1、光纤通信技术光纤通信技术 主编主编前前 言言进入二十一世纪后，随着信息需求的急剧增加，光纤通信技进入二十一世纪后，随着信息需求的急剧增加，光纤通信技术凭借其巨大的潜在带宽容量，成为支撑通信业务量增长的术凭借其巨大的潜在带宽容量，成为支撑通信业务量增长的最重要的通信技术之一。最重要的通信技术之一。在我国，各级各类通信线路越来越多地使用光缆进行信息传在我国，各级各类通信线路越来越多地使用光缆进行信息传输，这极大地促进了我国光纤通信产业的发展。社会对光纤输，这极大地促进了我国光纤通信产业的发展。社会对光纤通信技术人才的需求也日益旺盛，尤其是对既有基础理论，通信技术人才的需求也日益旺盛，尤其是对既有基
2、础理论，又有实践技能的线务员需求较大。本书正是为了满足高职高又有实践技能的线务员需求较大。本书正是为了满足高职高专院校电子信息和通信工程专业人才培养的需要而编写的。专院校电子信息和通信工程专业人才培养的需要而编写的。对高职高专的教材来说，对高职高专的教材来说，“够用、适度够用、适度”是其基本要求，同是其基本要求，同时更要满足时更要满足“工学结合工学结合”人才培养模式的要求。本书的编写人才培养模式的要求。本书的编写兼顾了这种人才培养模式及课程改革形势的需要，简化了理兼顾了这种人才培养模式及课程改革形势的需要，简化了理论，突出和强调了应用，能够使读者在较短的时间内掌握基论，突出和强调了应用，能够使
3、读者在较短的时间内掌握基本的、必要的理论知识，并对工程应用有较深入的把握。本的、必要的理论知识，并对工程应用有较深入的把握。下一页返回前前 言言本书的特色在于以本书的特色在于以“理论理论+应用应用+研究研究+实训实训”的体例形式，的体例形式，展开章节的内容，结合图表、提示、知识扩展等多样化的体展开章节的内容，结合图表、提示、知识扩展等多样化的体例编排，做到深浅适宜、通俗易懂、图文并茂，始终以工程例编排，做到深浅适宜、通俗易懂、图文并茂，始终以工程应用为目标，介绍光纤光缆、器件结构等理论知识和工程设应用为目标，介绍光纤光缆、器件结构等理论知识和工程设计、施工及维护方面的知识。计、施工及维护方面的
4、知识。本书共本书共9章，第章，第1章主要介绍光纤通信技术的特点及系统构成；章主要介绍光纤通信技术的特点及系统构成；第第2章主要介绍光纤光缆的结构、导光原理及特性、光纤光章主要介绍光纤光缆的结构、导光原理及特性、光纤光缆制造工艺及其工程选型；第缆制造工艺及其工程选型；第3章主要介绍光源器件的结构、章主要介绍光源器件的结构、特点、工作原理及应用范围；第特点、工作原理及应用范围；第4章主要介绍光检测器及无章主要介绍光检测器及无源光器件的结构、特点及应用场合；第源光器件的结构、特点及应用场合；第5章主要介绍光端机章主要介绍光端机及线路码型，重点是光发送机和光接收机的结构、特性参数及线路码型，重点是光发
5、送机和光接收机的结构、特性参数等；等；上一页 下一页返回前前 言言第第6章主要介绍光纤通信系统工程设计的有关知识，包括工章主要介绍光纤通信系统工程设计的有关知识，包括工程的基本设计要点、再生段距离估算、光电设备配置等；第程的基本设计要点、再生段距离估算、光电设备配置等；第7章主要介绍光缆线路施工及维护技术、光纤光缆接续技术章主要介绍光缆线路施工及维护技术、光纤光缆接续技术等；第等；第8章对有关光纤通信的新技术做了概要的介绍，包括章对有关光纤通信的新技术做了概要的介绍，包括光孤子通信、相干光通信、全光通信等；第光孤子通信、相干光通信、全光通信等；第9章是实训内容，章是实训内容，涉及光纤接续、参数
6、测试及仪器设备的使用。涉及光纤接续、参数测试及仪器设备的使用。本书的第本书的第4、第、第8和第和第9章由曾庆珠编写，其余各章由柳春锋章由曾庆珠编写，其余各章由柳春锋编写，全书由柳春锋统稿。编写，全书由柳春锋统稿。由于编写时间紧、水平有限，故错漏之处在所难免，恳请读由于编写时间紧、水平有限，故错漏之处在所难免，恳请读者指正。者指正。上一页 下一页返回目目 录录第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆第三章第三章 光源光源第四章第四章 通信用光器件通信用光器件第五章第五章 光端机光端机第六章第六章 光纤通信系统工程设计光纤通信系统工程设计第七章第七章 光缆线路施工与维护光缆线路施工
7、与维护第八章第八章 光纤通信的新技术光纤通信的新技术第九章第九章 光纤通信技术实训光纤通信技术实训上一页返回第一章第一章 绪绪 论论1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展1.2 光纤通信系统简介光纤通信系统简介1.3 光纤通信的特点光纤通信的特点1.4 光纤通信的应用与发展光纤通信的应用与发展1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展随着人类社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文随着人类社会的进步与发展，以及人们日益增长的物质与文化需求，通信向大容量，长距离的方向发展是必然的趋势，化需求，通信向大容量，长距离的方向发展是必然的趋势，而且随着而且随着Internet的迅速普及以及宽带综合业务数字网
8、的迅速普及以及宽带综合业务数字网(B-ISDN)的快速发展，人们对信息的需求更是呈现出爆炸性的的快速发展，人们对信息的需求更是呈现出爆炸性的增长，几乎是每半年翻一番。增长，几乎是每半年翻一番。在这样的背景下，信息高速公在这样的背景下，信息高速公路建设已成为世界性热潮。而作为信息高速公路的核心和支路建设已成为世界性热潮。而作为信息高速公路的核心和支柱的光纤通信技术更是成为重中之重。目前，很多国家和地柱的光纤通信技术更是成为重中之重。目前，很多国家和地区不遗余力地斥巨资发展光纤通信技术及其产业，光纤通信区不遗余力地斥巨资发展光纤通信技术及其产业，光纤通信事业得到了空前发展。事业得到了空前发展。由于
9、信息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和国家安由于信息的生产、传播、交换以及应用对国民经济和国家安全有决定性的影响，所以，与其它行业相比，光纤通信更具全有决定性的影响，所以，与其它行业相比，光纤通信更具有特殊意义。有特殊意义。下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展光纤通信起始于人类对光通信的认识。光纤通信起始于人类对光通信的认识。自古以来，人类对大自然，尤其是光有特殊的敏感，光更是自古以来，人类对大自然，尤其是光有特殊的敏感，光更是成为人类早期的信息传递渠道之一，如古代的烽火台，就是成为人类早期的信息传递渠道之一，如古代的烽火台，就是一种原始的信息传递工具，这种创造其实是一种自然的直
10、觉。一种原始的信息传递工具，这种创造其实是一种自然的直觉。所谓光通信就是利用光波来传递信息，实现通信的方式。今所谓光通信就是利用光波来传递信息，实现通信的方式。今天我们认为光通信是指容量大、传输距离远的光传递方式，天我们认为光通信是指容量大、传输距离远的光传递方式，象指挥交通的红绿灯就是一种最普遍、也是最普通的光通信。象指挥交通的红绿灯就是一种最普遍、也是最普通的光通信。很显然光通信是利用光在空气中能够直线传播的特点，进行很显然光通信是利用光在空气中能够直线传播的特点，进行大气传输的，它不需任何线路，而且简单、经济。大气传输的，它不需任何线路，而且简单、经济。光在空气中传输，虽然有经济、简单的
11、特点，但却存在显而光在空气中传输，虽然有经济、简单的特点，但却存在显而易见的问题：易见的问题：上一页 下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展(1)光通信在大气中进行时，对天气情况十分敏感。光通信在大气中进行时，对天气情况十分敏感。(2)大气的特性决定了它的密度或折射率不均匀，以及大气大气的特性决定了它的密度或折射率不均匀，以及大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动，致使通信的信噪比变湍流的影响，使光线发生漂移和抖动，致使通信的信噪比变劣、衰减增大、传输不稳定、传输距离也变短。劣、衰减增大、传输不稳定、传输距离也变短。(3)要求大气传输设备设在高处，收发两地直线可见。这种要求大气传输设备设
12、在高处，收发两地直线可见。这种要求必然使光通信的应用范围受到限制。要求必然使光通信的应用范围受到限制。与光通信相比，电通信的成熟运用要早的多。从二十世纪与光通信相比，电通信的成熟运用要早的多。从二十世纪30年代开始，无线电载波通信获得迅速的发展，如电缆通年代开始，无线电载波通信获得迅速的发展，如电缆通信微波中继、直至后来的卫星通信等，电通信系统遍及世信微波中继、直至后来的卫星通信等，电通信系统遍及世界的各个角落。其频域涉及低频到高频的几乎所有频段，由界的各个角落。其频域涉及低频到高频的几乎所有频段，由于复用技术的发展，电通信的容量得到了尽可能的利用。于复用技术的发展，电通信的容量得到了尽可能的
13、利用。上一页 下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展然而电通信的固有缺点，如信道容量受限、投资大、设备复然而电通信的固有缺点，如信道容量受限、投资大、设备复杂等，使得人们期待着新的通信方式的出现。杂等，使得人们期待着新的通信方式的出现。1960 年梅曼（年梅曼（T.H.Maiman）发明了红宝石激光器，产）发明了红宝石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能。他的发明，重生了单色相干光，使高速的光调制成为可能。他的发明，重新点燃了人们利用光进行通信的希望。美国林肯实验室率先新点燃了人们利用光进行通信的希望。美国林肯实验室率先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。随后，越来利
14、用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。随后，越来越多的研究者投入到光通信的试验中。越多的研究者投入到光通信的试验中。光载波具有极高的频率，高达光载波具有极高的频率，高达1014Hz以上，而一般无线电以上，而一般无线电载波的频率最高只有载波的频率最高只有106108Hz，可见光作载波进行通信，可见光作载波进行通信，其容量是微波通信方式的万倍以上，具有极大的吸引力。这其容量是微波通信方式的万倍以上，具有极大的吸引力。这就不难理解为什么科学家们在不断探索光通信的原因。就不难理解为什么科学家们在不断探索光通信的原因。上一页 下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展科学家们发现，要使光通信取得电
15、通信那样的辉煌，仅仅有科学家们发现，要使光通信取得电通信那样的辉煌，仅仅有了红宝石激光器那样的光源还不够，还必须克服在大气传输了红宝石激光器那样的光源还不够，还必须克服在大气传输中的那些缺欠，即寻找合适的光信道。为此，有人试验了一中的那些缺欠，即寻找合适的光信道。为此，有人试验了一种透镜光波导，即利用一个很长的管子，管道内置一定数量种透镜光波导，即利用一个很长的管子，管道内置一定数量的透镜，以便诱导光的转折，使光在管子内传输，但这种方的透镜，以便诱导光的转折，使光在管子内传输，但这种方法安装复杂，机械精度要求极高，对环境要求也极为苛刻，法安装复杂，机械精度要求极高，对环境要求也极为苛刻，故此无
16、法实用。此外，人们还试验过光圈波导、气体透镜波故此无法实用。此外，人们还试验过光圈波导、气体透镜波导等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因衰导等，想用它们作为传送光波的媒体以实现通信，但终因衰减过大或者造价昂贵而无法实用化。减过大或者造价昂贵而无法实用化。直至直至1966年，英藉华人科学家高锟博士（年，英藉华人科学家高锟博士（C.K.Kao）在）在PIEE 杂志上发表了一篇十分著名的文章杂志上发表了一篇十分著名的文章用于光频的光纤用于光频的光纤表面波导表面波导，阐述了利用玻璃制作通信光导纤维（即光纤），阐述了利用玻璃制作通信光导纤维（即光纤）的可行性，即使用光纤这种玻璃丝引导光波转弯
17、，实现通信。的可行性，即使用光纤这种玻璃丝引导光波转弯，实现通信。该文根据介质波导理论，从理论上分析、证明了用光纤作为该文根据介质波导理论，从理论上分析、证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结（即阶跃光纤）。导结（即阶跃光纤）。上一页 下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展更重要的是科学地预言了制造通信用、超低耗光纤的可能性，更重要的是科学地预言了制造通信用、超低耗光纤的可能性，即通过加强原材料提纯，再掺入适当的掺杂剂，可以把光纤即通过加强原材料提纯，再掺入适当的掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到的衰
18、耗系数降低到20dB/km以下。而当时世界上只能制造以下。而当时世界上只能制造用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在用于工业、医学方面的光纤，其衰耗在1000dB/km以上。以上。衰耗为衰耗为1000dB/km是什么概念呢？每公里是什么概念呢？每公里10分贝损耗就分贝损耗就是输入的信号传送是输入的信号传送1公里后只剩下了十分之一，公里后只剩下了十分之一，20分贝就表分贝就表示只剩下百分之一，示只剩下百分之一，30分贝是指只剩千分之一分贝是指只剩千分之一1000分分贝的含意就是只剩下亿百分之一，这是无论如何也不可能用贝的含意就是只剩下亿百分之一，这是无论如何也不可能用于通信的。在当时，对于制造衰耗在
19、于通信的。在当时，对于制造衰耗在20dB/km 以下的光以下的光纤，被认为是可望不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了纤，被认为是可望不可及的。以后的事实发展雄辩地证明了高锟博士文章的理论性和科学大胆予言的正确性，所以该文高锟博士文章的理论性和科学大胆予言的正确性，所以该文被誉为光纤通信的里程碑。高锟博士的发明也为光通信带来被誉为光纤通信的里程碑。高锟博士的发明也为光通信带来了光明的前景。了光明的前景。上一页 下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展1970年，美国康宁公司首先研制出损耗为年，美国康宁公司首先研制出损耗为20dB/km光纤，光纤，证实了高锟理论的可行性。证实了高锟理论的可行
20、性。1976年，光纤损耗降至年，光纤损耗降至0.47dB/km。1980年，光纤损耗降至年，光纤损耗降至0.2dB/km。80年代初期，由于年代初期，由于制造工艺的进步，研制出单模光纤。制造工艺的进步，研制出单模光纤。80年代中期，具有较高年代中期，具有较高技术指标的零色散位移单模光纤研制成功，使超大容量、长技术指标的零色散位移单模光纤研制成功，使超大容量、长距离的光纤通信成为可能。其中利用介质全反射原理导光的距离的光纤通信成为可能。其中利用介质全反射原理导光的石英光纤被广泛采用，石英光纤衰减小，性能高，强度大，石英光纤被广泛采用，石英光纤衰减小，性能高，强度大，见见图图1-1。与此同时，作为
21、光源的激光器发展也很快。与此同时，作为光源的激光器发展也很快。1977年，贝尔年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万万小时（实用中小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正实年左右）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。用的激光器。上一页 下一页返回1.1 光纤通信的发展光纤通信的发展激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能，信开始从理想变成可能，1977年，世界上第一条光纤通信年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用
22、，速率为系统在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mbs进入实用阶段以后，光纤通信的发展极为迅速，光纤通信系进入实用阶段以后，光纤通信的发展极为迅速，光纤通信系统已经多次更新换代。统已经多次更新换代。70年代的光纤通信系统主要应用多模年代的光纤通信系统主要应用多模光纤，应用光纤的短波长（光纤，应用光纤的短波长（850nm，1nm=10-9m）波）波段。段。80年代以后逐渐改用长波长（年代以后逐渐改用长波长（1310nm），光纤逐渐），光纤逐渐采用单模光纤，到采用单模光纤，到90年代初，通信容量扩大了年代初，通信容量扩大了50倍，达到倍，达到2.5Gbs。进入。进入90年代以后，传输波长又从年代以后
23、，传输波长又从1310nm转转向更长的向更长的1550nm波长，并且开始使用光纤放大器、波分复波长，并且开始使用光纤放大器、波分复用（用（WDM）技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍）技术等新技术。通信容量和中继距离继续成倍增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成为通增长。广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成为通信线路的骨干。信线路的骨干。上一页返回1.2 光纤通信系统简介光纤通信系统简介光纤通信就是指利用光纤作为传输介质，实现光信号传输的光纤通信就是指利用光纤作为传输介质，实现光信号传输的通信方式。一个基本的光纤通信系统模型如通信方式。一个基本的光纤通信系统模型如图图1-2
24、所示，它所示，它是由电端机、光端机（光发射机、光接收机）、光纤等部件是由电端机、光端机（光发射机、光接收机）、光纤等部件组成的。组成的。其中，电端机的作用是对来自信源的信号进行处理，例如模其中，电端机的作用是对来自信源的信号进行处理，例如模数转换、多路复用等处理；光端机的发送端内有光源（如激数转换、多路复用等处理；光端机的发送端内有光源（如激光器（光器（LD），其作用是将电信号变成光信号，光端机的接），其作用是将电信号变成光信号，光端机的接收端内有光检测器（如光电二极管（收端内有光检测器（如光电二极管（PD），将来自光纤的），将来自光纤的光信号还原成电信号，经放大、整形、再生后，输入到电端光信
25、号还原成电信号，经放大、整形、再生后，输入到电端机的接收端；对于长距离的光纤通信系统，还需要有中继器，机的接收端；对于长距离的光纤通信系统，还需要有中继器，其作用是把经过长距离光纤的衰减和畸变后的微弱光信号，其作用是把经过长距离光纤的衰减和畸变后的微弱光信号，放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方，以放大、整形、再生成一定强度的光信号，继续送向前方，以保证良好的通信质量；光纤的作用则是用来作为光信号传输保证良好的通信质量；光纤的作用则是用来作为光信号传输的介质。的介质。下一页返回1.2 光纤通信系统简介光纤通信系统简介其基本传输原理是发送端的电端机将信号其基本传输原理是发送端的电端机
26、将信号(如话音信号如话音信号)进行进行模数转换，转换后的数字信号，经调制后，由激光器（模数转换，转换后的数字信号，经调制后，由激光器（LD）发送，此时发送，此时LD发出的就是携带了信息的光波信号。当数字信发出的就是携带了信息的光波信号。当数字信号为号为“1”时，则发送一个时，则发送一个“传号传号”光脉冲；当当数字信号为光脉冲；当当数字信号为“0”时，则发送一个时，则发送一个“空号空号”（不发光）。光波经光纤传输（不发光）。光波经光纤传输后到达接收端，光接收机将数字信号从光波中检测出来，送后到达接收端，光接收机将数字信号从光波中检测出来，送给电端机，电端机再进行数模转换，恢复原始信息。至此完给电
27、端机，电端机再进行数模转换，恢复原始信息。至此完成了一次光纤通信过程。成了一次光纤通信过程。上一页返回1.3 光纤通信的特点光纤通信的特点与电缆或微波通信相比，光纤通信具有许多的优点，表现为：与电缆或微波通信相比，光纤通信具有许多的优点，表现为：（1）通信容量大）通信容量大理论上，如头发丝粗细的光纤可同时传输理论上，如头发丝粗细的光纤可同时传输1000亿路语音。亿路语音。实际应用中可同时传输实际应用中可同时传输24万路，这比传统的电缆或微波通信万路，这比传统的电缆或微波通信高出了几十、甚至上千倍。而且一根光缆中可包含多根、甚高出了几十、甚至上千倍。而且一根光缆中可包含多根、甚至几十根光纤，如果
28、再使用复用技术，其通信容量之大十分至几十根光纤，如果再使用复用技术，其通信容量之大十分惊人。惊人。（2）中继距离长）中继距离长目前，光纤的衰减被控制在目前，光纤的衰减被控制在0.19dB/km以下，其衰减系数以下，其衰减系数很低，可使中继距离延长到数百公里。有关资料显示，已经很低，可使中继距离延长到数百公里。有关资料显示，已经进行的了光弧子通信试验，可达到传输进行的了光弧子通信试验，可达到传输120万话路、万话路、6000km无中继。而电缆或微波通信，其中继距离则分别是无中继。而电缆或微波通信，其中继距离则分别是1.5km和和50km。可见光纤通信用于通信的干线、长途网。可见光纤通信用于通信的
29、干线、长途网络是十分合适的。络是十分合适的。下一页返回1.3 光纤通信的特点光纤通信的特点（3）保密性能好）保密性能好光波信号在光纤中传输的时候，只在光纤的光波信号在光纤中传输的时候，只在光纤的“纤芯纤芯”中进行，中进行，无光泄漏，因此保密性好。无光泄漏，因此保密性好。（4）适应能力强）适应能力强光纤通信，不受外界的电磁干扰，而且耐腐蚀、可挠性强光纤通信，不受外界的电磁干扰，而且耐腐蚀、可挠性强（弯曲半径（弯曲半径25cm时性能不受影响）。时性能不受影响）。（5）可节省大量的金属材料）可节省大量的金属材料据测算，使用据测算，使用1000km的光缆，可节省的光缆，可节省150吨铜、吨铜、500吨
30、吨铅。铅。（6）体积小、重量轻、便于施工和维护）体积小、重量轻、便于施工和维护光纤的重量轻，如军用的特制轻质光缆只有光纤的重量轻，如军用的特制轻质光缆只有5kg/km。光缆。光缆的施工方式也很灵活，维护也比较方便。的施工方式也很灵活，维护也比较方便。光纤通信也存在一些不足，主要表现为：光纤通信也存在一些不足，主要表现为：光直接放大难；弯曲半径不宜太小；分路耦合不方便；需要光直接放大难；弯曲半径不宜太小；分路耦合不方便；需要高级的切断接续技术等。高级的切断接续技术等。上一页返回1.4 光纤通信的应用与发展光纤通信的应用与发展1.光纤通信在我国的应用光纤通信在我国的应用1973年，我国开始研究光纤
31、通信，主要集中在石英光纤、年，我国开始研究光纤通信，主要集中在石英光纤、半导体激光器和编码制式通信机等方面。半导体激光器和编码制式通信机等方面。1978年改革开放后，我国的光纤通信研发工作大大加快。年改革开放后，我国的光纤通信研发工作大大加快。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。上海、北京、武汉和桂林都研制出光纤通信试验系统。1982年邮电部重点科研工程年邮电部重点科研工程“八二工程八二工程”在武汉开通，该在武汉开通，该工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，工程被称为实用化工程，要求一切是商用产品而不是试验品，要符合国际要符合国际CCITT标准，要由设计院设计、工人
32、施工，而不标准，要由设计院设计、工人施工，而不是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。是科技人员施工。从此中国的光纤通信进入实用阶段。进入进入20世纪世纪80年代后，数字光纤通信的速率已达到年代后，数字光纤通信的速率已达到144Mb/s，可传送，可传送1980路电话。光纤通信作为主流被大路电话。光纤通信作为主流被大量采用，在传输干线上全面取代电缆。量采用，在传输干线上全面取代电缆。下一页返回1.4 光纤通信的应用与发展光纤通信的应用与发展经过国家经过国家“六五六五”、“七五七五”、“八五八五”和和“九五九五”计划，计划，中国已建成中国已建成“八纵八横八纵八横”干线网，连通全国各省区市，
33、敷设干线网，连通全国各省区市，敷设光缆总长约光缆总长约250万公里，光纤通信已成为中国通信的主要手万公里，光纤通信已成为中国通信的主要手段。段。2005年年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，是至今世界容量最大的实用线路。通，是至今世界容量最大的实用线路。2.光纤通信的发展趋势光纤通信的发展趋势（1）向超长距离传输发展）向超长距离传输发展无中继传输是骨干传输网的期望，目前已能够实现无中继传输是骨干传输网的期望，目前已能够实现20005000km的无电中继传输。通过采用如拉曼光放大技术等新的无电中继传输。通过采用如拉曼光放大技术等新的技术手段
34、，有望更进一步延长光传输的距离。的技术手段，有望更进一步延长光传输的距离。上一页 下一页返回1.4 光纤通信的应用与发展光纤通信的应用与发展（2）向超高速系统发展）向超高速系统发展高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，这促使光纤高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长，这促使光纤通信系统的传输速率在近通信系统的传输速率在近30年来一直持续增加年来一直持续增加,增加了约增加了约2000倍，比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。倍，比同期微电子技术的集成度增加速度还快得多。高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各高速系统的出现不仅增加了业务传输容量，而且也为各种各样的新业务，特
35、别是宽带业务和多媒体业务提供了可靠的保样的新业务，特别是宽带业务和多媒体业务提供了可靠的保证。证。上一页 下一页返回1.4 光纤通信的应用与发展光纤通信的应用与发展（3）向超大容量波分复用（）向超大容量波分复用（WDM）系统发展）系统发展如果将多个发送波长、适当错开的光源信号同时在光纤上传如果将多个发送波长、适当错开的光源信号同时在光纤上传送，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。采用波分复用系统可以充分利用光）的基本思路。采用波分复用系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍、甚至上百倍；纤的巨大
36、带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍、甚至上百倍；在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低了传输成本；利用降低了传输成本；利用WDM网络实现网络交换和恢复，可网络实现网络交换和恢复，可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。其他方面，如光纤入户（其他方面，如光纤入户（FTTH）技术、光交换技术、新的）技术、光交换技术、新的光电器件、光弧子技术等，都是当前光纤通信方面的重点发光电器件、光弧子技术等，都是当前光纤通信方面的重点发展方向。展方向。上一页返回图图1-1光纤导光原理光纤导光原理返回
37、图图1-2 光纤通信系统模型光纤通信系统模型返回第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆2.1 光纤简介光纤简介2.2 导光原理导光原理2.3 光纤的特性光纤的特性2.4 光缆光缆2.5 新型光缆简介新型光缆简介2.1 光纤简介光纤简介1.光纤结构光纤结构目前通信用的光纤是石英玻璃（目前通信用的光纤是石英玻璃（SiO2）制成的横载面很小）制成的横载面很小的双层同心园柱体，未经涂敷和套塑的光纤称为裸光纤，由的双层同心园柱体，未经涂敷和套塑的光纤称为裸光纤，由纤芯和包层所组成。为了保护光纤表面，提高抗拉强度及实纤芯和包层所组成。为了保护光纤表面，提高抗拉强度及实用，一般需在裸光纤表面进行涂敷构成光纤。光
38、纤结构如用，一般需在裸光纤表面进行涂敷构成光纤。光纤结构如图图2-1所示。所示。其中，纤芯是光纤中传递光信号的通道，制作材料一般是石其中，纤芯是光纤中传递光信号的通道，制作材料一般是石英玻璃（还掺杂有极少量的掺杂剂），其径长约英玻璃（还掺杂有极少量的掺杂剂），其径长约512m（单模光纤）或（单模光纤）或50150m（多模光纤），另外也有使用（多模光纤），另外也有使用塑料制作纤芯的光纤，其径长约塑料制作纤芯的光纤，其径长约1000m（价格比石英纤（价格比石英纤芯的光纤便宜），纤芯的折射率表示为芯的光纤便宜），纤芯的折射率表示为n1；包层是纤芯外围；包层是纤芯外围的部分，是在石英中掺入一定量的掺杂
39、剂制成的，其折射率的部分，是在石英中掺入一定量的掺杂剂制成的，其折射率表示为表示为n2（n2n1）,由于由于n2n2的条件，在制备纤芯时，需要均匀地的条件，在制备纤芯时，需要均匀地掺入极少量的，能提高石英折射率的材料，使其折射率为掺入极少量的，能提高石英折射率的材料，使其折射率为n1,在制备包层时，则相反。在制备包层时，则相反。上一页 下一页返回2.1 光纤简介光纤简介 拉丝拉丝将光纤预制棒放入高温拉丝炉中，加温，使其软化，然后以将光纤预制棒放入高温拉丝炉中，加温，使其软化，然后以相似比例的尺寸，拉制成又长又细的玻璃丝。最后得到的玻相似比例的尺寸，拉制成又长又细的玻璃丝。最后得到的玻璃丝就是光
40、纤。璃丝就是光纤。(2)制造方法制造方法制备光纤预制棒的方法很多，主要有管内化学汽相沉积法、制备光纤预制棒的方法很多，主要有管内化学汽相沉积法、管外化学汽相沉积法、轴向汽相沉积法、微波腔体的等离子管外化学汽相沉积法、轴向汽相沉积法、微波腔体的等离子体法、多元素组分玻璃法等。下面简要介绍管内化学汽相沉体法、多元素组分玻璃法等。下面简要介绍管内化学汽相沉积法。该方法是制作高质量石英光纤中比较稳定可靠的方法，积法。该方法是制作高质量石英光纤中比较稳定可靠的方法，称为称为MCVD 法。法。上一页 下一页返回2.1 光纤简介光纤简介MCVD 法是在石英反应管（也称衬底管、外包皮管）内沉积法是在石英反应管
41、（也称衬底管、外包皮管）内沉积内包皮层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超提纯状态内包皮层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产出高质量的单模下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产出高质量的单模和多模光纤。和多模光纤。MCVD 法制备光纤预制棒的示意图如法制备光纤预制棒的示意图如图图2-8所所示。示。其基本制作步骤是：其基本制作步骤是：熔制光纤的内包皮层玻璃。熔制的主材料选择液态的四氯化熔制光纤的内包皮层玻璃。熔制的主材料选择液态的四氯化硅（硅（SiCI4），掺杂剂选择氟利昂（），掺杂剂选择氟利昂（CF2CI2）等低折射率材）等低折射率材料。料。上一
42、页 下一页返回2.1 光纤简介光纤简介在制作过程中载运气体氧气带着四氯化硅等物质一起进入在制作过程中载运气体氧气带着四氯化硅等物质一起进入石英反应管。随着玻璃车床的旋转，高达石英反应管。随着玻璃车床的旋转，高达14001600 的氢氧火焰为反应管加热，这时管内的四氯化硅等物质在高的氢氧火焰为反应管加热，这时管内的四氯化硅等物质在高温下起氧化反应，形成粉尘状氧化物（温下起氧化反应，形成粉尘状氧化物（SiO2-SiF4等），并等），并逐渐沉积在高温区的气流下游的管内壁上，当氢氧火焰的高逐渐沉积在高温区的气流下游的管内壁上，当氢氧火焰的高温区经过这里时，就在石英反应管的内壁上形成均匀的透明温区经过这
43、里时，就在石英反应管的内壁上形成均匀的透明的掺杂玻璃的掺杂玻璃SiO2-SiF4。氯气和没反应完的材料均从石英反。氯气和没反应完的材料均从石英反应管的尾端排出去。这样不断的重复沉积，就在管子的内壁应管的尾端排出去。这样不断的重复沉积，就在管子的内壁上形成一定厚度的玻璃层，作为纤维的内包层。上形成一定厚度的玻璃层，作为纤维的内包层。熔制芯层玻璃。芯层的折射率比内包层的折射率稍高，可选熔制芯层玻璃。芯层的折射率比内包层的折射率稍高，可选择折射率高的材料如三氯氧磷、四氯化锗等作为掺杂剂。择折射率高的材料如三氯氧磷、四氯化锗等作为掺杂剂。上一页 下一页返回2.1 光纤简介光纤简介用超纯氧气把掺杂剂等送
44、进反应管中去进行高温氧化反应，用超纯氧气把掺杂剂等送进反应管中去进行高温氧化反应，形成粉尘状氧化物等沉积在气流下游的内壁上，氢氧火焰烧形成粉尘状氧化物等沉积在气流下游的内壁上，氢氧火焰烧到这里时，就在内壁上形成透明的玻璃层，沉积在内包层玻到这里时，就在内壁上形成透明的玻璃层，沉积在内包层玻璃上。经过一段时间的沉积后，就在石英管的内壁上沉积出璃上。经过一段时间的沉积后，就在石英管的内壁上沉积出一定厚度的掺锗玻璃，这层玻璃就成为芯层玻璃。一定厚度的掺锗玻璃，这层玻璃就成为芯层玻璃。芯层经过数小时的沉积，石英反应管内壁上已沉积相当厚度芯层经过数小时的沉积，石英反应管内壁上已沉积相当厚度的玻璃层，初步
45、形成了玻璃棒体，持续加大火焰，或者降低的玻璃层，初步形成了玻璃棒体，持续加大火焰，或者降低火焰左右移动的速度，并保持石英反应管的旋转状态，石英火焰左右移动的速度，并保持石英反应管的旋转状态，石英反应管在高温下软化收缩，最后形成一个实心棒，即光纤的反应管在高温下软化收缩，最后形成一个实心棒，即光纤的原始的预制棒。原石英反应管已经和沉积的石英玻璃熔缩成原始的预制棒。原石英反应管已经和沉积的石英玻璃熔缩成一个整体，成为光纤的外包层（或称为保护层）。一个整体，成为光纤的外包层（或称为保护层）。上一页返回2.2 导光原理导光原理1.光传输理论光传输理论（1）波动理论与光射线理论）波动理论与光射线理论光具
46、有波粒二象性，既可以被看作是光波，又可以被作是由光具有波粒二象性，既可以被看作是光波，又可以被作是由光子组成的粒子流，所以有两种分析光纤传输特性的理论，光子组成的粒子流，所以有两种分析光纤传输特性的理论，即波动理论和光射线理论。波动理论是分析光纤的标准理论，即波动理论和光射线理论。波动理论是分析光纤的标准理论，其核心是求解满足初始条件和边界条件的马克斯韦方程，这其核心是求解满足初始条件和边界条件的马克斯韦方程，这种分析方法能够精确地描述光纤的传输特性，但涉及的物理种分析方法能够精确地描述光纤的传输特性，但涉及的物理数学知识很广，非常复杂；光射线理论是用几何光学的分析数学知识很广，非常复杂；光射
47、线理论是用几何光学的分析方法，将光看成是传播的方法，将光看成是传播的“光线光线”，物理描述直观，可以解，物理描述直观，可以解决一些实际间题。决一些实际间题。下一页返回2.2 导光原理导光原理对于多模光纤，波动理论的求解十分繁琐，而且由于传输模对于多模光纤，波动理论的求解十分繁琐，而且由于传输模数量很大，讨论个别模的意义不大。用光射线理论进行分析数量很大，讨论个别模的意义不大。用光射线理论进行分析却简洁、方便，而且多模光纤的纤芯直径较大，使用光射线却简洁、方便，而且多模光纤的纤芯直径较大，使用光射线理论的分析结果，与波动理论的结果十分接近。因此分析多理论的分析结果，与波动理论的结果十分接近。因此
48、分析多模光纤的导光原理大多采用光射线理论。模光纤的导光原理大多采用光射线理论。对于单模光纤，因为其芯径很小，所以不适合使用光射线理对于单模光纤，因为其芯径很小，所以不适合使用光射线理论进行分析，而使用波动理论进行分析更准确。论进行分析，而使用波动理论进行分析更准确。由于波动理论的复杂性，这里就使用光射线理论进行导光原由于波动理论的复杂性，这里就使用光射线理论进行导光原理的分析，可以使读者定性地了解光纤的导光原理。理的分析，可以使读者定性地了解光纤的导光原理。上一页 下一页返回2.2 导光原理导光原理（2）光频率和介质对光传输的影响）光频率和介质对光传输的影响光是一种电磁波。电磁波波谱如光是一种
49、电磁波。电磁波波谱如图图2-9所示，其中光波范围所示，其中光波范围包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：包括红外线、可见光、紫外线，其波长范围为：300m6103 m，可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种，可见光由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最颜色的连续光波组成，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。短。光纤通信的波谱在光纤通信的波谱在1.671014Hz3.751014Hz之间，即之间，即波长在波长在0.8m1.8m之间，属于红外波段，将之间，属于红外波段，将0.8m0.9m称为短波长，称为短波长，1.0m1.8m称为长波称为长波长，长
50、，2.0m以上称为超长波长。以上称为超长波长。上一页 下一页返回2.2 导光原理导光原理光波在真空中，是以光速（光波在真空中，是以光速（c=）传播的。不同）传播的。不同的光频率对应不同颜色的光，如频的光频率对应不同颜色的光，如频率率 ，对应的是红光。，对应的是红光。光的频率是由光源决定的，如频率为光的频率是由光源决定的，如频率为231THz的光，在真空的光，在真空中传播的波长为中传播的波长为1.3m、速度为、速度为c=，而在光纤，而在光纤中传播时，其频率不变，但速度和波长会改变，分别约中传播时，其频率不变，但速度和波长会改变，分别约为为 、1m,可见光的速度和波长受传输介质和可见光的速度和波长
