光通信實(shí)施技術(shù)第二章

光通信實(shí)施技術(shù)第二章2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖（OpticalFiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。纖芯的折射率比稍高，損耗比更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸，實(shí)現(xiàn)光信號的長距離傳輸。為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。設(shè)纖芯和的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。圖2.1光纖的外形

2.1.2光纖類型光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。實(shí)用光纖主要有三種基本類型，突變型多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）相對于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型光纖的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個模式，所以稱為多模光纖

圖2.2三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖主要用途：突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。單模光纖用在大容量長距離的系統(tǒng)。特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平

1.55μm色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10Gb/s容量的100km的超大容量超長距離系統(tǒng)。色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。2.2光纖傳輸原理分析光纖傳輸原理的常用方法：幾何光學(xué)法麥克斯韋波動方程法

2.2.1幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)法分析問題的兩個出發(fā)點(diǎn)

?數(shù)值孔徑

?時間延遲通過分析光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布幾何光學(xué)法分析問題的兩個角度

?突變型多模光纖

?漸變型多模光纖

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理1.突變型多模光纖

數(shù)值孔徑

為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。

設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖2.4。

光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。

根據(jù)這個傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律

NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）經(jīng)簡單計算得到

式中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。

NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。

對于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。

NA越大，纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好;但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。

所以要根據(jù)實(shí)際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。(2.3)時間延遲

根據(jù)圖2.4，入射角為θ的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)，在θ不大的條件下，其傳播時間即時間延遲為

式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光線之間時間延遲差近似為(2.4)(2.5)

這種時間延遲差在時域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號畸變。

由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。

圖2.5漸變型多模光纖的光線傳播原理2.漸變型多模光纖

由此可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)，對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無關(guān)。自聚焦效應(yīng)

為觀察方便，把光線入射點(diǎn)移到中心軸線(z=0,ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到(2.14a)

θ*=θ0cos(Az)(2.14b)

這說明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在P點(diǎn)上，見圖2.5和圖2.2(b)，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(Self-Focusing)效應(yīng)。

4.單模光纖的模式特性

單模條件和截止波長

單模傳輸條件為V=2.405或λc=

由式(2.36)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個臨界波長λc，當(dāng)λ<λc時，是多模傳輸，當(dāng)λ>λc時，是單模傳輸，這個臨界波長λc稱為截止波長。由此得到(2.36)2.3光纖傳輸特性

產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散，損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性：

損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量2.3.1光纖色散

1.色散、帶寬和脈沖展寬

色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘枺捎诓煌煞值墓獾臅r間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散的種類：

模式色散：由于不同模式的時間延遲不同而產(chǎn)生的材料色散：由于光纖的折射率隨波長而變化，不同成分的光時延不同而產(chǎn)生的波導(dǎo)色散：由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)二產(chǎn)生的(2.61a)

2.3.2光纖損耗

損耗的存在光信號幅度減小限制系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示習(xí)慣上α的單位用dB/km，由式(2.60)得到損耗系數(shù)Po=Piexp(-αL)(2.60)

設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為式中，α是損耗系數(shù)。(2.59)

1.損耗的機(jī)理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。

吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。

散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。

瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機(jī)理2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用

G.651多模漸變型(GIF)光纖應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。

G.653色散移位光纖是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.55μm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。

G.6541.55μm損耗最小的單模光纖其特點(diǎn)是在波長1.31μm色散為零，在1.55μm色散為17~20ps/(nm·km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20dB/km以下。

色散補(bǔ)償光纖其特點(diǎn)是在波長1.55μm具有大的負(fù)色散。

G.655非零色散光纖是一種改進(jìn)的色散移位光纖。2.4光纜

在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要把若干根光纖絞合成纜，在外面再加上保護(hù)套，以防止外界各種機(jī)械壓力和施工過程中可能發(fā)生的損傷。光纜的結(jié)構(gòu)取決于用途（可根據(jù)不同需要進(jìn)行設(shè)計）。有些在光纖外加一層塑料外套，有些是使用鋼質(zhì)加強(qiáng)心之類的增強(qiáng)材料以保證光纜具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型

光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時在護(hù)套外面加有鎧裝。

1.纜芯

纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強(qiáng)件兩部分。

被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

加強(qiáng)件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護(hù)套中。圖2.20光纜類型的典型實(shí)例

(a)6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b)12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c)12芯骨架式光纜(直埋)；(d)6~48芯束管式光纜(直埋)；(e)108芯帶狀光纜；(f)LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g