1、光纤通信原理概 述1.1 光纤通信的发展与现状 1.1.1 早期的光通信到了1880年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。图图1.1 贝尔电话系统贝尔电话系统贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。1.1.2 光纤通信在大气光通信受阻之后，人们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，如图1.2所示。图图1.2 反射波导和透镜波导反
2、射波导和透镜波导1966年，英籍华人高锟(K.C.Kao，当时工作于英国标准电信研究所)博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。在高锟理论的指导下，1970年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为20dB/km的光纤。1 9 7 7 年 美 国 在 芝 加 哥 进 行 了44.736Mbit/s的现场实验，1978年，日本开始了32.064Mbit/s和97.728Mbit/s的光纤通信实
3、验；1979年，美国AT&T和日本NTT均研制出了波长为1.35m的半导体激光器，日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为0.2dB/km，波长为1.55m)，同时进行了多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤)1.31m的长波长传输系统的现场试验。到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器(Optical Amplifier，OA)增加中继距离和采用波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增加传输容量为特征的第四代系统。1.2 光纤通信的主要特性 1.2.1 光纤通信的优点 1.光纤的容量大 光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波
4、光波具有很高的频率(约1014Hz)，因此光纤具有很大的通信容量。2.损耗低、中继距离长目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在1.55m波长区的损耗可低到0.18dB/km，比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长(2m)，光纤的理论损耗系数可以下降到10-310-5dB/km，此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。4.保密性能好 对通信系统的重要要求之一是保密性
5、好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。5.体积小，重量轻 6.节省有色金属和原材料 1.2.2 光纤通信的缺点事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。1.抗拉强度低 2.光纤连接困难 3.光纤怕水1.3 光纤通信系统的组成和分类 1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注
6、入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制器，这些将在后续章节中详细介绍。光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。1.3.2 光纤通信系统的分类根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。根据光纤的传导模数量，光
7、纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。光纤和光缆光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。本章首先介绍光纤的结构与类型，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。2.1 光纤的结构与类型 2.1.1 光纤的结构光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，如图2.1所
8、示。图图2.1 光纤结构示意图光纤结构示意图 2.1.2 光纤的类型 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。1.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图2.2所示。图图2.2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(r)来表示。）（1.2 21arnarnrn 2.按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可
9、以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。3.按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。4.按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G
10、.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。2.2 光纤的射线理论分析 2.2.1 基本光学定义和定律光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为 v=c/n式中：c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右)。反射定律：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处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：11。折射定律：折射光线位于
11、入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2 2.2.2 光纤中光的传播一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。1.子午射线在阶跃型光纤中的传播阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1n2，如图2.6所示。图图2.6 光线在阶跃型
12、光纤中的传播光线在阶跃型光纤中的传播 2.子午射线在渐变型光纤中的传播渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。3.斜射线在光纤中的传播子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。2.2.3 光纤中的模式传输 1.传导模的概念模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。2.相位一致条件光纤中光波相位的变化情况如图2.9所示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤的相位一致条件，不作复杂的数学推导，只提及波动光学中
13、的基本观点和结论。图图2.9 光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在A、B处相位相等，则经过一段传播距离后，在A、B处也应该相位相等或相差2的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时，形成行波；而在有限空间传播时，形成驻波。一旦确定了光波导和光波长，那么n1、n2、纤芯直径2a以及真空中光的传播常数k0也就确定了，而且式(2-17)中的最大N值也就确定了。对于渐变型多模光纤，同样，其导模不仅要满足全反射条件，还要满足相位一致条件。在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程
14、短，但靠近轴线处的折射率大，该处光线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线的传播速度越快。2.2.4 多模光纤与单模光纤多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。为了描述光纤中传输的模式数目，在此引入一个非常重要的结构参数，即光纤的归一化频率，一般用V表示，其表达式如下：）（19.2 222200anCanankVmmm 1.多模光纤顾明思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。2.单模光纤只能传输一种模式的光纤称为单模
15、光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHzkm以上。2.3 均匀光纤的波动理论分析2.3.1 平面波在理想介质中的传播 1.均匀平面波的一般概念所谓均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上，电场强度E和磁场强度H的幅度和相位都相等的波型，简称为平面波。平面波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n的无限大的介质中，一工作波长为0的平面波在其中传播，其波数为：式中：k0是真空中的波数，是光的角频率，和分别是介质的导磁率和介电常数,设平面波传播方向的单位矢
16、量为as，则k=ask称为平面波在该介质中的波矢量。）（25.2 200nknk 2.平面波在介质分界面上的反射和折射反射波与入射波在原点处的复振幅之比称为反射系数；传递波与入射波在原点处的复振幅之比称为传递系数，表示为：）（a29.2 120101jeREER式中：R、T都是复数，包括大小及相位。其模值分别表示反射波、传递波与入射波幅度的大小之比；21、22是R和T的相角，分别表示在介质分界面上反射波、传递波比入射波超前的相位。）（b29.2 220102jeTEET 3.平面波的全反射全反射是一种重要的物理现象，当光波从光密介质射入光疏介质，且入射角大于临界角时才能产生全反射，即全反射必须
17、满足：n1n2，c190。(1)全反射情况时介质1中波的特点在全反射时，式(2-32)根号中是负数，因此可以变化成下面的形式。）（33.2 1sincos122212nnj(2)全反射情况时介质2中波的特点全反射时，将式(2-34)代入式(2-30b)，即可得到垂直极化波全反射时的传递系数。）（40.2 cos212122cossinsin2221112cjarctgjennneTT(3)导行波和辐射波的概念综上所述，当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角1的大小，可以产生两种类型的波：当入射角大于临界角时产生导行波，能量集中在光密介质及其界面附近；当入射角小于临界角时产生辐射波，
18、一部分能量辐射到光疏介质中并在其中传播。对于光波导来说，导波是一种重要的波型。2.3.2 阶跃光纤的波动理论 1.基本概念(1)麦克斯韦方程组和边界条件1在均匀光纤中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为：式中：E为电场强度矢量；D为电位移矢量；H为磁场强度矢量；B为磁感应强度矢量。且D与E，B与H有下列关系。）（）（）（）（d44.2 0c44.2 0b44.2 a44.2BDEjHHjE）（）（b45.2 a45.2HBED(2)亥姆霍兹方程从麦克斯韦方程组出发，可以导出光波所满足的亥姆霍兹方程。根据矢量关系，有如
19、下两个等式。式中：A代表任何一个矢量，当然E、H也满足式(2-47)。）（a47.2 2AAA ）（b47.2 AAA(3)波的类型和模式在单一均匀介质中传播的波为平面波，称为横电磁波，用TEM表示，TEM波的电场和磁场方向与波的传播方向垂直，即在波导的传播方向上既没有磁场分量也没有电场分量，且三者两两相互垂直。对于同一类型的波，其场强在圆周方向(即方向)或径向方向(即r方向)的分布情况又会有所区别，即电磁场的分布会不尽相同。目前通信用光纤的相对折射率差 1，称为弱导光纤。这种光纤可以近似地用平面波束分析光的传播。2.阶跃型光纤的波动理论阶跃型光纤的波动理论分析就是以麦克斯韦方程组为基础，根据
20、光纤的边界条件，从亥姆霍兹方程解出阶跃型光纤中导波的场方程，在此基础上推导出其特征方程，研究其导波模式，分析其传输特性。(1)亥姆霍兹方程的解阶跃型光纤的纤芯半径为a，包层半径为b，纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，其截面形状如图2.17(a)所示。图图2.16几个低阶模的场型几个低阶模的场型(实线为电力线，实线为电力线，虚线为磁力线，虚线为磁力线，g=2/)(2)特征方程要确定光纤中导模的特性，就需要确定参数U、W和，只有亥姆霍兹方程的解是不够的。由于光纤中的导模还必须满足光纤的边界条件，所以还要利用光纤的边界条件来确定场表达式中的参数U、W和。(3)光纤中的导模类型及特征方程上面已经得到
21、了光纤中场的亥姆霍兹方程和弱导光纤中导波的特征方程，接下来分析光纤中存在哪些模式及这些模式的特征方程。TEM波光纤中是否存在TEM波呢?根据定义，TEM波在波导的传播方向(Z方向)上既没有电场分量，又没有磁场分量。即Ez0、Hz0。如果光纤中存在TEM波，则根据Ez、Hz的表达式(2-75)和式(2-76)可以得到AB0，再将AB0代入式(2-77)、式(2-78)得到Er、E、Hr、E都为零，即光纤中不存在电磁场，所以光纤中根本不存在TEM波。TE波和TM波光纤中是否存在TE波和TM波，实际上是看单独的TE波和TM波是否满足边界条件。如果光纤中存在TE波，根据TE波的定义，TE波在波导的传播
22、方向(Z方向)上没有电场分量，只有磁场分量，即Ez0，根据Ez表达式(2-75)可以得到A0，然后将A0代入式(2-83b)中得到）（85.2 01122WUmB式 中 导 模 的 传 播 常 数 不 能 为 零，2211WU也不能为零，B 也不能为零（如果 A、B同时为零，此时光纤中不存在电磁场）；因此，只有 m0。EH波和HE波从上面的阐述中可以看到，当m0时，光纤中不能存在TE波和TM波，而只能是Ez、Hz同时存在的EH波和HE波。(4)导模的特性模的特性可以用3个特征参数U、W和来描述。U表示导模场在纤芯内部的横向分布规律；W表示导模场在纤芯外部的横向分布规律。TE0n和 TM0n模归
23、一化截止频率根据贝塞尔函数的性质，当 W?0 时，有如下的近似式5：当 m0 时：）（a91.2 2ln0WWK当 m0 时：）（b91.2 2!121mmWmWK因此：）（c91.2 11WWK EHmn模的归一化截止频率根据 EH 模的特征方程（2.89）式和（2.91b）式，在临界状态下有：201012lim2!1212!21limWmWmWWmUJUUJWmmWcmccm 从而得到：）（93.2 0cmUJ HEmn模的归一化截止频率由于当 W?0 时，K0（W）和 Km（W）（m0）的近似公式不同，在这里要分 m1 和 m2 两种情况讨论。a.当 m1 时。根据 HE 模的特征方程（
24、2.90）式和（2.91a）、（2.91c）式，在临界状态下有：WWWWWWKWKUJUUJWWWccc2lnlim12lnlimlim0010010从而得到：）（94.2 001ccUJU式（2.94）就是 HE1n在临界状态下的特征方程。b.当 m2 时根据 HE 模的特征方程（2.90）式和（2.91b）式，在临界状态下有：1212!1212!221limlim120101mWmWWmWWKWKUJUUJmmWmmWcmccm 从而得到：）（95.2 121cmcmcUJmUJU 根据贝塞尔函数的递推公式5 ）（96.2 211cmccmccmUJUUJUUmJ将式（2.96）代入式（2
25、.95），得：）（97.2 022cmccmccmccmcUJUUJUUJUUJU式中：如果 Uc0，则 0000011mmcmccmJJUJUUJ，成为不定型，所以 Uc0，只有：）（98.2 02cmUJ 式（2.98）就是 HEmn（m2）模在临界状态下的特征方程。远离截止时的U值光纤中导模的U值是随频率而变化的。上面所讨论的Uc值只适用于导模截止时的情况。TE0n模和 TM0n模远离截止时的 U 值将式（2.101）代入 TE 模和 TM 模的特征方程（2.88）式中，可得到：01limlim0101WWWKWKUUJUJWW从而得到：）（101.2 01UJ EHmn模远离截止时的
26、U 值将式（2.101）代入 EH 模的特征方程（2.90）式中，可得到：01limlim11WWWKWKUUJUJWmmWmm从而得到：）（102.2 01UJm式（2.103）就是 EHmn模远离截止时特征方程。2.4 光 缆 2.4.1 光缆的典型结构 1.光缆的构造光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。(1)缆芯在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能；
27、另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。(2)护层光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。2.光缆的典型结构光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，如图2.21所示。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。图图2.21光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图(1)层绞式结构层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆
28、。(2)骨架式结构骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。(3)束管式结构束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。(4)带状式结构带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。2.4.2 光缆的种类与型号 1.光缆的种类光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有：根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；根据光纤的种类，光缆可
29、以分为多模光缆、单模光缆；根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)；根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。2.光缆的型号6光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。(1)光缆的型式代号光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等)
30、、护套和外护层五部分组成，如图2.22所示。图图2.22 光缆的型式代号光缆的型式代号 光缆分类代号及其意义GY：通信用室(野)外光缆；GR：通信用软光缆；GJ：通信用室(局)内光缆；GS：通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆；GT：通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。加强构件的代号及其意义无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；G：金属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。派生特征的代号及其意义B：扁平式结构；Z：自承式结构；T：填充式结构；S：松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套；V：聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套；A：铝、
31、聚乙烯护套；L：铝护套；Q：铅护套；G：钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。外护层的代号及其意义外护层是指铠装层及铠装层外面的外被层，参照国标GB2952-82的规定，外护层采用两位数字表示，各代号的意义如表2.4所示。表 2.4外护层的代号及意义代号铠装层代号外被层0无0无11纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝5单钢带皱纹纵包(2)光纤的规格代号光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。光纤数目用光缆中同类别光纤的实际有效数目的阿拉伯数字表示。光纤类别的代号及其意义 J：二氧化硅系多模渐变型光纤；T：
32、二氧化硅系多模阶跃型(突变型)光纤；Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；D：二氧化硅系单模光纤；X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S：塑料光纤。光纤的主要尺寸参数代号及其意义用阿拉伯数字(含小数点)以m为单位表示多模光纤的芯径/包层直径或单模光纤的模场直径/包层直径。传输性能代号及其意义光纤的传输特性代号是由使用波长、损耗系数、模式带宽的代号(分别为a、bb、cc)构成。其中a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1：使用波长在0.85m区域；2：使用波长在1.31m区域；3：使用波长在1.55m区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆中光纤损耗系数值(dB/km)的个位和十分位。cc表示模式
33、带宽的代号，其数字依次是光缆中光纤模式带宽数值(MHzkm)的千位和百位数字。单模光纤无此项。注意：同一光缆适用于两种以上的波长，并具有不同的传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用/划开。适用温度代号及其意义A：适用于-40 +40；B：适用于-30 +50；C：适用于-20 +60；D：适用于-5+60。光纤的传输特性3.1 光纤的损耗特性 3.1.1 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
34、)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。3.1.2 散射损耗 1.线性散射损耗任何光
35、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。(1)瑞利散射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
36、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。3.1.3 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。3.1.4 光纤损耗系数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(1k
37、m)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 /lg1021KmdBPPL3.2 光纤的色散特性 3.2.1 色散的概念 3.2.2 模式色散所谓模式色散，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。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
38、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。3.2.3 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，色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散，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。3.2.4 波导色散式(3
39、-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 )(221dVVbdVCnDw 3.2.5 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LP01x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：
40、nx和ny分别为x方向和y方向的折射率。）（27.3 xyxynnC 3.2.6 总色散光纤的总色散为：值得说明的是，单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。多模光纤）（31.3 )(22wmM单模光纤）（32.3 wm 3.2.7 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
41、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3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。可用式(3-33)表示。）（光光33.3 30lg01dBPfPc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 60lg200lg200lg10dBPfPIfIPfPccc 1.色散与带宽的关系既然脉冲展宽、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
42、系。2.模式畸变带宽和波长色散带宽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 21 22cMTBBB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 441GHzLDBc 3.链路总带宽对通信容量的影响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
43、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)。3.3 成缆对光纤特性的影响 3.3.1 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。3.3.2
44、 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。3.4 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
45、、G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤的主要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
46、光纤类型多模渐变型G.651 光纤常规单模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%10.510%8112m 光纤截止波长C（m）11001280待研究135016001470光学特性22m 光缆截止波长CC（m）1270待研究1480损耗（dB/Km）850nm1310nm1550nm421.00.5
47、1.00.50.250.5100k （R1K 档）100k （R1K 档）无穷大（R1K 档）6.3 光 接 收 机 6.3.1 光解调原理 1.非相干检测方式常用的非相干检测方式就是直接功率检测方式。直接功率检测方式是通过光电二极管直接将接收的光信号恢复成基本调制信号的过程。2.相干检测方式就像普通的无线电收音机一样，首先接收光信号要与一个光本地振荡器在光混频器混频之后，再被光电检测器变换成一定要求的电信号，如图6.5所示。图图6.5 相干检测原理相干检测原理 6.3.2 光接收机的构成与指标 1.光接收机的构成在实用的直接功率检测光接收机中，光电检测器直接从接收光信号中将基本调制信号恢复出
48、来。2.光接收机指标对于不同的光纤通信系统，有着不同的光接收机质量指标。(1)光接收机灵敏度所谓光接收机灵敏度，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机需要接收的最小平均光功率(有时也称为平均最小输入光功率)。(2)光接收机动态范围所谓光接收机动态范围，就是指在一定误码率或信噪比(有时还要加上信号波形失真量)条件下光接收机允许的光信号平均光功率的变化范围。6.4 光接收机的噪声 6.4.1 光接收机的噪声源 1.光电检测器噪声光电检测器上的噪声包括光检测噪声(有可能与信号强度相关的噪声)、暗电流噪声及背景辐射噪声。(1)PINPD的光检测噪声由于光的量子性，PIN
49、PD的光检测噪声属于光量子噪声。PINPD的光检测噪声可以由下式决定：式中：为光电检测器的量子效率；e为电子电荷量；P为平均接收光功率；B为系 统带宽；h为普朗克常数；为光子的频率。PINPDPDnnhPBe22(2)APD的光检测噪声由于APD雪崩倍增过程的随机性，使得APD的光检测噪声更多的表现为倍增噪声。APD的光检测噪声可以表述如下：式中：为光电检测器的量子效率；e为电子电荷量；P为输入光电检测器的平均光 功率；M为APD的平均倍增因子；F为APD的倍增噪声系数；B为系统带宽。APDPDnnhFPBeM22 2.放大器的噪声不管前置放大器的具体结构如何，从低噪声角度出发第一级采用共射极
50、(或共源极)则是公认的。关于第一级器件的应用，无非是晶体三极管(Bi-junction Transistor，BJT)或场效应管(Field Effect Transistor，FET)两类。(1)FET前置放大器的噪声FET前置放大器的输入等效噪声可以用下式表示：32232222222BCgKTCBfgKTBeIRKTnmcmgA(2)BJT前置放大器的噪声BJT前置放大器的输入等效噪声可以表示为：3222232222BeIKTCBReIReIKTeIRKTnccccA 3.总噪声表达式光接收机的输入等效总噪声可以表示为：ntot=nPD+nA在PINPD光接收机中，nPD要远远小于nA。6
