光纖通信系統(tǒng)課件

緒

論

n1.1光纖製備與應(yīng)用的發(fā)展

1.1.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖一般是由纖心、包層、塗敷層及護(hù)套構(gòu)成的，是一個(gè)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體，其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。

圖1.1光纖的基本結(jié)構(gòu)纖心一般是由某種類型的玻璃或塑膠製成的圓柱體，其直徑約為5~85

m。n1.1光纖製備與應(yīng)用的發(fā)展包層是環(huán)繞纖心的圓柱形套層，可以是一層或多層，由特性與纖心不同的玻璃或塑膠製成，其折射率略小於纖心折射率。塗敷層是一種塗料的敷層，其作用是保護(hù)光纖不受外來(lái)的損害，以增強(qiáng)光纖的韌性。護(hù)套是由塑膠製成的圓形保護(hù)套，用來(lái)維持光纖的機(jī)械強(qiáng)度。n1.1光纖製備與應(yīng)用的發(fā)展1.1.2光纖發(fā)展史光纖自1841年由DanielColladon通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光線能夠沿著盛水的彎曲通道而傳播以來(lái)，經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展（參見表1.1），現(xiàn)已經(jīng)是通信的主要幹線。此外，各種特殊需要的光纖也應(yīng)運(yùn)而生，目前已有幾十種。n

1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

n1

1.2.1

通信系統(tǒng)的組成21.2.2通信系統(tǒng)的分類31.2.3

光通信概述41.2.4光纖通信的發(fā)展過程簡(jiǎn)介1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.1通信系統(tǒng)的組成所謂通信，從廣義上講就是資訊從發(fā)信者傳輸?shù)绞招耪叩倪^程。消息是用以載荷資訊的有次序的序列或連續(xù)的時(shí)間函數(shù)。前者稱為離散資訊，後者稱為連續(xù)資訊。通信系統(tǒng)中傳輸?shù)木唧w對(duì)象是消息，這種傳輸利用通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。完成通信過程的全部設(shè)備和傳輸媒質(zhì)，稱為通信系統(tǒng)。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展19世紀(jì)末迅速發(fā)展起來(lái)的以電信號(hào)（或光信號(hào)）為資訊載體的通信系統(tǒng)，稱為現(xiàn)代通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的一般模型如圖1.2所示。

圖1.2通信系統(tǒng)的一般模型n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展信源的作用是產(chǎn)生（形成）消息。信源分為模擬信源和數(shù)字信源。發(fā)信機(jī)的作用是將消息變換成適於在通道中傳輸?shù)男盘?hào)。通道是將信號(hào)從發(fā)信機(jī)傳輸?shù)绞招艡C(jī)的媒質(zhì)或途徑。收信機(jī)的作用與發(fā)信機(jī)相反，完成解調(diào)、解碼等任務(wù)，將信號(hào)轉(zhuǎn)換為資訊。信宿的作用是將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的資訊，是傳輸資訊的歸宿點(diǎn)。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.2通信系統(tǒng)的分類通信系統(tǒng)有多種分類方法。

(1)按傳輸媒質(zhì)的不同進(jìn)行分類可分為有線通信和無(wú)線通信兩大類。

(2)按通信業(yè)務(wù)和用途進(jìn)行分類可分為常規(guī)通信和控制通信等。

(3)按傳輸信號(hào)的特徵進(jìn)行分類可分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

(4)按資訊傳遞的方向與時(shí)間關(guān)係進(jìn)行分類可分為單工通信、半雙工通信和雙工通信。

(5)按調(diào)製方式進(jìn)行分類可分為基帶傳輸通信和調(diào)製傳輸通信。

(6)按傳輸信號(hào)的複用方式進(jìn)行分類可分為頻分複用、時(shí)分複用、碼分複用三種複用方式的通信。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展1.2.3光通信概述

1．基本概念從廣義上講，凡是用光作為資訊載波信號(hào)的通信稱為光通信。光通信系統(tǒng)使用電磁波譜中的可見光或近紅外區(qū)域的高頻電磁波（約100

THz）。有時(shí)又稱為光波通信系統(tǒng)，以區(qū)別於頻率低於5個(gè)數(shù)量級(jí)的微波（微波載波頻率為1~10GHz）通信系統(tǒng)。

n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展圖1.3為光的頻譜圖，可以看出光的頻率很高，回應(yīng)帶寬也很寬，光通信充分利用了這一優(yōu)點(diǎn)。

圖1.3光的頻譜圖n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展根據(jù)定義，波長(zhǎng)是光在一個(gè)週期時(shí)間內(nèi)行進(jìn)的距離。設(shè)真空中光的波長(zhǎng)為，介質(zhì)中的波長(zhǎng)為，則光的波長(zhǎng)和頻率之間的關(guān)係為

(1.1)(1.2)

式(1.1)和式(1.2)中，是真空中的光速，；為介質(zhì)的折射率（石英光纖的折射率為1.5左右）；

ν為光在介質(zhì)中的速度。

n

1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展在光通信系統(tǒng)中，除了一些特殊場(chǎng)合使用可見光之外，現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)一般使用近紅外光，典型波長(zhǎng)為和相應(yīng)的頻率分別為230THz和193THz。

2．光通信系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)光通信系統(tǒng)可分為兩類：大氣鐳射系統(tǒng)（無(wú)線光通信）和光纖通信系統(tǒng)（有線光通信）。大氣鐳射通信主要是指用鐳射作為資訊的載波信號(hào)並以大氣為通道的通信系統(tǒng)。光纖通信系統(tǒng)主要是指用鐳射作為資訊的載波信號(hào)並以光纖為通道的通信系統(tǒng)n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展大氣鐳射通信系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)構(gòu)成了近代光通信系統(tǒng)。下麵對(duì)這兩類光通信的特點(diǎn)做簡(jiǎn)要討論

(1)大氣鐳射通信大氣鐳射通信是利用光波在空氣中直線傳播的特點(diǎn)，進(jìn)行大氣傳輸?shù)墓馔ㄐ?。這種通信方式，其通道為大氣，不需要敷設(shè)任何通信線路，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。

(2)光纖通信光纖通信技術(shù)是當(dāng)代通信技術(shù)發(fā)展的最高成就，已成為現(xiàn)代通信的基石。光纖通信得到如此飛速的發(fā)展，主要是因?yàn)樗哂幸幌盗歇?dú)特的優(yōu)點(diǎn)：n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展①頻帶寬，資訊容量大。

②傳輸損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)。

③製作光纖、光纜用的原材料資源豐富。

④光纖作為通道具有體積小、品質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)，便於通信線路的敷設(shè)。

⑤光纖通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，使用安全。但光纖通道也存在不足之處：①在敷設(shè)光纖、光纜時(shí)，彎曲半徑不能過小，否則光纖中傳輸?shù)膶?dǎo)模將成為輻射模而損耗光能；②要求有比較好的光纖切斷、連接技術(shù)；③分路、耦合比較麻煩。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

1.2.4光纖通信的發(fā)展過程簡(jiǎn)介光纖通信經(jīng)過30多年的發(fā)展，經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段，其中已有五代光纖通信系統(tǒng)由試驗(yàn)研究進(jìn)入了實(shí)用階段。

(1)第一代光纖通信系統(tǒng)1978年，第一代光纖通信系統(tǒng)（多模光纖通信系統(tǒng)）正式投入商業(yè)應(yīng)用。光源為半導(dǎo)體雷射器(GaAlAsLD)或發(fā)光二極體(LED)，工作波長(zhǎng)。該光纖通信系統(tǒng)稱為短波通信系統(tǒng)。光電探測(cè)器為管（矽光電二極體）或（矽雪崩光電二極體）。通道為均勻多模光纖.n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

(2)第二代光纖通信系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代初，第二代早期多模光纖通信系（1.3μm多模光纖通信系統(tǒng)）問世。光源為InGaAsP半導(dǎo)體雷射器，工作波長(zhǎng)λ=1.3μm

。

(3)第三代光纖通信系統(tǒng)1990年，第三代光纖通信系統(tǒng)已能提供商業(yè)應(yīng)用。光源為銦鎵砷磷(InGaAsP)半導(dǎo)體雷射器，光電探測(cè)器與第二代光纖通信系統(tǒng)同為鍺光電探測(cè)器，通道為單模光纖（工作波長(zhǎng)為1.55μm）。該系統(tǒng)是工作在λ=1.55μm長(zhǎng)波波段的單模光纖通信系統(tǒng)，為長(zhǎng)波光纖通信系統(tǒng)。n1.2光纖通信技術(shù)的發(fā)展

(4)第四代光纖通信系統(tǒng)——相干光纖通信系統(tǒng)相干光纖通信系統(tǒng)是利用鐳射的相干性，將無(wú)線電通信中採(cǎi)用的“外差”接收（或零差接收）和先進(jìn)的調(diào)製方式應(yīng)用到光纖通信中的系統(tǒng)。

(5)第五代光纖通信系統(tǒng)——光孤子通信系統(tǒng)光孤子通信是利用光纖非線性進(jìn)行超大容量、超長(zhǎng)距離的光纖通信方式。光纖通信系統(tǒng)中，光孤子是一個(gè)非常窄，並具有很高強(qiáng)度的光脈衝。n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展n1

1.3.1

概述21.3.2感測(cè)器的組成31.3.3光纖傳感器的分類41.3.4光纖感測(cè)器的發(fā)展史51.3.5光纖感測(cè)器的研究現(xiàn)狀1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.3.1概述光纖感測(cè)器是用待測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)製得到調(diào)製信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至光探測(cè)器進(jìn)行解調(diào)，從而獲得待測(cè)量值的一種裝置。與傳統(tǒng)的感測(cè)器不同，它將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的形式取出。光纖傳感原理與技術(shù)是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)的，光從光纖射出時(shí)，光的特性得到調(diào)製，通過對(duì)調(diào)制光的檢測(cè)，便能感知外界的資訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的測(cè)量，這就是光纖感測(cè)器的基本原理。n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

1.3.2感測(cè)器的組成感測(cè)器的定義是:“能夠感受規(guī)定的被測(cè)量並按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。感測(cè)器主要由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件是指感測(cè)器中能直接感受或回應(yīng)被測(cè)量（輸入量）的部分；轉(zhuǎn)換元件是指感測(cè)器中能將敏感元件感受的或回應(yīng)的被探測(cè)量轉(zhuǎn)換成適於傳輸和（或）測(cè)量的電信號(hào)的部分。

n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展感測(cè)器的組成方框圖如圖1.5所示。

圖1.5感測(cè)器的組成方框圖n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

1.3.3光纖感測(cè)器的分類感測(cè)器的分類可以從測(cè)量、結(jié)構(gòu)、調(diào)製方式及器件材料等不同角度分類，如書上表1.2所示。

1.3.4光纖感測(cè)器的發(fā)展史20世紀(jì)傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，即結(jié)構(gòu)型感測(cè)器、物理型感測(cè)器和智慧型感測(cè)器。其測(cè)量技術(shù)、方法和特點(diǎn)歷程參見表1.3。光纖傳感技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展史參見表1.4。n1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

1.3.5光纖感測(cè)器的研究現(xiàn)狀經(jīng)過二十餘年的研究積累，我國(guó)的光纖傳感正在穩(wěn)步發(fā)展。我國(guó)光纖傳感的進(jìn)一步發(fā)展需要從光纖基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、光電基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和光纖傳感技術(shù)全方位考慮綜合發(fā)展，才有可能真正創(chuàng)造我國(guó)的尖端傳感技術(shù)，打破國(guó)外對(duì)我國(guó)的先進(jìn)技術(shù)封鎖。n

光纖與光纜

n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式n1

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)2

2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念3

2.1.3階躍折射率光纖的模式分析2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.1

光纖的結(jié)構(gòu)光纖的全稱是光導(dǎo)纖維(OpticalFiber)，是一種傳輸光能量的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所傳光的波長(zhǎng)在可見光和紅外光區(qū)域。其基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。光能夠被束縛在光纖心中傳輸?shù)谋匾獥l件是纖心的折射率（至少在截面的某些區(qū)域）大於包層的折射率。護(hù)套在光學(xué)上幾乎與纖心隔絕，可以忽略其影響。纖心內(nèi)，折射率分佈可以是均勻的或是漸變的，也可能是更複雜的分佈。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式圖2.1給出了一些常見光纖的折射率分佈。圖2.1光纖的折射率分佈n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式根據(jù)光纖中光場(chǎng)的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。折射率由製作光纖的材料決定，在光纖分析中通常定義相對(duì)折射率差，通常單模光纖的相對(duì)折射率差滿足，多模光纖的相對(duì)折射率差滿足?？梢?，，，是弱導(dǎo)光波導(dǎo)。製作光纖的材料通常有高純石英()、多組分玻璃和有機(jī)聚合物等材料，詳細(xì)情況參見2.2節(jié)。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念

1.子午線的數(shù)值孔徑在光纖中，光線有兩種，一種是始終處在一個(gè)平面裏，經(jīng)過波導(dǎo)的中心軸線，在光纖心與包層介面上作全反射，呈鋸齒形，這種射線稱為子午線，如圖2.2(a)所示。另一種光線不在同一平面裏，不經(jīng)過光纖的中心軸線，但仍在光纖心與包層的介面上作全反射，這種光線的範(fàn)圍是在邊界面和焦散面之間，稱為偏射線，如圖2.2(b)所示。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式子午線是平面曲線，偏射線是空間曲線。偏射線的極限是焦散面與心包層介面重合，這時(shí)偏射線稱為螺旋線，如圖2.2(c)所示。

圖2.2子午線和偏射線n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2

階躍折射率光纖分析的基本概念光纖端面外側(cè)是另外一種介質(zhì)，一般是空氣，其折射率為，入射光線與光纖軸成角，根據(jù)折射率定律，有

(2.1)只有當(dāng)入射角大於臨界角時(shí)，光才在波導(dǎo)內(nèi)作全反射，才可以形成導(dǎo)波，因此，＞，即＞。

為了得到導(dǎo)波，外面光線的入射角必須滿足下式：n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

(2.2)即?？梢约ぐl(fā)導(dǎo)波的入射光線的最大角度的正弦值即為數(shù)值孔徑NA。一般情況下，則數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖形成導(dǎo)波。此計(jì)算是依據(jù)子午線而進(jìn)行的，偏射線需要修正。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

2.1.2階躍折射率光纖分析的基本概念2．偏射線入射光線，其方向單位向量，,,為光線的方向余弦，即與座標(biāo)之間的夾角余弦。入射到波導(dǎo)端面上的某一點(diǎn)，。光線進(jìn)入光纖後，在介面上進(jìn)行全反射，每段射線為,…

，其單位矢為,…

，這些射線不經(jīng)過軸線。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式在射線與介面的交點(diǎn)處設(shè)想一個(gè)平面與介面相切，這個(gè)平面與光纖有一條切線，且與光纖軸線平行，每一個(gè)交點(diǎn)與軸線之間的距離為,…,，反射時(shí)有如下規(guī)律：(1)入射光線、反射光線和法線現(xiàn)在一個(gè)平面內(nèi)，法線為，用數(shù)學(xué)式子表示為

(2.3)(2)入射角等於反射角，用數(shù)學(xué)式子表示為

(2.4)n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式(3)若大於，則可以得到全反射，即

(2.5)(4)端面偏射線數(shù)值孔徑在光纖始端，什麼樣的射線能被光纖捕獲得以在光纖內(nèi)作全反射傳輸呢？應(yīng)用式(2.5)，當(dāng)時(shí)，可得n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式由圖2.3可見，，，

。圖2.3端面偏射線數(shù)值孔徑n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式若有全反射，則≥，故≤，≤。從端面入射時(shí)，，偏射線的數(shù)值孔徑為

(2.6)由於式(2.6)中≤1，故偏射線的數(shù)值孔徑要比子午光線大。當(dāng)時(shí)，偏射線成為螺旋光線。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2.1.3階躍折射率光纖的模式分析在光纖中傳輸?shù)墓饪梢暈榻?jīng)典的電磁波，光纖可看做是由纖心和包層組成的無(wú)限長(zhǎng)圓柱，則光纖中的電磁場(chǎng)形式：式中，為光纖傳輸常數(shù)。不同的所對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)在橫截面內(nèi)的分佈各不相同，稱為光纖的模式。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

1．模式本征方程在直角坐標(biāo)系下，展開麥克斯韋方程得到n(2.7)2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式經(jīng)過變換後，得到(2.8)式(2.8)說明滿足亥姆霍茲方程，這是完全合理的。按上述相同的方法，令，則可以得到與上述類似的關(guān)於的方程，因此實(shí)際的模式可以有如下形式：

(2.9)式中，a,b是任意常數(shù)；是x方向線偏振模；是y方向線偏振模。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式從以上兩組線偏振模LP模中取一組，例如。若光纖中折射率變化很小，二階以上的變化率可以忽略，則有n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式因此，可以認(rèn)為下述三種說法是一致的。(1)模式場(chǎng)中關(guān)於橫坐標(biāo)的二階變化率趨於零。(2)在邊界上連續(xù)，只有分量，這相當(dāng)於把電磁場(chǎng)看成標(biāo)量，所以又稱為標(biāo)量近似。(3)纖心和包層之間的折射率變化很小，即Δ＜＜1為弱導(dǎo)光波導(dǎo)。所以，標(biāo)量近似又稱為弱導(dǎo)近似。在標(biāo)量近似下，兩組線偏振模為

n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

電磁場(chǎng)的橫向分量互相垂直，且成比例，類似於向量法中的TE,TM模。在標(biāo)量近似下，線偏振模仍然具有圓對(duì)稱性，即(2.10)下麵以一組線偏振模為例，求解在圓柱坐標(biāo)系下滿足亥姆霍茲方程：

(2.11)在圓柱坐標(biāo)系下，式(2.11)是貝塞爾方程，是貝塞爾方程的解，為貝塞爾函數(shù)。

n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式考慮到在圓柱內(nèi)的值必為有限，當(dāng),時(shí)，則

(2.12)式中，A,B為任意常數(shù)；為第一類貝塞爾函數(shù)；為第二類變型（虛宗量）貝塞爾函數(shù)。因此，可求出其他場(chǎng)分量：

(2.13)n

2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式

(2.14)

(2.15)n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式由邊界條件確定關(guān)於的特徵方程：

(2.19)式(2.19)是關(guān)於的特徵方程。利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式，可得 (2.20)或 (2.21)這就是LP模式的特徵（本征）方程。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式本征方程是超越方程，只能求數(shù)值解，解的步驟如下：(1)根據(jù)光纖的心徑a、相對(duì)折射率以及工作波長(zhǎng)來(lái)確定歸一化頻率V：

(2.22)(2)利用或求解特徵方程，得到U或W，再由或得到。(3)已知U,W，可以確定A/B，即纖心內(nèi)、外場(chǎng)之比。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式2．截止條件和模式分類對(duì)於某種模式，若W→0，U→V時(shí)，模式趨於截止，因此W→0為截止條件。

是滿足截止條件時(shí)的特徵方程?？芍?/p>

m=0時(shí)，截止頻率為0的模式是，是光纖的第一個(gè)模式，稱為基模；第二個(gè)模式是m=1時(shí)，由的第一個(gè)根V=2.4048開始的，即模。因此當(dāng)V＜2.4048時(shí)，光纖內(nèi)只有一種模式，即單模傳輸。一個(gè)LP模式實(shí)際上是由4個(gè)向量模簡(jiǎn)並而成的。n2.1光纖的結(jié)構(gòu)與模式當(dāng)歸一化頻率V很大時(shí)，即V→∞時(shí)，可知此時(shí)U趨向於某個(gè)恒定值，則W→∞。在這種情況下，LPmn

模的U在和的兩個(gè)根之間變化，其中歸一化傳輸常數(shù)定義為

(2.23)標(biāo)量近似的LP模的歸一化傳輸常數(shù)b與V之間的關(guān)係如圖2.4所示。

圖2.4線偏振LP模的b=f(V)關(guān)係圖n2.2光纖的材料、製作和光纜在這一節(jié)中主要介紹石英光纖的製作工藝。石英光纖的製造工藝大致可以分為兩個(gè)階段，即光纖預(yù)製棒的製造和預(yù)製棒拉制光纖。n

2.2.2預(yù)製棒拉絲2

2.2.1預(yù)製棒的製造方法12.2光纖的材料、製作和光纜

2.2.1預(yù)製棒的製造方法預(yù)製棒的製造方法很多，常見的方法有：外氣相沉積法(OVPO)、氣相軸向沉積法(VPAD)、改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)、等離子體啟動(dòng)化學(xué)氣相沉積法(PCVD)。下麵分別加以介紹。1．OVPO法OVPO法是CorningClassWork公司用於製造第一根損耗小於20dB/km

的石英光纖的方法。該方法採(cǎi)用以下化學(xué)反應(yīng)：n2.2光纖的材料、製作和光纜以石英、石墨或陶瓷棒作為中心棒，在中心棒外沉積粉塵，然後抽掉中心棒，高溫?zé)Y(jié)成預(yù)製棒，製造示意圖如圖2.5所示。圖2.5OVPO法n2.2光纖的材料、製作和光纜

OVPO法的基本步驟如下：(1)中心棒在噴嘴下方，勻速旋轉(zhuǎn)並來(lái)回平移，以便在中心棒外形成粉塵的均勻沉積。(2)控制氣體流量成分，可以使預(yù)製棒折射率分佈是階躍的，或是漸變的。(3)沉積過程完成後，經(jīng)過脫水處理後，抽出中心棒，在高溫爐中將粉塵狀預(yù)製棒燒結(jié)成透明玻璃預(yù)製棒。n2.2光纖的材料、製作和光纜2．VPAD法化學(xué)反應(yīng)生成微粒的過程與OVPO法完全一樣，沉積時(shí)由橫向變?yōu)榭v向，這是日本NTT公司採(cǎi)用的光纖預(yù)製棒製作方法，製造示意圖如圖2.6所示。VPAD法的優(yōu)點(diǎn)是：沉積速度快，適合批量生產(chǎn)，一根棒可拉100km以上的光纖。

圖2.6VPAD法n2.2光纖的材料、製作和光纜3．MCVD法該方法在旋轉(zhuǎn)的石英管的內(nèi)壁進(jìn)行沉積，製造示意圖如圖2.7所示。採(cǎi)用以下化學(xué)反應(yīng)：停止氣相反應(yīng)，加高溫將石英管燒結(jié)成實(shí)心棒，改變氣相組分可以製成階躍或梯度折射率預(yù)製棒。圖2.7MCVD法n2.2光纖的材料、製作和光纜4．PCVD法Philips研究所的科學(xué)家們發(fā)明了等離子體啟動(dòng)化學(xué)氣相沉積法，該方法與MCVD法很類似，高純石英管置於微波諧振腔內(nèi)。在石英管內(nèi)通入反應(yīng)氣體，微波諧振腔使管內(nèi)氣體等離子化，產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)，將一層純淨(jìng)沉積在管壁上，的沉積率接近100％，通過改變氣相的組分產(chǎn)生折射率的變化，製造示意圖如圖2.8所示。沉積完成後，經(jīng)燒結(jié)形成預(yù)製棒。n2.2光纖的材料、製作和光纜圖2.8MCVD法

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在於採(cǎi)用微波諧振腔加熱，高純石英管不被加熱，只是管內(nèi)的反應(yīng)物被加熱，能耗低，操作易於進(jìn)行。n2.2光纖的材料、製作和光纜

2.2.2預(yù)製棒拉絲預(yù)製棒製作完成，第二階段是將預(yù)製棒拉絲成為光纖。石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.9所示。在拉絲過程中，可以基本保持原預(yù)製棒的折射率分佈不變。

圖2.9石英光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖n2.2光纖的材料、製作和光纜在拉絲過程中，需要保持光纖直徑的均勻性，根據(jù)品質(zhì)守恆，有

(2.24)式中，D為預(yù)製棒直徑；d為光纖直徑；為預(yù)製棒下降速度；為光纖收絲速度。通過控制和來(lái)控制光纖的直徑，一般為30~1000m/min。n2.2光纖的材料、製作和光纜實(shí)際應(yīng)用中，為了提高光纖的強(qiáng)度、耐溫等性能，光纖必須製成光纜才能使用。成纜時(shí)可以有多種結(jié)構(gòu)，通常由外護(hù)套、包帶和加強(qiáng)心構(gòu)成。圖2.10為層絞式和骨架式兩種常見的光纜結(jié)構(gòu)。圖2.10光纜結(jié)構(gòu)圖n2.3光纖的傳輸特性光纖作為光通信的傳輸介質(zhì)，從通信角度來(lái)看，主要關(guān)心光纖的以下幾個(gè)傳輸特性：(1)衰減：只有衰減小到一定程度才可能做長(zhǎng)距離通信使用；(2)色散：色散小，脈衝展寬小，從而要求光纖有較小的色散，才可能以高速率傳輸信號(hào)或者說有較大的通信容量。另外，隨著光纖通信的發(fā)展，光纖的偏振特性和非線性效應(yīng)對(duì)光信號(hào)的傳輸也有較大的影響。n2.3光纖的傳輸特性n12.3.1衰減22.3.2

色散32.3.3偏振特性42.3.4非線性效應(yīng)2.3光纖的傳輸特性

2.3.1衰減一段光纖的損耗由通過這段光纖的光功率損失來(lái)衡量，穩(wěn)態(tài)條件下，單位長(zhǎng)度的光纖損耗稱為衰減係數(shù)，通常定義為（）(2.25)式中，為入射光功率；為傳輸後的輸出光功率。產(chǎn)生光纖損耗的機(jī)制很複雜，主要與光纖材料本身的特性有關(guān)，其次，製造工藝也影響光纖的損耗，影響損耗的製造工藝因素很多。

n2.3光纖的傳輸特性

2.3.2色散光脈衝在光纖中傳輸時(shí)，由於傳輸常數(shù)是光頻率的函數(shù)，當(dāng)與更高階導(dǎo)數(shù)不為零時(shí)，意味著光信號(hào)中不同頻率（或波長(zhǎng)）成分具有不同的群延遲或群速度，這種群速度隨光頻率變化的現(xiàn)象稱為群速度色散(GVD)，簡(jiǎn)稱為色散。色散將導(dǎo)致光脈衝在光纖中傳輸時(shí)的脈衝展寬，從而限制了光纖通信的資訊傳輸速率，即通信容量。n2.3光纖的傳輸特性在多模光纖中，由於存在多個(gè)模式，因此群速度也必然不同，這種色散稱為模式間色散。對(duì)於單模光纖，由於只有基模，光脈衝中的不同頻率成分具有不同的群延遲或群速度，這種色散要比模式間色散小很多，下麵討論這種色散。

為時(shí)延差，即光信號(hào)中群速度最慢與最快頻率成分的傳輸時(shí)延差：(2.26)式中，D為色散係數(shù)，單位為ps/(nm·km)；L為光傳輸長(zhǎng)度；為傳輸光的波長(zhǎng)範(fàn)圍。

n2.3光纖的傳輸特性傳輸常數(shù)之間的關(guān)係為

(2.27)根據(jù)光纖的模式理論，可以得到式中，為材料色散；為波導(dǎo)色散；為折射率剖面色散。n2.3光纖的傳輸特性石英單模光纖的色散曲線如圖2.12所示，ZMD是材料色散的色散零點(diǎn)，是總色散零點(diǎn)波長(zhǎng)，常規(guī)石英光纖的約為1310nm。圖2.12石英單模光纖的色散曲線n2.3光纖的傳輸特性2.3.3偏振特性雙折射現(xiàn)象，即當(dāng)一束線偏光（圓偏光也有類似定義）通過光纖時(shí)，其傳輸常數(shù)隨偏振方向改變的現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象對(duì)光通信的影響主要體現(xiàn)為偏振模色散(PMD)。單模光纖在其基模工作時(shí)有兩個(gè)正交的極化方向，每一個(gè)方向代表一個(gè)偏振模。傳播常數(shù)為和，由於雙折射，，單位距離的時(shí)延分別為,

故時(shí)延差為

n2.3光纖的傳輸特性因?yàn)闅w一化雙折射率為

故對(duì)於石英光纖，第二項(xiàng)遠(yuǎn)小於第一項(xiàng),因此

(2.28)對(duì)於普通光纖，B在數(shù)量級(jí)，。n2.3光纖的傳輸特性

2.3.4非線性效應(yīng)當(dāng)光纖中的光場(chǎng)強(qiáng)較弱時(shí)，光纖可視為線性介質(zhì)；但光場(chǎng)強(qiáng)加大後，任何電介質(zhì)都會(huì)表現(xiàn)出非線性。1．非線性極化理論光纖作為電介質(zhì)在外電場(chǎng)（包括光波電場(chǎng)）作用下，感應(yīng)電偶極矩，極化所形成的附加電場(chǎng)與外電場(chǎng)疊加形成介質(zhì)中的場(chǎng)。

n2.3光纖的傳輸特性電偶極子的極化強(qiáng)度對(duì)於電場(chǎng)是非線性的，通常滿足

(2.29)式中，為真空介電常數(shù)；,,分別為一階、二階、三階電極化率。當(dāng)外場(chǎng)較弱時(shí)，，，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出光在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程是線性的。

(2.30)n2.3光纖的傳輸特性線上性光學(xué)範(fàn)圍內(nèi)，光的疊加性原理成立。光頻率各分量不存在相互作用，頻率也不會(huì)變化，表徵介質(zhì)特性的參數(shù)如介電係數(shù)、吸收係數(shù)都與外加光場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。但在非線性光學(xué)範(fàn)圍內(nèi)，情況就不同了，式(2.29)中的第二項(xiàng)及其以後的各項(xiàng)之和統(tǒng)稱為非線性極化強(qiáng)度向量：

(2.31)由於非線性極化強(qiáng)度的存在，物質(zhì)方程不再是線性的，因此由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出的波動(dòng)方程也是非線性方程：

(2.32)

n2.3光纖的傳輸特性光纖中不顯示二階非線性光學(xué)效應(yīng)，摻雜時(shí)才會(huì)考慮二階非線性光學(xué)效應(yīng)。三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng)導(dǎo)致克爾效應(yīng)、雙光子吸收、光波自作用以及受激輻射受激拉曼散射和受激布裏淵散射等現(xiàn)象。這些是影響光纖通信的重要的非線性光學(xué)效應(yīng)。從物理機(jī)制上講，非線性光學(xué)效應(yīng)大致可以分為兩大類：一類稱為參量過程（非啟動(dòng)的），另一類稱為非參量過程（啟動(dòng)的）。在參量過程中，參與參量過程的光場(chǎng)之間需要滿足一定的相位匹配條件。在非參量過程中，非參量過程不需要滿足相位匹配條件。n2.3光纖的傳輸特性2．受激散射及其對(duì)光纖通信的影響受激散射是三階非線性極化強(qiáng)度項(xiàng)表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象，從量子觀點(diǎn)容易說明其物理機(jī)理，並分析其對(duì)光通信系統(tǒng)的影響。(1)物理機(jī)理拉曼散射和布裏淵散射是光纖物質(zhì)中原子參與的光散射現(xiàn)象。在晶體中，原子在其平衡位置附近不停地振動(dòng)，由於原子之間的相互作用，每一個(gè)原子的振動(dòng)要依次傳遞給其他原子，從而形成晶體中的格波，格波的形式很複雜，可以分解成一些簡(jiǎn)諧波的疊加。n2.3光纖的傳輸特性根據(jù)量子力學(xué)理論，格波的能量是量子化的，對(duì)頻率的格波，它們的每份能量稱為一個(gè)聲子。所謂聲子，就是晶格振動(dòng)能量變化的最小單位。入射光波被晶格振動(dòng)散射，可以理解為光子與聲子相互碰撞的問題，在散射過程中，常常伴隨聲子的吸收和發(fā)射，但必須滿足能量守恆，從而使入射光發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換。

通過薛定諤方程求出的格波解分為兩支，頻率較高的一支與晶體的光學(xué)性質(zhì)有關(guān)，通常稱為光學(xué)波，頻率較低的一支與宏觀彈性波（聲波）有密切關(guān)係，稱為聲學(xué)波。由光學(xué)波聲子參與的光散射稱為拉曼散射，由聲學(xué)波聲子參與的光散射稱為布裏淵散射。n2.3光纖的傳輸特性拉曼散射的基本過程可以理解為：頻率的入射光子與介質(zhì)相互作用，可以發(fā)射一個(gè)頻率為的斯托克斯(Stokes)光子和一個(gè)頻率為的光學(xué)波聲子。在這個(gè)過程中，能量守恆，即（h是普朗克常量），光波產(chǎn)生下頻移。入射光子與介質(zhì)相互作用，也可能吸收頻率的聲子而產(chǎn)生一個(gè)頻率為的反斯托克斯光子，能量仍守恆，光波產(chǎn)生上頻移。布裏淵散射與拉曼散射過程相似，只是參與的聲子是聲學(xué)聲子，頻率低，因此布裏淵散射頻移小。

n2.3光纖的傳輸特性

(2)受激Raman散射對(duì)光通信的影響當(dāng)光纖中傳輸功率較小時(shí)，主要是自發(fā)拉曼散射與布裏淵散射，對(duì)光纖通信不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。但隨光功率增大，就可能產(chǎn)生受激拉曼散射(SRS)和受激布裏淵散射(SBS)。臨界功率大約為3W左右，它與光纖的有效面積以及光纖的長(zhǎng)度、光學(xué)性質(zhì)都有關(guān)。n2.3光纖的傳輸特性受激拉曼散射主要以前向散射為主，對(duì)光纖的影響主要表現(xiàn)為限制了光纖中傳輸?shù)淖畲蠊β?。受激拉曼散射?dǎo)致頻率轉(zhuǎn)換，使光纖損耗加大，引起波分複用系統(tǒng)中的串?dāng)_。受激拉曼散射對(duì)波分複用系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了單通道光纖系統(tǒng)，每一個(gè)通道只要幾毫瓦的光子功率就能引起明顯的拉曼串?dāng)_，其特點(diǎn)是短波長(zhǎng)通道功率向長(zhǎng)波長(zhǎng)通道轉(zhuǎn)移。由於光纖中處?kù)都ぐl(fā)態(tài)的原子很少，反斯托克斯光增益小，長(zhǎng)波長(zhǎng)通道功率向短波長(zhǎng)通道轉(zhuǎn)移不明顯。n2.3光纖的傳輸特性

(3)受激布裏淵散射的特點(diǎn)及對(duì)光通信的影響受激布裏淵散射(SBS)的特點(diǎn)是：以反向散射為主；增益?zhèn)S數(shù)大；閾值低，對(duì)常規(guī)單模光纖來(lái)說大約為4mW；頻移小，僅有數(shù)十兆赫茲。因此，受激布裏淵散射主要對(duì)窄譜線光源的系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，反向散射光回饋回窄譜線雷射器會(huì)嚴(yán)重影響雷射器的正常工作，必須使用光隔離器。受激布裏淵散射使光譜線增寬，對(duì)相干光通信系統(tǒng)產(chǎn)生影響。n2.3光纖的傳輸特性3．非線性折射率調(diào)製引起的非線性光學(xué)效應(yīng)折射率與光強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象是引起的，光纖的折射率可以表示為

(2.33)式中，為線性折射率；為與有關(guān)的非線性折射率係數(shù)，對(duì)於石英光纖約為；P為光功率；為光纖的有效面積，，其中I為光強(qiáng)。n2.3光纖的傳輸特性非線性折射率調(diào)製可以引發(fā)以下非線性光學(xué)效應(yīng)。

(1)自相位調(diào)製(SPM)n依賴於光功率P，則光傳輸常數(shù)也與P

相關(guān)：，光傳輸L長(zhǎng)度後，產(chǎn)生的非線性相位差為

(2.34)式中，為光纖的有效長(zhǎng)度；為輸入端光功率。n2.3光纖的傳輸特性當(dāng)光波被調(diào)製後，隨時(shí)間變化，SPM導(dǎo)致頻譜展寬，展寬值可以由的導(dǎo)數(shù)求得

(2.35)SPM導(dǎo)致的頻譜展寬是一種頻率啁啾。(2)交叉相位調(diào)製(XPM)產(chǎn)生XPM現(xiàn)象的物理機(jī)制與SPM類似，當(dāng)兩束或更多束光波在光纖中傳輸時(shí)，某通道的非線性相位變化不僅依賴於該通道的功率變化，而且與其他通道相關(guān)，從而引起較大的頻譜展寬。n2.3光纖的傳輸特性

(3)四波混頻(FWM)四波混頻是源於非線性折射率的參量過程，需要滿足相位匹配條件。從量子的觀點(diǎn)看，一個(gè)或幾個(gè)光子湮滅，同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)不同頻率的新光子，在參量過程中能量和動(dòng)量都守恆，動(dòng)量守恆即波向量守恆，就是相位匹配條件。四波混頻大致分為兩種情況，一種情況是三個(gè)光子合成一個(gè)新光子，其頻率為。當(dāng)時(shí)，對(duì)應(yīng)三次諧波，當(dāng),時(shí)，對(duì)應(yīng)頻率上轉(zhuǎn)換，由於在光纖中難以滿足相位匹配條件，實(shí)現(xiàn)有困難。n2.3光纖的傳輸特性另一種情況是頻率為,的光子湮滅，產(chǎn)生頻率為,的新光子。能量守恆，動(dòng)量守恆，在光纖滿足的條件相對(duì)容易些。四波混頻引起光波分複用(WDM)系統(tǒng)中複用通道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸品質(zhì)。光纖色散越小，複用通道波長(zhǎng)間隔越小，串?dāng)_越嚴(yán)重。這是因?yàn)橛腥核俣壬r(shí)，相位匹配條件難以滿足。在色散位移光纖中，相位匹配條件容易滿足，四波混頻嚴(yán)重，因此非零色散位移光纖應(yīng)運(yùn)而生。n2.4光纖的種類光纖的種類繁多，按光纖所用材料、折射率分佈、傳輸模式等，都可以對(duì)光纖進(jìn)行分類。從材料角度，可以分為石英光纖、多組分玻璃光纖、聚合物光纖、液心光纖等。從折射率分佈角度，可以分為階躍折射率光纖和梯度折射率光纖。從傳輸模式上，可以分為多模光纖和單模光纖。從用途上，可以分為常規(guī)通信光纖和特種光纖。n2.4光纖的種類

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)IEC60793—1—1的光纖分類方法，光纖可以分為A類和B類兩大類，A類為多模光纖，B類為單模光纖。它們的分類參見表2.1和表2.2。表2.1多模光纖的分類n類別材料類型折射率分佈指數(shù)g值A(chǔ)1玻璃心/玻璃包層梯度折射率1≤g≤3A2.1玻璃心/玻璃包層準(zhǔn)階躍折射率3≤g≤10A2.2玻璃心/玻璃包層階躍折射率10≤g≤

A3玻璃心/塑膠包層階躍折射率10≤g≤

A4聚合物光纖2.4光纖的種類表2.2單模光纖的分類下麵分別介紹多模光纖和單模光纖。n類別特點(diǎn)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)B1.1非色散位移光纖13101310,1550B1.2截止波長(zhǎng)位移光纖13101550B1.3波長(zhǎng)段擴(kuò)展的非色散位移光纖1300~13241310,1360~1530,1550B2色散位移光纖15501550B3色散平坦光纖1310,15501310,1550B4非零色散位移光纖＜15301530~15652.4光纖的種類n12.4.1多模光纖22.4.2單模光纖n2.4.1多模光纖從結(jié)構(gòu)上看，多模光纖有梯度多模光纖和階躍多模光纖，其折射率分佈函數(shù)如圖2.13所示。梯度多模光纖包括,,和四類，由多組分或摻雜石英玻璃製成，其具體分類參見表2.3。圖2.13多模光纖的折射率分佈2.4.1多模光纖表2.34種梯度多模光纖的性能及其應(yīng)用場(chǎng)合類型心/包層直徑工作波長(zhǎng)(nm)帶寬(MHz)數(shù)值孔徑損耗(dB/km)應(yīng)用場(chǎng)合A1a50/125850,1310200~15000.20~0.240.8~1.5資料鏈路、局域網(wǎng)A1b62.5/125850,1310300~10000.26~0.290.8~2.0資料鏈路、局域網(wǎng)A1c85/125850,1310300~10000.26~0.302.0局域網(wǎng)A1d100/125850,1310100~500.26~0.293.0~4.0局域網(wǎng)n2.4.1多模光纖階躍多模光纖包括,,三類9種，可用多組分玻璃或塑膠製成。其特點(diǎn)是纖心直徑大，數(shù)值孔徑大，可以有效地與發(fā)光二極體(LED)耦合，主要應(yīng)用於短距離資訊傳輸、樓內(nèi)局域網(wǎng)、感測(cè)器等。其具體分類參見表2.4。nn2.4.1多模光纖表2.4三類階躍多模光纖的特性光纖類型A2aA2bA2cA3aA3bA3cA4aA4bA4c心/包層直徑(

m)100/400200/300980/1000200/240200/380730/750200/280200/230480/500工作波長(zhǎng)(nm)850850650帶寬(MHz)≥10≥5≥10數(shù)值孔徑0.23~0.260.400.50衰減(dB/km)≤10≤10≤400典型適用長(zhǎng)度(m)200010001002.4.2單模光纖為了保證單模傳輸，光纖心徑必須很小，一般心直徑為8~10

，包層直徑為125。石英單模光纖衰減小，帶寬高，是理想的光通信介質(zhì)。為了解決色散以及非線性效應(yīng)對(duì)光纖傳輸性能的影響，人們專門研究開發(fā)了色散位移光纖、非零色散位移光纖、色散平坦光纖和色散補(bǔ)償光纖等。按色散波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)的位移與否，可以將單模光纖分為5類，參見表2.5。下麵分別介紹。n2.4.2單模光纖

表2.5單模光纖的分類n名稱ITU-T（國(guó)際通信聯(lián)盟）IEC非色散位移單模光纖G652:A,B,CB1.1色散位移單模光纖G653B2截止波長(zhǎng)位移單模光纖G654B1.2非零色散位移單模光纖G655:A,BB4色散平坦單模光纖

2.4.2單模光纖1．非色散位移單模光纖G652(SMF)G652光纖可細(xì)分為G652A,G652B和G652C三種。常規(guī)單模光纖的特點(diǎn)是：(1)波長(zhǎng)1310nm為色散零點(diǎn)；(2)波長(zhǎng)1550nm處衰減最小，約為0.22dB/km，色散係數(shù)的最大值為；(3)工作波長(zhǎng)可以在1310nm或1550nm。它廣泛用於數(shù)據(jù)通信。它的缺點(diǎn)是：波長(zhǎng)1550nm色散大，阻礙了高速率、遠(yuǎn)距離的應(yīng)用。n2.4.2單模光纖常規(guī)G652在1385nm附近有較高的水()吸收峰，數(shù)量級(jí)的就會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)dB/km的衰減，朗訊於1998年發(fā)佈了全波光纖(allwavefiber)。

2．色散位移光纖G653(DSF)色散位移光纖於1988年商用化，改變了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)即光纖折射率分佈的形狀，力求加大波導(dǎo)色散，使光纖色散係數(shù)零點(diǎn)從1310nm移到1550nm，實(shí)現(xiàn)了1550nm處最低衰減與零色散一致。n2.4.2單模光纖這種光纖適用於長(zhǎng)距離、大容量通信系統(tǒng)中。由於1550nm的零色散，四波混頻等非線性效應(yīng)嚴(yán)重，不適合用於波分複用系統(tǒng)。3．截止波長(zhǎng)位移單模光纖G654(WSF)1550nm截止波長(zhǎng)位移是非色散位移光纖，零色散波長(zhǎng)為1310nm，截止波長(zhǎng)在1550nm。衰減極小(≤)。選用純石英()作為纖心，摻氟包層，製造特別困難，價(jià)格昂貴。它主要用於長(zhǎng)距離，不能插入有源器件的無(wú)中斷海底光纖通信系統(tǒng)中。n2.4.2單模光纖

4．非零色散位移單模光纖G655(NDF)NDF是於1994年由朗訊與康寧公司為波分複用傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，在1550nm處有合理的低色散，足以支持10Gb/s系統(tǒng)的長(zhǎng)距離傳輸，又可以抑制四波混頻和交叉相位調(diào)製等非線性光學(xué)效應(yīng)，以滿足密集波分複用系統(tǒng)的要求。5．色散平坦單模光纖(DFF)DFF是於1998年商用化的，在1310~1550nm波長(zhǎng)範(fàn)圍內(nèi)都是低色散，有兩個(gè)零色散波長(zhǎng)1310nm和1550nm，折射率剖面結(jié)構(gòu)複雜、製造困難。n2.4.2單模光纖

6．色散補(bǔ)償光纖(DCF)隨著光纖放大器的應(yīng)用，衰減對(duì)光纖通信系統(tǒng)而言已經(jīng)不成問題，但色散嚴(yán)重阻礙了光纖從1310nm到1550nm的升級(jí)擴(kuò)容。色散補(bǔ)償光纖在1550nm處有很大的負(fù)色散係數(shù)，一般為-700~-50ps/(nm·km)。當(dāng)常規(guī)光纖由1310nm擴(kuò)容至1550nm，其色散為正值，在系統(tǒng)中加入一段負(fù)色散係數(shù)光纖，可以抵消1550nm處的正色散。各種石英單模光纖的色散係數(shù)如圖2.14所示。n2.4.2單模光纖

圖2.14石英單模光纖的色散係數(shù)n習(xí)題2.1有一種石英單模光纖，它的纖心直徑為8，工作波長(zhǎng)為1550nm，已知纖心折射率為1.460，試問此光纖包層的折射率應(yīng)為多少？2.2一種塑膠光纖在波長(zhǎng)650nm處的衰減係數(shù)，光纖中注入波長(zhǎng)為650nm,5mW的光功率，問經(jīng)過多少米傳輸，光功率衰減20dB？這時(shí)光功率是多少mW？2.3石英光纖的數(shù)值孔徑，對(duì)於波長(zhǎng)的光，光纖是單模的，問光纖的心直徑應(yīng)該是多少？

常見光無(wú)源器件n3.1光纖連接器光纖連接器可分為兩大類：活動(dòng)連接器和固定連接器。n13.1.1光纖活動(dòng)連接器23.1.2光纖固定連接器3.1.1光纖活動(dòng)連接器1．基本結(jié)構(gòu)及工作原理光纖活動(dòng)連接器基本上是採(cǎi)用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖心對(duì)接，保證95％以上的光能通過連接器。目前，活動(dòng)連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖3.1~圖3.5所示。

圖3.1套管結(jié)構(gòu)n3.1.1光纖活動(dòng)連接器

圖3.2雙錐結(jié)構(gòu)

圖3.4球面定心結(jié)構(gòu)

圖3.3V形槽結(jié)構(gòu)

圖3.5透鏡耦合結(jié)構(gòu)n3.1.1光纖活動(dòng)連接器套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。插針是一個(gè)帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖3.6所示。

圖3.6插針的結(jié)構(gòu)與主要尺寸n3.1.1光纖活動(dòng)連接器插針的精度要求是：外徑不圓度小於0.0005mm；外圓柱面光潔度為；微孔偏心量小於；插針端面為球面，其曲率半徑為20~60mm。套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)，如圖3.7所示。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器圖3.7套筒的結(jié)構(gòu)與尺寸套筒的精度要求是：內(nèi)孔光潔度為；拔插力為3.92~5.88N。開口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器光纖活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)上差別很大，品種也很多，但按功能可分成如下幾部分：(1)

連接器插頭(PlugConnector)：由插針體和若干外部零件組成。(2)

轉(zhuǎn)換器或適配器(Adapter)：即插座，可以連接同型號(hào)插頭，也可以連接不同型號(hào)插頭，可以連一對(duì)插頭，也可以連接幾對(duì)插頭或多心插頭。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器(3)

轉(zhuǎn)換器(Converter)：將某一種型號(hào)的插頭變換成另一種型號(hào)的插頭，由一種型號(hào)的轉(zhuǎn)換器加上另外其他型號(hào)的插頭組成。(4)

光纜跳線(CableJumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，稱為跳線。兩個(gè)插頭型號(hào)可以不同，可以是單心的，也可以是多心的。(5)

裸光纖轉(zhuǎn)換器(BareFiberAdapter):將裸光纖穿入裸光纖轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成一個(gè)插頭。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器2．主要性能指標(biāo)及測(cè)試方法(1)

插入損耗插入損耗是指光信號(hào)通過活動(dòng)連接器後，輸出光功率相對(duì)輸入光功率的分貝數(shù)，其運(yùn)算式為

(dB) (3.1)式中，為輸入光功率；為輸出光功率。插入損耗越小越好。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器(2)

回波損耗回波損耗又稱為後向反射損耗，是指光纖連接處，後向反射光功率相對(duì)入射光功率的分貝數(shù)，其運(yùn)算式為

(dB) (3.2)式中，為輸入光功率；為後向反射光功率。回波損耗越大越好。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器(3)

重複性和互換性重複性是指光纖活動(dòng)連接器多次插拔後，插入損耗的變化，用dB表示?；Q性是指連接器各部件互換時(shí)，插入損耗的變化，也用dB表示。n3.1.1光纖活動(dòng)連接器影響光纖活動(dòng)連接器插入損耗的因素很多，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：(1)兩個(gè)光纖纖心位置的錯(cuò)位，如圖3.8所示。實(shí)際有三種情況，即橫向錯(cuò)位、角度傾斜和端面間隙。

圖3.8光纖纖心位置的錯(cuò)位n3.1.1光纖活動(dòng)連接器(2)在兩個(gè)光纖端面之間，由於存在不同的介質(zhì)（如空氣），光在介質(zhì)之間多次反射，產(chǎn)生損耗，稱為菲涅耳反射引起的損耗，其運(yùn)算式為

(3.3)式中，。當(dāng)=1,=1.46時(shí)，。(3)由於兩根光纖纖心直徑不同，數(shù)值孔徑不同也會(huì)引起光纖連接器損耗。n3.1.2光纖固定連接器光纖固定連接器的作用是使一對(duì)或幾對(duì)光纖之間永久性的連接。製作固定接頭的方法有熔接法、V形槽法、毛細(xì)管法、套管法等。1．熔接法用熔接法制作固定連接器，是光纖固定連接的主要方法。它採(cǎi)用加熱的方法將光纖熔接在一起，只要操作得當(dāng)，熔接機(jī)設(shè)計(jì)合理，連接插入損耗很小，後向反射光近似為零，可以得到非常理想的光纖固定接頭。n3.1.2光纖固定連接器光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖3.9所示。其特點(diǎn)如下：

(1)電弧熔接(2)氫氧焰熔接(3)鐳射熔接圖3.9光纖熔接方法n3.1.2光纖固定連接器(1)電弧熔接

用高壓電極放電來(lái)加熱光纖，使之熔融連接，電弧放電和光纖的對(duì)準(zhǔn)可以由微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。電弧熔接是熔接法中應(yīng)用廣泛的方法。(2)氫氧焰熔接

用於一些特殊的場(chǎng)合，如海底光纜的光纖熔接，其特點(diǎn)是接頭強(qiáng)度高，但火焰的控制較為困難。(3)鐳射熔接如用雷射器加熱並熔接光纖，其特點(diǎn)是加熱環(huán)境非常乾淨(jìng)，接頭強(qiáng)度高，但設(shè)備昂貴。n3.1.2光纖固定連接器實(shí)現(xiàn)光纖熔接的設(shè)備是光纖熔接機(jī)，它由下述部分組成：(1)光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)；(2)光纖的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；(3)電弧放電機(jī)構(gòu)；(4)電弧放電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)。以下是詳細(xì)介紹。(1)光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)由精密V形槽和壓板構(gòu)成，精密V形槽的作用是使一對(duì)光纖不產(chǎn)生軸偏移，壓板使光纖固定在V形槽內(nèi)。n3.1.2光纖固定連接器(2)光纖的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)在熔接光纖之前，一般要通過手動(dòng)或自動(dòng)裝置使纖心完全對(duì)準(zhǔn)。常用如下三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖的對(duì)準(zhǔn)：①功率監(jiān)測(cè)②纖心直視③包層對(duì)準(zhǔn)(3)電弧放電機(jī)構(gòu)熔接機(jī)的電弧放電由兩根電極完成，電極由鉬絲製成。(4)電弧放電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)在電極放電過程中，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都由微處理機(jī)控制，按預(yù)定程式工作。n3.1.2光纖固定連接器2．其他固定連接方式(1)V形槽固定接頭這種接頭攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，不需要貴重的儀錶和設(shè)備。V形槽的結(jié)構(gòu)是多樣的，圖3.10為FMS-1型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3.10FMS-1型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖n3.1.2光纖固定連接器(2)毛細(xì)管固定接頭毛細(xì)管固定接頭一般採(cǎi)用玻璃材料製作，將兩根處理好的光纖從兩頭穿入玻璃毛細(xì)管內(nèi)，利用其精密內(nèi)孔使兩根光纖纖心對(duì)準(zhǔn)。在兩根光纖端面加入匹配液，消除菲涅爾反射。(3)套管式固定接頭與活動(dòng)連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒。插入損耗在0.1dB以下，回波損耗達(dá)45dB以上。n3.2光耦合器光耦合器(Coupler)是能使光信號(hào)在特殊結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)發(fā)生耦合，並進(jìn)行光功率再分配的器件。從功能上，可分為光功率分配器和光波長(zhǎng)分配（合/分波）耦合器。從端口形式上，可分為X形()、Y形()、星形(N×N,N＞2)以及樹形(1

×N,N＞2）耦合器。n3.2光耦合器從工作帶寬上，可分為單工作窗口的窄帶耦合器、單工作窗口的寬頻耦合器和雙工作窗口的寬頻耦合器。另外，由於傳導(dǎo)光模式的不同，又有多模光纖耦合器和單模光纖耦合器之分。

n

n13.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)23.2.2光耦合器的製作方法33.2.3耦合機(jī)理43.2.4波導(dǎo)型光耦合器53.2.5光波分複用器(WDM)和解複用器3.2光耦合器

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)1．插入損耗(InsertionLoss) (3.4)式中，為第i個(gè)輸出端口的插入損耗；為第i個(gè)輸出端口的光功率；為輸入的光功率。2．附加損耗(ExcessLoss) (3.5)插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)，而且與分光比有很大的關(guān)係。n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)3．分光比(CouplingRation)

(3.6)它是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo)。4．方向性(Directivity)方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo),是衡量器件定向傳輸特性的參數(shù)。以X形耦合器為例，方向性定義為耦合器正常工作時(shí)，輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)由2端輸出的光功率與全部注入的光功率(即圖3.11中1端注入的光功率)之比為

(3.7)

圖3.11X形耦合器的方向性n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)5．均勻性(Uniformity)對(duì)於要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），由於工藝局限，往往不可能做到絕對(duì)的均勻，用均勻性來(lái)衡量其不均勻程度：

(3.8)6．偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss)衡量器件對(duì)於傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈敏度。n

3.2.1描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)變化時(shí)，器件各輸出端輸出功率的最大變化量：

(3.9)

7．隔離度(Isolation)

(3.10)式中，為在第i個(gè)光路輸出端測(cè)到的其他輸出端光信號(hào)的功率；為輸入的光功率。n3.2.2光耦合器的製作方法光耦合器大致可分為分立元件組合型、全光纖型和平面波導(dǎo)型。1、早期採(cǎi)用分立光學(xué)元件（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）組合拼接。其耦合機(jī)理簡(jiǎn)單直觀，可用一般的幾何光學(xué)進(jìn)行描述。但損耗大，與光纖耦合困難，環(huán)境穩(wěn)定性較差。n3.2.2光耦合器的製作方法

2、全光纖耦合器，即直接在兩根（或兩根以上）光纖之間形成某種形式的耦合。全光纖耦合器的發(fā)展：（1）最早是Sheem和Giallorenzi發(fā)明的蝕刻法（2）

Bergh等人發(fā)明了光纖研磨法，（3）研磨結(jié)束後，在研磨面上加一小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合器。n3.2.2光耦合器的製作方法（4）20世紀(jì)80年代初，人們開始用光纖熔融拉錐法制作單模光纖耦合器，已成為當(dāng)前製作光耦合器的主要方法。3、集成化是未來(lái)光纖通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。利用平面光波導(dǎo)製作的光耦合器具有體積小，分光比控制精確，易於大批生產(chǎn)等特點(diǎn)。n3.2.2光耦合器的製作方法熔融拉錐法是：將兩根（或兩根以上）除去塗覆層的光纖以一定方式靠近，在高溫下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。熔融拉錐製作系統(tǒng)的示意圖如圖3.12所示。圖3.12熔融拉錐製作系統(tǒng)示意n3.2.2光耦合器的製作方法熔融拉錐型全光纖耦合器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)極低的附加損耗，對(duì)於X形或Y形耦合器（參見表3.1），附加損耗小於0.05dB。

表3.1

標(biāo)準(zhǔn)X,Y型全光纖耦合器的典型性能指標(biāo)

指標(biāo)單模2(1)×2工作波長(zhǎng)1310,1550nm附加損耗≤0.1dB分光比容差分光比方向性＞60dB工作溫度-40°C~85°Cn3.2.2光耦合器的製作方法(2)方向性好，一般達(dá)到60dB，保證了傳輸光信號(hào)的定向性，減小了線路之間的串?dāng)_。(3)良好的環(huán)境穩(wěn)定性，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，在-40℃~85℃溫度範(fàn)圍內(nèi)耦合器可以保證穩(wěn)定工作。(4)控制方法簡(jiǎn)單、靈活，不僅可以方便地改變器件的性能參數(shù)，還能製作具有不同功能的其他器件。(5)製作成本低，適於批量生產(chǎn)。表3.1給出了標(biāo)準(zhǔn)X，Y型全光纖耦合器的典型性能指標(biāo)。n3.2.3耦合機(jī)理1．單模光纖耦合器在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個(gè)正交的基模(模)，耦合器中光場(chǎng)強(qiáng)分佈如圖3.13所示。圖3.13耦合器中光