1、第1章 概 论第1章 SolidWorks基本概念 1.1 SolidWorks基本概念 1.2 SolidWorks的基本操作 1.3 统一数据库的作用 1.4 SolidWorks选项练习题1.5 光纤通信发展历史回顾及现状第1章 概 论1.1 光通信的发展史光通信的发展史光通信的历史可以追溯到古代的烽火通信，以及现在还在使用的交通信号和水上交通用的“旗语”等，在这些通信方式中，光信号本身即是信息。现在的光通信则有本质不同，它是以光波作为载波，即将信息调制在光载波上的通信方式。光波是一种电磁波，电磁波的波谱图如图1-1-1所示。从图中可见，电磁波频率由低到高，包括音频、长波、中波、短波、微
2、波、光波、X射线、射线等。无论是有线通信还是无线通信，都是将低频信息（如音频或视频）调制搬移到高频载波上；载波频率越高，其所在频段频带越宽，通信容量越大，所以通信载频由低到高发展，先后经历了长波、中波、短波、微波等无线电波的各个波段。光波频率很高（约1014数量级），其通信频带是无线电波（包括长波、中波、短波、微波）频带总和的103104倍。因此，对通信频率资源不断开发利用的结果，人们自然想到利用光波作为载波载荷传输信息，因为光通信的传输容量是惊人的。第1章 概 论图1-1-1 电磁波的波谱图第1章 概 论1.2 光纤通信的基本概念和特点光纤通信的基本概念和特点1.2.1 光纤通信的光波波段光
3、纤通信的光波波段从图1-1-1中可见，光波由红外线、可见光、紫外线等波段组成，其波长范围在3006103 m之间。可见光是人们熟悉的光波，它由红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等七种颜色的连续光波组成，其波长范围为0.760.39 m，其中红光的波长最长，紫光的波长最短。红外线和紫外线都属于不可见光。红外线波长范围为3000.76 m，它又可以按波长划分为近红外、中红外及远红外。紫外线的波长范围为0.396103 m。第1章 概 论目前，光纤通信的工作波长在0.81.8 m之间，属近红外波段，通常又将工作波长在0.80.9 m之间的称为短波长，波长在1.01.8 m之间的称为长波长。短波长波段主要是指
4、0.85 m波长范围，长波长波段主要是指1.31 m和1.55 m波长范围，这是目前光通信中主要采用的三个光纤通信窗口。第1章 概 论1.2.2 光纤通信的基本组成光纤通信的基本组成光纤通信系统种类很多，但其基本构成是相同的，都是由光发送端机、光接收端机和光纤光缆组成的。若通信距离长，还必须设置光中继器。考虑到目前各种信息尚无法直接转变成光信号，而是要先转换成电信号，以电信号的方式进行交换、复用等，所以光纤通信系统中通常还包括电端机（由电发送端机和电接收端机组成）。这样，光纤通信系统的基本组成如图1-2-1所示。从图中可见，它由电端机、光端机（由光发送端机和光接收端机组成）、光中继器和光纤光缆
5、组成。下面以单向通信的情况说明各部分的作用。第1章 概 论图1-2-1 光纤通信系统的基本组成第1章 概 论(1)电发送端机：主要完成电信号的频分多路复用或时分多路复用，然后将群路信号送往光发送端机。送往光端机的信号可能是模拟信号，也可能是数字信号。输出模拟信号的电端机有载波机或电视图像发送设备等，对应的光纤通信系统称为模拟光纤通信系统；输出数字信号的电端机主要有脉冲编码调制（PCM）设备，对应的光纤通信系统称为数字光纤通信系统。由于数字信号抗干扰能力强，因此目前应用的系统大多数属于数字光纤通信系统。(2)光发送端机：主要任务是将电发送端机送来的电信号转换为光信号，然后送往光纤光缆传输。电/光
6、变换（E/O）主要由光源器件完成。光纤通信中的光源器件通常都采用半导体材料制成，半导体光源器件包括发光二极管（LED）和激光二极管（LD）两种。LED发荧光，其发光功率较小，波谱较宽，工作寿命长，主要适用于小容量、短距离的光纤通信系统。LD发激光，发光功率大，波谱较窄，主要适用于大容量、远距离的光纤通信系统。第1章 概 论(3)光纤或光缆：主要功能为传送光信号，完成信号传输任务。通信用光纤在结构上主要由纤芯和包层组成，为了保证光信号束缚在纤芯中传播，要求纤芯折射率大于包层折射率。光纤的主要传输特性包括损耗和色散两项，它们是影响光纤通信中继距离和传输容量的决定性因素。在实际应用中，通常将若干根光
7、纤以一定方式制成光缆。光缆中的光纤数，根据需要，有单芯、二芯、四芯、六芯乃至百余芯到数千芯不等。通常，一根光纤传送一个方向的光信号，故双向通信需要两根光纤，但现在已有办法在一根光纤上传送双向光信号，如采用波分复用技术等。第1章 概 论(4)光中继器：主要功能是将传输后的光信号进行放大再生，以实现远距离的传输。由于光纤存在损耗和色散，光信号经过光纤光缆长距离传输后，光信号被衰减变小，波形也产生畸变，为了保证远距离的通信，每隔一定距离设置光中继器，将接收到的微弱光信号变换成电信号，然后对电信号进行放大或再生处理，再经过电光变换转换为光信号，耦合进光纤光缆继续传输。这种放大再生方式称为光电光方式，目
8、前的中继距离一般在几十公里，随着技术的进步，将达到几百公里甚至几千公里。第1章 概 论(5)光接收机：主要任务是将接收到的光信号再还原为电信号，然后送回电接收端机。光/电变换(O/E)主要由光电检测器完成。光纤通信中采用的光电检测器也是由半导体材料制成的，包括PIN型光电二极管和APD型光电二极管(雪崩光电二极管)。其中APD管在完成光/电转换的同时，通过其雪崩效应可实现对光信号的内部放大作用，有助于提高光接收机的灵敏度。(6)电接收端机：同发送端机作用相反，其主要功能为频分解复用或时分解复用，可为模拟接收设备或数字接收设备。第1章 概 论1.2.3 光纤通信的优点光纤通信的优点(1)传输频带
9、宽，通信容量大。由于通信容量和载波频率成正比，而光纤传输的光载波比传统电通信频率高104倍以上，所以光纤通信的通信容量在理论上比以往的电通信容量大数万倍以上，目前实际水平已经达到几十倍。如现在已大量投入使用2.5 Gb/s数字光纤通信系统，在一根光纤上可同时传输三万多路电话，而以前电通信中容量最大的中同轴电缆，通信容量仅同时传输一千多路电话。(2)损耗小，中继距离长。目前使用的石英光纤在0.81.8 m波长范围内损耗比所有传统的电传输线低，尤其在1.55 m波长处，光纤损耗低达0.2 dB/km。由于光纤传输损耗低，因此中继距离可以达到几十公里，甚至成百上千公里，而传统的电传输线中继距离仅为几
10、公里。第1章 概 论(3)无电磁干扰，不会产生电光干扰。光纤是非金属介质材料，它不受电磁干扰，这是传统的电通信所无法比拟的，因此光纤通信在电力输配、电气化铁路、核试验等特殊环境有特殊的优越性。此外，由于光信号束缚在纤芯内传播，因此不会产生光纤间的串光现象，这对同一光缆中不同光纤间光信号的传播质量及光缆中光纤的高密度布放等问题带来了很好的保证与方便。(4)尺寸小，重量轻。光纤直径仅为0.1 mm左右，因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多，给工程应用带来极大便利。第1章 概 论(5)原材料丰富。光纤的主要成分是二氧化硅(SiO2)，它是组成地球最主要的成分之一，因而制作光纤的原材料是非常丰富
11、的。同传统的电传输线相比，光纤传输媒介在通信中的广泛应用节省了大量越来越宝贵的金属材料。总之，光纤光缆线路代替传统的金属传输线路是必然的趋势。第1章 概 论1.3 光纤的基本性质光纤的基本性质1.3.1 光纤的结构、材料及制造工艺光纤的结构、材料及制造工艺1.光纤的结构光纤的结构光纤是一种丝状的圆柱光波导，它将光封闭在其内进行传递。大家知道，光是一种电磁波，其传播规律可由麦克斯韦方程来描述。当它所传播的空间中介质的物理变化尺寸远大于光的波长时，光的传播可用简化了的射线理论描述。从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。下面我们从射线光学的角度简单介绍一下光在光纤中的
12、传输原理。第1章 概 论光在两种均匀介质分界面上的行为如图1-3-1所示，MM为两介质的分界面，NN为MM面的法线，n1和n2分别为两介质的折射率。光在均匀介质中沿直线传播，当光入射到两个介质的分界面时，一部分光将反射回原传播介质成为反射光，另一部分光将进入另一介质成为折射光。光的反射服从反射定律：反射光线位于入射光和法线NN所决定的平面，反射光与入射光分居法线的两侧，反射角j1 等于入射角j1。光的折射服从如下折射定律：折射光线位于入射光和法线NN所决定的平面，折射光与入射光分居法线的两侧，入射角j1与折射角j2的关系为(1-3-1)1221sinsinnnjj第1章 概 论图1-3-1 光
13、的反射与折射第1章 概 论如图1-3-2所示，当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射定律，折射角将大于入射角，当入射角增大时，折射角也随着增大，当入射角增大到j0时，折射角等于90，j 0被称为临界角。由式(1-3-1)，临界角为(1-3-2)201sinnnj当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，才能产生全反射。第1章 概 论图1-3-2 全反射过程示意图第1章 概 论光纤就是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原
14、理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。图1-3-3为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式：(1-3-3)12,()(),()nran rnra第1章 概 论图1-3-3 阶跃光纤的结构及折射率分布示意图第1章 概 论设光线以某一角度射入光纤端面，进入光纤后又以角度j射入到纤芯和包层之间的界面上。因为纤芯折射率n1大于包层折射率n2，所以纤芯与包层的界面上有一个产生全反射的临界角j m，相应地，在光纤端面上也有一临界端面入射角0。如果0，则光纤内包层界面入射角j j m，这时不会产生全反
15、射，光线将有一部分进入包层而跑到光纤外面去，造成能量损失，经多次反射后光能将全部损耗掉，无法实现光的长距离传输。如果端面入射角小于0，则光纤内包层界面处的入射角大于jm，满足全反射条件，入射光线将在纤芯和包层的分界面上不断地来回反射，实现光的无损耗传输。第1章 概 论2.光纤材料及制造工艺光纤材料及制造工艺目前，通信用光纤主要是用高纯度的玻璃材料制成的，按玻璃内所含化学元素组分的不同，大体上可分为以石英玻璃(SiO2)为主的石英系光纤和普通的多组分玻璃光纤两类。普通的多组分玻璃是在SiO2中含有较多成分的碱金属氧化物和硼、铝等氧化物，它的熔融温度比石英玻璃低得多，制造成光纤后的抗拉强度也低得多
16、，因而目前通信中主要使用的是石英光纤。下面结合石英光纤介绍光纤的制造工艺。第1章 概 论制造光纤时，一般先熔制出一根合适的玻璃棒，如图1-3-4所示。以制造阶跃光纤为例，玻璃棒的包层和纤芯的主体材料都是石英玻璃，即透明的SiO2，石英玻璃的折射率为1.458。欲使光在光纤纤芯中传输，必须使纤芯的折射率稍高于包层的折射率，为此，在制造纤芯玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍高的材料，而制造包层玻璃时均匀地掺入少量的比石英折射率稍低的材料，这样就制成了拉制纤维的原始棒体材料，通常把它叫做光纤的预制棒。然后将预制棒放入高温拉丝炉中加温软化，以相似比例的尺寸拉成线径很小的又长又细的玻璃丝，这种玻璃丝中
17、的芯和包层的厚度比例及折射率分布与原始的光纤预制棒的完全一样，这种玻璃丝就是我们所说的光纤。第1章 概 论图1-3-4 光纤的制造工艺第1章 概 论1)光纤预制棒的制造工艺光纤预制棒的熔炼工艺很多，主要有管内化学气相沉积法和管外化学气相沉积法。管内化学气相沉积法是目前制造高质量石英光纤比较稳定可靠的方法，通常被叫做改进的化学气相沉积法(MCVD法)。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统是处在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高质量的单模和多模光纤。MCVD法制造光纤预制棒的示意图如图1-3-5所示。第1章 概 论图1-3-5 MCVD法第1章 概 论MC
18、VD法的制造过程分两步：第一步，先熔制光纤的内包层玻璃。内包层玻璃的折射率要比石英折射率稍低，选用液态的四氯化硅(SiCl4)作为主体材料，选用氟利昂(CF2Cl2)、六氟化硫(SF6)、四氟化二碳(C2F4)等低折射率材料作为掺杂的试剂。把一根外径1825 mm，壁厚1.42 mm的石英反应管夹在玻璃车床上，用超纯氧气(O2)和氩气(Ar)作为载运气体通过SiCl4和掺杂试剂的蒸发瓶后，含有SiCl4、CF2Cl2等物质的载运气体就一起导入石英反应管。当玻璃车床旋转时，用14001600的高温氢氧火焰加热石英反应管的外壁，这时，管内的SiCl4和CF2Cl2等试剂在高温下起氧化反应：第1章
19、概 论 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 (1-3-4)2CF2Cl2+4SiCl4+2O2 SiF4+2Cl2+2CO2(1-3-5)高温高温反应形成粉尘状氧化物(SiO2SiF4等)，沉积在高温区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一层均匀透明的掺杂玻璃 SiO2SiF4,氯气(Cl2)和没反应完的材料均从石英管的尾端排出去。氢氧火焰来回左右移动，每移动一次，就在石英反应管内壁上沉积一层透明的玻璃薄膜，这样不断地重复沉积，就在反应管的内壁上形成一定厚度的SiO2SiF4玻璃层，作为纤维的内包层。第1章 概 论第二步，熔制纤芯玻璃。纤芯的折射率比包层
20、的折射率要稍高，可选用的掺杂材料有三氯氧磷、四氯化锗等。同样用超纯氧气把掺杂物质带入反应管中进行反应，经过一段时间的沉积后，就得到一定厚度的纤芯玻璃。为了消除反应管中最后留下的小孔，可以加大火焰或降低火焰左右移动的速度，并保持石英反应管的旋转状态，使石英管外壁的温度达到1800左右。石英反应管在高温下软化收缩，最后形成一个实心的预制棒，原石英反应管和沉积的玻璃熔为一个整体，成为光纤的外包层，外包层不导光。第1章 概 论将MCVD法中的氢氧火焰加热改为微波腔体加热就是所谓的等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)。它的原理是把中小功率的微波能量送入谐振腔中，使谐振腔内石英反应管内的低压气体受激产生
21、辉光放电来实现加温氧化沉积玻璃，这种工艺的特点是：(1)沉积温度低于相应的热反应温度，反应管不易变形。(2)由于气体电离不受反应管的热容量的限制，微波加热体可沿反应管做快速往返运动，沉积厚度可小于1 m，从而可制造出多达上千层的接近理想分布的折射率剖面。第1章 概 论(3)光纤几何特性和光学特性的重复性好，适合于批量生产。对SiCl4的沉积效率接近100%，沉积速度快，有利于降低成本。光纤预制棒的管外化学气相沉积法有两种：气相轴向沉积法(VAD)和棒外气相沉积法(OVPD)。这两种方法就原理而言是相同的，它们沉积玻璃的示意图如图1-3-6所示。VAD法制作光纤预制棒的过程是把经过提纯的化学试剂
22、，如SiCl4、GeCl4、SiHCl3等以气态送入氢氧火焰喷灯，使之在氢氧火焰中水解，生成石英玻璃微粒粉尘。这些粉尘被吹附在种子石英棒的下端并沉积下来，这样沿轴向就生长出由玻璃粉尘组成的多孔粉尘预制棒，这种多孔粉尘预制棒被向上提升，通过一管状的加热器，被烧结处理，熔缩成透明的光纤预制棒。第1章 概 论图1-3-6 光纤预制棒的管外化学气相沉积法示意图第1章 概 论VAD法的特点是：(1)靠大量的载送化学试剂的气体通过氢氧火焰，大幅度地提高了氧化粉尘的沉积速度，比MCVD法快510倍。(2)一次性形成相当于纤芯和包层组成的粉尘棒，然后分段熔融，并通入氦气、氯气以及氯化亚砜(SOCl2)进行脱水
23、处理，使光纤玻璃中OH-含量很低，适合于制造长波长低损耗光纤。OVPD法的沉积顺序与MCVD法相反，它先沉积芯层，后沉积包层。如果芯棒是一根合成的高纯石英玻璃，则只需沉积包层材料，最后的工艺是把沉积的疏松的管棒材放入烧结炉中进行脱水处理，烧结成透明的预制棒。第1章 概 论该方法的优点如下：(1)能生产出大型的预制棒。(2)不需要高质量的石英管做套管。(3)棒芯中杂质含量极低。(4)几何尺寸精度高。(5)能大规模生产，成本低。第1章 概 论2)光纤的拉制工艺将光纤预制棒拉制成光纤的示意图如图1-3-7所示。预制棒由送料机构以一定的速度均匀地送往管状加热炉中，预制棒尖端热到一定温度时，棒体尖端的粘
24、度变低，靠自身重量逐渐下垂变细而成纤维，该纤维被拉引到牵引辊绕到卷筒上，在一定的牵引速度下拉制出所要求的光纤。在拉丝过程中，纤维丝径由激光线径测量仪监测，并利用监测结果控制拉丝速度及送料速度，以得到合格的产品。由预制棒拉制成的光纤的截面折射率分布可以完全保持预制棒原有的折射率分布，这是因为玻璃中的分子扩散要比晶体中的难得多，即使使用2000的高温去熔融预制棒，已掺入棒体中的掺杂物质也不会扩散，仍保持原预制棒中折射率分布。第1章 概 论图1-3-7 光纤拉丝工艺过程示意图第1章 概 论3)光纤的涂覆和套塑工艺 从预制棒拉出的光纤不能直接使用，这是因为它达不到实际使用的强度要求。玻璃与金属不同，它
25、是脆性断裂材料，其抗拉和抗弯能力都较差，实际拉出的光纤由于制造工艺的不完善，强度将进一步下降。制造中造成强度下降的主要原因如下：(1)预制棒在制造中可能存在杂质和气泡，这些杂质和气泡会转移到光纤中。由于杂质的膨胀系数与周围玻璃不同，可能导致裂纹，造成强度的下降；气泡对强度的影响将更大。第1章 概 论(2)拉丝过程中，拉丝炉的温度稳定性、周围环境中的粉尘及拉丝卷绕等有可能使光纤表面出现划痕、裂纹等机械损伤，影响光纤的强度。拉出的光纤如果直接使用，除会造成进一步机械损伤外，周围环境中的水分等有害物质还会对光纤造成腐蚀，使光纤表面的裂纹扩展，降低光纤强度。第1章 概 论图1-3-8 光纤的涂覆工艺示
26、意图第1章 概 论总之，直接拉出的光纤的抗拉能力只有100 g左右，无法使用。因此，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，还要对光纤进行涂覆和套塑处理。光纤的涂覆是与拉丝工艺同时进行的。当光纤向下拉制时，光纤表面的微裂纹尚未与空气中水分等发生反应或扩大，就迅速地进行涂覆来保护光纤的表面。涂覆材料一般是硅酮树脂和丙烯酸脂类材料，图1-3-8为光纤的硅酮树脂涂覆工艺示意图。通常涂覆都在两层以上，里面的一层采用折射率比石英玻璃稍大的变性硅酮树脂，可以用来吸收透过包层的光，涂覆厚度一般为30150 m；外面的第二层是普通的硅酮树脂，而且涂层较厚。第1章 概 论两次涂覆后的外径约为0.80.9 mm
27、，有利于提高光纤的低温性能和抗微弯性能。两次涂覆中涂覆层的厚度可通过调节涂覆器端头的小孔直径和锥角来控制。涂覆后的光纤在树脂干燥炉中用几百度的高温对树脂进行固化，酮树脂涂覆的涂层较厚，低温性能和抗微弯性能良好，但由于温度固化速度较慢，它的拉丝速度也比较慢。丙烯酸脂类材料的涂覆工艺与硅酮树脂的涂覆工艺类似，不同之处是丙烯酸脂类材料使用的涂层固化方法为紫外光固化。由于光固化速度快，这种涂覆的拉丝速度也快，涂覆后的外径在200500 m。第1章 概 论 经涂覆之后的光纤可承受几千克的拉力，要实际使用还需套塑来保护光纤的涂覆层并进一步增加光纤的机械强度。套塑分紧套和松套两种，紧套是在涂覆层的外面再紧紧
28、地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料，塑料是紧贴在涂覆层上的，光纤与套塑层之间不能自由活动；松套就是在涂覆的光纤上再包上塑料套管，光纤可以在管内自由活动。图1-3-9是紧套光纤和松套光纤结构示意图。第1章 概 论图1-3-9 紧套光纤和松套光纤结构图第1章 概 论对于紧套光纤来说，由于涂覆材料和套塑材料的膨胀系数不一样，为了降低温度变化引起的微弯损耗，一般要求涂覆层厚些，套塑层薄些，因此，硅酮树脂涂覆适合于紧套工艺。而涂层较薄的丙烯酸脂类材料的涂覆工艺适合于松套工艺。在松套结构工艺中，考虑到塑料管的膨胀系数比石英光纤大3个数量级的因素，塑料管的直径应选得大些，使紧靠管壁的光纤中心到套塑管中心的距离大于
29、0.3 mm，这样就可使光纤在套塑管内收缩时滑动自如，改善低温特性。第1章 概 论图1-3-10是紧套光纤的套塑工艺示意图。套塑时，涂覆光纤从安装在模具内部并与模具同心的导向管中穿过，在模具出口处涂覆上溶化了的套塑材料，经过冷却水槽，套塑材料被冷却固化，再送到收丝的转轮上，模具出口处的尺寸决定了套塑层的厚度和外径。套塑后，由于冷却固化，套塑材料将会收缩，造成光纤的微弯，增大光纤的传输损耗。为减少这种因套塑引起的附加损耗，应该使套塑材料的冷却速度、挤压速度和光纤的牵引速度之间的关系达到最佳值。一般来说，涂覆厚些，套塑薄些，光纤的低温特性就会好一点。第1章 概 论图1-3-10 紧套光纤的套塑工艺
30、示意图第1章 概 论光纤经过涂覆和套塑后已具有一定的抗拉强度，但一般还经不起实用场合的弯曲、扭曲和侧压力的作用。为此，欲使成品光纤达到通信工程的实用要求，必须像通信用的各种铜线电缆那样，借用传统的绞合、套塑、金属带铠装等成缆工艺，将光纤成缆，使之既保持光纤原有的传输特性，又具备满足实际工程使用要求的机械性能。具体的光纤成缆工艺请参见有关专著，这里不再赘述。第1章 概 论1.3.2 光纤传输衰减光纤传输衰减 光在光纤中传输时，光纤对光信号的功率有衰减，光的强度将会减弱，这是光纤的一个重要性质。若P0是入射光的强度，则传输距离L后的光强度为(1-3-6)0eaLTPP其中是衰减系数，其单位为长度单
31、位1。在通信中习惯用单位dB/km来表示光纤的衰减，单位之间的换算关系为(1-3-7)dB010lg()4.343TPLP 光纤对光信号产生衰减的原因很多，有的是光纤材料固有的，有的是使用中造成的，可以归纳为吸收衰减、散射衰减和工程应用中造成的衰减。第1章 概 论1.材料吸收衰减材料吸收衰减吸收衰减就是光纤材料中的某些粒子吸收光能以产生振动，并以热的形式散失掉。造成吸收的原因主要是材料中存在着不需要的杂质离子，特别是过渡金属离子铜(Cu2+)、铁(Fe2+)、钴(Co2+)、锰(Mn2+)、镍(Ni2+)、钒(V)等和氢氧根负离子(OH)。这些离子在光波的激励下发生振动而消耗光能。每一种杂质离
32、子都有自己的吸收带，其中有害的过渡金属杂质离子的吸收带都处在0.51.1 m的波段内，而OH的基波吸收峰在2.73 m，二次谐波吸收峰在1.38 m，三次谐波吸收峰在0.95 m。要降低材料的吸收衰减，必须对制造光纤的原材料进行严格的化学提纯，要求杂质过渡金属离子含量下降到106级，含氢化合物的杂质含量控制在1106以下。第1章 概 论2.光纤的散射衰减光纤的散射衰减光在光纤内传播过程中遇到不均匀或不连续的情况时，会有一部分光散射到其它方向上，不能传输到终点，从而造成光能的衰减。1)材料散射材料散射包括材料固有的不均匀性造成的散射和材料制造缺陷造成的散射。光纤材料在加热过程中，由于热运动，使原
33、子受到压缩性的不均匀或起伏，造成材料密度起伏，进而使折射率不均匀，并在冷却过程中被固定下来，这种密度不均匀引起的散射，是一种本征散射。第1章 概 论由于不均匀的长度通常比波长短，因此这种散射是瑞利散射，它与波长的四次方成反比，其衰减系数可表示为(1-3-8)4RC这里常数C在0.70.9 dB/(kmm)范围内，其具体值与纤芯的成分有关。其次，在纤芯制造过程中的缺陷，如杂质、气泡、不溶解离子及折晶等，也会引起散射衰减。降低这种衰减的办法是在熔炼光纤预制棒和拉丝时，选择合适的工艺，以避免上述问题的出现。第1章 概 论2)波导散射实际制造的光纤并不是理想的圆柱光波导，将会引起光的散射。其中一种是由
34、几何尺寸的变化造成的散射。在拉制光纤时，由于工艺的不完善，会造成粗细不均和截面形状改变等，当光波传播到这里时，会有部分光辐射出光纤，造成衰减。降低这种衰减除了要求熔炼预制棒时注意几何精度外，还要在拉丝工艺上要切实采取措施，保证光纤的尺寸均匀。光纤波导不理想造成散射的另一种原因是光纤纤芯和包层界面的不平滑性。光在光纤中传输时，当遇到不平滑的包层界面，除了有一部分光会穿透光纤芯与包层的界面造成损失外，还会引起模式的变换。降低这种影响的办法是在制作光纤时，人为的制造一层光滑的包层界面，例如，在MCVD工艺中选择几何尺寸均匀的包层管，沉积一定厚度的光滑的内包层。第1章 概 论总之，在以上所讲的各种衰减
35、中，除原材料的杂质吸收和瑞利散射外，其它衰减都是制造工艺不完善造成的。当衰减在1000 dB/km时，绝大部分的光衰减是由材料杂质吸收产生的；当衰减下降到10 dB/km以下时，波导散射和材料散射引起的衰减就占比较重要的地位了。图1-3-11给出了石英光纤的衰减与波长之间的关系曲线，可以看出，石英光纤有三个衰减区，或者称为三个传输窗口。第一个窗口在0.9 m附近，通常称为短波长窗口；第二、三个窗口分别在1.3 m和1.55 m附近，各有100 nm左右的宽度，通常这两个窗口称为长波长窗口。第1章 概 论图1-3-11 石英光纤的衰减与波长之间的关系曲线第1章 概 论3.光纤工程应用中造成的衰减
36、光纤工程应用中造成的衰减光纤工程应用中造成的衰减主要有弯曲衰减、微弯衰减和接头衰减。光纤是柔软的，可以弯曲，如果弯曲的曲率半径太小，会使全反射传播条件被打破，使光从纤芯泄漏到包层并损失掉，弯曲损耗常发生在成缆、现场铺设及光缆接头等场合，导致弯曲损耗的曲率半径一般远大于光纤的横截面尺寸。微弯衰减与弯曲衰减类似，是光纤局部弯曲造成的，微弯是一些随机的，其曲率半径可以与光纤的横截面尺寸比拟的畸变，常发生在套塑、成缆及光纤周围温度发生变化的场合。通信用的长光纤实际上是由许许多多的短光纤连接而成的，在光纤的连接部分将产生光的衰减，造成衰减的原因是光纤的对接误差及局部的折射率变化。第1章 概 论1.3.3
37、 光纤色散光纤色散光是一种电磁波，当光与光纤这种电介质相遇时会发生相互作用，介质的响应通常与光波的频率有关，这种特性称为色散，它表明折射率对频率的依赖关系。一般来说，色散的起源与介质通过束缚电子的振荡吸收电磁辐射的特征谐振频率有关。远离介质谐振频率时，折射率可由Sellmeier方程近似表示为(1-3-9)22221()1mjjjjBn 第1章 概 论这里j是谐振频率，Bj是j阶谐振强度，求和号包含了所有相关的介质谐振频率。对石英材料而言，取前三个谐振频率处的值，即可得到折射率的比较精确的结果，这些参数为 B1=0.696 166 3，B2=0.407 942 6，B3=0.897 479 4
38、，1=0.068 404 3 m，2=0.116 241 4 m，3=9.896 16 m。这里=2C/j，C为真空中的光速。第1章 概 论光纤材料的色散特性将使在其中传输的光信号的不同频率成分有不同的传输速度，经过一段距离的传播后，这些频率成分之间将存在相对时间延迟，造成信号畸变，对通信是有害的。在光纤中，还有一种由于传播路径不同造成的信号不同成分之间的相对时间延迟，为了名称上的统一，称之为路径色散。考察图1-3-3，从射线光学的角度看，凡是送入光纤中的光在芯包分界面上的入射角大于临界角的，都可形成有效的传输。现在假设光信号由单一频率成分组成，由于从不同角度射入光纤的光成分的传播的路径不同，
39、虽然传播速度相同，经过一段纵向距离传播后将造成相对延迟，使信号产生畸变。第1章 概 论1.3.4 光纤的非线性光纤的非线性在高强度电磁场作用下，任何电介质对光的响应都会变成非线性，光纤也不例外。介质非线性响应的起因与其束缚电子的非谐振运动有关，在强电磁场作用下的这种束缚电子的非谐振运动表现为电偶极子的极化强度对电场的非线性。极化强度 P的非线性可表示为(1-3-10)(1)(2)(3)0(:)PEEEEEE式中，0为真空中的介电常数，(j)(j=1，2，3，)为j阶电极化率，考虑介质的各向异性，(j)是j+1阶张，、分别表示相应阶数的张量乘积。在上式中，线性极化率(1)对 P 的贡献是主要的，
40、在各向同性介质中，它与折射率的关系为第1章 概 论(2)(3)(1)(2)1aE(1-3-11)一般来说，高阶极化系数都比较小，理论研究表明，相邻的两极化系数之间的比值是个非常小的量，近似为其中，Ea为原子内的平均电场强度，约为108 V/cm。在大多数应用中，与介质相互作用的电场的强度远小于Ea，故非线性效应可以忽略。但在光纤通信中，由于光纤芯径很小，纤芯中的强度可以很高，并且由于光纤的衰减很小，非线性作用的持续时间有可能很长，这就使得光纤中的非线性效应变的不可忽略。(1.12)2(1)1n 第1章 概 论在非线性光学领域，许多重要光学现象都来自二阶和三阶电极化率，如二阶电极化率(2)对应于
41、二次谐波的产生及混频运转等非线性效应；三阶电极化率对应着三次谐波、克尔效应、双光子吸收、喇曼散射、布里渊散射、自相位调制及四波混频等。然而，二阶非线性效应和三阶非线性效应实际上是不会在同一种介质中产生的，二阶和三阶电极化率与介质的结构有关，二阶电极化率只在某些结构非反演对称的介质中才出现，而三阶电极化率则出现在中心对称的介质中。目前通信中使用的石英光纤是中心对称结构，所以只有三阶非线性效应产生。在光纤通信中，我们主要考虑受激喇曼散射、受激布里渊散射、自相位调制、交叉相位调制及四波混频等非线性效应。第1章 概 论1.4 光纤通信需要解决的问题光纤通信需要解决的问题通信的目的是为了实现位于不同地理
42、位置上的用户之间的信息传递，由于每个用户都可能与许多用户建立通信联系，要实现这些用户之间的通信，就需将这些用户以某种方式联系起来，这些将诸多用户联系起来的通信系统就组成了所谓的通信网。图 1-4-1 为用户利用一个通信网传递信息的示意图。第1章 概 论图1-4-1 通信网示意图第1章 概 论通信网可以由多种方法组建，一种方法是将所有要传递信息的用户之间都用固定通信系统网状连接起来，这在经济上是不可行的，在使用上也是没有必要的。合理的方法是根据信息的需求量，依据资源共享和效益的原则组建通信网。例如，现代通信网的传输网部分对所有用户是共享的，在接入网部分有一定的独占性，采用这种方式可以实现信息传输
43、设备的共享，大大降低信息的传输成本。现代通信网就是利用资源共享的原则构筑的一个高效、大容量信息传送网。目前在地球上及太空中几乎所有有人类活动的地区都建立了通信网，这个通信网可以在很大程度上满足人们对信息传递的要求。第1章 概 论光纤通信主要是一种信息传输技术。当然，网络管理技术、网络监控技术及网络工程建设与维护技术与光纤通信技术也是密切相关的。本节主要探讨作为传输技术的光纤通信技术要解决的基本问题。第1章 概 论1.4.1 光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统的原理框图如图1-4-2所示。图中给出了一个方向的传输结构，反方向的传输结构是相同的，其中，电端机的作用是对来自信息源的信号进行处理，如
44、模/数变换、多路复用等，它是常规的通信设备。图1-4-2 光纤通信系统原理框图第1章 概 论光端机的发射端将电信号变成光信号，输入光纤中传输；光端机的接收端将光信号还原成电信号，经放大、整形及再生恢复原形后，输入到电端机，完成整个光信号的传输过程。对于长距离的光传输系统，由于光纤对信号产生的衰减及畸变效应，为保证信号的传输质量，经过一段距离的传输后，需采用中继器对衰减和畸变了的光信号进行放大、整形，再生成一定强度的光信号，继续向前传送。为了提高通信系统的传输速率,一方面要提高发射机和接收机的转换速率,另一方面要提高光纤的传输带宽。从光纤传输的实际情况来看,光纤的传输带宽要远高于电光转换和光电转
45、换系统及电子系统的带宽。就目前的材料及工艺水平来看，电子系统的带宽最高能达到100 Gb/s，商用光传输系统以时分复用方式达到的最高传输速率为10 Gb/s，而这个带宽只达到光纤可用带宽的1%。显然，要进一步提高光纤通信系统的速率，就必须采用新的技术，多信道光传输技术，即光波分复用技术就是在现有光电子技术水平下可以大幅度提高通信容量的一种技术。第1章 概 论所谓光波分复用，在原理上与传统无线电通信中的频分复用完全相同，即同时在不同的频段上传输多路信号，以此来扩大通信容量。在光学频段，一般将传输不同信号的频段之间的间隔大于100 GHz的复用通信称为波分复用，而将间隔小于100 GHz的复用通信
46、称为频分复用通信，在波分复用中又将同一窗口开的多路通信称为密集波分复用通信。图1-4-3所示为大量使用的采用开放式结构的点对点WDM系统。图中所示OTM为光终端，TM为SDH终端，OTU为光波长转换器，OMUX为合波器，ODMUX为分波器，OBA为功率放大器，OLA为线路放大器，OPA为前置放大器。第1章 概 论图1-4-3 点对点WDM系统结构第1章 概 论1.4.2 光纤通信要解决的基本问题光纤通信要解决的基本问题1 光纤线路问题光纤线路问题光纤线路是传输光信号的通道，与之相关的问题很多，具体有以下一些技术问题：(1)光纤的设计与制造问题。从通信的角度，作为传输介质的光纤的通信频带应尽可能
47、宽，对光信号的损耗尽可能小，对光信号的的畸变也应尽可能小，并且机械性能能满足实际工程使用要求，这就要解决光纤的材料问题、光纤的结构设计问题及光纤的制造问题。为充分利用密集波分复用通信技术挖掘光纤的带宽资源，还必须根据密集波分复用通信的特点来设计光纤，研制开发适合不同需求的新型光纤。第1章 概 论(2)光信号的放大问题。由于光纤对信号的衰减总是存在的，在光纤的传输线路中就需要解决光信号的放大问题，在密集波分复用通信中要求光放大器有足够的带宽，并且在带宽范围内增益要足够平坦。(3)光信号码形的控制问题。由于光纤的色散和非线性，对信号的畸变总是存在的，在光纤的传输线路中就需要解决光信号码形的问题。(
48、4)光通道中噪声的抑制问题。在光纤线路中，由于多种因素的影响，有可能出现信道噪声，为抑制信道噪声，需解决信道的滤波问题。第1章 概 论(5)光通道中反向噪声的隔离问题。在光传输信道中，器件的连接、耦合及非线性等因素都可能引起与光传输方向相反的反向噪声，这种噪声会干扰激光器及光放大器等有源光器件的正常工作，需解决这种噪声的隔离问题。(6)光路控制问题。在光传输中有时要对光信号进行分路，对不同通道的光信号进行分波或合波，以及对光信号按要求进行选路，因此需解决光路的控制问题。(7)目前全世界范围内光缆的铺设量非常巨大，而绝大多数光纤光缆是为单信道通信设计的，为了保护已投入的巨额资金，必须研究已铺设光
49、缆的扩容问题。第1章 概 论(8)密集波分复用通信中的非线性光学现象是决定通信容量的最终因素，但目前对光纤中非线性光学问题的研究还不是很深入，尚需做大量工作。(9)其它工程问题。第1章 概 论2 基于光纤传输的光发射及光检测问题基于光纤传输的光发射及光检测问题基于光纤传输的光发射及光检测问题主要包括以下具体技术问题：(1)光源问题。为了在光纤中传输信号，需将电信号变成光信号，这就需要解决将电信号转变成光信号的光源技术问题。(2)光传输的编码问题。由于光信号只有单极信号，还要根据这个特点解决适合光信号传输的编码问题。(3)光检测问题。光信号传输到接收点后，还要转变成电信号，因此光通信中要解决光信
50、号的检测问题。第1章 概 论(4)光通信技术的体制问题。光通信所用电磁波的频率远高于传统的无线通信所用电磁波的频率，与传统通信相似，光纤通信也需研究通信的体制问题，以提高光纤通信的技术性能。(5)密集波分复用系统中光波长稳定技术及窄谱线宽度的光源技术。在密集波分复用通信中，由于信道间隔较小，各信道宽度很窄，这就要求采取特殊措施将各路信号的中心波长稳定在信道的中心波长处，以免信号偏离出信道，影响信号传输。(6)光信号的调制问题。在一些高速光纤通信系统中，有时需要采用外调制技术将电信号转变成光信号，故还需要解决光信号的调制问题。第1章 概 论1.5 光纤通信发展历史回顾及现状光纤通信发展历史回顾及
