，但大气光波通信不稳定因素很多。主要原因是光波在大气中传输受到大气层中变化无常的气候条件的影响，光波能量损失严重，因此光波在大气层中的传输并不顺利。光波通信的许多优越性激发了人们的热情，驱使人们去进一步探索新的传输介质。

4.透镜波导光波通信

为了不使光波受大气层中各种因素的干扰，人们进行了光波地下传输的各种试验，即透镜波导光波传输系统。透镜波导就是在金属管道内，每隔一定距离放置一个聚焦透镜，使光波在管道中不断地边聚焦边向前传输，实验是成功的，但由于现场施工十分复杂，对每个透镜或反射镜要进行严格的校准和牢固的安装，系统造价昂贵，调整、测试、维修都很困难，因此实用意义不大。但这项实验对光纤通信的发展还是有贡献的，因为光纤的导光原理与透镜波导光波的原理基本相似，只是光纤导光原理的构思更巧妙、使用更合理。

5.光纤通信的诞生与迅速发展

1）光纤的产生

1933年出生于上海的英国标准电信研究所的英籍华人高锟（K.C.Kao）博士对光波通信提出了大胆的设想，他认为电可以沿着导电的金属导线远距离传输，光也能沿着可以导光的玻璃纤维传输。1966年，高锟首次提出低损耗光导纤维（简称光纤）的概念，他从理论上预言，如果能消除玻璃中的各种杂质，使光的吸收减到非常小，就可以生产出一种有实用意义的低损耗光纤。在高锟提出的理论指导下，美国康宁公司马勒博士等三人的研究小组，经过大量的研究和试验，终于在1970年8月首次研制出损耗为20dB/km(光波沿光纤传输1km后，光能损耗到原来的1%)的石英光纤。这种光纤直径很小，只有人的头发那么细，并且柔软可绕，它既克服了地下透镜波导存在的问题，又能防止大气对光波的干扰，是一种理想的传输介质。在光纤损耗获得巨大突破的同一年，美国贝尔实验室研制成功了室温下连续振荡的半导体激光器，从此为光纤通信技术的发展创造了更为有利的条件。

2）光纤通信迅速发展

1974年贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，使光纤损耗下降到1dB/km；而日本电话电报公司研制出了更低损耗的光纤，损耗下降到0.5dB/km。美国于1976年在亚特兰大成功地进行了码速为44.7Mb/s的光纤通信系统试验；日本也于同年开始了64km、32Mb/s光纤通信系统的室内试验。

1979年美国电报电话公司和日本电话电报公司研制成功了1.55μm连续振荡半导体激光器，日本研制出了0.2dB/km的极低损耗石英光纤，同时进行了1.3μm长波长光纤通信系统的试验。1980年美国标准化FT3光纤通信系统投入商用；1981年日本F[CD*2]32M和F[CD*2]100M光纤通信系统投入商用。1994年1月全球光缆敷设总长度已经达到5470km，1995年超过了18000km。我国的光纤通信也紧跟世界发展步伐，经过近30年的发展，已建成以“八纵八横”为标志的大容量光缆通信干线传输网，再考虑本地中继光缆线路和接入网光缆线路，目前我国敷设光缆总长度已经超过150万千米。30年的积累不仅打造了传输骨干体系，还为我国营造了一个巨大的光纤光缆产业规模。资料显示，2005年我国共生产、销售光缆1750万芯千米，约占全球生产量的30%，位居世界第一，已成为世界光纤光缆的主要生产基地之一。2006年，全国产销光缆达2000万芯千米。其中，长飞为460万芯千米、亨通为408万芯千米、烽火为280万芯千米，中天、通光、永鼎、奥星都达150万芯千米以上，成康、富通、汇源、特发都达100万芯千米以上。1.1.2光纤通信发展趋势

1.宽带通信业务需求激增、光纤通信向超高速系统发展

光纤产品的大规模采用成为全球宽带通信网络飞速发展的有力基础。网络的扩张又带来全球性传送业务的大增长，这些业务需求包括Internet的蓬勃发展、大量的全球数据传送，以及其他一些不断增长的先进业务。

视频娱乐节目：采用速率高达几十兆比特的数字电视，提供同实物一样大的高分辨率、3D、真彩色视频娱乐节目。可视电话：全球将有一亿以上的家庭装有带大型3D彩色屏幕的可视电话。

视频会议：通过Internet提供桌面或膝上机的一对一型或组对组型会议电视系统。

大量的、即时的、连续的全球数据传送：允许几百万大小公司以及部门内部的各个相互连接的高瑞工作站之间进行数据通信。全球网络：少数几个全球性的用户到用户通信公司将主宰全球通信市场。这种全球化的过程将通过收购、兼并、合股和新建的方式来完成，而大量地敷设陆地和海底公用（用以出租）光缆为完成这一过程奠定了基础。私营全球光网络将迅速发展。采用一个便携式收发信机，以低廉的成本，实现在任何地方、任意时间、对任何人的通信（话音、数据、图像和视频）将变得可行。

全球业务：对共同感兴趣的商务运作的合并过程将继续下去。依赖于通信的主要业务有遍布全球的生产、研发、管理和客户服务。而高带宽的、即时的通信为此打下了基础。随着远程办公形式的大量采用，知识员工的物理位置将彻底发生变化。小型办公室和家庭办公室的光纤连接将非常普遍。政府全球化：发达国家将更多地通过各种全球合作组织来协调世界经济、军事、人道主义和其他活动。这样的组织有世界贸易组织、国际货币基金会、北美自由贸易联盟、联合国以及北大西洋公约组织等。

小用户的作用上升：进入21世纪，大型企业、政府和教育机构是光纤通信市场中处于支配地位的用户。数以亿计的全球居民用户现在正拥有自己的光纤连接。竞争将使商用光纤连接更加可靠，通过各种各样的接入方式接入到大楼中去（城区光纤系统、网状／环状网络和光交换将首先采用）。网络容量的需求和传输速率的提高一直是一对主要矛盾。在过去几年中，光纤技术领域取得了大量突破性进展，其中包括10Gb/s网络的全面构建和单根光纤上每秒以太比特容量的成功演示。40Gb/s和80Gb/s网络成功演示进一步突出了速率更高、容量更大的网络优势，为各种各样的新业务，特别是宽带业务和多媒体提供了实现的可能。

2.向超大容量WDM系统的演进

光纤的200nm可用带宽资源仅利用了不到1％，99％的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，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。波分复用系统发展十分迅速。目前全球实际敷设的WDM系统已超过3000个，而实用化系统的最大容量已达320Gb。美国朗讯公司已宣布推出80个波长的WDM系统，其总容量可达200Gb或400Gb。实验室的最高水平已达到2.6Tb，预计不久商用化系统的容量即可达到1Tb的水平。近年来超大容量密集波分复用系统的发展是光纤通信发展史上的又一里程碑，不仅开发了无穷无尽的光传输链路的容量，而且也成为IP业务爆炸式发展的催化剂和下一代光传送网灵活光节点的基础。

3.实现光联网

波分复用系统技术尽管具有巨大的传输容量，但基本上是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，无疑将增加新的威力。

根据这一基本思路，光的分插复用器（OADM）和光的交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，前者已投入商用。鉴于光联网具有潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行研究，特别是美国国防部预研局（DARPA）资助了一系列光联网项目，如以Be11core为主开发的“光网技术合作计划（ONTC）”，以朗讯公司为主开发的“全光通信网”预研计划，“多波长光网络（MONET）”和“国家透明光网络（NTON）”等，在欧洲和日本，也分别有类似的光联网项目在进行。

4.新一代的光纤

传统的G.652单模光纤在适应上述超高速长距离传送网络的发展需要方面已暴露出力不从心的态势，开发新型光纤已成为开发下一代网络基础设施的重要组成部分。为了适应干线网和城域网的不同发展需要，已出现了三种不同的新型光纤，如非零色散光纤（G.655光纤）、低色散三波段光纤（G.656光纤）和无水吸收峰光纤（全波光纤）。目前影响可用波段的主要因素是1385nm附近的水吸收峰，因而若能设法消除这一水峰，则光纤的可用频谱可望大大扩展。全波光纤就是在这种形势下诞生的。

5.解决全光网瓶颈的手段——光接入网

过去几年间，网络的核心部分发生了翻天覆地的变化，无论是交换还是传输都已更新了好几代。不久以后，网络的这一部分将成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的网络。而另一方面，现存的接入网中双绞线铜线的模拟系统还有相当比例。两者在技术上的巨大反差说明接入网已确实成为制约全光网进一步发展的瓶颈。目前尽管出现了一系列解决这一瓶颈问题的技术手段，如双绞线上的XDSL系统，同轴电缆上的HFC系统，宽带无线接入系统，但这些都只能算是一些过渡性解决方案，唯一能够根本上彻底解决这一瓶颈问题的长远技术手段是光接入网的全面实现。

6.IPoverOptical

以IP业务为主的数据业务是当前世界信息业发展的主要推动力，因而，能否有效地支持IP业务已成为新技术能否有长远技术寿命的标志。

目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为IPoverATM和IPoverSDH。虽然两者各有优势，但从长远看，当IP业务量逐渐增加，需要高于2.4Gb的链路容量时，则有可能最终会省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单统一的IP网结构（IP

over

Optical）。显然，这是一种最简单直接的体系结构，省掉了中间ATM层与SDH层，简化了层次，减少了网络设备；减少了功能重叠，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂性；额外的开销最低，传输效率最高；通过业务量工程设计，可以与IP的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时；由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备，简化了网管，又采用了波分复用技术，其总成本可望比传统电路交换网降低一至二个量级。三种IP传送技术都将在电信网发展的不同时期和网络的不同部分发挥自己应有的历史作用。但从面向未来的视角看，IPoverOptical将是最具长远生命力的技术。特别是随着IP业务逐渐成为网络的主导业务后，这种对IP业务最理想的传送技术将会成为未来网络特别是骨干网的主导传送技术。

7.智能光网络新动向

随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求变得越来越大。同时，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配需求也亟待解决。因此，能够自动完成网络连接的智能光网络应运而生。

几年前，美国AT&T公司已经率先在美国全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，这个网络由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。它不仅减少了成本和指配出错机会，使运作流畅，还增加了容量，简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务，恢复时间仅为数百毫秒。新一代智能光网络由DWDM加光交换机组成，它的核心层设备是光交换机，一个设备便可以综合完成以前几个设备的功能，组网简单，维护方便。此外，智能光网络的特点是交换粒度小，并具有疏导功能，这两个特点为智能光网络实现任意级联、虚拟容量和网状恢复等奠定了基础。先进智能化光网络系统是建立全球新一代网络及通信服务的骨干，运营商可以建立一个从网络核心到边缘的智能网络。在全球电信业总体低迷的背景下，光交换是其中的一个亮点。智能光网络将成为未来几年传送网发展的重要方向和市场机遇。从上述光纤通信的几个方面的发展现状与趋势来看，光纤通信进入了又一次蓬勃发展的新高潮。而这一次发展高潮涉及的范围更广，技术更新更难，影响力和影响面也更宽，势必对整个电信网和信息业产生更加深远的影响。它的演变和发展结果将在很大程度上决定电信网和信息业的未来大格局，也将对社会经济发展产生巨大影响。 1.2光纤通信的系统构成

1977年，人们首次用多模光纤成功地进行了光纤通信试验，0.85μm波段的多模光纤成为第一代光纤通信系统。1981年使用1.30μm多模光纤的通信系统为第二代光纤通信系统。1984年实现了1.31μm单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。20世纪90年代初期，又实现了1.55μm单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率、光波放大增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。

光纤通信系统由光发送机、光接收机、光纤（光缆）和光中继器构成。光纤通信系统根据系统所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤和光接收方式的不同分成各种光纤通信系统。1.2.1光纤通信系统的分类

表1.1光纤通信系统的分类1.2.2光纤通信系统的基本组成

光纤通信系统的基本组成如图1.1所示。它由光发射端机、光纤或光缆、光中继器和光接收端机四部分组成。图1.1光纤通信系统的基本组成1.光发射端机

光发射端机是电/光转换的光端机，主要由两部分组成：驱动器和光源。光发射端机的功能是将输入的电信号转换为光信号，然后将光信号耦合到光纤或光缆中传输。

光源是光发射端机的核心，其性能好坏将对光纤通信系统产生很大的影响。目前光纤通信系统使用的光源都是由半导体材料制成的，半导体光源分为两种：发光管LED和激光管LD。半导体激光器发出的是激光，发光功率大、谱线宽度窄，但电路结构复杂，温度特性差。半导体发光二极管发出的是荧光，发光功率不大，谱线宽度宽，但电路结构简单、寿命长、价格便宜。

2.光纤或光缆

光纤作为传输媒介，作用是将发射端机光源发出的光信号，经远距离传输后耦合到接收端机的检测器，完成信息传输任务。光纤通信使用的光纤通常是由石英玻璃制成的，由纤芯和包层组成。光纤属于光波导，一般双向通信时需要两根光纤，来去方向各需要一根光纤传送光信号。光纤有许多种分类方式，按传输模式分，有多模光纤和单模光纤；按折射率分，有突变光纤和渐变光纤等等。不同种类的光纤，其传输特性也不相同。

为了保护光纤，在光纤拉丝成型的同时就在裸光纤上加了一层涂覆层，根据需要还要另加套塑。同时，为使光纤能适应各种敷设条件和各种环境，还需把光纤和其它元件组合起来制成光缆才能在实际的工程中使用。

3.光中继器

含有光中继器的光纤传输系统称为光纤中继通信。光信号在光纤中传输一定距离后，由于受到光纤衰减和色散的影响会产生能量衰减和波形失真。为保证通信质量，必须对衰减和失真达到一定程度的光信号及时进行放大和恢复，光中继器的主要作用有两个：一是补偿光的衰减；二是对波形失真的脉冲进行整形。光中继器主要由光检测器、光源和判决再生电路组成。光检测器是光中继器的接收部分；光源是发射部分；判决再生电路主要指数字通信系统，模拟系统常采用检波中继方式。

光中继器分为两大类：一类是光—电—光间接放大光中继器；另一类是全光中继器。全光中继技术是光纤通信系统的发展方向。

4.光接收端机

光接收端机主要由光电检测器和放大器组成。作用是将光纤或光缆传输来的光信号经光电检测器转变为电信号，然后将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送入接收端的电端机进行进一步的处理。

光纤通信使用的光电检测器也是由半导体材料制成的，分为PIN光电二极管和APD光电二极管两种。这两种光电二极管的主要区别是：APD光电二极管有雪崩增益，内部有光电流放大作用，有时也称雪崩光电二极管；PIN光电二极管没有增益。但APD光电二极管工作时需要较高的反向偏压，并且温度特性差，为保证输出稳定，需要对反向偏压进行控制，因此电路比较复杂。

1.3光纤通信的特点

1.信息容量巨大

通信技术的进步使电磁波谱的发掘利用扩展到光频段，光的基频为3×1014Hz，目前光纤通信的频率范围为1.67～3.75×1014Hz，对应的波长范围是0.8～1.7μm，属于近红外光区。而从长波开始，包括微波在内直至毫米波的整个电通信可利用的电磁波谱仅为3×1011Hz，所以用光作载频其理论频带极其宽广，这是光纤通信优于其它通信方式的最显著特点。以光波长为例：光波长（λ）×光频（v）=光速（c）当λ=1550nm时，v=c/λ=(3×1014μm/s)/(1.55μm)≈2×1014/s如果使用十五分之一的波段，即0.1μm的波长宽度，对应的频带宽度∣△v∣=∣-c△λ/λ2∣ =（3×1014μm/s×0.1μm）/（1.55μm）2 ≈1.2×1013Hz若按4kHz一个模拟音频话路所需要的带宽计算，则可以传输3×109个模拟话路；若按32kHz一个数字音频话路所需要的带宽计算，则可以传输3.75×108个数字话路。

数字通信通信质量好，抗干扰能力强，但数字通信占用的频带较模拟通信宽得多，载波电话（模拟通信）一路带宽4kHz，而一路64kb/s的PCM数字话路至少需要带宽32kHz，占用了8个模拟话路。光纤的出现正好适应了数字通信的这一特点，目前多模光纤的带宽可以达到1～3GHz·km，单模光纤的带宽可以达到THz量级，远超过了电缆的最高传输带宽。因此，不论是从可利用的光波频段来讲，还是就光纤自身的带宽而言，光纤通信可以利用的频带比任何其他通信方式都宽得多，通信容量非常大，特别适合高速率的数字通信。现在光纤通信使用的频率为1014～1015Hz数量级，如图1.2所示，比常用的微波频率高104～105倍，因而信息容量原则上比微波高出104～105倍。光纤可利用的带宽约为50000GHz，频带宽，对于传输各种宽频带信息具有十分重要的意义，否则无法满足未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)发展的需要。现代社会的发展要求通信网传输由高码率的数字音频信号、高速成批数据信号、宽带数字电视信号等组成的信息流时，只有光纤能够担当“信息高速公路”重任。

2.衰耗极低、传输距离长

光纤的传输损耗比长途电缆、同轴电缆、毫米波导管等任何一种线路都低，如图1.2所示，目前单模光纤在1.3μm窗口的衰耗约为0.35dB/km，1.55μm窗口的衰耗达0.2dB/km，与其相比，同轴电缆对60MHz信号的衰耗为19dB/km，市话电缆对4MHz信号的衰耗为20dB/km。图1.2各种传输介质损耗特性的比较光纤不仅衰耗小，而且损耗的频率特性好，光纤传输的机理与电缆有本质区别，要想降低传输损耗，只要尽量降低玻璃中的杂质含量，尽量准确安排光纤横截面的折射率分布就可以了，损耗与光纤横截面的尺寸几乎没有关系，不像电缆那样横截面越小，损耗越大。降低电缆传输损耗的主要方法是减少电阻，减少线间电容，这就意味着增加导体的结构尺寸，增加成本，即使这样也还是不能解决“损耗与传输信号频率的平方根成比例增大”的问题。因为电缆损耗特性除了与横截面有关外，还是频率的增函数，对于信号来说，高频成分和低频成分损耗不同使信号失真，要加线路均衡；对于载波来说，工作频率越高，损耗越大，使传输距离（也称中继距离）越短。10800路载波电话通信或400Mb/s数字通信的中同轴电缆每隔1.6km就得设立中继站。在电缆通信中，通信容量与中继距离是不可调和的矛盾。利用光纤的低衰耗则可以拉长中继距离，例如中同轴电缆在传送400Mb/s信号（10800路电话）时中继距离仅1.6km，而光缆在传送565Mb/s信号时，中继距离可达60km，而且不需进行精密均衡。光纤的损耗低，由石英光纤组成的光纤通信系统最大中继距离可达约200千米，由非石英系极低损耗光纤组成的通信系统，其最大中继距离则可达数千甚至数万千米，这对于进行长途传输，特别是越洋通信来讲，对降低海底通信的成本、提高可靠性和稳定性具有特别重要的意义。光纤通信所能达到的大容量和长中继距离水平在电缆通信中是不可能做到的。

3.不受电磁干扰影响、信号串扰小，保密性能好

光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰，还可用它与高压输电线平行架设或与电力导体复合构成复合光缆。电缆是电的良导体，故电磁感应既有外部的也有内部的。在电缆内部，相邻芯线之间电磁场的互相耦合使之可能会产生严重的串话，不管采取多么复杂的绞扭措施也不能完全消除，这种芯线周围的电磁场还使电缆通信很容易被窃听。电缆的外部感应更为严重，自然界的雷电、高压输电线，甚至无线电广播的电磁场都可能对电缆中的信号产生明显的影响，为了消除外部的电磁干扰，金属电缆常配有笨重而昂贵的金属屏蔽层。光纤是由玻璃制成的，材料的特性使光纤又拥有了一系列的优点：光纤不导电、不导磁，没有电磁感应；光纤的绝缘特性使它对外部电场的干扰“无动于衷”，这对于电气铁道和电力线等强电场附近的通信极为有利；又由于光纤包层以外还有涂覆层，纤芯内传播的光局限于光纤之中，基本不会向外逸出，光缆的周围基本上没有信息能量，在这种情况下，一方面同一根光缆中相邻的各根光纤几乎没有串话现象，另一方面，要想像电通信那样在光纤周围窃听光纤通信的内容几乎是不可能的，若采用光耦合的方法窃听，光端机马上就可以感觉到光能量的减少，并能用仪器测出耦合地点，因此，光纤通信保密性好；同时，光纤中的信号传输没有大地回路，因而不受大地电流或电位差的影响，不会因为短路而损坏两端的设备；光纤不会产生电火花，在易燃、易爆的场所使用比较安全；特别是和金属相比，光纤的耐腐蚀、耐潮湿的能力要更强一些，甚至还能经受核辐射的考验。

4.节约有色金属

光纤由于材料特点带来的最大好处是可以大量节约有色金属。光纤的原材料资源丰富，其材料主要是石英(二氧化硅)，地球上有取之不尽用之不竭的原材料，而电缆的主要材料是铜，世界上铜的储藏量却并不多，因此，用光纤取代电缆可节约大量的金属材料，具有合理使用地球资源的重大意义。制造100km长的中同轴电缆需要12t铜、50t铝，如果全世界每家都用上电缆传输的电视、电话，即使把地球上所有的铜矿都开采出来，也不足以制造所需要的同轴电缆。而拉制100km长的光纤，只需要1kg高纯度的石英玻璃。另外，制造光纤所必需的能源消耗，与一般的金属电缆相比，估计要低两个数量级左右。光纤通信与传统的通信方式相比，可节省大量铜、铝等金属材料，有利于降低通信系统的成本。从节约能源、资源的角度看，光纤的这个优点是根本性的优点。另外，由于光缆大大延长中继距离而节约的中继设备的费用也是十分可观的。

5.尺寸小、重量轻，便于敷设和运输

光纤的芯径约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的1%；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。反过来，如果允许光缆和电缆一样粗细，则光缆中可容纳的芯线数目要多得多。利用光纤这一特点，使传输系统所占空间小，解决地下管道拥挤的问题，节约地下管道建设投资。此外，光纤的重量轻，光缆的重量比电缆轻得多，例如18管同轴电缆1m的重量为11kg，而同等容量的光缆1m重量只有90g，这对于在飞机、宇宙飞船和人造卫星上使用光纤通信更具有重要意义。另外，表面涂覆的光纤可绕性好，弯曲成直径数毫米的小圈也不至于折断，光纤柔软可绕，容易成束，能得到直径小的高密度光缆。

光纤重量轻、可绕性好，使得运输和敷设都比较方便。这些特点使它不仅适用于公用通信，在军事通信中也极为适用，如导弹、舰船、飞机、潜艇通信控制系统等。 1.4光纤通信新技术

1.4.1相干光通信

相干光通信系统可以把光频段划分为许多频道，从而使光频段得到充分利用，即多信道光纤通信。我们知道无线电技术中相干通信具有接收灵敏度高的优点，相干光通信技术同样具有这个特点，该技术的接收灵敏度可比直接检测技术高18dB。同时，相干光接收机可以采用如同外差收音机那样，在其内部设置一台本地激光器，稍微改变本地激光器的光频，就可改变所选择的信道。早期，研究相干光通信时要求采用保偏光纤作传输介质，因为光信号在常规光纤线路中传输时其相位和偏振面会随机变化，要保持光信号的相位、偏振面不变就需要采用保偏光纤。但是后来发现，光信号在常规光纤中传输时，其相位和偏振面的变化是慢变化，可以通过接收机内用偏振控制器来纠正，因此仍然可以用常规光纤进行相干通信，这个发现使相干光通信的前景呈现光明。

与强度调制—直接检测系统不同，相干光纤通信系统在光接收机中增加了外差或零差接收所需的本地振荡光源，该光源输出的光波与接收到的已调光波在满足匹配条件下，进行光电混频。其中，发射端的光匹配器是保证从光调制器输出的已调光波的空间复数幅度分布和单模光纤中的基模HE11之间有尽可能好的匹配，以及已调光波的偏振状态和单模光纤中的本征偏振状态相匹配。接收端的光匹配器是为了达到光混频器最大可能的混频效率而使接收的光复数振幅和偏振与本振光波相匹配。混频后输出的信号光波场强和本振光波场强之和的平方成正比，从中可选出本振光波与信号光波的差频信号。由于该差频信号的变化规律与信号光波的变化规律相同，而不像直接检波通信方式那样，检测电流只反映光波的强度，因而，可以实现幅度、频率、相位和偏振等各种调制方式。根据本振光波的频率与信号光波的频率是否相等可以将相干光通信系统分为两类：当本振光频率和信号光频率之差为一非零值时，该系统称为外差接收系统；当本振光波的频率和相位与信号光波的频率和相位相同时，称为零差接收系统。但不管采用何种接收方式，其根本点是外差检测。外差检测相干光通信经光电检波器获得的是中频信号，中频信号还需二次解调才能被转换成基带信号。根据中频信号的解调方式不同，外差检测又分为同步解调和包络解调。外差同步解调中，探测器上输出的中频信号通过一个中频带滤波器后分成两路，其中一路用作中频载频恢复，恢复出的中频载波与另一路中频信号进行混频，再由低通滤波器输出基带信号。外差包络解调是在包络检测器后接一个低通滤波器而直接检测出基带信号。外差检测相干光通信不要求本振光与信号光之间的相位锁定和光频率严格匹配。零差检测相干光通信，光信号经光电检波器后被直接转换成基带信号，而不用二次解调，但它要求本振光频率与信号光频率严格匹配，并且要求本振光与信号光的相位锁定。相干光通信充分利用了相干通信方式具有的混频增益、出色的信道选择性及可调性等特点。与IM[CD*2]DD系统相比，具有以下独特的优点：

(1)灵敏度高，中继距离长。

(2)选择性好，通信容量大。

(3)可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应。

(4)具有多种调制方式。相干光通信近年来得到迅速的发展，特别是对于超长波长(2～10μm)光纤通信来说，相干光通信最具吸引力。因为在超长波段，由瑞利散射决定的光纤固有损耗将进一步大幅度降低(瑞利散射损耗与1/λ4成正比)，故从理论上讲，在超长波段可实现光纤跨洋无中继通信。而在超长波段，直接探测接收机的性能很差，于是相干探测方式自然而然地成为唯一的选择了。而且，利用相干检测的调谐选择性，将大大提高光纤网络的功能和灵活性，在本地网和多用户接入网中有着广泛的应用前景。相干光通信技术与光波分复用、副载波复用、光放大技术的密切结合与互相渗透，将使光纤通信在技术上发生根本变化。1.4.2光孤子通信

孤子（Soliton）又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲（其宽度在皮秒级），或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。孤子与其他同类孤立波相遇后，能维持其幅度、形状和速度不变，好像粒子一样，故人们又把它称为孤立子。孤子这个名词首先是在物理的流体力学中提出来的。1834年，美国科学家约翰·斯科特·罗素观察到这样一个现象：在一条窄河道中，迅速拉一条船前进，当船突然停下时，在船头形成的一个孤立的水波迅速离开船头，以每小时14～15km的速度前进，而波的形状不变，前进了2～3km才消失，而且两个相向而行的孤立波相遇后仍保持原有状态，因此他称这个波为孤立波。

1895年，卡维特等人对此进行了进一步研究，使人们对孤子有了更清楚的认识，并先后发现了声孤子、电孤子和光孤子等现象。它们都能始终保持其波形和速度不变。由于孤子具有这种特殊性质，因而它在等离子物理学、高能电磁学、流体力学和非线性光学中得到广泛的应用。

1973年，孤立波的观点开始引入到光纤传输中。光纤的色散使得不同频率的光波以不同的速度传播，这样，同时出发的光脉冲，由于频率不同，传输速度就不同，到达终点的时间也就不同，这便形成脉冲展宽，使得信号畸变失真。而光纤中还有一种非线性特性，它使脉冲受到压缩变窄。如果使折射率的非线性变化与群色散效应相平衡，光脉冲会形成一种基本孤子，在反常色散区稳定传输。由此，逐渐产生了新的电磁理论——光孤子理论，从而把通信引向非线性光纤孤子传输系统这一新领域。光孤子就是这种能在光纤中传播的长时间保持形态、幅度和速度不变的光脉冲。利用光孤子特性可以实现超长距离、超大容量的光通信。一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽展宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。根据理论分析，光孤子在光纤中传输时，尽管各种波长的光波传输速度各不相同，但它们能够以统一整体的状态前进，而且脉冲的宽度不会改变，这样就确保了传输质量。光孤子通信是一种全光非线性通信方案，它完全摆脱了光纤色散对传输速率和通信容量的限制，其传输容量比当今最好的通信系统高出1～2个数量级，中继距离可达几百千米，被认为是最有发展前途的传输方式之一。1.4.3全光通信网

随着社会的进步，大容量新业务不断涌现，人们对信息量的需求也不断增加，从而使高速带宽综合业务网络成为通信网的发展趋势。但未来的网络技术到底应该采取[JP2]ATM机制、SDH机制还是基于WDM的全光网技术呢？目前串行电信号传输速率上限为40Gb/s，而一根光纤的容量是150THz。由于受器件工作上限速率40GHz的限制，难以完成高速宽带综合业务的传送和交换处理，会出现带宽“瓶颈”，为了克服电子器件的“瓶颈”，提出了基于WDM的全光网技术。全光网（AON）的概念是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使用高可靠性、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（OXC）。在全光网络中，由于不需要电信号的处理，因而允许存在各种不同的协议和编码形式，对信号的传输具有透明性。在全光网中，高性能路由器通过光分插复用器OADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，光纤内各波长是链路层互连的。高性能路由器取代传统的基于电路交换概念的ATM和SONET/SDH电交换与复用设备，成为关键的统计复用设备，用作主要的交换/选路设备，由它控制波长接入、交换、选路和保护。因此，全光网是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作为旁路或直通连接，网络的业务工程（trafficengineering）可以只在IP层完成。它具备更强的可管理性、灵活性、透明性，与传统通信网和现行的光通信系统相比，它具有以下多种优点：（1）可提供更大的带宽，因为全光网对信号的交换都在光域内进行，可最大限度地利用光纤的传输容量。

（2）具有传输透明性，由于采用的光路交换以波长来选择路由，因此对传码率、数据格式以及调制方式具有透明性，即对信号形式无限制，允许采用不同的速率和协议。

（3）全光网比铜线或无线组成的网络具有更高的处理速度和更低的误码率。

（4）具有良好的兼容性，不仅可以与现有的通信网络兼容，而且还可以支持未来的宽带综合业务数字网以及网络的升级。（5）具备良好的扩展性能，网络可同时扩展用户、容量和种类，新节点的加入并不会影响原来网络结构和原有各节点设备。

（6）具备可重构性，可以根据通信容量的要求，动态地改变网络结构，可进行恢复、建立、拆除光波长的连接。

（7）由于采用了较多无源器件，省去了庞大的光/电/光转换的设备及工作，可大幅提升网络整体的交换速度，提高可靠性。全光通信网由内部全光网部分和通用网络控制部分组成，内部全光网是透明的，能容纳多种业务格式，网络节点可以通过选择合适的波长进行透明的发送或从别的节点处接收。通过对波长路由的光交叉设备进行适当配置，透明光传输可以扩展到更大的距离。外部控制部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配，以满足通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络。

全光网整体上由核心网、城域网和接入网三级组成，主要设备有波分复用系统、光放大器、光分插复用器和光交叉连接设备，基本拓扑结构有星形网、总线网和树状网三种。目前，关于全光网络的规范性结构尚未统一，但世界上有一些国家，如美国、德国、法国等已提出了自己的全光网络规划。它们的基本结构大体一致，可以分为光网络层和电网络层。光网络层（光链路相连的部分）采用了WDM技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各节点之间采用OXC，以实现多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路与宽带网络用户接口和局域网（LAN）相连。

电网络层中的ADM为分插复用器，它能够把高速STM-N光信号直接分解成各种PDH支路信号，或作为STM-1信号的复用器，它的速率可选STM-1、STM-4或STM-16。DXC相当于自动数字配线架的数字交叉连接设备，它可以对各种端口速率（PDH或SDH）进行可控的连接和再连接，所谓交叉连接也是一种“交换功能”，电网络层中有各种电子交换，从程控交换（如PABX）、ATM交换（如视频、数据信号的交换）到未来的某种交换（如图像、多媒体信号的交换）均属于交叉连接的范畴。全光通信的实现可以分为两个阶段来完成：首先是在点-点光纤传输系统中，整条线路中间不需要作任何光/电和电/光的转换，这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件速率难以提高的困难，这样的长距离传输完全靠光波沿光纤传播，称为发端与收端间点-点全光传输，那么整个光纤通信网任一用户地点应该可以设法做到与任一其他用户地点实现全光传输，这样就组成全光传送网；其次是在完成上述用户间全程光传送网后，有不少的信号处理、储存、交换，以及多路复用/分接、进网/出网等功能都要由电子技术转变成光子技术完成，整个通信网将由光实现传输以外的许多重要功能，完成端到端的光传输、交换和处理等，这就形成了全光通信发展的第二阶段，将是更完整的全光通信。第2章通信光纤与光缆2.1光纤的结构和分类2.2光纤的导光原理2.3光纤的传输特性2.4单模光纤和多模光纤2.5光缆的结构与分类2.6光缆的型号与标志 2.1光纤的结构和分类

2.1.1光纤的结构

光纤是用玻璃预制棒拉制成的玻璃丝，由纤芯和包层组成，其形状为圆柱体，如图2.1所示。图中中心部分为纤芯，其直径为5～75μm；纤芯外面的部分为包层，包层的直径为100～150μm。纤芯和包层的主要材料都是石英玻璃，即二氧化硅（SiO2）。纤芯的作用是传输光波，包层的作用是将光波封闭在纤芯中。为了只让光波在纤芯中传输，需要使纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。为此，在纤芯中掺入了少量的比石英折射率稍高的材料，如二氧化锗（GeO2），五氧化二磷（P2O5）；在包层中掺入了少量的比石英折射率稍低的材料，如三氧化二硼（B2O3）、氟（F）。图2.1光纤的结构由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤。由于裸光纤较脆、易断，为了保护光纤表面，提高光纤的抗拉强度以及便于使用，一般需在裸光纤外面进行二次涂抹覆盖而形成光纤芯线，光纤芯线的横断面如图2.2所示。图中，包层外面很薄一层的涂覆层称为一次涂覆，其厚度一般为30～150μm，所用材料为硅树脂或聚氨基甲酸乙脂；一次涂覆的外面为套塑，套塑称为“二次涂覆”或“被覆”，套塑的材料多为聚乙烯或聚丙烯塑料、尼龙等。图2.2光纤芯线的横断面2.1.2光纤的种类

光纤的种类很多，可以用不同的方法进行分类。

1.按照制成光纤的材料分类

按照制成光纤的材料不同来划分有石英光纤、多组分玻璃光纤、液态光纤和塑料光纤。目前使用最普遍的是石英系列光纤。

2.按照光纤纤芯的折射率分布分类

按照光纤纤芯的折射率分布来划分，光纤分为突变型光纤、渐变型光纤和W型光纤。

突变型光纤的纤芯折射率n1是均匀不变的，包层的折射率为n2，在纤芯和包层的界面上折射率发生突变，如图2.3（a）所示，图中，2a、2b分别为纤芯和包层的直径。突变型光纤又可形象地称为“阶跃型光纤”。

渐变型光纤的纤芯折射率在轴心处最大，而在光纤的横截面内沿半径方向折射率逐渐减小，到了纤芯和包层的截面降至包层的折射率n2，其折射率分布如图2.3（b）所示。渐变型光纤由于制造上的特点，又可称为“梯度型光纤”。

W型光纤的折射率分布如图2.3（c）所示，它是在纤芯与包层之间设一缓冲层，纤芯的折射率最高为n1，缓冲层的折射率最低为n3，而包层的折射率n2介于二者之间。

目前广泛使用的是突变型光纤和渐变型光纤。图2.3光纤的折射率剖面分布

（a）突变型光纤；（b）渐变型光纤；（c）W型光纤

3.按用途分类

按照光纤用途划分为传输光纤和有源光纤。有源光纤是光纤放大器和光纤激光器的激光介质，它与作为光通信的传输光纤（又称光导纤维）的主要区别是有源光纤的纤芯中掺入了数百个10-6单位的稀土元素Er3++（铒）。Er3++在合适的泵浦作用下受激跃迁，使光信号获得放大。传输光纤芯层中掺有少量的Ge+4则是为了提高芯层的折射率。

4.按照光纤传输模式分类

按照光纤中传输的模式数划分，光纤分为单模光纤和多模光纤。所谓模式，简单说来就是电磁场在光纤中的分布方式，模式不同，其分布不同。

当光纤纤芯中只有一种模式传输时，这种光纤叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，一般在10μm以下。

当光纤纤芯中有多个模式传输时，这种光纤叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较大，约为50～75μm。

5.按照波长分类

按照波长分类则可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。目前主要使用1.55μm的长波长光纤。

目前在通信上使用的光纤主要有：突变型多模光纤（SIF）、渐变型多模光纤（GIF）和单模光纤（SMF）三种，如图2.4所示。三种光纤的主要区别如表2.1所示。图2.4三种常用光纤

(a)SIF光纤；(b)GIF光纤；(c)SMF光纤表2.1三种光纤的主要区别2.1.3光纤的结构参数

光纤是由纤芯和包层组成的，理想的光纤其纤芯和包层为同轴心的均匀圆柱体，其横断面如图2.5（a）所示，在这种情况下，光纤的纤芯直径（芯径）和包层直径（外径）可用其横断面圆的直径来表示。由于实际的光纤并不理想，总存在一点偏差，如纤芯与包层不同心、不是均匀的圆柱体等，因此对于实际的光纤，除芯径、外径之外，有必要再确定结构参数，如非圆率、偏心率等，这些参数对估算和评价光纤接续损耗都有着重要的作用。图2.5光纤的横断面

（a）理想光纤；（b）实际光纤如图2.5（b）所示，光纤的芯径一般用纤芯的最小直径dmin和最大直径dmax的平均值表示，即

平均芯径(2－1)光纤的外径是用包层的最小直径Dmin和最大直径Dmax的平均值表示的，即平均外径(2－2)由于实际光纤的纤芯与包层并不是理想的圆柱体，故将纤芯非圆率定义为纤芯的最大直径和最小直径之差与芯径的比值，即

纤芯非圆率(2－3)而包层的非圆率定义为包层的最大直径和最小直径之差与外径的比值，即包层非圆率(2－4)显然，纤芯（或包层）非圆率的数值越小越好。偏心率是表示纤芯与包层两圆心偏差大小的一个参数，其定义为纤芯的圆心和包层的圆心之间的距离x与芯径d的比值，即

偏心率(2－5) 2.2光纤的导光原理

2.2.1光的反射与折射

由物理光学可知，光在均匀介质中是沿直线传播的。但是当光射到两种不同介质的交界面时，将产生反射和折射，如图2.6所示。一部分光线沿OB方向反射回介质1中，一部分光线沿OC方向折射进入介质2。反射光线和折射光线分别服从反射定律和折射定律。图2.6光的反射和折射

1.反射定律和折射定律

反射定律是指反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧，反射角i1′等于入射角i1，即（2－6）或（2－7）2.光密介质和光疏介质

介质的折射率表示介质的传光能力。某一介质的折射率n等于光在真空中的传播速度c与在该介质中的传播速度v之比，即（2－8）由式（2－8）可知，折射率不同，光在介质中的传播速度也不同。折射率越大，光在该介质中的传播速度越小。相对来说，传光速度大（折射率小）的介质称为光疏介质；传光速度小（折射率大）的介质称为光密介质。

3.光的全反射

当光线从光密介质射入光疏介质时，由于n1>n2，根据折射定律，折射角i2将大于入射角i1，且当入射角i1增大时，折射角i2也随之增大，如图2.7（a）所示。

当入射角继续增大至ic时，折射角i2=90°，此时折射光线不再进入介质2中，而在界面掠射，如图2.7（b）所示。使折射角变为90°的入射角ic称为临界面，根据折射定律有（2－9）如果入射角大于临界角，光线就不会折射进入介质2，而是全部反射回介质1中，产生全反射，如图2.7（c）所示。图2.7光的全反射综上所述，产生全反射必须满足两个条件，即：

（1）光线从光密介质射向光疏介质。

（2）入射角大于临射角。2.2.2光在光纤中的传播

下面以射线光学的方法简单而直观地介绍光在光纤中的导光原理。光信号在突变型光纤中的传播如图2.8所示。突变型光纤的纤芯和包层部分的折射率都是均匀分布的。纤芯的折射率n1大于包层的折射率n2。图上画出了三条在同一子午面上的光线，从空气中在光纤轴线处以不同的入射角射向光纤的端面。三条光线在空气—纤芯分界面处发生折射，它们的入射角i0和折射角i遵守折射定律，即nosini0=n1sini图2.8光信号在突变型光纤中的传播由全反射条件n1sinic=n2

定义由于实际光纤芯层与包层的折射率相差并不大，因此（2－10）根据折射定律，便可写出（2－11）上式中的Δ称为光纤的相对折射率差，NA称为光纤的数值孔径。数值孔径NA只与突变型光纤的纤芯的折射率以及纤芯与包层的折射率差相关，所以数值孔径本质上反映的是光纤的导光性能。图2.9光在渐变型光纤中的传播2.2.3光在光纤中的传播模式

按照光的波动理论，光波是波长介于紫外至红外区的电磁波。光波的模式是电磁场的一种场型。场型是指电场、磁场强度的振幅在空间的稳定分布。避开复杂的数学分析和波动理论的严格推导，在射线、光线知识的基础上，引入光波的传播常数和相移常数的概念，通过比较直观的叙述，导出光纤的截止频率的表示式，说明单模和多模光纤的区别。无论突变型光纤还是渐变型光纤，凡是在in圆锥角内入射的光线都满足全反射条件，不会出现折射逸出。这些反射光线还必须满足一定的相位关系才能成为光纤中的传导模式。我们把这种光线在纤芯与包层界面上来回反射的曲折传播看成沿轴线方向的向前传播和上下界面来回反射的合成。根据光波的干涉理论，光波在两个界面间来回反射时只有当它来回一个周期引入的相移为2π的整数倍时，这样的光波在两界面间才能形成稳定的场型，即成为一种模式。由发送端射入光纤端面只能有一束光线时称为单模光纤，由发送端同时射入光纤端面可以有多束光线时称为多模光纤。多模光纤包括高次模、低次模、基模。光纤中容纳模式数量用N表示，它与光纤结构参数有关。定义（2－12）为归一化频率，它是表征光纤中允许传播模式多少的一个参量。对于圆柱形光纤波导，当V<2.405时为单模光纤，当V>2.405时为多模光纤。这里需要指出，单模光纤和多模光纤只是一个相对的概念。判断一根光纤是不是单模的，除了其本身的结构参数外，还与信号光的波长有关。例如一根芯径为9μm，n1=

1.463，n2=1.460的光纤，运用上式在不同λ值下计算其归一化的频率。λ=1.30μm时，得出V=2.36<2.405，因而它是单模光纤；当λ=1.2μm时，算出V=2.56>2.405，同一根光纤在较短波长下工作就变成多模光纤了。仍使用上述n1、n2值可计算出光纤的数值孔径为NA=0.108，此值对应的全反射临界角已达86°，可以认为能够在单模光纤上传播的光线基本上是与光纤轴线平行的。 2.3光纤的传输特性

2.3.1光纤的衰减特性

1.固有衰减

固有衰减是光纤材料本身所决定的衰减，它由吸收衰减和散射衰减两部分组成。

1）吸收衰减

吸收衰减是光波沿光纤传输时，光纤材料吸收传输的光能所造成的衰减。吸收衰减又分为杂质吸收和材料的本征吸收。（2）材料的本征吸收（或称固有吸收）。假设原材料提纯达到不含任何杂质的纯洁程度，材料本身对光能也存在本征吸收。本征吸收衰减主要产生在紫外线和红外线两个波段。紫外波段吸收是光纤材料在紫外波段电子跃迁产生的；红外波段吸收是光纤材料在红外波段材料的分子振动而产生的。近红外与可见光波段，纯净材料不产生吸收衰减。

2）散射衰减

光波在光纤内传输时，部分光线在光折射率变化或材料不连续点处变更了传输方向，这种现象称散射。因散射光的方向极为散乱，使部分光线不能传输到终端，从而造成了传输光波的光能损耗，称为散射衰减。石英光纤的散射主要是瑞利散射、结构不完善散射和波导散射。

（1）瑞利散射，又称分子散射。它是由于在比光波波长还要小的范围内，折射率分布变化而产生的散射。光纤材料在加热熔融过程中，由于热骚动使得光纤材料密度不均匀（不均匀微粒的大小小于光波波长），造成了折射率分布的变化。光纤固化时，将这种变化固定下来。光信号传输时，将产生瑞利散射。瑞利散射是光纤固有的，不能清除，可看做是石英光纤基本衰减的下限。瑞利散射的特点是散射光几乎是全方向的，各方向的光强度几乎相同。瑞利散射所造成的光纤衰减常数可用下式计算：(2－13)式中：k是波尔茨曼常数；T是固化温度（K）；β是材料等温压缩率；n是折射率；λ是传输光波波长；P是光弹性常数。对已制成的光纤，当传输光波长确定后，其他参数均为已知，衰减便可计算。由式（2－13）看出，瑞利散射衰减与波长λ的四次方成反比，随着波长增加，瑞利散射衰减迅速降低。对含杂质极小的光纤来说，在波长0.4～1.0μm范围内，瑞利散射影响较大，当波长超过1μm后，瑞利散射的衰减值极小。因此，人们正在发展和运用长波长（1.3～1.55μm）半导体激光器和石英单模光缆通信系统。（2）结构不完善散射。光纤在制造过程中，由于制造工艺不完善或环境不洁，致使光纤中含有气泡、杂质或是使纤芯和包层的界面粗糙而波动起伏，这种结构缺陷而造成的散射叫结构不完善散射。克服结构不完善散射的措施是，选择合理工艺、净化操作环境、仔细筛选原材料等。（3）波导散射。光纤在拉丝过程中，由于拉力不均匀等原因，造成粗细不均，结构尺寸发生偏差，截面形状沿着光纤长度发生变化，光波传输到这些地方时，会产生散射，使部分能量辐射出去，增加了光纤的传输衰减。这种结构尺寸偏差引起的散射称为波导散射。波导散射可通过改善加工工艺，严格控制光纤芯来解决。

由吸收和散射衰减分析可知，这两种衰减是材料和结构本身引起的。因此，通过提纯原材料和改善制造工艺可以减小这些衰减，但不能下降为零。这是材料固有的特性，与金属导线的固有衰减相类似。

2.附加衰减

附加衰减是光纤在使用过程中产生的。主要包括弯曲辐射衰减、包层和套层衰减、耦合衰减和接续衰减。

1）弯曲辐射衰减

前面分析的是光波在准直光纤中传播的原理。现在来讨论光纤弯曲状态下（即弯曲半径超过允许值）光线的传输情况。

弯曲的光纤仍然可以导光。光线传输到光纤的弯曲部分后，光线在界面处的入射角将发生变化，部分光线产生辐射透入包层甚至空气中，如图2.10所示，从而增加传输衰减，这种因光纤弯曲造成的附加衰减称弯曲辐射衰减。图2.10由弯曲产生辐射光线弯曲辐射衰减与光纤的弯曲半径R有关，最小弯曲半径Rmin可用下式表示：（2－14）式中：a是纤芯半径（μm）；a2是由玻璃折射率分布而给定的弯曲常数（1/mm2）。例如，当a=50μm，a2=0.5/mm2，则Rmin=8cm。当弯曲半径小于最小弯曲半径时，弯曲辐射衰减可能会很大；当弯曲半径大于最小弯曲半径时，弯曲辐射衰减则可以忽略不计。因此分析计算光纤最小弯曲半径，这对光缆制造和施工都是极为有利的。

2）包层和套层衰减

光在光纤中传输时，将有部分光能透入包层和套层，造成光能损耗，叫做包层和套层衰减。

另外需要说明的是，若光线透过包层、套层进入周围空间时，这部分光线还有可能进入邻近光纤，使光纤间产生串扰。为避免这种影响，在制造光纤时，包层和套层厚度均应适当增厚。

3）耦合衰减和接续衰减

这种衰减是光纤与光源、接收器以及光纤之间造成的，只要改善耦合方法和提高改进光纤接续工艺就能减小。

综上所述，光纤传输衰减是各项衰减的总和。光纤制造技术越高，杂质吸收和结构不完善造成的衰减越小。光纤使用技术越高，附加衰减就越小。

3.光纤传输衰减的频率特性

不同波长的光波，在光纤中传输时传输衰减不同。因此，上述的光纤传输衰减是指在某一波长上的衰减。光纤传输衰减随波长的变化关系称为光纤衰减的频率（或波长）特性，它是光纤传输中的主要特性之一。

典型的光纤衰减频率特性如图2.11所示。图2.11光纤衰减频率特性图2.12长波长低衰减光纤衰减特性由上看出，提高和改进光纤制作工艺、降低杂质、降低（OH）-1含量，将改变光纤衰减特性。目前，光纤衰减已经可以做到很低，并且将会进一步降低，从理论上讲它的衰减可降低至10-2～10-5dB/km。因此，大容量长距离光纤系统的采用，要求光纤带宽愈宽愈佳。2.3.2光纤的色散特性

色散是光纤的又一个重要参数。光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信距离。在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对光纤通信的影响就显得更为突出。降低光纤的色散，对增加通信容量、延长通信距离、发展新型光纤通信技术都是至关重要的。

1.色散的原因

为了解光纤色散，需要知道送进光纤中的信号结构。首先，送进光纤的并不是单色光。这由两方面的原因引起：一是光源发出的光并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。

实际光源发出的光不是单色的（或单频的），而是在一定的波长范围内。这个范围通常是光源的线宽或谱宽。图2.13表示了光源的归一化输出功率随波长的变化。一般认为光功率降低为峰值的一半所对应的波长范围即为光源的线宽或谱宽。线宽既可用波长范围Δλ表示，也可用频率范围Δf表示。它们的关系为式中：λ、f分别是光源的中心波长和中心频率。图2.13光源的谱宽表2.2典型光源的线宽

通信中常用的光源是半导体发光二极管LED和半导体激光二极管LD，在高码速光纤通信和光纤有线电视（CATV）系统中常用DFB半导体激光器。可以看出，LD的相干性优于LED，而DFB又优于普通的LD。

在对光源进行调制时，可以认为信号是按照同样的方式对光源谱线中的每一分量进行调制的。一般调制带宽比光源窄得多，因而可以认为光源的线宽即已调信号带宽，但对高码速及线宽极窄的光源，这一概念就不准确了。送到光纤中去的就是这样一个调制了的波谱。如是单模光纤它将发出基模；如是多模光纤，则激发出大量模式。可以看出，光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式成分构成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复杂的色散现象。光的色散现象在日光通过棱镜而形成按红橙黄绿蓝靛紫顺序排列的色谱例子中看得很明显。这是由于棱镜材料对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射指数n不同，从而使光的传播速度不同而引起的，这就是光的材料色散。光纤中的类似现象借用了“色散”这一类术语。

2.光纤的色散分类

由不同模式或不同频率（或波长）成分组成的光信号，在光纤中传输时，由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。

光纤的色散分为模式色散（或模间畸变）、材料色散以及波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散，也称模内色散。

2．光纤的色散分类

由不同模式或不同频率（或波长）成分组成的光信号，在光纤中传输时，由于群速度不同而引起信号畸变的物理现象称为光纤的色散。

光纤的色散分为模式色散（或模间畸变）、材料色散以及波导色散。后两种色散是某一模式本身的色散，也称模内色散。

1）模式色散

模式色散是输入信号不是单一模式引起的。从光波在突变型光纤中的传输可知，不同模式具有不同的传播路程，当光信号沿光纤传输时，各模式不能同时到达终端，产生时延差，通常称为模式色散。突变型多模光纤的模式色散可由图2.14看出，由发送端同时射入光纤端面的各光线，高次模传输到终端路程最长，所需时间也最长；低次模次之；而基模传播的路程最短，所用时间也最短。各次模传输到终端后，最高次模与基模在同一光纤长度上产生了时间差，这种时间差也称时延差，色散的大小可用时延差表示。模式色散产生的脉冲展宽如图2.15所示。模式色散一般用τm表示，对于突变型多模光纤最高次模与基模间产生的时延差则用τt表示（2－15）图2.14光纤传输模式示意图图2.15模式色散产生的脉冲展宽对于渐变型多模光纤，最高次模（途径接触纤芯与包层界面）与基模（途径与纤轴重合）之间的时延差则用τj表示（2－16）比较式（2－15）和式（2－16）可看出，渐变型光纤的模式色散比突变型光纤小得多。单模光纤因为只传输一个模式，因此模式色散为零。

2）材料色散

材料色散是由于光纤材料本身的折射率随光波波长变化而引起的。

光源入射到同一模式的光波也不是单一波长的波，而是由若干个波长组合的光（即光源有一定的谱线宽度）。不同的光在光纤中传输时，由于光纤折射率随波长而变化，使得光波中各波长的光在光纤中传播的速度不同，最短与最长波长因速度不同而到达终端后出现了时延差，就产生了材料色散。在长度为L的光纤上，材料色散为τc

(2－17)式中：Δλ是光源谱线宽度；Dm是由光源谱线宽度的色散系数；l是光纤长度。

3）波导色散

光纤中传输的某一模式，它由一定的频带(或波长)范围的光组成，各频率的光传播系数和速度不同而引起的色散称为波导色散(τb)。与模式色散、材料色散相比，波导色散很小。

从以上分析看出，由模式色散（τm）、材料色散(τc)、波导色散(τb)引起的总色散，可用光纤传输脉冲展宽表示（2－18）多模光纤中，模式色散是主要的，而单模光纤只有材料色散和波导色散。一般情况下，单模光纤以材料色散为主，波导色散比材料色散小两个数量级。

3.光纤色散对光信号的影响

光纤的色散导致光信号的波形失真，表现为脉冲宽度，它是光纤的时域特性。对于数字通信系统来讲，光信号的脉冲展宽是一项重要的指标。脉冲展宽过大就会引起相邻脉冲间隙减小，相邻脉冲将会产生部分重叠而使再生中继器发生判决错误，从而使误码率增加，如图2.16所示。图2.16展宽引起的码间干扰示意图

4.光纤色散表示法

可用不同方法来表示光纤的色散。常用的有最大时延差Δτ，脉冲展宽σ和光纤3dB带宽B。

最大时延差描述光纤中速度最快和最慢的光波成分的时延之差。脉冲展宽和光纤带宽描述光纤色散对传输信号的影响。将一段光纤看做一个网络，可用时域法和频域法分析其色散特性。当在时域分析时，色散影响用脉冲展宽表示；而在频域分析时，则采用传输带宽表示。

2.4单模光纤和多模光纤

在光纤通信中,单模光纤和多模光纤都有各自的应用范围。多模光纤ITU－T建议为G.651光纤；单模光纤ITU－T建议为G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤和G.656光纤。

多模光纤芯径粗、数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率，在光纤网络中广泛应用。单模光纤是在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤，在阶跃光纤中只传输LP01模；在无界平方律折射指数光纤中，只传输LP00模。由于单模光纤只传输基模，没有模式色散，频带特别宽，因此尤其适合远距离、大容量通信。根据ITU－T建议，多模光纤定义为G.651光纤。多模光纤的纤芯折射率分布有两种型式，一种是突变型（也叫阶跃型），另一种是渐变型(也叫梯度型)。突变型多模光纤在纤芯与包层的界面上折射率呈阶跃型变化，纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2，且各自恒定不变。渐变型多模光纤的纤芯折射率n1分布则是从纤芯轴到包层交界面逐渐减小，包层的折射率n2恒定不变。突变型多模光纤有A2、A3、A4三种类型，工作波长是850nm。主要应用于短距离信息传输、楼内局部布线和光纤传感器等。渐变型多模光纤有A1a(芯径为50.0±3μm)、A1b(芯径为62.5±3μm)、A1c(芯径为85.0±3μm)和A1d(芯径为100.0±3μm)四种类型，工作波长是850nm和1300nm。A1a和A1b型主要应用于数据链路和局域网，A1c和A1b型主要应用于局域网和光纤传感。

20世纪70年代光纤进入实用化阶段是从多模光纤的局间中继应用开始的，可以说多模光纤是光纤通信的奠基者。突变型多模光纤最先投入使用，其后是渐变型多模光纤。后来虽然单模光纤新品种不断出现，光纤功能不断丰富和增强，性能价格比不断提高，但多模光纤并没有被取代，而是和其它品种同步发展。其原因是多模光纤的特性满足了网络用纤的要求。光纤网络的特点：传输速率相对较低；传输距离相对较短；节点多、接头多、弯路多；连接器、耦合器用量大；规模小，单位光纤长度使用光源个数多。传输速率低和传输距离短正好可以利用多模光纤带宽特性小和传输损耗大的特点。多模光纤比单模光纤芯径粗、数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率。目前，垂直腔面发射激光器(SEI)已商用，价格与LED接近，其圆形的光束断面和高的调制速率正好补偿了LED的缺点，使多模光纤在网络中应用更添生机。2.4.2

G.652常规单模光纤

单模光纤的使用波段可划分为六个。O波段(原始波段Original)：1326～1360nm；E波段(扩展波段Extended)：1360～1460nm；S波