第9章--光纤通信技术(课堂PPT).ppt

第第9章章 光纤通信技术光纤通信技术 第一节第一节 光纤通信概述光纤通信概述 第二节第二节 光纤传输原理与特性光纤传输原理与特性 第三节第三节 光发送机与光接收机光发送机与光接收机 第四节第四节 光纤通信系统光纤通信系统 第五节第五节 光纤通信新技术光纤通信新技术191 光纤通信概述光纤通信概述9.1.1 电磁波谱电磁波谱 信信息息的的传传输输是是以以电电磁磁波波为为媒媒介介进进行行的的。电电磁磁波波的的波波谱谱很很宽宽，如如图图9.1所所示示。通通信信所所用用的的波段是在波长为千米至微米数量级范围。波段是在波长为千米至微米数量级范围。通信的容量与电磁波频率成正比通信的容量与电磁波频率成正比 探探索索将将更更高高频频率率的的电电磁磁波波用用于于通通信信技技术术是是人们追求的目标人们追求的目标。各各种种频频段段电电磁磁波波的的划划分分和和常常用用传传输输媒媒质质如如表表9.1所示。所示。239 频段和波段名称频段和波段名称频率范围和波长频率范围和波长范围范围 传输媒质传输媒质 主要用途主要用途极低频极低频(ELF)(ELF)极长波极长波 30-3000Hz30-3000Hz 0.1-l 0.1-l 000km000km有线线对极长波无线电有线线对极长波无线电 潜艇通信、矿井通信潜艇通信、矿井通信甚低频甚低频(TLF)(TLF)超长波超长波 3-30kHz3-30kHz 1 000-lOkm 1 000-lOkm有线线对超长波无线电有线线对超长波无线电 潜艇通信、远程导航、远潜艇通信、远程导航、远程无程无 线电通信线电通信 低频低频(LF)(LF)长波长波 30-300kHz30-300kHz lO-1 km lO-1 km有线线对长波无线电有线线对长波无线电 中远距离通信、地下通信、中远距离通信、地下通信、无无 线电导航线电导航 中频中频(MF)(MF)中波中波 O O3-3MHz3-3MHz l 000-100m l 000-100m同轴电缆中波无线电同轴电缆中波无线电调幅广播、导航、业余无线电调幅广播、导航、业余无线电高频高频(HF)(HF)短波短波 3-30MHz3-30MHz 100 10010m10m同轴电缆短波无线电同轴电缆短波无线电调幅广播、移动通信、军用通调幅广播、移动通信、军用通信信甚高频甚高频(VHF)(VHF)超短波超短波 3030300MHz300MHz 10 10lmlm同轴电缆超短波无线电同轴电缆超短波无线电调幅广播、电视、移动通信、调幅广播、电视、移动通信、电电离层散射通信离层散射通信特高频特高频(UHF)(UHF)分米波分米波 0.30.33 GHz3 GHz lO lOl cml cm波导分米波无线电波导分米波无线电微波接力、移动通信、空间遥微波接力、移动通信、空间遥测雷达、电视测雷达、电视 微微 波波超高频超高频(SHF)(SHF)厘米波厘米波 3 330GHz30GHz 10 101cm1cm波导厘米波无线电波导厘米波无线电雷达、微波接力、卫星和空间雷达、微波接力、卫星和空间通信通信极高频极高频(EHF)(EHF)毫米波毫米波 3030一一300GHz300GHz 10 10一一lmlm波导毫米波无线电波导毫米波无线电雷达、微波接力、射电天文雷达、微波接力、射电天文 紫外、可见光、红外紫外、可见光、红外 105105107 107 GHzGHz O O3 33 31010-6-6 cmcm光纤激光空间传播光纤激光空间传播光通信光通信4 9.1.2 光纤通信系统基本结构与特点光纤通信系统基本结构与特点 光光纤纤通通信信是是以以光光波波为为载载频频、以以光光纤纤（光光导导纤维）为传输媒质的通信方式纤维）为传输媒质的通信方式。光光纤纤通通信信系系统统的的基基本本组组成成如如图图9.2所所示示，它它包包括括了了电电收收发发端端机机、光光收收发发端端机机、光光纤纤光光缆缆线路、中继器等。线路、中继器等。图图9.2 光纤通信系统组成光纤通信系统组成LD/LEDLD/LEDPIN/APD5 光光纤纤通通信信系系统统由由于于采采用用了了光光纤纤传传输输信信号号实实现现通通信信，因因此此，和和其其他他通通信信系系统统相相比比，具具有有一系列独特的优点：一系列独特的优点：（1 1）频带宽，通信容量大频带宽，通信容量大（2 2）传输损耗低，无中继距离长）传输损耗低，无中继距离长（3 3）抗电磁干扰）抗电磁干扰（4 4）光纤通信串话小，保密性强，使用安全）光纤通信串话小，保密性强，使用安全（5 5）体积小，重量轻，便于敷设）体积小，重量轻，便于敷设（6 6）材料资源丰富）材料资源丰富 6 9.2 光纤传输原理与特性光纤传输原理与特性 9.2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类 光光纤纤是是圆圆截截面面介介质质波波导导(图图9.3)。光光纤纤由由纤纤芯芯、包包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；包包层层的的折折射射率率略略小小于于纤纤芯芯，从从而而可可以以形形成成光光波波导导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输；涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。为为了了进进一一步步保保护护光光纤纤，提提高高光光纤纤的的机机械械强强度度，在在带带有有涂涂覆覆层层的的光光纤纤外外面面在在套套一一层层热热塑塑性性材材料料，成成为为套套塑塑层层（或或二二次次涂涂覆覆层层）。在在涂涂覆覆层层和和套套塑塑层层之之间间还还需需填填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。光光纤纤大大多多为为石石英英光光纤纤。它它以以纯纯净净的的二二氧氧化化硅硅材材料料为为主主，中中间间掺掺以以合合适适的的杂杂质质。掺掺锗锗和和磷磷使使折折射射率率增增加加，掺硼和氟使折射率，掺硼和氟使折射率降低降低。781按光纤横截面的折射率分布分类按光纤横截面的折射率分布分类 根根据据光光纤纤横横截截面面折折射射率率分分布布的的不不同同，常常用用的的光光纤纤可可以以分分成成阶阶跃跃折折射射率率分分布布光光纤纤（简简称称阶阶跃跃光光纤纤）和和渐渐变变折折射射率率分分布布光光纤纤（简简称称渐渐变变光光纤两种类型，其折射率分布如图纤两种类型，其折射率分布如图94所示。所示。图图（a）是是光光纤纤的的横横截截面面图图，其其纤纤芯芯直直径径为为2a，包层直径为包层直径为2b。(1)阶跃光纤：阶跃光纤：图图(b)为为阶阶跃跃光光纤纤横横截截面面的的折折射射率率分分布布，纤纤芯芯折折射射率率为为n1，包包层层折折射射率率为为n2。纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率都都是是均均匀匀分分布布，折折射射率率在在纤纤芯芯和和包包层层的界面上发生突变。的界面上发生突变。9第第9章章 光纤通信技术光纤通信技术（2）渐变光纤：）渐变光纤：图图（C）为为渐渐变变光光纤纤横横截截面面的的折折射射率率分分布布，包包层层的的折折射射率率为为n2，是是均均匀匀的的，而而在在纤纤芯芯中中折折射射率率则则随随着着纤纤芯芯的的半半径径的的加加大大而而减减小小，是是非均匀的、且连续变化非均匀的、且连续变化。此此外外，还还有有三三角角型型折折射射率率光光纤纤，其其纤纤芯芯折折射射率率分分布布曲曲线线为为三三角角形形；双双包包层层光光纤纤、四四包包层光纤等，如图层光纤等，如图95所示。所示。1011 2按光纤中的传导模式数量分类按光纤中的传导模式数量分类 光光是是一一种种电电磁磁波波，它它沿沿光光纤纤传传输输时时可可能能存存在在多多种种不不同同的的电电磁磁场场分分布布形形式式（即即传传播播模模式式），能能够够在在光光纤纤中中远远距距离离传传输输的的传传播播模模式式称称为为传传导导模模式式。根根据据传传导导模模式式数量的数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。(1)(1)单模光纤单模光纤 光光纤纤中中只只传传输输一一种种模模式式，即即基基模模（最最低低阶阶模模式式）。单单模模光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径约约为为 4 41010mm范范围围，包包层层直直径径为为 125125mm。单单模模光光纤纤适适用用于于长长距距离离、大大容容量量的的光光纤纤通通信信系统。系统。(2)(2)多模光纤多模光纤 光光纤纤中中传传输输的的模模式式不不止止一一个个，即即在在光光纤纤中中存存在在多多个个传传导导模模式式。多多模模光光纤纤的的纤纤芯芯纤纤芯芯直直径径一一般般为为 5050mm，其其横横截截面面的的折折射射率率分分布布为为渐渐变变型型，包包层层的的外外径径125125mm。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。12 3按光纤构成的原材料分类按光纤构成的原材料分类（1）石英系光纤石英系光纤 石石英英系系光光纤纤主主要要是是由由高高纯纯度度的的 SiO2 并并掺掺有有适适当当的的杂质制成，如用杂质制成，如用 和和 作作芯芯子子，用用 作作包包层层。目目前前这这种种光光纤纤损损耗耗最最低低、强度和可靠性最高、应用最广泛。强度和可靠性最高、应用最广泛。（2）多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 例例如如用用钠钠玻玻璃璃掺掺有有适适当当杂杂质质制制成成的的光光纤纤。这这种种光光纤纤的损耗较低，但可靠性不高。的损耗较低，但可靠性不高。（3）塑料包层光纤塑料包层光纤 光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。（4）全塑光纤全塑光纤 光光纤纤的的芯芯子子和和包包层层均均由由塑塑料料制制成成，其其损损耗耗较较大大，可可靠性也不高。靠性也不高。13 4按光纤的套塑层分类按光纤的套塑层分类 （1）紧套光纤紧套光纤 典典型型的的紧紧套套光光纤纤各各层层之之间间都都是是紧紧贴贴的的，光光纤纤被被套套管管紧紧紧紧箍箍住住，不不能能在在其其中中松松动动。在在光光纤纤与与套套管管之之间间放放置置了了一一个个缓缓冲冲层层，以以减减小小外外面面应应力力对对光光纤纤的的作作用用。紧紧套套光光纤纤的的结结构构简简单单，使使用用和测试都比较方便。和测试都比较方便。（2）松套光纤松套光纤 典典型型的的松松紧紧套套光光纤纤的的护护套套为为松松套套管管，光光纤纤能能在在其其中中松松动动。管管内内空空间间填填充充油油膏膏，以以防防水水份份渗渗入入。松松套套光光纤纤的的机机械械性性能能、防防水水性性能能都都比比较较好好，便便于于成成缆缆。若若一一根根管管内内放放入入220根根光光纤纤，可制成光纤束，称为松套光纤束。可制成光纤束，称为松套光纤束。14 9.2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理*光光具具有有波波粒粒二二象象性性，既既可可以以将将光光看看成成光光波波，也也可可以以将将光光看看作作是是由由光光子子组组成成的的粒粒子子流流。因因而而，在在分分析析光光纤纤中中光光的的传传输输特特性性时时相相应应地地也也有有两两种种理理论论，即即射射线线光光学学（即即几何光学）理论和波动光学理论。几何光学）理论和波动光学理论。n射射线线光光学学是是用用光光射射线线代代表表光光能能量量传传输输线线路路来来分分析析问问题题的的方方法法。这这种种理理论论适适用用于于光光波波长长远远远远小小于于光光波波导导尺尺寸寸的的多多模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。n波波动动光光学学是是把把光光纤纤中中的的光光作作为为经经典典电电磁磁场场来来处处理理。从从波波动动方方程程和和电电磁磁场场的的边边界界条条件件出出发发，可可以以得得到到全全面面、正正确确的的解解析析或或数数字字结结果果，给给出出光光纤纤中中的的场场的的结结构构形形式式（即即传传输输模模式式），从从而而给给出出光光纤纤中中完完善善的的场场的的描描述述形形式式。它它的的特特点点是是：能能够够精精确确地地、全全面面地地描描述述光光纤纤的的传传输输特特性性，这这种理论种理论适合于单模光纤和多模光纤的分析。适合于单模光纤和多模光纤的分析。15 1采用射线光学分析光纤的特性采用射线光学分析光纤的特性 （1）多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析）多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析 在在多多模模阶阶跃跃光光纤纤的的纤纤芯芯中中，光光接接直直线线传传输输，在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上光光发发生生反反射射。由由于于光光纤纤中中纤纤芯芯的的折折射射率率 n1 大大于于包包层层的的折折射射率率 所所以以在在芯芯包包界界面面存存在在着着临临界界角角 ，如如图图96所所示示。图图96为阶跃光纤的子午光线。为阶跃光纤的子午光线。通过光纤轴线的平面称称作通过光纤轴线的平面称称作子午面子午面，把传输中总是位于子午面内的光线称为把传输中总是位于子午面内的光线称为子午光线子午光线）16 当当光光线线在在芯芯包包界界面面上上的的入入射射角角 大大于于 时时，将将产产生生全全反反射射。若若 小小于于 ，入入射射光光一一部部分分反反射射，一一部部分分通通过过界界面面进进入入包包层层，经经过过多多次次反反射射后后，光光很很快快衰衰减减掉掉。所所以以可可以以形形象象地地说说阶阶跃跃光光纤纤中中的传输模式是：的传输模式是：靠靠光光射射线线在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上全全反反射射而而使能量集中在芯子之中传输。使能量集中在芯子之中传输。1718 这里首先定义光纤的相对折射率差，这里首先定义光纤的相对折射率差，这这一一参参数数直直接接影影响响光光纤纤的的性性能能。光光纤纤通通信信中中所所用用的的光光纤纤的的一一般般小小于于1 1，所所以以可可近近似表示为似表示为 19 由由光光纤纤中中光光线线在在界界面面的的全全反反射射条条件件。可可以以推推出出临临界角界角 为为那么光在纤芯端面的最大入射角那么光在纤芯端面的最大入射角 应满足应满足由此可以定义光纤的数值孔径为由此可以定义光纤的数值孔径为数值孔径表征了光纤的集光能力数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出。由此看出n1,n2差别差别越大，即越大，即 越大，光纤的集光能力越强。通信用光越大，光纤的集光能力越强。通信用光纤的数值孔径是较小的。纤的数值孔径是较小的。20 在在多多模模阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤中中满满足足全全反反射射条条件件，但但入入射射角角不不同同光光线线的的传传输输路路径径是是不不同同的的，使使不不同同的的光光线线所所携携带带的的能能量量到到达达终终端端的的时时间间不不同同，即即存存在在着着时时延延差差，即即模模式式色色散散，从从而而使使传传输输的的脉脉冲冲发发生生了了展展宽宽，限限制制了了光光纤纤的的传传输输容容量量。采采用用射射线线光光学学的的分分析析方方法法可可以以计计算算出出多多模模阶阶跃跃折折射射率率光光纤纤中中子子午午光光线线的的最最大大时时延延差：差：21（2）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析 多多模模渐渐变变折折射射率率光光纤纤纤纤芯芯中中的的折折射射率率是是连连续续变变化化的的。它它随随纤纤芯芯半半径径r的的增增加加按按一一定定规规律律减减小小，如如前前图图94所所示示。采采用用渐渐变变光光纤纤的的目目的的是是减减小小多多模模光光纤纤的的模模式色散。式色散。在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为 渐变折射光纤的折射率分布可以表示为渐变折射光纤的折射率分布可以表示为22 如如图图97所所示示的的渐渐变变光光纤纤中中的的子子午午射射线线，以以不不同同入入射射角角进进入入纤纤芯芯的的光光射射线线在在光光纤纤中中传传过过同同一一距距离离时时，靠靠近近光光纤纤轴轴线线的的射射线线所所走走的的路路程程短短，而而远远离离轴轴线线所所走走的的路路程程长长。由由于于纤纤芯芯折折射射率率是是渐渐变变的的，所所以以近近轴轴处处的的光光速速慢慢，远远轴轴处处的的光光速速快快。当当折折射射率率分分布布指指数数g取取最最佳佳时时，就就可可以以使使全全部部子子午午射射线线以以同同样样的的轴轴向速度在光纤中传输。向速度在光纤中传输。分分析析指指出出，如如果果光光纤纤的的折折射射率率分分布布采采取取双双曲曲正正割割函函数数的的分分布布，所所有有的的子子午午射射线线具具有有完完善善的的自自聚聚焦焦性性质质，即即从从光光纤纤端端面面入入射射的的子子午午光光线线经经过过适适当当的的距距离离会会重重新新汇汇聚聚到到一一点点，这这些些光光线线具具有有相相同同的的时时延延。纤纤芯折射率分布为芯折射率分布为2324 分分析析渐渐变变光光纤纤中中的的光光线线传传输输轨轨迹迹时时，采采用用射射线线方方程程，可可以以由由已已知知的的折折射射率率分分布布和和初初始始条条件求出光线的轨迹。射线方程为件求出光线的轨迹。射线方程为 由于渐变光纤纤芯折射率是变化的，所由于渐变光纤纤芯折射率是变化的，所以纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在以纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，它是指渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，它是指光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变光光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变光纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式为为25 2采用波动理论分析光纤的特性采用波动理论分析光纤的特性 光光是是电电磁磁波波它它具具有有电电磁磁波波的的通通性性。因因此此，光光波波在在光光纤纤中中传传输输的的一一些些基基本本性性质质都都可可以以从从电电磁磁场场的的基基本本方方程程麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组推推导导出出来来。一一般般的的求求解解方方法法是是由由麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组推推导导出出光光在在均均匀匀介介质质中中的的波波动动方方程程，经经过过简简化化后后的波动方程为的波动方程为式中式中0 0为光波导介质（或真空）的导磁率；为光波导介质（或真空）的导磁率；为光波导介质的介电系数。为光波导介质的介电系数。26 如如果果电电磁磁场场作作简简谐谐振振荡荡，由由波波动动方方程程可可以以推推出出均均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程匀介质中的矢量亥姆霍兹方程 在在直直角角坐坐标标系系中中，E，H的的x，y，z分分量量均均满满足足标标量的亥姆霍兹方程量的亥姆霍兹方程 在在光光纤纤的的分分析析中中，求求上上述述亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程满满足足边边界界条条件件的的解解，即即可可得得到到光光纤纤中中的的场场的的解解答答。求求解解的的方方法主要有标量近似解和矢量解。法主要有标量近似解和矢量解。27（1）标量近似解）标量近似解 分分析析阶阶跃跃光光纤纤时时，假假设设光光纤纤里里的的横横向向(非非光光传传输输的的方方向向）电电磁磁场场的的幅幅度度满满足足标标量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程，求求出出近近似似解解。这这是是一一种种近近似似，前前提提是是光光纤纤的的相相对对折折射射率率差差已已很很小小。西西很很小小的的光光纤纤称称作作弱弱导导波波光光纤纤，一一般般阶阶跃跃光光纤纤可以满足这一条件。可以满足这一条件。分分析析渐渐变变光光纤纤时时，假假设设纤纤芯芯的的尺尺寸寸无无穷穷，边边界界不不起起作作用用，然然后后假假设设横横向向（非非光光传传输输的的方方向向）电电磁磁场场的的幅幅度度满满足足标标量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程，求求出出近近似似解解。采采用用这这一一解解法法可可以以得得到到光光纤纤中中各各个个模模式式的的传传输输系系数数、模模式式的的截截止止条条件件、单单模模传传输输条条件件、多多模模传传输输时时的的模模式式数数量量、模模式式功功率率分分布布等等的的简简便便计计算算公公式式。还还可可以以利利用用这这一一方方法法来来分析光纤的色散特性。分析光纤的色散特性。采用标量近似解得到的光纤中的模式为标量模。采用标量近似解得到的光纤中的模式为标量模。28（2）矢量解）矢量解 矢矢量量解解是是求求满满足足边边界界条条件件的的矢矢量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程的的解解答答。矢矢量量解解中中各各个个分分量量在在直直角角坐坐标标系系中中都都满满足足标标量量的的亥姆霍兹方程。亥姆霍兹方程。在在分分析析阶阶跃跃光光纤纤时时，纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率都都是是均均匀匀的的，所所以以矢矢量量解解是是严严格格的的分分析析方方法法，它它可可以以得得到到精精确确的的模模式式及及分分布布，但但是是比比较较复复杂杂。对对于于渐渐变变光光纤纤，需需要要作作一一些些近近似似假假设设，分分析析仍仍然然十十分分复复杂杂，需需进进行行数数值值计计算。算。采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。29 9.2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 光光纤纤的的传传输输特特性性主主要要包包括括光光纤纤的的损损耗耗特特性性和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光光波波在在光光纤纤中中传传输输时时，随随着着传传输输距距离离的的增增加加，光光功功率率会会不不断断下下降降。光光纤纤对对光光波波产产生生的的衰衰减作用称为光纤的损耗。减作用称为光纤的损耗。衡衡量量光光纤纤损损耗耗特特性性的的参参数数为为衰衰减减系系数数（损损耗耗系系数数），定定义义为为单单位位长长度度光光纤纤引引起起的的光光功功率衰减，其表达式为率衰减，其表达式为30 光光纤纤的的损损耗耗特特性性是是光光纤纤的的一一个个很很重重要要的的传传输输参参数数，它它对对于于评评价价光光纤纤质质量量和和确确定定光光纤纤通通信信系系统统的的中中继继距距离离有有着着决决定定性性的的作作用用。目目前前光光纤纤在在 1.55m处处的的损损耗耗可可以以做到做到0.2dBkm左右，接近光纤损耗的左右，接近光纤损耗的理论极限值理论极限值。（1）引起光纤损耗的因素）引起光纤损耗的因素 光光纤纤的的损损耗耗因因素素主主要要有有吸吸收收损损耗耗、散散射射损损耗耗和和其其他他损损耗耗。这这些些损损耗耗又又可可以以归归纳纳为为本本征征损损耗耗、制制造造损损耗耗和和附加损耗等。附加损耗等。除除上上述述三三类类损损耗耗外外，在在光光纤纤的的使使用用中中还还会会存存在在连连接接损损耗耗、耦耦合合损损耗耗，如如果果光光纤纤中中入入射射光光功功率率超超出出某某值值时还会有非线性效应带来的散射损耗。时还会有非线性效应带来的散射损耗。（2）光纤的损耗特性曲线）光纤的损耗特性曲线损耗谱损耗谱 将将以以上上三三类类损损耗耗相相加加就就可可以以得得到到总总的的损损耗耗，它它是是一一条条随随波波长长而而变变化化的的曲曲线线，叫叫做做光光纤纤的的损损耗耗特特性性曲曲线线损耗谱。损耗谱。31第第9章章 光纤通信技术光纤通信技术 如如图图9.8为为石石英英光光纤纤的的损损耗耗谱谱曲曲线线。从从图图中中可可以以看看到到光光纤纤通通信信所所使使用用的的3个个低低损损耗耗“窗窗口口”3个低损耗谷，个低损耗谷，850nm波段波段短波长波段短波长波段1310nm波段波段长波长波段长波长波段1550nm波段波段长波长波段长波长波段。目目前前光光纤纤通通信信系系统统主主要要工工作作在在1310nm波波段段和和1550nm波波段段上上，尤尤其其是是 1550nm波波段段，长长距距离离大大容容量量的的光光纤纤通通信信系系统统多多工工作作在在这这一一波波段。段。3233 2光纤的色散特性光纤的色散特性 (1)光纤色散的概念光纤色散的概念 光光纤纤所所传传输输的的信信号号是是由由不不同同频频率率成成分分和和不不同同模模式式成成分分所所携携带带的的，由由于于不不同同频频率率成成分分和和不不同同模模式式成成分分的的传传输输速速度度不不同同，从从而而导导致致信信号号畸畸变变的的一一种种物物理理现现象象。在在数数字字光光纤纤通通信信系系统统中中，色散使光脉冲发生展宽。色散使光脉冲发生展宽。对于数字光纤通信系统，当色散严重时，对于数字光纤通信系统，当色散严重时，会导致光脉冲前后相互重叠，造成会导致光脉冲前后相互重叠，造成码间干扰码间干扰，增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的增加误码率。所以光纤的色散不仅影响光纤的传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。传输容量，也限制了光纤通信系统的中继距离。34第第9章章 光纤通信技术光纤通信技术（2）光纤色散的表示法）光纤色散的表示法 光光纤纤的的色色散散可可以以用用不不同同的的方方法法来来表表示示，常常用用的的有有色色散散系系数数D（）、最最大大时时延延差差,光光纤的带宽等纤的带宽等。光光纤纤的的色色散散系系数数D（）定定义义为为单单位位光光谱谱线线宽宽光光源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为源在单位长度光纤上所引起的时延差，其公式为35最最大大时时延延差差描描述述光光纤纤中中速速度度最最快快和和最最慢慢的的光光波的时延之差。时延差越大，波的时延之差。时延差越大，色散就越严重。色散就越严重。光光纤纤带带宽宽是是用用光光纤纤的的频频率率特特性性来来描描述述光光纤纤的的色色散散，它它是是把把光光纤纤看看作作一一个个具具有有一一定定带带宽宽的的低低通通滤滤波波器器，光光脉脉冲冲经经过过光光纤纤传传输输后后，光光波波的的幅幅度度随随着着调调制制的的频频率率增增加加而而减减小小，直直到到为为零零，而而脉脉冲冲宽宽度度则则发发生生展展宽宽。经经理理论论推推导导，光光纤纤的的带带宽宽和和时时延延差差的关系为的关系为36（3）光纤色散的种类）光纤色散的种类 根根据据色色散散产产生生的的原原因因，光光纤纤色色散散的的种种类类主主要要可可以以分分为为模模式式色色散散、材材料料色色散散和和波波导导色色散散三三种种。模模式式色色散散是是由由于于信信号号不不是是单单一一模模式式携携带带所所导导致致的的，又又称称为为模模间间色色散散；材材料料色色散散和和波波导导色色散散是是由由于于同同一一个个模模式式内内携携带带信信号号的的光光波波频频率率成成分分不不同所导致的，所以也叫做模内色散。同所导致的，所以也叫做模内色散。模式色散模式色散 在在多多模模光光纤纤中中存存在在许许多多传传输输模模式式，即即使使在在同同一一波波长长，不不同同模模式式沿沿光光纤纤轴轴向向的的传传输输速速度度也也不不同同，到到达达接接收收端端所所用用的的时时间间不不同同，产产生生了了模模式色散。式色散。37 材料色散材料色散 由由于于光光纤纤材材料料的的折折射射率率是是波波长长的的非非线线性性函函数数，从从而而使使光光的的传传输输速速度度随随波波长长的的变变化化而而变变化化，由由此此而而引引起起的的色散叫材料色散色散叫材料色散 材材料料色色散散主主要要是是由由光光源源的的光光谱谱宽宽度度所所引引起起。由由于于光光纤纤通通信信中中使使用用的的光光源源不不是是单单色色光光，具具有有一一定定的的光光谱谱宽宽度度，这这样样不不同同波波长长的的光光波波传传输输速速度度不不同同，从从而而产产生生时时延差，引起脉冲延差，引起脉冲展宽。展宽。波导色散波导色散 同同一一模模式式的的相相位位常常数数随随波波长长而而变变化化，即即群群速速度度随随波长而变化，从而引起色散，称为波导色散波长而变化，从而引起色散，称为波导色散。波波导导色色散散主主要要是是由由光光源源的的光光谱谱宽宽度度和和光光纤纤的的几几何何结结构所引起的。构所引起的。383光纤的非线性效应光纤的非线性效应 光光纤纤中中的的非非线线性性效效应应对对于于光光纤纤通通信信系系统统有有正正反两方面的作用：反两方面的作用：一一方方面面可可引引起起传传输输信信号号的的附附加加损损耗耗、波波分分复复用用系系统统中中信信道道之之间间的的串串话话、信信号号载载波波的的移移动动等；等；另另一一方方面面又又可可以以被被利利用用来来开开发发如如放放大大器器、调制器等新型器件。调制器等新型器件。光纤的非线性可以分为两类，即受激散射光纤的非线性可以分为两类，即受激散射效应和折射率扰动。效应和折射率扰动。39（1）受激散射效应）受激散射效应 受受激激散散射射效效应应是是光光通通过过光光纤纤介介质质时时，有有一一部部分分能能量量偏偏离离预预定定的的传传播播方方向向、且且光光波波的的频频率率发发生生改改变变，这这种种现现象象称称为为受受激激散散射射效效应应。受受激激散散射射效效应应有有两两种种形形式式，即即受受激激布布里里渊渊散散射射和和受受激激拉拉曼曼散散射射。这这两两种种散散射射都都可可以以理理解解为为一一个个高高能能量量的的光光子子被被散散射射成成一一个个低低能能量量的的光光子子，同同时时产产生生一一个个能能量量为为两两个个光光子子能能量量差差的的另另一一个个能能量子。量子。两种散射的主要区别两种散射的主要区别 受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子受激拉曼散射的剩余能量转变为光频声子 受激布里渊散射转变为声频声子；受激布里渊散射转变为声频声子；光光纤纤中中的的受受激激布布里里渊渊散散射射只只发发生生在在后后向向，受受激激拉拉曼曼散散射射主主要要是是前前向向。受受激激布布里里渊渊散散射射和和受受激激拉拉曼曼散散射射都都使使得得入入射射光光能能量量降降低低，在在光光纤纤中中形形成成一一种种损损耗耗机机制制。在在较较低低光光功功率率下下，这这些些散散射射可可以以忽忽略略。当当入入射射光光功功率率超超过过一一定定阈阈值值后后，受受激激散散射射效效应应随随入入射射光光功功率率成成指指数数增加。增加。40（2）折射率扰动）折射率扰动 在入射光功率较低的情况下，可以认为石在入射光功率较低的情况下，可以认为石英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高英光纤的折射率与光功率无关。但是在较高光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射光功率下，则应考虑光强度引起的光纤折射率的变化，它们的关系为率的变化，它们的关系为 折射率扰动主要引起折射率扰动主要引起4种非线性效应：种非线性效应：即自相位调制即自相位调制（SPM）、）、交叉相位调制（交叉相位调制（XPM）。）。四波混频四波混频（FWM）、）、光孤子形成。光孤子形成。41n自自相相位位调调制制是是指指光光在在光光纤纤内内传传输输时时光光信信号号强强度度随随时时间间的的变变化化对对自自身身相相位位的的作作用用。它它导导致致光光谱谱展展宽宽，从从而而影影响响系系统的性能。统的性能。n交交叉叉相相位位调调制制是是任任一一波波长长信信号号的的相相位位受受其其他他波波长长信信号号强强度度起起伏伏的的调调制制产产生生的的。交交叉叉相相位位调调制制不不仅仅与与光光波波自自身身强强度度有有关关，而而且且与与其其他他同同时时传传输输的的光光波波的的强强度度有有关关，所所以以交交叉叉相相位位调调制制总总伴伴有有自自相相位位调调制制。交交叉叉相相位位调调制制会会使使信信号脉冲谱展宽。号脉冲谱展宽。n 四波混频四波混频是指由是指由2个或个或3个不同波长的光波混合后产生个不同波长的光波混合后产生新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改新的光波的现象。其产生原因是某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。四波混频对于密集波分复用（生新的波长。四波混频对于密集波分复用（DWDM）光光纤通信系统影响较大，成为限制其性能的重要因素。纤通信系统影响较大，成为限制其性能的重要因素。n非线性折射率和色散间的相互作用，可以使光脉冲得以非线性折射率和色散间的相互作用，可以使光脉冲得以压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，压缩变窄。当光纤中的非线性效应和色散相互平衡时，可以形成光孤子可以形成光孤子。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，。光孤子脉冲可以在长距离传输过程中，保持形状和脉宽不变。保持形状和脉宽不变。42 9.2.4 单模光纤单模光纤 单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基单模光纤：指在给定的工作波长上只传输单一基模的光纤。由于只传输基模，不存在模式色散，具有相模的光纤。由于只传输基模，不存在模式色散，具有相当宽的传输带宽，使其适用于长距离、大容量的信系统当宽的传输带宽，使其适用于长距离、大容量的信系统。1单模光纤的结构特点单模光纤的结构特点 为保证单模传输，光纤的芯径为为保证单模传输，光纤的芯径为 410 m。单单模模光光纤纤纤纤芯芯的的折折射射率率分分布布要要求求为为均均匀匀分分布布设设计计，但但由由于于光光纤纤制制造造过过程程中中的的某某些些不不完完善善，纤纤芯芯折折射射率率分分布布实实际际上上是是非非均均匀匀的的。此此外外，为为了了制制造造的的合合理理及及改改善善光光纤纤性性能，单模光纤的包层折射率常是变化的。能，单模光纤的包层折射率常是变化的。2单模光纤的特性参数单模光纤的特性参数 单模光纤的主要特性参数有单模光纤的主要特性参数有折射率分布、衰减系数、折射率分布、衰减系数、色散、截止波长、模场直径等。色散、截止波长、模场直径等。433单模光纤的偏振单模光纤的偏振 所所谓谓单单模模光光纤纤，实实际际上上传传输输两两个个相相互互正正交交的的基基模模。在在完完善善的的光光纤纤中中，这这两两个个模模式式有有相相同同的的相相位位常常数数，是是互互相相兼兼并并的的。但但实实际际光光纤纤总总带带有有某某种种程程度度的的不不完完善善，例例如如纤纤芯芯的的椭椭圆圆变变形形、光光纤纤内内部部的的残残余余应应力力等等等等。这这些些因因素素使使得得两两正正交交基基模模的的相相位位常常数数不不相相等等。这这种种现现象象叫叫做做光光纤纤的的双双折折射射。由由于于双双折折射射，两两模模式式的的群群速速度度不不同，从而引起偏振色散。同，从而引起偏振色散。4单模光纤的分类单模光纤的分类 按按照照国国际际电电信信联联盟盟电电信信标标准准化化部部门门ITUT的的最最新新建建议议G652，G653，G654，G655，单单模模光光纤纤可可以以分分为为4种种，即即非非色色散散位位移移单单模模光光纤纤、色色散散位位移移单单模模光光纤纤、截截止止波波长长位位移移单单模模光光纤纤和和非非零零色色散散位位移移单单模光纤模光纤。4493 光发送机与光接收机光发送机与光接收机 光发送机与光接收机统称为光端机。光发送机与光接收机统称为光端机。光光端端机机是是光光纤纤通通信信系系统统中中的的光光纤纤传传输输终终端端设设备备，它它们们位位于于电电端端机机和和光光纤纤传传输输线线路路之之间间（见图（见图92）。）。光光发发送送机机的的主主要要作作用用是是将将电电端端机机送送来来的的电电信信号号变变换换为为光光信信号号，并并耦耦合合进进光光纤纤中中进进行行传传输输。光光发发送送机机中中的的光光源源是是整整个个系系统统的的核核心心器器件件，它它的的性性能能直直接接关关系系到到光光纤纤通通信信系系统统的的性性能和质量指标能和质量指标。45第第9章章 光纤通信技术光纤通信技术 光接收机光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到生后，再生成与发送端相同的电信号，输入到电接收端机。电接收端机。光接收机中的关键器件是光接收机中的关键器件是半导体光检测器半导体光检测器，它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。它和接收机中的前置放大器合称光接收机前端。前端的性能是决定光接收机的主要因素。前端的性能是决定光接收机的主要因素。46 9.3.1 半导体激光器和发光二极管半导体激光器和发光二极管 1光纤通信系统对光源的要求光纤通信系统对光源的要求 光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：光纤通信系统对于光源的要求可以概括为：u 光光源源的的发发射射波波长长应应该该与与光光纤纤的的低低损损耗耗窗窗口口一一致致，即即为为 850 nm，1310 nm和和 1550 nm的的3个低损耗窗口个低损耗窗口u 光光源源有有足足够够高高的的、稳稳定定的的输输出出光光功功率率，以以满满足足系系统统中继距离的要求，一般为数十微中继距离的要求，一般为数十微 瓦至数微瓦为