光纤通信网教学课件1225

第1章光纤通信网概述1.1光纤通信的发展和应用1.2光纤通信网络 1.1光纤通信的发展和应用

1.1.1光纤通信的基本概念

光纤通信是指利用相干性和方向性极好的激光作为载波（也称光载波）来携带信息，并利用光导纤维（光纤）来进行传输的通信方式。将需要传输的信息以某种方式调制在光载波上进行远距离传输的思想很早就已提出，但始终未能实现。这主要有两方面的原因。其一是没有合适的光源，通常的自然光源及电光源光谱很宽，是非相干的，很难按无线电波方式进行调制以实现通信；其二是没有合适的传输媒质，光在大气中传播时受天气影响极为严重，同时光信号在一般的介质材料中传播时损耗极大。在20世纪60年代以前，即便在最好的光学玻璃中传播时，光信号的传输损耗也在每公里1000dB以上，在这样的介质中实现光信号的长距离传输显然也是不现实的。

20世纪50年代末60年代初，激光的出现为实现现代意义上的光通信提供了合适的光源。激光器是谱线极窄、方向性极好的相干光源，可以对其进行类似于无线电波那样的调制。在各种类型的激光器中，半导体激光器由于其体积小、寿命长、价格低廉等特点而成为实用化、商品化的通信光源。

20世纪70年代初，低损耗光导纤维的问世为光通信提供了合适的传输媒质。1966年，英籍华裔科学家高锟博士指出，只要将石英玻璃中的金属离子含量大幅度降低，即通过适当的拉丝工艺可制造出损耗低于20dB/km的玻璃纤维，可以用于长距离的信号传输。1970年，美国康宁玻璃公司率先根据这种思路制造了世界上第一根低损耗光导纤维，其损耗低于20dB/km。此后，低损耗光导纤维（简称光纤）的研究及制造技术取得了飞速的进步，到了20世纪70年代末，在1310nm波长上，石英光纤的损耗已降至0.4dB/km；而在1550nm波长上，损耗已降至0.2dB/km以下，这已接近石英系光纤损耗的理论极限。1.1.2光纤通信的主要优点

由于光纤通信是利用光导纤维传输光信号来实现通信的，因此比起其他通信方式有其明显的优越性。光纤具有传输容量大、传输损耗小、重量轻、不怕电磁干扰等许多其他传输媒质所不具有的优点。

（1）传输容量大。光是频率极高的电磁波，以它作为信号的载运体就可传输极宽的信号频谱。在光纤中传输的激光属于近红外线范围，波长在0.75~2.5μm，频率约为3×1014Hz。若以其十分之一作为传输频带，则可传约1010个电话。因此光纤在单位面积上有极大的信号传输能力，即单位面积上的信息密度极高，传输容量极大。光纤通信系统的传输容量取决于光纤特性、光源特性和调制特性。目前，光纤通信系统中使用的是以SiO2为主要材料的光纤。根据SiO2光纤的损耗-波长特性曲线，单模光纤有着极宽的频带宽度。通信中适用的1310nm波长段和1550nm波长段两个低损耗区共有约200nm宽的低损耗区，理论上可提供相当于30THz的频段宽度。光纤的色散特性是决定光纤通信系统带宽的因素之一。由于石英单模光纤在λ=1310nm或λ=1550nm处具有零色散特性，因此单模光纤都具有几十吉赫兹·千米的带宽。

在一根光缆中可以容纳几百根乃至几千根光纤的带状光缆早已实现，使线路传输容量成百倍、千倍地增加。就单根光纤而言，采用波分复用技术或频分复用技术、减小光源的谱线宽度、采用外调制方式等都是增加光纤通信系统传输容量的有效办法。（2）传输损耗小，中继距离长。目前单模光纤在1310nm波长窗口损耗约为0.35dB/km，1550nm窗口损耗约为0.2dB/km。而且在相当宽的频带内各频率的损耗几乎一样，因此用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多。波长为1550nm的色散位移单模光纤通信系统，若传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km；若采用光纤放大器、色散补偿光纤，则中继距离还可增加。

（3）泄漏小，保密性好。光在光纤中传输时，向外泄漏的光能很微弱，难以被窃听，因此比无线、有线通信有较好的保密性，信息在光纤中传输非常安全。（4）节省大量有色金属。制造通常的电缆需要消耗大量的铜和铅等有色金属。以四管中同轴电缆为例，1km四管中同轴电缆约需460kg铜，而制造1km光纤，只需几十克石英即可。同时制造光纤的石英（SiO2）资源丰富而价格便宜。

（5）抗电磁干扰性能好。光纤由SiO2材料制成，它不受各种电磁场的干扰。强电、雷击等也不会影响光纤的传输性能。甚至在核辐射的环境中，光纤通信仍能正常进行，这是通常的电缆通信所不能比拟的。因此，光纤通信在电力输配、电气化铁路、雷击多发地区、核试验等环境中应用更能体现其优越性。（6）重量轻，可挠性好，敷设方便。在传输同一信息量时，光缆的重量比其他通信电缆的重量要轻得多。每根光纤的直径很小，制成光缆后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纤，即使以几厘米的曲率半径弯曲也不会断，施工时可以采用与电缆相同的敷设技术进行敷设。

通信设备的重量轻和体积小，对其在军事、航空和宇宙飞船等方面的应用具有特别重要的意义。

总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上亦具有巨大的竞争能力，因此在通信领域中将发挥越来越重要的作用。1.1.3光纤通信的发展现状

20世纪70年代以来，光纤通信已经取得了突飞猛进的发展。回顾光纤通信的发展历程，可以看到光纤通信在提高传输速率和通信容量上下了很大的功夫。目前，10Gb/s的系统已经商用化，40Gb/s的系统也即将投入使用。采用波分复用技术，即在一根光纤上同时传多个光载波，可成倍地提高通信容量。光纤通信研究的另一个方向则是提高中继距离，采用的技术主要是提高接收机灵敏度和入纤光功率。提高接收机灵敏度的最有效的方法是采用相干光通信方式，而提高入纤光功率的最有效的方法是采用半导体激光放大器或光纤放大器。展望未来的光纤通信系统，仍将在超高速及超长距离无中继传输上下功夫。纵观光纤通信的发展过程，可以看到今后光纤通信将主要在以下几个方面发展：

（1）由单波长通道向多波长通道过渡。下一代光纤通信系统将普遍地采用波分复用WDM技术，使得系统传输总容量提高到几百吉比特每秒及以上，而中继距离也达数百公里乃至数千公里。

（2）用户网络的光纤化。光纤通信的另一个重要领域是实现电信网的全光纤化。实现通信网的全光纤化最困难的是光纤用户网，因而光纤用户网是近年来光纤通信领域中的研究热点。在未来的用户网中需要传输多种宽带业务，现在的电缆网可能无法担此重任，向全光纤网过渡是大势所趋。目前，由于光纤用户网成本较高，在价格上难以与电缆网竞争，加之图像压缩技术的进展、电缆网较窄的传输带宽还未成为致命的弱点，因此在用户网中电线仍居于主要地位。随着光纤及光器件成本的降低以及用户对多种宽带业务需求的增长，光纤用户网会取得突破性进展，电信网的全光纤化已为期不远了。（3）光交换节点将取代电交换。由于采用波分复用技术使得传输速率极大提高，因此原有电交换节点的速率成了整个网络的瓶颈，将被光交换机取代。所谓光交换是指对光纤传送的光信号直接进行交换。光交换在光域中完成光交换功能，而无需将光信号转换成电信号，输入、输出都是光信号，因而光交换有效地减少了延时，增大了系统的吞吐量。（4）相干光通信是未来的光纤通信方式。它与传统的强度调制－直接检测（IM－DD）系统相比，主要差别在于其接收机采用外差式接收或零差接收，在接收机中增加了本振光源和光混频器，具有混频增益的特性，从而使得系统的接收灵敏度极高，而且具有出色的波长选择性。这些优点使得相干光通信必将在波分复用系统，尤其是密集波分复用系统中发挥巨大的作用。相干光通信对光源的谱宽、光源的频率稳定性以及光的偏振（极化）特性，光纤的损耗、色散、偏振状态都提出了十分苛刻的要求，因而目前尚未实用化。随着时间的推移，上述问题必将得到解决。不久的将来，人们就可以像现在调节无线电接收机那样，通过调节光接收机的本振光源波长，即可从众多的信息通道中极为方便地调出所需要的任何信息。（5）孤子通信与全光系统。光脉冲在光纤中传输时，光纤的色散效应会导致光脉冲展宽，从而限制了传输速率和中继距离。而光纤的非线性作用则刚好相反，它使脉冲在传输过程中变窄，并最终导致脉冲破裂，从而限制了入纤光功率。如果同时利用上述两种作用，则在一定条件下可以使光纤的非线性效应与色散效应相互抵消，从而保持光脉冲在传播过程中不变形，而形成所谓的孤子。利用光孤子通信，传输速率可高达1Tb/s。将光孤子传输技术与光放大技术相结合即可抛弃传统的光—电—光再生中继方式，实现超长距离、超高速的全光通信，其关键在于光孤子的产生、光孤子的编码调制技术以及光放大技术。目前，虽然距光孤子通信的真正实用化还有待时日，但光孤子通信的诱人前景必将吸引世界各国科学家、工程师不遗余力地去解决实用化过程中的难题。可以预料，以光孤子通信为标志的全光通信时代必将到来。1.1.4光纤通信系统的构成

目前实用的光纤通信系统，较多采用的是数字编码、强度调制－直接检测的通信系统（IM－DD系统），这种系统的框图如图1－1所示。图1－1光纤通信系统原理框图（单向传输）

图1－1所示的是一个方向的传输，反方向传输的结构是相同的。图1－1中，电端机即为复用设备（准同步复用或同步复用），其作用是对来自信息源的信号进行处理，例如模/数变换、多路复用等。光发送机、光纤线路和光接收机构成了可作为独立的“光信道”单元的基本光路系统，若配置适当的接口设备，则可以插入现有的数字通信系统(或模拟通信系统)，或者有线通信系统(或无线通信系统)的发射与接收之间；此外，若配置适当的光器件，还可以组成传输能力更强、功能更完善的光纤通信系统。例如，在光纤线路中插入光纤放大器组成光中继长途系统；配置波分复用器和解复用器组成大容量波分复用系统；使用耦合器或光开关组成无源光网络等等。下面简要介绍基本光路系统的三个组成部分。

1.光发送机

光发送机的作用是把输入的电信号转换成光信号，并将光信号最大限度地注入光纤线路。光发送机由光源、驱动器和调制器组成。光发送机的核心是光源，对光源的要求是输出功率足够大，调制速率高，光谱线宽度和光束发散角小，输出光功率和光波长要稳定，器件寿命长。目前，最广泛使用的光源有半导体激光器（或称激光二极管，LD）和半导体发光二极管（LED）。普通的激光器谱线宽度较宽，是多纵模激光器，在高速率调制下激光器的输出频谱较宽，从而限制了传输的码速和中继距离。一种谱线宽度很窄的单纵模分布反馈（DFB）激光器已经逐渐被广泛应用。光发送机把电信号转换成光信号的过程是通过电信号对光源进行调制而实现的。光调制有直接调制和间接调制（也称外调制）两种。直接调制是利用电信号注入半导体激光器或发光二极管从而获得相应光信号的，其输出功率的大小随信号电流的大小而变化，这种方式较简单，容易实现，但调制速率受激光器特性所限制。外调制是把激光的产生和调制分开，在激光形成后再加载调制信号，是用独立的调制器对激光器输出的激光进行调制的。外调制方法在相干光通信中得到了应用。

2.光纤线路

光纤线路是光信号的传输媒质，可把来自发送机的光信号以尽可能小的衰减和脉冲展宽传送到接收机。对光纤的要求是其基本传输参数衰减和色散要尽可能小，并要有一定的机械特性和环境特性。工程中使用的是由许多根光纤绞合在一起组成的光缆。整个光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器等组成。目前使用的光纤均为石英光纤。石英光纤的损耗－波长特性中有三个低损耗的波长区，即波长分别为850nm、1310nm、1550nm的三个低损耗区。因此光纤通信系统的工作波长只能选择在这三个波长区，激光器的发射波长、光检测器的响应波长都与其一致。这三个低损耗区的损耗分别小于2dB/km、0.4dB/km和0.2dB/km。目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤。单模光纤的传输性能比多模光纤好，在大容量、长距离的光纤传输系统中都采用单模光纤。

为适合于不同要求的光纤通信系统，使用的光纤类型有G.651光纤（多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（低损耗光纤）和G.655光纤（非零色散位移光纤）等。

3.光接收机

光接收机的功能是把由发送机发送的、经光纤线路传输后输出的已产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大、再生恢复为原来的电信号。

光接收机由光检测器、放大器和相关电路组成。对光检测器的要求是响应度高、噪声低、响应速度快。目前广泛使用的光检测器有光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。光接收机把光信号转换为电信号的过程是通过光检测器实现的。光检测器检测的方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是由光检测器直接把光信号转换为电信号。外差检测是在接收机中设置一个本地振荡器和一个混频器，使本地振荡光和光纤输出的光进行混频产生差拍而输出中频信号，再经光检测器把中频信号转换成电信号。在外差检测方式中，对本地激光器的要求很高，要求光源是频率非常稳定、谱线宽度很窄、相位和偏振方向可控制的单模激光器，其优点是接收灵敏度很高。目前使用的光纤通信系统中，普遍采用强度调制－直接检测方式。外差检测用在相干光纤通信中，虽然外调制－外差检测的方式技术复杂，但其有着传输速率高、接收灵敏度高等优点，所以是一种有应用前途的通信方式。衡量接收机质量的主要指标是接收灵敏度。它表示在一定的误码率条件下，接收机调整到最佳状态时接收微弱信号的能力。接收机的噪声是影响接收灵敏度的主要因素。

对于长距离的光纤传输系统，中途还需要中继器，其作用是将经过光纤长距离衰减和畸变后的微弱光信号放大、整形，再生成具有一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量。以往光纤通信系统中的光中继器都是采用光—电—光的形式，即将接收到的光信号用光电检测器变换成电信号，经放大、整形、再生后再调制光源，将电信号变换成光信号重新发出，而不是直接把光放大。但随着光放大器（如掺铒光纤放大器）的开发、成熟、使用，光的直接放大已成为可能，也就是说采用光放大器的全光中继和全光网络已为期不远。1.1.5光纤通信系统的应用

光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视、计算机网以及其他数据传输系统中都得到了广泛的应用。

光纤通信的各种应用概括如下：

（1）通信网，主要用于遍及全球的电信网中作为语音和数据通信，包括全球通信网（国家和国家间的光缆干线）、各国的公共电信网（如我国的国家一级干线、省级干线及县以下的支线和市话中继通信系统）、专用网（如电力、铁道、国防通信等的光缆系统）和特殊的通信网络（如石油、化工、煤矿等易燃易爆环境下使用的光缆通信系统）。（2）计算机局域网和广域网，如光纤以太网、路由器之间的高速传输链路等。

（3）有线电视网，如有线电视的干线和分配网；工业电视系统，如工厂、银行、商场、交通和公安部门的监控；自动控制系统的数据传输等。

（4）综合业务的光纤接入网，分为有源接入网和无源接入网，可实现电话、数据、视频及多媒体业务的接入，提供各种各样的社区服务。 1.2光纤通信网络

1.2.1光纤通信网络的基本概念

两用户间需要通信时，须利用通信系统来完成，也就是说，欲让A、B两地的用户互相通信，必须在他们之间建立一个通信系统。对于离散分布的n个用户，若要让其中任意两用户能互相通信，最简单的方法是用通信系统把各用户分别一一连接起来，这就需要建立n(n-1)/2个通信系统，从而形成了一个连接多个用户的网状结构，即“通信网”。

光纤通信网络从承载的通信业务来分，有电话网、电报网、传真通信网、计算机数据网、图像通信网及有线电视网等；按服务区域范围分为长途骨干网、本地网以及用户接入网。

光纤通信网络实质上是由用户终端设备、传输设备、交换设备等硬件系统和相应的信令系统、协议、标准、资费制度与质量标准等软件构成的。

用户终端设备是以用户线为传输信道的终端设备，也称为终端节点。

传输设备是为用户终端和业务网提供传输服务的电信终端，主要包括光收、发信机设备，PDH准同步数字系列中的PCM复接设备，SDH同步数字系列中的终端复用器等各种复用设备。

交换设备用于对用户群内各用户终端按需求提供相应的临时传输信道连接，并控制信号的流量、流向，以达到公用电信设备、提高设备利用率的目的。例如，电话通信中的程控交换机、数据通信中的分组交换机、宽带通信中的ATM交换机及全光通信中即将问世的光交换机等。信令系统是光纤通信网的神经系统。比如，电话要接通，必须传递和交换必要的信令以完成各种呼叫处理、接续、控制与维护管理等功能。信令系统可使网络作为一个整体而正常运行，有效完成任何用户之间的通信。

协议是光纤通信网中用户与用户及用户与网络资源间完成通信或服务所必须遵循的原则和约定的共同“语言”。这种语言使通信网能够合理运行，正确控制。而标准则是由权威机构所制定的规范。1.2.2光纤通信网络的技术特点

光纤通信技术已渗透到了电信网的接入网、本地网（接入中继网）和长途干线网（骨干网）之中。由于价格和用户所需带宽的问题，短时间内完全实现光纤接入到户还不现实。在这些典型的网络应用中，光纤只用来代替各类电缆，主要用做传输媒质连接业务节点，即实现了节点之间链路传输的光信号格式化，而节点对信号的处理、队列和交换等还是采用电子技术。这类网络称为第一代光网络，即光电混合网。典型的第一代光网络有SONET（同步光网络）和SDH（同步数字体系），还有各类企业网如光纤分布数据接口（FDDI）等。当数据速率越来越高时，采用电子技术处理交换节点的数据速率是相当困难的。考虑到节点处理的数据不仅有到达自身的，还有通过该节点到达其他节点的，如果到达其他节点的数据能在光域选路，则电子技术处理的数据速率就下降了，其负担就小得多了，这使得第二代光网络即全光网络诞生了。第二代光网络以在光域完成节点数据的选路与交换为标志，实现了节点的部分光化。第二代光网络中的代表技术包括波分复用（WDM）、光时分复用（OTDM）和光码分复用（OCDMA）等。下面简单介绍一下第二代光网络的主要特点。

1.新型业务提供

为了更好地理解第二代光网络，了解它提供给用户的服务类型是很重要的。任一网络可看成由许多层构成，每一层完成相应的功能。第二代光网络可看成是一个光层，借助于低层（如物理层）为其高层(如SDH层、ATM层、IP层等)提供服务，服务类型包括：

(1)光通道服务。光通道是网络中任意两节点之间的连接，通过给其通道上的每一个链路分配一个特定波长来建立。

(2)虚电路服务。光层提供网络两节点之间的电路连接，但连接的带宽可以小于链路或波长上的总带宽，如用户需1Mb/s的带宽连接，而网络链路可工作于10Gb/s，则网络必须采用复用技术（如时分复用）来复用许多虚电路到单个波长上去。

(3)数据报业务。允许两个节点之间传送短的分组或消息，而无须建立希望连接的额外开销（如占用信息带宽）。

2.信息的透明性

第二代光网络的又一主要特点是光通道一旦建立起来，提供的电路交换业务对所传数据是透明的，除了最大的数据速率或带宽是规定的外，对数据采用的格式是没有要求的，甚至可以是模拟数据信号。

第二代光网络的透明程度取决于其物理层的参数，如带宽和信噪比等。如果信号从源节点到达其目的节点的通信过程全在光域，则透明程度最高。在这种情况下，模拟信号比数据需更高的光信噪比。然而在某些情况下，两点之间的信号不能一直在光域，需要中继，这意味着信号需由光域变换到电域，然后再反过来由电域变换到光域。在光通道上使用中继器降低了网络的透明程度。

3.电分组与光分组交换

考虑到第一代光网络在实际通信网络中的保有量非常大，因此在第二代光网络快速发展的同时第一代光网络仍然在继续开发之中，这意味着要进一步增加光纤中的传输容量以及提高电子交换开关的处理能力和端口数目。尽管电子交换技术是最成熟的技术且易于集成，但是当传输速率增加到数十吉比特每秒乃至更高时，采用电子技术完成所有的交换和处理功能是相当困难的。另一方面，光交换和选路技术还不是非常成熟，在网络中光开关只能实现电路交换或交叉连接功能，还不能提供像电分组交换那样实现完全意义的分组交换，因此第二代光网络一开始只能提供电路交换型光通道业务。随着技术的不断改进，可以预见未来的分组交换网络提供越来越多的虚电路业务和数据报业务将会变成现实。

4.光层

光层这一术语现在普遍用来表示第二代WDM光网络层的功能，它能够为其光层的用户提供光通道。光层位于现存的网络层，如SDH的下层。光通道代替了SDH网络节点之间的光纤。现存的SDH网络有许多功能，这些功能包括点到点连接以及分插功能。分插功能意味着节点不但可以分出业务，同时也可以让业务直接通过该节点。由于每个节点只能终结经过它们的业务总量的一小部分，因而这个功能是很重要的。SDH网络同样包括交叉连接功能，它可以完成多业务流之间的交换。SDH网络还能在不中断业务的情况下处理设备和链路故障。

光层可以执行与SDH层相同的功能，它可以支持点到点WDM链路以及分插功能，即节点可以分出某些波长，也能让某些波长直接通过。1.2.3光纤通信网络的发展方向

光纤通信从一开始就是为传输基于电路交换的信息的，客户信号一般是TDM的连续码流，如PDH和SDH等。随着计算机网络特别是互联网的发展，数据信息的传输量越来越大，客户信号中基于分组交换的具有随机性、突发性的分组信号码流的比例逐步增加，通过光纤通信网络承载的数据信号的种类和数量也越来越多。从现有的光同步数字体系（SDH）网迈向新一代全光网，将是一个分阶段演化的过程，网络的构成和技术功能在不断地变化，光网络的发展进程如图1－2所示。首先采用WDM技术和光放大技术，进行点到点通信扩容，实现光域上的全光传输；在光传输路径上设置光分插复用器（OADM），可实现本地光信号在光路上的上路和下路功能；传输链路采用波分复用技术，节点也采用光分插复用器作为光节点进行组网，实现网络的光域传输；进而利用光交叉连接（OXC），使网络节点具有光交换功能，构成光传送网到自动交换光网络，最终形成基于全光传输和光分组交换的全光网络或光子网络，实现光域上的传输和交换。全光网络采用光层保护，并具有好的存活性，可进行灵活的带宽分配、波长转换、波长路由和交换，实现光域上端到端的多粒度波长服务。图1－2光网络的发展进程

1.传输容量不断增加

目前，实用化的单通道速率已由155Mb/s到10Gb/s乃至40Gb/s，160×10Gb/s的密集波分复用DWDM系统也已投入商用。在实验室中，NEC实现了274×40Gb/s系统，阿尔卡特实现了256×40Gb/s系统，西门子实现了176×40Gb/s系统，而朗讯则将系统总容量提升至约20Tb/s。从发展趋势来看，未来实现传输容量增加的主要技术手段仍然是TDM＋WDM。

2.超长距离传输

目前，实用化的距离传输已由40km到160km。拉曼光纤放大器的出现，为进一步增大无中继距离创造了条件。在实验室，无电中继的传输距离已从600km增加到4000km。采用光孤子传输系统、色散管理、在线放大和超级前向纠错等技术，有望将系统的无电中继距离进一步延长。

3.光传输与交换技术融合

实用化的点到点通信的WDM系统具有巨大的传输容量，但其灵活性和可靠性不够理想。采用光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）可实现光联网，并引入智能化分布式控制平面技术可发展成自动交换光网络（ASON）。预计在未来10年内，采用原来DXC设备的网络将逐步采用OXC设备组建光传输网。而智能化的控制平面可以实现光通道连接的动态建立和拆除，这样会改变光传送网长期以来只能作为业务承载网的局面，形成兼具传输和交换技术的新型光网络。

4.多业务承载

随着对光通信的需求由骨干网逐步向城域网转移，光纤传输在逐渐靠近业务节点。对于数据业务的用户，希望光通信既能提供传输功能，又能提供多种业务接入功能，这就是目前已广泛使用的基于SDH的多业务传输平台（简称MSTP）。同时，实现TDM、ATM、Ethernet及FR、FDDI、FiberChannel、FICON和ESCON等业务的接入处理和传输，提供了统一网管的多业务的接入节点设备。基于WDM的MSTP是将WDM的每个波道分别用做各个业务的通道，用透明传输的方式支持各种业务的接入处理，如在FE、GE等端口中嵌入Ethernet2层甚至3层交换功能等，使WDM系统不仅仅具有传输能力，而且具有业务提供能力。

5.光接入网络

现有的接入网仍然是以双绞铜线为主的模拟系统，已成为制约全网进一步发展的瓶颈。双绞线上的xDSL系统、同轴电缆上的HFC系统及宽带无线接入系统只是一些过渡性方案，唯一能够从根本上彻底解决这一瓶颈问题的技术手段是光纤接入网。通过把光纤引入千家万户，将使亿万用户的多媒体信息畅通无阻地进入信息高速公路。基于以太网的无源光接入网EPON和千兆比特无源光接入网GPON是目前主要的候选技术。第2章光纤和光器件2.1光纤2.2光源和光调制器2.3光检测器2.4无源光器件 2.1光纤

2.1.1光纤的结构和种类

1.光纤的基本结构

通信光纤的主要材料是SiO2，其组成结构自内向外依次为折射率（n1）较高的纤芯、折射率（n2）较低的包层和涂覆层，如图2－1所示。图2－1光纤的结构和类型纤芯和包层采用不同材料的掺杂以形成折射率差异，从而保证形成光的波导结构，即当满足一定的入射条件时，光波能被约束在纤芯向前传播。

为了增强光纤的柔韧性和机械强度，在光纤的制造过程中，包层外所做的一层高分子材料的被覆，称为一次涂覆层（即前述的涂覆层）。为进一步保护光纤，可继续做二次涂覆层，二次涂覆层又称套塑层。为了识别光纤，通常对二次涂覆层做染色处理。套塑后的光纤，按其二次涂覆层的结构形态分为紧套光纤、松套光纤等。

2.光纤的基本参数

光纤的主要特性参数由纤芯和包层构成的裸光纤决定，包括光纤的结构参数、传输特性参数、温度特性参数和机械特性参数等。其中，光纤的几何参数和折射率分布是光纤最基本的结构参数，对光纤的特性起决定性的作用。

光纤的几何参数与工程应用紧密相关，主要包括纤芯直径（2a）、包层直径（2b）、纤芯不圆度、包层不圆度、纤芯与包层的同心度等。国际电信联盟标准化组织ITU－T规定通信光纤包层外径的标准值2b＝125μm，通常单模光纤的纤径2a非常小（2a<10μm），多模光纤的芯径为50μm或62.5μm，涂覆光纤的外径为250μm。

光纤的折射率分布是指光纤横截面上的折射率变化。光纤折射率变化的方式很多，一般按纤芯的折射率分布将光纤分为阶跃型和渐变型两类光纤，如图2－1（b）所示。

3.光纤的分类

光纤的分类方法很多，按制造光纤的材料可将光纤分为石英（SiO2）系光纤、多组分玻璃光纤、氟化物光纤、塑料光纤、液芯光纤和晶体光纤等；按纤芯部分折射率分布分为阶跃型光纤（SIF，StepIndexFiber）和渐变型光纤（GIF，GradedIndexFiber）；按光纤的工作波长可分为短波长（0.8～0.9μm）光纤、长波长（1.0～1.7μm）光纤和超长波长（>2μm）光纤；按光纤中传导模式的数量分为多模光纤（MMF，Multi

ModeFiber）和单模光纤（SMF，SingleModeFiber）等。2.1.2光纤的传输原理

光具有“波粒二象性”，因此，光纤的传输原理可以采用射线理论法和波动理论法两种分析方法。

射线理论法是将光视为光子组成的粒子流，用光射线代表光能量的传输线路，从几何光学出发分析光纤中光的传输原理和特性的方法。这种直观、简单的分析法，适用于光波长远小于光波导尺寸（λ<<2a）的多模光纤。

1.阶跃型多模光纤中的光传输

如图2－2所示，入射进光纤传播的光线分为子午光线和斜射光线两种，其中子午光线是指在光纤轴线所在平面（子午面）入射和传播的光线。图2－2光纤中的子午光线和斜射光线图2－3多模光纤中的子午线传播

由此定义阶跃折射率光纤中子午光线的数值孔径为（2－1）数值孔径NA由光纤本身的折射率差异决定，NA越大，光纤捕捉和汇聚子午光线的能力越强。可见，NA是表征光纤集光能力的参数，Δ越大NA越大，端面捕捉光线的能力越强，对光源的耦合效率越高，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。入射角øi<ø0范围内，由于入射角不同的直线或折线传播的轨迹不同，因此其光传播路径的路程差会造成输出端的时延差。时延差限制了多模光纤的传输带宽，Δ越大NA越大，时延差也越大，因此，通信用多模光纤的Δ和NA值一般都较小。

2.渐变型多模光纤中的光传输

渐变型多模光纤的纤芯折射率连续变化，故光线在纤芯内沿曲线传播，如图2－3(b)所示。以子午光线为例，光线由纤芯某处入射，向折射率递减的外层传播，根据 ，由于折射率n减小，因此折射角θ增大，光线就越来越向纤芯轴线方向弯曲，在某一点处满足全反射条件时，光线折向轴线；之后折射率n逐渐增大，光线改为向与纤芯轴线夹角增大的方向弯曲，直至与轴线相交，再次重复n逐渐减小直至光线全反射折向轴线……这样形成了周期性的类似正弦形状的光线轨迹。不同入射角的光线有不同的曲线传播轨迹，但纤芯折射率的变化可以使其具有较为接近的轴向传播速度，大大减少多模光纤的时延差，从而提高传输带宽。适当选取纤芯折射率的分布形式，有可能使不同角度入射的光线以相同的轴向速度在光纤中传输，无时延差地同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期L，这种现象称为自聚焦。

复杂的分析可以证明，理想双曲正割函数n(r)=n(0)

sech(ar)的折射率分布可使所有的子午光线具有完善的自聚焦特性，可用平方律的抛物线分布来近似精确双曲正割分布。由于横截面纤芯部分的折射率是变化的，因此渐变型多模光纤纤芯端面上不同点的聚光能力可能不同，所以引入本地数值孔径来衡量端面某点捕捉光线的能力：（2－2）要说明的是，斜射光线在光纤中的传播比较复杂，其传播轨迹不在同一平面内而是在三维空间以螺旋方式前进，需采用其他分析方法。

3.多模光纤中的射线模式

由上述分析可知，以不同角度入射的光线在光纤中的传播轨迹不同，通常将一个入射方向（即一种传播轨迹）的光线称为一种射线模式。仍以子午光线为例，端面入射角越大的射线模式对应的阶次越高，在阶跃型光纤中的全反射次数越多，在渐变型光纤中的射线轨迹越远离轴线，传播路程越长；相应地，入射角度小的光线对应阶次较低的模式，其轨迹路程较短。结合其波动性考虑，那些满足全反射条件的被约束于横向有限空间的纤芯的光线，还需要满足驻波传输的相位一致性条件，才能在纤芯内远距离传输。多模光纤中，那些同时满足全反射条件和相位一致性条件的离散射线模式，才能在光纤中长距离传输，称为传导模；不能满足相位条件的全反射光线，只能在光纤中传输较短的距离（可称为泄漏模）；而未能满足全反射条件的，则折射到包层中成为无法传输的辐射模式。2.1.3光纤中的模式传输

光是特定波长（频率）范围的电磁波，可用波动理论更全面地分析光波导中信号的传播。

从Maxwell方程组出发，可导出均匀介质（对于阶跃折射率光纤，有ε=0；对于渐变折射率光纤，可近似认为ε/ε→0）中的简化波动方程：（2－3）根据介质中波数k与角频率ω、传播速度v和波长λ等波参数间的关系，可得到大家熟悉的矢量Helmholz方程：（2－4）在已知光纤折射率分布的条件下，解满足纤芯和包层交界面电磁场边界条件的上述方程，可求得光纤波导中的每一个电磁场的解，即用直角坐标系或圆柱坐标系下各个电场分量和磁场分量来精确描述光纤中电磁场的分布形式。光纤中的一种电磁场的分布结构就是一个模式，既可以是一种独立的电磁场结构，也可以是某种复杂电磁场结构中的一个组成。

1.阶跃光纤中的矢量模式

在求解过程中将电磁场作为矢量场，用严格求解矢量波动方程的方法获得光纤中Maxwell方程的全套精确矢量模式解，这种方法称为矢量分析法。

1）纤芯和包层的电磁场解

为实现光的远距离传播，纤芯（0≤r≤a）区域的场应为振荡场，在包层（r>a）区域的场应为衰减场。由于纤芯和包层的折射率分布不同，因此需分别求解。（2－5）

U、W分别描述了纤芯和包层内电磁场沿半径横向变化的特性，由此得到一个重要的结构参数，即阶跃光纤的归一化频率，定义为（2-6）可见，确定光纤中的模式特性，需要确定横向参数U、W和纵向参数β。根据上述定义，用一个独立关系的特征方程来解出β，就可用β和U、W一起完整地描述光纤中传导模的特性。

2）光纤中矢量模式的类型

矢量波动方程的求解结果表明，光纤中存在的模式种类包括横电模TE0n模、横磁模TM0n模和混合模EHmn模与HEmn模。模式的下标m和n分别是径向和圆周的模数，n表示求得的m阶贝塞尔函数根的序号。

给定工作波长时，每对应一个m值，就可以解出一系列的U或W值，其他两个参数的W或U和β也可确定。因此，满足特征方程的每个U或W值对应了一个电磁场模式。

3）模式的传播和截止

能远距离传输的导模对应的是纤芯内振荡、包层里迅速衰减的电磁场解，必须同时满足U2>0和W2>0；如果一个模式的W2<0，在包层中不衰减而出现振荡，则表明该模式穿过包层变成了辐射模，即该模式被截止了。所以，一个传播模在包层中的衰减常数W=0时，表示导模开始截止，即处于临界截止状态，此时的V称为归一化截止频率Vc，对应的U记为Uc，显然Vc=Uc。

2.阶跃光纤的标量模式

用矢量分析法精确求解光纤中场的严密矢量解，其过程繁琐而复杂。实际通信中采用的光纤通常是n1≈n2（Δ1）的弱导光纤，其模式的纵向场分量相比其横向场分量是很小的，电磁场中横向场占主导，其空间指向（即横向电场极化方向）几乎不变，场矢量呈现出标量化的特性。因此，可以求解标量Helmholz方程，近似分析阶跃折射率光纤中的模式即标量模。因其横向电场极化方向基本不变，其端点轨迹为直线，故称为线性极化（LP）模，又称为线偏振模。参照式（2－4），圆柱坐标下横向电场或磁场分量满足的标量Helmholz方程为（2－7）利用边界条件，可导出弱波导光纤中的模式解：当m=0时，阶跃光纤中存在LP0n模式，其中LP01模的截止频率Uc=0，是永远不会截止的基模；当m=1时，阶跃光纤中存在LP1n模式；m≥2时，阶跃光纤中存在LPmn模式，其中较低阶次模式的截止频率见表2－1。（2－8）（2－9）可见，在阶跃光纤的结构参数确定时，足够大的工作波长才能保证单模传输。为此，定义单模光纤的截止波长为LP11模截止时的波长。对于给定的阶跃型单模光纤，其理论截止波长为（2－10）相应地，单模传输时，光信号的工作波长应满足：（2－11）由于制造和应用过程中的弯曲将使导模和辐射模之间耦合，以及光纤本身的损耗等因素，使阶跃光纤在低于理论截止波长的工作波长上即可实现单模传输，即实际光纤的截止波长与光纤的长度和弯曲状态有关。目前工程上常用的截止波长有四种：理论截止波长；2米长光纤截止波长λc2；光缆制造长度的截止波长λc3；一个中继段的截止波长λc4。一般有λc1>λc2>λc3>λc4。

2）单模光纤的模场直径

单模光纤中，基模HE11模（或LP01模）的场强在光纤横截面内的分布与光纤的结构有关，其光能被约束在光纤横截面的一定范围内，并不是完全集中在纤芯内，而是有相当一部分在包层中传输，所以单模光纤中不用纤芯直径作为衡量功率分布的参数，而用模场直径描述单模光纤传输光能的集中程度。

模场直径是单模光纤的主要参数，可用来导出等效的阶跃光纤参数，估算连接损耗和弯曲损耗等；根据模场直径的波长特性，还能估算单模光纤的色散。模场直径通过出射端面的光强分布来测算。图2－4单模光纤中的双折射单模光纤中双折射现象的程度用归一化双折射系数B和拍长LB表示，其定义分别为（2－12）（2－13）2.1.4光缆的结构和类型

以上所述的光纤还不能在工程中直接应用，而要通过一定的工序将多根光纤与加强件一起绞合，集合成光缆的基本结构组件（即光缆单元），再将光缆单元进行大绞合组成缆芯，填充油膏后挤压外护套，最终制成光缆。因此，光缆的结构中包括光纤、加强件、防潮层、填充油膏、光缆护套以及铠装层等。图2－5给出了常用光缆的结构示意图。图2－5常用光缆的结构光缆可大致分为缆芯和护层两大部分，缆芯是光缆结构中的主体，缆芯由一个或多个光缆单元组成。光缆可按缆芯结构分为层绞式、骨架式、叠带式和束管式几种。层绞式光缆中，多根松套管围绕中心位置的钢丝加强件绞合成一体化的圆整缆芯，松套管中可以是分离光纤或带状光纤；骨架式光缆中在U形或SZ（正弦）形螺旋骨架槽中放置多根裸光纤或光纤带，槽内填充油胶保护光纤；束管式光缆将分离光纤、光纤束或光纤带集中置于外带铠装的硬松套管中构成缆芯，加强件置于外护层中；叠带式光缆把多根带状光纤单元层层叠合成矩形放入松套管内，进一步按束管式、层绞式或骨架式结构成缆。根据使用条件不同，可选用不同类型的光缆。光缆是实际工程中使用的线路媒质，因此也可以根据实际应用条件和环境对其分类。光缆按使用场合分为室内光缆（包括多用途光缆、分支光缆和互连光缆）、室外光缆（包括中继光缆、用户线光缆和局内光缆）和特种光缆（包括电力光缆、阻燃光缆和水底光缆）等；按敷设方法分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆和水下光缆等。2.1.5光纤的传输特性

1.光纤的损耗特性

光纤的损耗是其主要传输特性之一，它是指光信号在光纤中传输时光能量（强度或功率）下降的现象，其结果会导致光信号传输的幅度衰减。给定入纤光功率和光接收灵敏度时，光纤的损耗将限制光纤通信系统的无中继传输距离。（2－14）（2－15）式中：Pin、Pout分别为光纤输入、输出的光功率。光纤中能量损失的主要原因是光纤材料内部的粒子运动和光波导的不连续性造成的吸收、散射和辐射等。其中，吸收损耗与光纤材料有关；散射损耗与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关；还有弯曲而引起的辐射损耗，以及光纤接续而引起的连接损耗等。

1）光纤的吸收损耗

光纤的吸收损耗是由于光纤材料本身和所含杂质对光能的吸收引起的，与光波长有关。

光纤材料的本征吸收是光纤材料本身的固有吸收，包括紫外光区域光谱的吸收和红外光区域的吸收，分别由原子内部的能级跃迁和材料分子的振动引起。

杂质吸收损耗是由于材料不纯引起的，杂质含量越高，杂质吸收损耗越严重。在各种杂质离子造成的吸收损耗中，氢氧根离子（OH-）的吸收损耗最为严重。近年来通过改进工艺技术将OH-含量降到10-9以下，则可大大降低OH-的吸收峰值，减少对相应波段光纤传输的影响。

此外，光纤制造过程中，高热激励或光辐射会导致材料分子的共价键断裂而产生原子缺陷，使晶格吸收光能产生光场作用下的振动而引起吸收损耗，称为原子缺陷吸收损耗。

2）光纤的散射损耗

散射损耗是由于光纤材料和结构的不均匀，导致光散射使能量损失而引起的损耗。

光纤内材料密度不均匀，引起了折射率在纵向传输方向上随机的、比波长小的不均匀分布，导致传输光发生改变方向的散射，称为瑞利散射。瑞利散射引起的光纤损耗即瑞利散射损耗，其大小与λ4成反比。由于引起这种散射的不均匀是光纤内部固有的，因此瑞利散射损耗限定了光纤的最低损耗。瑞利散射损耗系数取决于纤芯和包层的相对折射率差Δ，如Δ=0.2%，在λ＝1.55μm处光纤损耗最低理论极限为0.149dB/km。光纤在制造过程中会产生某些波导结构不规则的缺陷，如纤芯尺寸上的变化、纤芯或纤芯与包层交界面上的微小气泡等，引起了纤芯折射率沿轴线传输方向上的变化或不均匀。这些表面畸变或粗糙引起了模式的转换，产生了其他的传输模式或辐射模式，从而形成了附加的波导散射损耗。改善光纤制作工艺后，这种波导散射损耗已降低到可以忽略的程度。

大功率（高入射光强）传输时激发的非线性散射，如受激拉曼散射和受激布里渊散射等，会使光能部分转移到新频率成分上。这种由于非线性散射导致能量分散的损耗就是非线性散射损耗。这些受激散射都存在阈值功率，当以小于阈值的低入纤功率传输时，这种散射损耗很小。

3）光纤的辐射损耗

辐射损耗是由光纤几何形状的扰动，即弯曲引起的能量泄漏导致的损耗。光纤受到外力作用时会产生一定曲率半径的弯曲，改变了光的传输途径，引起一些传导模和辐射模之间的转换或耦合，使能量泄漏产生辐射损耗。

光纤受力弯曲产生的弯曲损耗有两类：宏弯损耗是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲引起的附加辐射损耗，主要是由于光纤卷绕或光缆拐弯时的大弯曲产生的；微弯损耗是光纤受到应力形成微小形变而引起的附加辐射损耗。如成缆时产生的周期性随机弯曲的附加损耗一般很小，而光纤受到侧向应力产生微弯引起的损耗则可能相当大。

4）光纤的连接损耗

光纤链路中光纤与光纤的连接分为活动连接和固定连接，实际光缆线路中的光纤间通常为永久性的固定连接（俗称光纤接头）。光纤的连接损耗是指由于对不同段落的光纤进行连接而引入的附加损耗。光纤的连接损耗与两侧光纤结构参数的差异、对准偏差和端面状态等有关。光纤的结构参数包括几何形状和尺寸、折射率分布、多模光纤的数值孔径、单模光纤模场直径等；对准偏差指两光纤相对位置的几种偏移；端面状态包括端面的形状与平行度等，如图2－5所示。在实际的光纤连接时，上述因素的影响可能会同时存在，在光纤接续过程中，应尽量避免。

5）光纤的总损耗和损耗谱

实际光纤线路的损耗是上述各种损耗的叠加，可归纳为固有损耗和非固有损耗两大类。前者是光纤材料本身无法克服的最低损耗；后者是光纤制造和应用等缺陷引起的附加损耗，可通过改善制作工艺和应用条件尽可能地降低。

光纤的损耗特性与工作波长有关，可以用光纤的损耗（系数）随波长变化的曲线表示，图2－6给出了光纤的损耗特性图，也称损耗谱。由图中可知，瑞利散射损耗与红外吸收尾部曲线的交点，决定了光纤损耗的下限。由于OH-离子在光通信波长段内的吸收峰，峰间的低损耗区，则构成0.85μm、1.31μm、1.55μm附近的几个光纤通信主要窗口。采用降低OH

-离子浓度等方法，大幅度降低光纤在长波长区的OH-离子吸收峰，即可将其贯通，得到极宽频带的全波光纤。图2－6光纤的损耗特性图

2.光纤的色散特性

经光纤传输后的光信号，不仅幅度减小了，而且波形也产生了失真。引起波形失真的主要原因是光纤的色散。

1）色散的概念和种类

光纤的色散（Dispersion）是由于传输光信号中不同成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。对于数字光脉冲信号，光纤的色散将导致传输的光脉冲展宽，产生码间干扰，增加系统的误码率。传输距离越长，波形的畸变越严重，所以色散限制了光纤的通信容量，也限制了无中继传输距离。 引起色散的原因是光波不同成分在光纤中传播的群速度v的差异，形成不同成分的不同传输时延τ。因此，通常用群时延差Δτ表示色散的严重程度，（群）时延差越大，色散越严重。

根据相位传播常数β的定义，可由群速度得出单位长度光纤上的群时延和群时延差为（2－16）（2－17）或（2－18）这种与非单色性光源的频率（波长）范围(即谱宽)成正比的模内色散称为波长色散，进一步定义模内的波长色散系数为单位波长间隔内单位长度光纤上的（群）时延差：（2－19）相应地，长度为L（km）的光纤上的波长色散（又称为色度色散）为（2－20）光纤中的色散可分为材料色散、波导色散、模式间色散和偏振模色散等。材料色散是由于材料本身折射率随频率（波长）而变化，使光信号各频率（波长）的群速度不同而引起的色散；波导色散是由于光纤波导结构的原因，使光纤中某一模式的相位传播常数随（角）频率变化而引起的色散，又称为结构色散；模式间色散是多模光纤中各模式在同一光频率下传播常数不同，因而群速度不同而引起的色散；偏振模色散（PMD）是指基模的两个正交偏振模式之间的群速度不同而引起的色散。其中，材料色散和波导色散发生在同一模式内，所以称为模内色散；而模式间色散和偏振模色散发生在不同的模式或偏振模式间，所以称为模间色散。

2）单模光纤的色散

单模传输时，光纤中的模内色散占主导，以材料色散为主，波导色散较小，低速率传输时（小于10Gb/s）偏振模色散一般可忽略。

单模光纤的总色散（全色散）为上述几种色散综合作用的结果。全色散近似为材料色散和波导色散之和，即色度色散（CD），如图2－7所示。

在某个特定波长上，材料色散和波导色散相互抵消，全色散为零，该波长称为零色散波长λ0。对于普通单模光纤，即ITU－T定义的G.652标准单模光纤，λ0＝1.31μm。材料色散和波导色散分别与纤芯和包层的折射率分布有关，改变折射率分布和包层结构可以改变波导色散，从而改变单模光纤的全色散特性。如图2－8所示，将标准单模光纤的零色散波长移至1.55μm处，可实现低损耗、零色散传输，这种光纤称为色散位移光纤（DSF），即ITU－T命名的G.653光纤；将光纤的零色散波长移至1.55μm附近，使其在1.55μm处具有微小色散来克服非线性的四波混频（FWM）效应，这种光纤称为非零色散位移光纤（NZ－DSF），即ITU－T的G.655光纤，可用于引入EDFA的1530～1565nm的DWDM系统；改变折射率分布，可获得两个零色散波长，在1.30～1.6μm波长范围保持低色散，这种光纤称为色散平坦光纤（DFF），很适合大波长范围的WDM系统。图2－7单模光纤全色散特性图2－8不同光纤的色散特性

3.光纤的非线性特性

大功率激光器和光放大器的应用，使得入纤光功率很高。在高场强作用下，光纤介质特性表现出较显著的非线性，反过来影响光场而表现为光谱的变化。一方面，非线性效应可以引起光信号传输的附加损耗、相邻信道间的串扰、光信号频移等传输损伤，从而限制了发送功率和传输距离，成为最终限制新一代光纤传输系统性能的主要因素之一；另一方面，又可用来开发新型的信号处理与传输器件（如激光器、调制器和放大器等），以及新型的光孤子传输系统，以提高光纤通信系统的传输速率和传输距离等。通常，将出现某一种非线性效应所需要的最低入射光功率门限值，称为这种非线性效应的“阈值”。

光纤的非线性效应分为受激散射和折射率扰动两类。

1）非线性受激散射效应

非线性受激散射是指在光信号与光纤相互作用的调制系统中，光能的部分能量转移给非线性光纤介质，而使光信号出现散射或波长向长波长漂移的现象，主要包括受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）两种形式，其主要区别在于散射的剩余能量分别转变为分子振动和声子振动，阈值不同散射的方向也不同等。

受激拉曼散射（SRS，StimulatedRamanScattering）是由光纤材料的分子谐振子与入射光信号相互作用，形成的介质分子对入射光产生的散射现象。当一定强度的光（频率为ωp）入射时，引起光纤材料的分子振动进而调制入射光强，产生了间隔为分子振动频率Ω的边带光，其中的低频边带ωs＝ωp－Ω称为斯托克斯（Stokes）光，高频边带ωas＝ωp＋Ω称为反斯托克斯光，且前者强于后者。显然，散射光功率随入射光（泵浦光）功率的增加而增加。当入射的泵浦光强度足够大时，斯托克斯散射光的增益也足以克服光纤损耗获得净增益，使拉曼散射光按指数规律净增，故称为受激拉曼散射（SRS）。这样，经一定距离的光纤介质传输后，泵浦光能量大部分转换为斯托克斯散射光能量使其被放大，可以构成拉曼光纤放大器，在一定条件下往返放大而产生振荡，则可以构成拉曼激光器。

对于单信道系统，SRS阈值约为1W，远远高于一般光源的发送光功率，所以通常SRS对单信道系统不产生影响。在多波长系统中，如果高频信道与低频信道的频率差在光纤的拉曼增益谱内，则SRS使短波长（高频率）信道的能量向长波长（低频率）信道的信号传送，将会造成短波长（高频率）通路过大的信号衰减，并形成对长波长（低频率）信道的串扰，使长、短波长信道的信噪比均下降，导致接收灵敏度劣化，从而限制WDM系统的通路数和传输距离。因此，SRS成为限制DWDM系统光信道数的主要因素之一。受激布里渊散射（SBS）是一种由光纤中的光信号和光纤材料晶体相互作用引起的非线性现象。当泵浦光入射时，光波与介质晶体结构相互作用产生一个频率为ΩB的声子振动，同时光波被散射，在入射光的反方向产生最大频移ΩB和最大散射光强的斯托克斯散射光（频率为ωs＝ωp－ΩB）。对于石英系光纤，SBS最大散射频移ΩB约为11

GHz，比SRS小3个数量级。光纤中的SBS可产生两种效应：在光纤中注入较强的光波时，会产生频移为ΩB的反向斯托克斯散射光；当一个频率为ωs＝ωp－ΩB的小信号与泵浦光反向入射光纤时，SBS被放大。

SBS阈值比SRS阈值小3个数量级，而且在所有的光纤非线性效应中，SBS的阈值最小，为毫瓦级，且与光信道数无关。因此，SBS对信道功率构成了一定限制。

SRS产生的斯托克斯散射光主要为前向传输，而SBS产生的斯托克斯散射光则为反向传输。因此，当注入功率达到阈值时，SBS将导致接收光功率的下降，反馈至发送端的散射光将使光源工作不稳定；如果多信道系统中所有信道的光都同方向传输，则不存在SBS引起的干扰；若每个信道的发送光功率均低于SBS阈值，则可避免SBS引起的附加功率损耗。

2）非线性折射率扰动效应

与低信号功率的情况不同，在较高入射光功率下，光纤的折射率分布n表现出随光信号的强度I而变化的现象，这种折射率扰动称为克尔效应(Kerreffect)，可表示为（2－21）式中，n0为光纤的线性折射率，n2为光纤的非线性折射率系数（μm2/mW），I、P为入射到光纤中的光强和平均光功率(mW)，Aeff为光纤的有效面积（μm2）。非线性折射率导致光纤中传导模式的相位传播系数与光功率有关，并由此引起非线性相位移的相位调制效应。对于强度调制直接检测系统，这种相位移不会产生影响。

折射率扰动可引起自相位调制（SPM，SelfPhaseModulation）、交叉相位调制（XPM或CPM，CrossPhaseModulation）、四波混频（FWM，FourWaveMixing）、调制不稳定和光孤子形成等非线性效应。由于光纤折射率依赖于信号光强度的非线性效应，因此光纤内传输的光载波相位将会受到与自身光强相关的调制，这种由光场自身引起非线性相移（调制）的现象称为自相位调制（SPM）。当光强度变化产生相位变化时，SPM会导致新频率产生使光信号频谱展宽；这种光谱展宽的相位变化进一步结合光纤的色散后，将导致更大的时域脉冲展宽或压缩等效应。研究表明，SPM和色散一样随光纤传输距离增加而增大，因此SPM对具有较高色散或传输距离很长的光系统有重要影响，而且SPM的影响会随着传输速率的增快而变大。另一方面，利用SPM与激光器的啁啾和正波长色散之间的相互作用，可以暂时压缩传输的光脉冲，从而使系统允许的色散限值比完全无啁啾的线性系统高出50％。当两个以上的光波同时在光纤中传输时，克尔效应将导致其中任一光波信号的相位受到其他光波信号强度（起伏）的调制，这种相互作用的非线性相位调制现象称为交叉相位调制（XPM或CPM）。和SPM一样，XPM调制效应也会产生新的频率导致谱线展宽，并与光纤色散结合使信号脉冲光谱展宽。因此，XPM的影响与光纤色散直接相关。减小XPM造成损伤的方法是采用非零色散位移光纤或有效面积较大的光纤、进行光纤色散补偿以及减小信道的输入功率等。当一定强度的多个光波在光纤介质中同时传输时，由于非线性效应引起的相互作用，将在不同的频率（波长）处发生相位调制，从而导致其他新频率（波长）光波的产生，这种现象称为四波混频(FWM)。假设有三个频率分别为ω1、ω2和ω3的光信号同时在光纤中传输，如果满足相位匹配条件，将产生频率为ω4＝ω1±ω2±ω3的第四个光波。当信道间隔相当小的时候，ω4＝ω1＋ω2－ω3形式的相位匹配条件很容易满足。出现FWM现象时，相当大的信道功率被转换到新的光场中，若为无用的新生波长，会造成过大的光信道信号功率衰减；若新生波长与某信号波长相同或重叠，则造成串音干扰。FWM是波分复用系统的主要非线性损伤，而且一旦FWM现象产生，就无法用任何均衡技术来消除，因此必须事先防范。

在上述非线性串扰因素中，当光信道数目m＝10时，以FWM和SBS为主；在m>10后，XPM开始占主导地位；当m>500时，SRS成为主要限制因素。在实际的WDM系统中，由于受到上述这些非线性串扰因素的限制，信道的发射功率通常只有零点几毫瓦。此外，XPM不构成对IM/DD系统性能的影响，SBS只与信号的调制方式有关而与信道数目无关，因而只要通过适当的调制技术就能克服SBS的作用。

4.光纤的类型和应用

光纤的结构参数决定了光纤的传输性能，通过对光纤结构、折射率分布的合理设计，可以有效地改善光纤的色散、损耗、抗弯曲等性能要求，图2－2即为几种单模光纤的剖面结构。实际工程中，需要根据不同应用场合对光纤特性的不同要求选择相应类型的光纤。在传输容量需求不断增加的情况下，光纤传输系统普遍采用单模光纤来构成光纤线路。

根据色散等性能的差异，单模光纤通常分为非色散位移光纤、色散位移光纤（DSF）、非零色散位移光纤，以及色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）和偏振保持光纤（PMF）等特种光纤。目前，ITU－T规定的光纤代号有G.651（多模光纤）、G.652（常规单模光纤）、G.653（色散位移光纤）、G.654光纤（低损耗光纤）、G.655（非零色散位移光纤）和G.656（非零色散光纤）等。

1）非色散位移光纤（色散未位移光纤）

非色散位移光纤是指零色散波长λ0未从1310nm移往其他波长的单模光纤，包括G.652和G.654两类光纤。

G.652型常规单模光纤（STDSMF，StandardSingleModeFiber）是ITU－T最早定义的标准单模光纤，其主要特点是：OH

-的吸收峰使其具有工作波长分别为850nm、1310nm和1550nm的三个低损耗窗口，其中1310nm波长具有零色散和较低损耗，1550nm波长损耗最小但色散较大。

G.652光纤分为A、B、C、D四个子类型：G.652A为标准单模光纤（SSMF），适用于最高传输速率为2.5Gb/s的单通道系统，可使用光放大器；G.652B光纤增加了偏振模色散（PMD）的限制，主要适用于最高传输速率为10Gb/s的单通道系统，或带光放大的波分复用传输系统；G.652C和G.652D光纤为低水峰光纤，允许使用1360～1530nm的扩展波段，使可复用的波长数大大增加，主要适用于单通道传输系统或带光放大的波分复用传输系统，其中G.652D光纤对偏振模色散(PMD)控制更严。

G.654型光纤为截止波长位移单模光纤（SMF）。其折射率分布与G.652光纤相同，区别是纤芯采用非掺杂的纯SiO2材料来降低损耗，并将截止波长移至1350nm以上，提高了光纤的抗弯曲性能。由于制造困难、价格昂贵，G.654光纤主要适用于1550nm长距离无再生海底光缆系统，包括1550nm的WDM系统，另外B和C子类增加了PMD限制，结合1550nm色散补偿可支持10Gb/s速率的长距离传输。

2）色散位移光纤

为适应超大容量超长距离光纤传输的要求，用改变光纤折射率分布结构的方法来加大波导色散，将零色散波长位移到1550nm的最低损耗窗口而光纤的损耗特性不发生变化，使光纤的损耗特性与色散特性得到了最优化组合，从而得到了色散位移光纤（DSF）。

G.653光纤为色散位移光纤（DSF），其采用纤芯分段的三角形或双台阶折射率分布的结构，使λ0从1310nm处移动到损耗最小的1550nm波长上，并具有良好的抗弯曲性能。因此，在1550nm处可实现速率高达20～40Gb/s的超长距离传输。对于合波功率较高的WDM系统，工作区内的零色散特性将导致FWM效应，引起信道间的非线性串扰。因此，G.653光纤主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，而不适用于1550nm的DWDM系统。G.653A、B两个子类的区别在于B类增加了PMD限制，可支持高速率传输。

3）非零色散位移光纤

G.655光纤为非零色散位移光纤（NZ－DSF）。为了克服G.653光纤的不足，人们改进了剖面折射率的设计，将λ0位移至1550nm附近，使在1530～1565nm内色散的绝对值降为1.0～6.0ps/（nm·km）的低值，以抑制FWM、SPM及XPM等非线性效应，同时保证单通道传输速率和传输距离，这种光纤即为G.655光纤（NZ－DSF）。根据1550nm处色散的不同，G.655光纤可分为正色散系数和负色散系数两种，分别适合于陆地和海底光缆传输系统。

G.655光纤分为A、B、C三种子类型：G.655A光纤对PMD不作要求，主要适用于在C波段（1530～1565nm）工作的10Gb/s以下单信道系统或系统通道间隔200GHz以上的粗波分复用（CWDM）系统；G.655B和C类光纤提高了C波段色散值，并增加了L波段要求，适用于上述两波段、速率为10Gb/s、波道间隔不大于100GHz的密集波分复用（DWDM）系统；G.655C光纤进一步增加了对PMD的严格控制，可应用于40Gb/s速率的DWDM系统。

G.655光纤大大地改善了光纤的色散特性，但其特定的折射率分布减小了模场直径，相应地减小了有效面积，也容易产生较大的插入损耗。所以，用改变G.655光纤波导结构的方法开发出改进型G.655光纤，可适应系统WDM等方面的性能要求。

G.656光纤为宽带传输的非零色散光纤（NZ－DF），其在1460~1625nm波长范围内，色散值为2～14ps/（nm·km），减小了链路中的非线性效应，可以用于涵盖S、C、L波段的CWDM和DWDM系统的传输。未来将决定是否能将该光纤的应用波长作进一步扩展。

4）色散补偿光纤（DCF）

色散效应使长距离传输的光脉冲产生了展宽等畸变，可用一种在工作波长区具有相反色散系数的光纤来作抵消，这种光纤称为色散补偿光纤（DCF）。一般单模光纤在1310nm或1550nm的工作波长区多具有正色散系数，因此通常采用一种具有很大负色散系数的光纤来补偿。

5）偏振保持光纤（PMF）

高速超长距离传输系统中，PMD是主要的限制因素之一，也有一些系统（如采用相干检测技术的系统）提出了偏振态匹配的要求。这些系统中可采用偏振保持光纤（简称保偏光纤PMF）作单一偏振模的传输，来维持偏振态稳定并有效降低PMD。 2.2光源和光调制器

2.2.1光电转换器件的工作原理光电转换是器件内部微观粒子间能量交换的结果，表现为物质与光子的不同作用形式。

1.能级和能级跃迁物质的原子由带正电荷的原子核和若干带负电荷的电子组成，电子只能沿着有限个可能的轨道绕核运转，并且每一轨道具有确定的能量。原子内部每个电子轨道不连续的能量值称为原子的一个能级，用若干水平线来表示电子所处的状态，就是如图2－9所示的能级图。其中能量值大的能级称为高能级，能量值小的能级称为低能级。图中E2能级相对E1能级而言为高能级，E1能级为低能级。图2－9光电转换和激光器工作原理通常，电子处在一些低能级的内层轨道上，这种电子状态叫做基态(或稳态)，能量比基态高的其他能级，均称为激发态。如果满足一定的条件，则可能出现电子在两个不同能级间的跳变，称为能级跃迁，能级跃迁伴随着能量(为能级差数,即ΔE＝E2-E1)的释放或吸收。

用光照、加热和电子碰撞等方式提供能量，可以促使原子中一个处于低能级E1（如基态）的电子从外界吸收能量，跃迁到高能级E2上去，使之具有更高的能量，这一过程称为激发；处于高能级E2的电子，释放出数值为能