第4章光纖通信系統(tǒng)

1、第4章 光纖通信系統(tǒng)4.1 光纖通信概述光纖通信概述4.2 光纖與光纜光纖與光纜4.3 光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)4.4 光纖通信新技術(shù)光纖通信新技術(shù)14.1 光纖通信概述 光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒光纖通信是以光波作為載體，以光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介的一種通信技術(shù)。光纖通信以其寬帶、大容量、低損介的一種通信技術(shù)。光纖通信以其寬帶、大容量、低損耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)耗、長中繼、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于敷設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)代長途通信最主要手段。等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)代長途通信最主要手段。 本章首先對(duì)光纖通信的發(fā)展歷史做出回顧，然后對(duì)光本章首先對(duì)光纖通信的發(fā)展

2、歷史做出回顧，然后對(duì)光纖通信的特點(diǎn)進(jìn)行說明，重點(diǎn)闡述光纖的結(jié)構(gòu)、分類、纖通信的特點(diǎn)進(jìn)行說明，重點(diǎn)闡述光纖的結(jié)構(gòu)、分類、光波傳輸機(jī)理以及光纖通信系統(tǒng)各組成部分的工作原理。光波傳輸機(jī)理以及光纖通信系統(tǒng)各組成部分的工作原理。最后，簡要介紹了一些光纖通信新技術(shù)。最后，簡要介紹了一些光纖通信新技術(shù)。24.1.1 光纖通信發(fā)展簡史319601960年，美國加州休斯實(shí)驗(yàn)室第一臺(tái)固體紅寶石激年，美國加州休斯實(shí)驗(yàn)室第一臺(tái)固體紅寶石激光器光器19611961年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室氦年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室氦- -氫氣體激光器氫氣體激光器19661966年，高錕提出帶有包層材料的石英玻璃光纖年，高錕提出帶有包層材料的石英玻璃

3、光纖19701970年，美國康寧玻璃公司首次制成了損耗僅為年，美國康寧玻璃公司首次制成了損耗僅為20dB/km20dB/km的低損耗光纖的低損耗光纖19701970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室砷化鎵鋁半導(dǎo)體激光器光纖通信發(fā)展簡史（續(xù)）419741974年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出1dB/km1dB/km損耗的低損耗損耗的低損耗光纖。光纖。 至此制約光纖通信的兩個(gè)關(guān)鍵問題，至此制約光纖通信的兩個(gè)關(guān)鍵問題，光源光源和和傳輸傳輸媒介媒介問題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得問題完全得到解決。光纖通信的普及和推廣獲得了高速發(fā)展的基本條件。了高速發(fā)展的

4、基本條件。19771977年美國芝加哥率先開通了第一條年美國芝加哥率先開通了第一條45Mb/s45Mb/s的商用光的商用光纖通信系統(tǒng)。纖通信系統(tǒng)。 目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已目前，國際國內(nèi)長途通信傳輸網(wǎng)的光纖化比例已經(jīng)超過經(jīng)超過90%90%4.1.2 光纖通信的特點(diǎn)5 傳輸損耗小，中繼距離長：傳輸損耗小，中繼距離長：1.55m1.55m波長附近波長附近約約0.2-0.3dB/km0.2-0.3dB/km，中繼跨度百公里。，中繼跨度百公里。 傳輸頻帶寬，通信容量大：單模光纖的潛在傳輸頻帶寬，通信容量大：單模光纖的潛在帶寬可達(dá)幾十太赫茲（帶寬可達(dá)幾十太赫茲（10101212HzHz

5、） 抗電磁干擾，保密效果好抗電磁干擾，保密效果好 體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和敷設(shè)體積小、重量輕、便于運(yùn)輸和敷設(shè) 原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保原材料豐富、節(jié)約有色金屬、有利于環(huán)保 不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時(shí)的彎曲半不足：光纖質(zhì)地脆弱易斷，敷設(shè)時(shí)的彎曲半徑不宜太小徑不宜太小4.2 光纖與光纜6 光纖與光纜的結(jié)構(gòu)、分類以及光纖的導(dǎo)光原理。光纖與光纜的結(jié)構(gòu)、分類以及光纖的導(dǎo)光原理。4.2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類7 光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、光纖是多層同軸圓柱體，自內(nèi)向外為纖芯、包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層包層、涂覆層，稱為裸纖。包層外面涂覆一層硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯

6、（硅酮樹脂或聚氨基甲酸乙酯（30150m30150m），然），然后增加保護(hù)套加以保護(hù)。后增加保護(hù)套加以保護(hù)。 纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率纖芯和包層是高純度石英材料，包層折射率略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，略低于纖芯，與纖芯一起形成光的全反射通道，使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。使光波的傳輸局限于纖芯內(nèi)。1. 光纖的結(jié)構(gòu)82. 光纖的分類（表4.1）9分類方法分類方法具體名稱具體名稱說明說明用途與特點(diǎn)用途與特點(diǎn)按照材料的成分按照材料的成分全石英系列光纖全石英系列光纖以以SiO2為主要材料為主要材料長途大容量通信。損耗小，傳輸距離長，成本高長途大容量通信。損耗小，傳輸距離長，成本

7、高多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維多種材料組合成分多種材料組合成分短距離光信號(hào)傳輸、容易制造、價(jià)格便宜短距離光信號(hào)傳輸、容易制造、價(jià)格便宜塑料包層石英芯光纖塑料包層石英芯光纖線芯是線芯是SiO2材料，包層是硅樹脂材料，包層是硅樹脂易耦合，特性同全石英系列光纖相近但成本較低，短易耦合，特性同全石英系列光纖相近但成本較低，短距離高速數(shù)據(jù)傳輸，如距離高速數(shù)據(jù)傳輸，如IEEE1394。全塑料光纖全塑料光纖纖芯和包層均由塑料制成纖芯和包層均由塑料制成撓曲性好、易加工、易耦合、成本很低、傳輸距離很撓曲性好、易加工、易耦合、成本很低、傳輸距離很短。多用于家電、音響及短距圖像傳輸短。多用于家電、音響及短距圖像傳輸

8、按照折射率的分布按照折射率的分布階躍型光纖階躍型光纖纖芯和包層折射率均勻，但包層的折射率低于纖芯，纖芯和包層折射率均勻，但包層的折射率低于纖芯，交界處產(chǎn)生躍變。交界處產(chǎn)生躍變。帶寬較窄，適于小容量短距離通信帶寬較窄，適于小容量短距離通信漸變型光纖漸變型光纖從纖芯到包層的折射率呈拋物線規(guī)律逐漸變小從纖芯到包層的折射率呈拋物線規(guī)律逐漸變小帶寬較寬，適于中容量中距離通信帶寬較寬，適于中容量中距離通信按照傳輸模式按照傳輸模式單模光纖單模光纖僅允許與光纖軸平行的光波傳輸，即只有一個(gè)基膜傳僅允許與光纖軸平行的光波傳輸，即只有一個(gè)基膜傳輸輸寬帶、大容量、長途通信寬帶、大容量、長途通信多模光纖多模光纖光波可以

9、以多個(gè)特定的角度射入光纖的端面?zhèn)鞑ス獠梢砸远鄠€(gè)特定的角度射入光纖的端面?zhèn)鞑ザ酁闈u變型。漸變型多模光纖主要用于局域網(wǎng)多為漸變型。漸變型多模光纖主要用于局域網(wǎng)按照工作波長按照工作波長短波長光纖短波長光纖0.80.9m長波長光纖長波長光纖1.01.7m超長波長光纖超長波長光纖2.0m以上以上按照按照ITU-T建議建議G.651漸變多模光纖漸變多模光纖工作波長為工作波長為1.31m和和1.55m，主要用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。主要用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是目前應(yīng)用最廣的光纖是目前應(yīng)用最廣的光纖當(dāng)工作波長在當(dāng)工作波長在1.3m時(shí)，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸時(shí)，光纖色散

10、很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制距離只受光纖衰減所限制G.653色散位移單模光纖色散位移單模光纖在在1.55m處實(shí)現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致。處實(shí)現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致。用于超高速率、單信道、長中繼距離通信。不利于多用于超高速率、單信道、長中繼距離通信。不利于多信道的信道的WDM傳輸，易發(fā)生四波混頻導(dǎo)致信道間發(fā)生傳輸，易發(fā)生四波混頻導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_串?dāng)_G.654最佳性能單模光纖最佳性能單模光纖在在1.55m處具有極低損耗（大約處具有極低損耗（大約0.15dB/km）G.655非零色散位移單模光纖非零色散位移單模光纖這種光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好的傳輸這種光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖

11、和色散位移光纖最好的傳輸特性，特性，特別適合于密集波分復(fù)用傳輸，所以非零色散光纖是特別適合于密集波分復(fù)用傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。全波光纖全波光纖消除了常規(guī)光纖在消除了常規(guī)光纖在1385nm附近由于附近由于OH-造成的損耗峰，造成的損耗峰，使光纖可利用的波長增加使光纖可利用的波長增加100nm左右左右處于推廣實(shí)用階段處于推廣實(shí)用階段3. 光纖的折射率徑向分布圖104.2.2 光纖的導(dǎo)光原理11 在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠(yuǎn)大于在光學(xué)理論中，當(dāng)傳輸媒介的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長時(shí)，可以把光表示成其傳播方向上的一光波波長時(shí)，可

12、以把光表示成其傳播方向上的一條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播條幾何線，稱為光射線。用光射線來分析光傳播特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分特性的方法，稱為射線法。下面通過射線法來分析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。析光在階躍型光纖中的導(dǎo)光原理。1.光的反射與折射定律 入=反1221sinsinnn入折當(dāng)當(dāng)折折900時(shí)，折射光線會(huì)反射回到纖時(shí)，折射光線會(huì)反射回到纖芯進(jìn)行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。芯進(jìn)行傳播，這種現(xiàn)象稱為全反射。2.光纖中的全反射傳輸調(diào)整入射角調(diào)整入射角，使得，使得折折290度而發(fā)生全反射：度而發(fā)生全反射：13NAsin4.2.3 光纖的傳輸特性(P83) 光纖的傳輸特

13、性描述的是光纖的傳輸損耗、色散和光纖的傳輸特性描述的是光纖的傳輸損耗、色散和非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)。144.2.3光纖的傳輸特性光纖的損耗特性吸收損耗吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。1. 本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。(1) 紫外吸收損耗 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。(2) 紅外吸收損耗 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光

14、波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。2. 雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。3. 原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。散射損耗1. 線性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。 瑞利散射是

15、一種最基本的散射過程，屬于固有散射。 對(duì)于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(2) 光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。2. 非線性散射損耗 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。 彎曲損耗 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；

16、另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。 在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或W為單位。）（1 . 3 /lg1021KmdBPPL2、光纖的色散

17、特性色散的概念P83 理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實(shí)光源信號(hào)不理想光源應(yīng)是頻率單一的單色光，但現(xiàn)實(shí)光源信號(hào)不純，含有不同的波長成分，在折射率為純，含有不同的波長成分，在折射率為n1的光纖介質(zhì)中的光纖介質(zhì)中傳輸速度不同，從而導(dǎo)致光信號(hào)分量產(chǎn)生不同延遲，這傳輸速度不同，從而導(dǎo)致光信號(hào)分量產(chǎn)生不同延遲，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為光纖的色散光纖的色散。 具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬具體表現(xiàn)為當(dāng)光脈沖沿著光纖傳輸一定距離后脈沖寬度展寬，嚴(yán)重時(shí)前后脈沖相互重疊，難以分辨。度展寬，嚴(yán)重時(shí)前后脈沖相互重疊，難以分辨。 有三個(gè)參數(shù)色散系數(shù)、最大時(shí)延差有三個(gè)參數(shù)色散系數(shù)、最大時(shí)延差、光纖帶寬系

18、數(shù)、光纖帶寬系數(shù)可以分別從不同的角度來描述光纖色散的程度?？梢苑謩e從不同的角度來描述光纖色散的程度。光纖色散的類型29 模式色散：模式色散：在多模光纖中，因同一波長分量的各種傳導(dǎo)模式的相位不同、群速度不同而導(dǎo)致光脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為模式色散（或模間色散）。用光的射線理論來說，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差。 材料色散：由光纖材料自身特性造成的。材料色散：由光纖材料自身特性造成的。 波導(dǎo)色散：由光纖中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的。波導(dǎo)色散：由光纖中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的。 多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色多模光纖主要考慮模式色散，單模光纖主要考慮材料色散和波導(dǎo)色散。

19、散和波導(dǎo)色散。1. 階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線和以臨界角c入射的光線，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達(dá)終端的時(shí)延差。圖圖3.6 階躍型光纖的模式色散階躍型光纖的模式色散2. 漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。材料色散 一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來衡量，色散系數(shù)定義為單位波長間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長度光纖所產(chǎn)生的色散，用D()表示，單位是ps/（nmkm）。2. 材料色散 在已知材料

20、色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用m表示。m()=Dm()L （3-25） 式(3-25)中：為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長范圍；L是光纖的傳播長度。波導(dǎo)色散 式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw()表示。 ）（ 26. 3 ) (221dVVbdVCnDw極化色散 極化色散也稱為偏振模色散，用p表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。 單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x和LP01y兩

21、種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。 當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)x和y不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，y和x之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。）（ 27. 3 xyxynnC光纖的總色散為：值得說明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。 多 模 光 纖 ）（ 31. 3 )(22wmM 單 模 光 纖 ）（ 32. 3 wm單模光纖中的色散系數(shù)與波長關(guān)系39光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響 光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性

22、。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。圖圖3.12 光纖的帶寬光纖的帶寬(f為調(diào)制信號(hào)頻率為調(diào)制信號(hào)頻率) 通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時(shí)的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬?？捎檬?3-33)表示。）（光光33. 3 30lg0 1dBPfPc 光功率總是要用光電子器件來檢測，而光檢測器輸出的電流

23、正比于被檢測的光功率，于是：從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。 ）（光光電電電電34. 3 60lg200lg200lg10dBPfPIfIPfPccc 既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。 由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長色散帶寬。）（ 47. 3 21 22cMTBBB波長色散帶寬定義為：式中：是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長度，單位是km；D()是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長色散系數(shù)

24、)，單位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。 ）（48. 3 441GHzLDBc 光纖鏈路總帶寬與光纖長度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無接頭。對(duì)于無接頭的一個(gè)制造長度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=BL- 式中：L是光纖的制造長度(km)，為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.51.0之間(多模光纖取0.50.9，單模光纖1)。成纜對(duì)光纖特性的影響光纜特性1. 拉力特性 光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范圍。2.壓力特性 光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材

25、料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。4.溫度特性 光纖本身具有良好的溫度特性。成纜對(duì)光纖特性的影響1. 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來附加損耗，稱之為成纜損耗。2. 成纜可以改善光纖的溫度特性 套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。圖3.14 光纖和光纜的溫度特征 把光纖制成光纜，溫度特性會(huì)得到相當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實(shí)線所示。3. 機(jī)械強(qiáng)度增加 這一點(diǎn)是很顯然的。一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為15kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)

26、構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng)。典型光纖參數(shù) 目前，ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。 G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.31m處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。 G.653光纖稱為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長1.55m處色散為零，損耗又最小。 G.654光纖稱為截止波長

27、光纖，其特點(diǎn)是在波長1.31m處色散為零，在1.55m處色散為1720ps/nmkm，和G.652光纖相同。 G.655光纖稱為非零色散位移光纖，是一種改進(jìn)的色散位移光纖。表3.1傳輸光纖的參數(shù)指標(biāo)光纖類型多模漸變型G.651 光纖常規(guī)單模G.652 光纖色散位移G.653 光纖截止波長G.654 光纖非零色散位移光纖G.655纖芯直徑（ m）506%包層直徑（ m）1252.4%纖芯不圓度（%）6包層不圓度（%）22222同芯誤差（%）6幾何尺寸模場同心誤差（%）1111折射率分布近似拋物線數(shù)值孔徑（0.180.24）0.02模場直徑（ m）（910）10%（78.3）10%10.510%8

28、112m 光纖截止波長C（ m）11001280待研究135016001470光學(xué)特性22m 光纜截止波長CC（ m）1270待研究1480損耗（dB/Km）850nm1310nm1550nm421.00.51.00.50.250.50.24零色散波長（ m）13001324150016001.525 或1.585零色散斜率（ps/nm2Km）0.0930.0850.093色散系數(shù)（ps/nmKm）850nm1310nm1550nm12063.5203.5200.16傳輸特性帶寬（MHzKm）850nm1310nm200100020012003.非線性效應(yīng)59 非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串

29、話和功率非線性效應(yīng)在波分復(fù)用信道間產(chǎn)生串話和功率降低代價(jià)，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸降低代價(jià)，限制光纖通信的傳輸容量和最大傳輸距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。距離，影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。 光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類光纖中的非線性效應(yīng)分為兩類:非彈性過程和非彈性過程和彈性過程。彈性過程。4.2.4 光纜60分類方法分類方法 光纜種類光纜種類按用途按用途長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合光纜長途光纜、短途中繼光纜、室內(nèi)光纜、混合光纜按敷設(shè)方式按敷設(shè)方式直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜 按傳輸模式按傳輸模式單模光纜、多模光纜（階躍型、漸變型）單模光纜、多

30、模光纜（階躍型、漸變型）按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式 按外護(hù)套結(jié)構(gòu)按外護(hù)套結(jié)構(gòu) 無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝 按光纜中有無金屬按光纜中有無金屬 有金屬光纜、無金屬光纜有金屬光纜、無金屬光纜 按維護(hù)方式按維護(hù)方式 充油光纜、充氣光纜充油光纜、充氣光纜 光纜的分類光纜的分類幾種光纜的結(jié)構(gòu)614.3光纖通信系統(tǒng)62 光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，以光導(dǎo)纖維為傳輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主輸媒介來傳輸消息的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要由電端機(jī)、光端機(jī)、光中繼器和光纜組成。

31、要由電端機(jī)、光端機(jī)、光中繼器和光纜組成。1. 電發(fā)送端機(jī)63 把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號(hào)。把信源消息轉(zhuǎn)換成電數(shù)字信號(hào)。2. 光發(fā)送端機(jī)64光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：光源的調(diào)制有直接調(diào)制或外調(diào)制兩種方式：3. 光端機(jī)的調(diào)制方式65 直接調(diào)制（強(qiáng)直接調(diào)制（強(qiáng)-直調(diào)制）：利用電信號(hào)調(diào)制光直調(diào)制）：利用電信號(hào)調(diào)制光波的幅度，驅(qū)動(dòng)電路輸出波的幅度，驅(qū)動(dòng)電路輸出“0”、“1”脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)直接控制光源的發(fā)光強(qiáng)度。適用于低速的半導(dǎo)體直接控制光源的發(fā)光強(qiáng)度。適用于低速的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）。）。 外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔外腔調(diào)制（相干光調(diào)制）：把激光送入到外腔調(diào)

32、制器，然后用電數(shù)字信號(hào)控制調(diào)制器，適用于調(diào)制器，然后用電數(shù)字信號(hào)控制調(diào)制器，適用于高速激光器（高速激光器（LD）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波）調(diào)制。外調(diào)制可選擇調(diào)制光波的頻率或相位。的頻率或相位。例子：一種直接調(diào)制的共發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路664. 光中繼器 光光-電電-光中繼方式正在被光放大器取代，例如，摻光中繼方式正在被光放大器取代，例如，摻鉺光纖放大器（鉺光纖放大器（EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier）可以放大）可以放大1.55m波長附近的光信號(hào)，適波長附近的光信號(hào)，適用于長途越洋光通信系統(tǒng)。用于長途越洋光通信系統(tǒng)。675. 光接收端機(jī) 將光纖傳輸過來的微弱光信號(hào)

33、，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒐饫w傳輸過來的微弱光信號(hào)，經(jīng)光檢測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后再經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電信號(hào)，然后再經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到電接收端機(jī)去。電接收端機(jī)去。68電信號(hào)電信號(hào)6.電接收端機(jī)69 電接收端機(jī)接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，電接收端機(jī)接收判決器輸出的再生碼元數(shù)據(jù)流，并還原為信宿可接收的形式。并還原為信宿可接收的形式。4.4 光纖通信新技術(shù)70 超大容量、超長距離、超高速傳輸一直光纖通信超大容量、超長距離、超高速傳輸一直光纖通信新技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。新技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。 拓展光纖可用拓展光纖可用“窗口窗口”的波長范圍可以提高的波長范圍可以提高光纖帶寬；光纖帶寬； 降

34、低損耗系數(shù)降低損耗系數(shù)()可以增加光纖中繼距離；可以增加光纖中繼距離； 光波分復(fù)用或光時(shí)分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量；光波分復(fù)用或光時(shí)分復(fù)用可以增大系統(tǒng)容量； 相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點(diǎn)。相干光通信和光孤子通信也是研發(fā)熱點(diǎn)。 本節(jié)將對(duì)其中的一些內(nèi)容進(jìn)行概要介紹。本節(jié)將對(duì)其中的一些內(nèi)容進(jìn)行概要介紹。4.4.1 光波分復(fù)用與光時(shí)分復(fù)用71 采用光波分復(fù)用（采用光波分復(fù)用（WDM）或光時(shí)分復(fù)用）或光時(shí)分復(fù)用（OTDM）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，）技術(shù)可以在不增加線路投資的情況下，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。擴(kuò)大系統(tǒng)容量。1. 光波分復(fù)用72光波分復(fù)用：利用不同波長的光信號(hào)作為載波來光波分復(fù)用：利用不同波

35、長的光信號(hào)作為載波來傳輸多路光信號(hào)。傳輸多路光信號(hào)。2. 光波分復(fù)用的類型73 根據(jù)光波分復(fù)用時(shí)波長間隔的大小可以將波分復(fù)根據(jù)光波分復(fù)用時(shí)波長間隔的大小可以將波分復(fù)用系統(tǒng)分為三種類型：用系統(tǒng)分為三種類型： 密集波分復(fù)用（密集波分復(fù)用（DWDM）：波長間隔）：波長間隔 110nm 稀疏波分復(fù)用（稀疏波分復(fù)用（CWDM）：波長間隔）：波長間隔 10100nm 光頻分復(fù)用（光頻分復(fù)用（OFDM）：波長間隔）：波長間隔1nm （未獲實(shí)用）（未獲實(shí)用）3. 光時(shí)分復(fù)用74 類似電脈沖信號(hào)的時(shí)分復(fù)用，光時(shí)分復(fù)用是把類似電脈沖信號(hào)的時(shí)分復(fù)用，光時(shí)分復(fù)用是把低速的光脈沖信號(hào)復(fù)合在一起，形成超高速光脈低速的光脈沖信號(hào)復(fù)合在一起，形成超高速光脈沖信號(hào)的一種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)沖信號(hào)的一種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)OTDM的基本技術(shù)主要的基本技術(shù)主要包括超短光脈沖（包括超短光脈沖（10ps以下）發(fā)生技術(shù)、全光以下）發(fā)生技術(shù)、全光時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用/去復(fù)用技術(shù)